運動誘導(dǎo)miRNAs 調(diào)控線粒體自噬的研究進(jìn)展*

劉 源

（山東建筑大學(xué)，山東 濟南 250101）

線粒體自噬作為選擇性自噬的一種，可以通過自噬途徑選擇性地進(jìn)行清除線粒體，細(xì)胞利用線粒體自噬途徑消除具有功能障礙的線粒體，進(jìn)而適應(yīng)應(yīng)激環(huán)境并維持胞內(nèi)內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定[1]。miRNAs 是近年來發(fā)現(xiàn)對基因和蛋白有所調(diào)控并參與機體內(nèi)的一些生理過程的短鏈非編碼的RNA，與心臟疾病以及癌癥的防治具有較高的關(guān)聯(lián)性。近年來研究發(fā)現(xiàn)，miRNAs 可以調(diào)控線粒體自噬，同時一些學(xué)者研究表明，運動誘導(dǎo)對miRNA 調(diào)控線粒體自噬具有顯著性影響，但是具體的機制還不明了[2,3]。本文通過綜述miRNAs 對線粒體自噬的正向調(diào)控作用以及運動誘導(dǎo)miRNAs 對線粒體自噬的影響，探討miRNAs 對線粒體自噬的分子機制及生理學(xué)意義，展望線粒體自噬的研究前景，給科研人員提供一個新思路，為疾病的防治提供新的參考。

1 線粒體自噬

線粒體自噬是細(xì)胞內(nèi)的線粒體在應(yīng)急作用下出現(xiàn)去極化損傷，受損線粒體被特異性包裹進(jìn)入自噬體，再與溶酶體融合后進(jìn)行降解維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的過程。線粒體自噬主要包括四個階段[4,5]：前期（受到損傷的線粒體會改變其通透性，產(chǎn)生去極化，從而導(dǎo)致相關(guān)蛋白活化），早期（自噬小體包裹受到損傷的線粒體形成線粒體自噬小體），中期（線粒體自噬小體與溶酶體相結(jié)合，形成成熟的線粒體自噬溶酶體），末期（溶酶體降解線粒體）。線粒體自噬的發(fā)生在執(zhí)行過程中受到多種因子的精密調(diào)節(jié)，比如Parkin 蛋白、PINK1蛋白、NIX 蛋白以及自噬相關(guān)分子(Atg32、Atg33、Uth1 和Aup1 等) 等，都在線粒體自噬中起著關(guān)鍵作用。

2 miRNAs

miRNAs 結(jié)合到mRNAs 的3′端區(qū)域，抑制mRNA 翻譯，促進(jìn)mRNA 降解。最早在1993 年，研究秀麗隱桿線蟲的Lee等人發(fā)現(xiàn)了第一個miRNA，一種可以時序性調(diào)控其生長發(fā)育的小分子非編碼RNA，命名為Lin-4[6]。但是，當(dāng)時的研究人員認(rèn)為Lin-4 是秀麗隱桿線蟲所特有的，并沒有意識到miRNAs的重要性。直到7 年后，有人發(fā)現(xiàn)了另外一個和Lin-4具有類似結(jié)構(gòu)的小分子Let-7，發(fā)現(xiàn)了miRNAs 廣泛存在于多個物種體內(nèi)，人們終于開始認(rèn)清miRNAs 的作用。通過研究觀察到了miRNAs 的獨特特點：1 個miRNA 能同時調(diào)控多個基因，1 個基因也可同時受多個miRNAs 調(diào)控[7]。

3 miRNAs 與線粒體自噬的關(guān)系

3.1 miRNAs 與PINK1/Parkin 介導(dǎo)的線粒體自噬

最初，miR-27a 和miR-27b 被證明在翻譯水平上調(diào)控PINK1 的表達(dá)，隨后研究發(fā)現(xiàn)，它們還能降低有絲分裂效率。有研究證明miR-27a、b 表達(dá)可以減少受損線粒體中的泛素磷酸化、帕金森染色體易位和LC3-II 積累[8]，而miR-181a通過靶向Parkin，阻斷線粒體和自噬體的共定位，成為另一種線粒體抑制劑，能夠通過降低Parkin 表達(dá)，延緩線粒體自噬[9]。

3.2 miRNAs 與缺氧介導(dǎo)的線粒體自噬

2014 年，一項研究揭示了miR-137 與缺氧介導(dǎo)的線粒體自噬之間的聯(lián)系。miR-137 是一種新型的低氧反應(yīng)miRNAs，通過調(diào)控FUNDC1 和NIX 兩種線粒體自噬受體來抑制線粒體自噬。miR-137 破壞線粒體自噬受體與LC3 的結(jié)合，從而抑制線粒體靶向自噬[10]。Li 等人[11]發(fā)現(xiàn)，由于miR-137的過表達(dá)而導(dǎo)致的線粒體自噬缺陷，可以通過重新引入缺少miR-137 配對位點的FUNDC1 和NIX 表達(dá)結(jié)構(gòu)來修復(fù)。

3.3 損傷介導(dǎo)的miRNAs 和線粒體自噬

脊髓損傷。Liu 等人[12]推測，線粒體自噬在脊髓損傷中具有保護作用。他們特別證明了在脊髓缺血再灌注的大鼠中，miR-124 的下調(diào)通過增加線粒體自噬來保護脊髓損傷。為了了解miR-124 對有絲分裂的抑制機制，還需要進(jìn)行在脊髓損傷后miR-124 的哪些靶點可能被抑制的相關(guān)研究。

心臟損傷。線粒體功能障礙在心臟系統(tǒng)中是至關(guān)重要的。楊等人[13]證實miR-410 通過調(diào)節(jié)靶向基因HMGB1 活性，抑制心臟缺血再灌注損傷后的線粒體自噬，在心臟缺血再灌注損傷小鼠模型中進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，miR-410 表達(dá)顯著上調(diào)，并伴有線粒體功能下降和線粒體自噬缺失。在缺氧/復(fù)氧刺激的HACM 中，miR-410 的表達(dá)顯著增加。miR-410 過表達(dá)進(jìn)一步抑制細(xì)胞活力，ATP 產(chǎn)生，線粒體膜電位和線粒體水平，并增加caspase-3 活性，Bax 表達(dá)和細(xì)胞色素c 釋放。相反，對miR-410 的抑制會減弱這些效果。發(fā)現(xiàn)在體內(nèi)心臟缺血再灌注損傷過程中，缺血心肌組織中miR-410 表達(dá)升高，線粒體功能下降，缺氧/復(fù)氧誘導(dǎo)miR-410 表達(dá)升高，導(dǎo)致HACMs 中有缺陷的線粒體自噬。HMGB1 是miR-410 的直接靶點之一，HMGB1 通過調(diào)節(jié)HSPB1 在HACMs 中的活性，影響線粒體自噬，提高細(xì)胞活力和線粒體功能。調(diào)控miR-410表達(dá)可能是通過HMGB1/HSPB1 依賴的有絲分裂作用靶向治療心臟缺血再灌注誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞損傷。過表達(dá)miR-410促進(jìn)了這些細(xì)胞活力和線粒體自噬的改變，而抑制miR-410部分減弱了缺氧/復(fù)氧處理帶來的這些影響。miR-410 可能通過直接靶向HMGB1，通過HSPB1 活性調(diào)節(jié)心臟缺血再灌注損傷后的線粒體自噬。因此，探索miRNAs 與線粒體自噬的關(guān)系，為調(diào)節(jié)心臟缺血再灌注相關(guān)心臟疾病開辟了新的途徑。

肝損傷。BDE-47 通過阻斷PINK1 介導(dǎo)的線粒體自噬，誘導(dǎo)小鼠肝臟線粒體功能障礙積累，從而在肝臟損傷中發(fā)揮作用。在此背景下，miR-34a-5p 通過靶向小鼠肝臟NAMPT的表達(dá)、減少NAD 的產(chǎn)生，促進(jìn)氧化損傷介導(dǎo)線粒體自噬損傷。因此，miR-34a-5p 介導(dǎo)的線粒體自噬缺陷成為BDE-47毒性治療干預(yù)的潛在靶點[14]。

3.4 miRNA 和線粒體自噬與炎癥有關(guān)

脂肪炎癥。在肥胖的背景下，miR-103 通過下調(diào)腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子3 來阻斷線粒體自噬，是脂肪炎癥的陽性反應(yīng)因子，為改善肥胖中的脂肪炎癥提供新的機會[15]。

面部神經(jīng)炎癥。炎癥反應(yīng)參與了面部神經(jīng)的發(fā)展。Liu等人[16]探討線粒體自噬在腫瘤壞死因子（TNF）導(dǎo)致面部神經(jīng)損傷中的作用，他們發(fā)現(xiàn)TNF 小鼠通過降低Bnip3 的表達(dá)，誘導(dǎo)SH-SY5Y 細(xì)胞凋亡，抑制線粒體自噬。功能研究表明，miR-145 抑制Bnip3 的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，導(dǎo)致有絲分裂抑制。在此背景下，miR-145/Bnip3/線粒體自噬這一通路可能被認(rèn)為是治療面神經(jīng)炎的一個潛在靶點。

抗病毒信號通路。在先天免疫應(yīng)答中，miR-33 在防御病原體中發(fā)揮重要作用，它靶向腺苷單磷酸活化蛋白激酶，阻礙線粒體接頭線粒體抗病毒信號蛋白形成活性聚集物，反過來抑制線粒體自噬并產(chǎn)生不平衡的線粒體穩(wěn)態(tài)，這是有效的抗病毒信號蛋白激活所必需的。因此，miR-33 應(yīng)該是RNA病毒觸發(fā)的先天免疫應(yīng)答的負(fù)調(diào)控因子[17]。

3.5 miRNA、自噬與癌癥

近年來，人們發(fā)現(xiàn)了miRNAs、線粒體自噬和癌癥之間的一些聯(lián)系，突顯了癌癥預(yù)防或治療方面一些潛在的新策略。線粒體動力學(xué)在癌癥中是一個高度放松的過程。Purhoit等[18]研究表明，miR-195 通過靶向線粒體融合蛋白2 在乳腺癌細(xì)胞中發(fā)揮促凋亡作用，導(dǎo)致線粒體分裂和乳腺癌細(xì)胞死亡。其中值得注意的是，在此背景下線粒體數(shù)量減少，但PINK1 沒有增加，雖然在這個研究中誘導(dǎo)線粒體自噬的精確路徑需要澄清，但驗證了miR-195 的表達(dá)可用于治療乳腺癌。

基于干細(xì)胞療法對治療癌癥在內(nèi)的各種人類疾病很有吸引力。在可用于這一目的的細(xì)胞類型中，間充質(zhì)干細(xì)胞是被人們所看好的干細(xì)胞來源。已有研究表明，miR-155 干擾了間充質(zhì)干細(xì)胞的線粒體自噬，特別是miR-155 靶向與Bcl-2 相關(guān)BAG5，它破壞了PINK1 激酶的穩(wěn)定，從而破壞了線粒體自噬，從而對腫瘤產(chǎn)生了影響[19]。此外，由于癌癥干細(xì)胞通常對抗癌治療具有耐藥性，調(diào)節(jié)它們的生存能力變得非常有吸引力。Zang 等[20]研究表明，過表達(dá)miR-1 通過靶向GPD2、MINOS1 基因，并與LRPPRC 蛋白相互作用，誘導(dǎo)腫瘤干細(xì)胞線粒體損傷，這表明miR-1 介導(dǎo)的線粒體形態(tài)反射可能是調(diào)節(jié)癌癥干細(xì)胞存活率的一種策略。在小鼠矽肺模型中，已經(jīng)證實miR-1224-5p 在硅誘導(dǎo)肺纖維化的肺組織和暴露于TGF-1 的成纖維細(xì)胞中表達(dá)增加。抑制miR-1224-5p表達(dá)可減輕體內(nèi)硅膠誘導(dǎo)的纖維化進(jìn)展和體外TGF-1 誘導(dǎo)的肌成纖維細(xì)胞分化。miR-1224-5p 主要通過抑制靶基因Beclin 1，從而阻斷Parkin 轉(zhuǎn)位到線粒體和阻止受損線粒體的積累來促進(jìn)二氧化硅誘導(dǎo)的肺纖維化。這些數(shù)據(jù)表明，miR-1224-5p 在二氧化硅誘導(dǎo)的肺纖維化中發(fā)揮關(guān)鍵作用，可能是肺腫瘤的潛在治療靶點[21]。最后，由于產(chǎn)生ROS 是殺死癌細(xì)胞的一種策略，Guo 等人[22]提出了一種通過miR-346預(yù)防或治療癌癥的新策略，他們發(fā)現(xiàn)在毒胡蘿卜素處理誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激后，miR-346 的表達(dá)增加，又證明了miR-346 通過自噬依賴機制降低內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激后HeLa 細(xì)胞的凋亡。特別是，他們發(fā)現(xiàn)miR-346 有利于GSK 蛋白的表達(dá)，該蛋白干擾其抑制劑Bcl-2 的Beclin 1，有利于自噬途徑減少ROS的產(chǎn)生，表明miR-346 降低Bcl-2 可能是癌癥預(yù)防或治療的一種治療策略?？傊?，由多種病理狀態(tài)如脊髓、心臟或肝臟損傷、炎癥或癌癥引起的線粒體自噬過程被miRNAs 廣泛控制。

4 運動誘導(dǎo)miRNAs 調(diào)控線粒體自噬

運動可以產(chǎn)生心肌保護效應(yīng)使心臟更加的健康，運動還可以促進(jìn)細(xì)胞增殖抑制心肌細(xì)胞凋亡，現(xiàn)階段發(fā)現(xiàn)這與線粒體自噬有關(guān)，而miRNAs 參與其機制的調(diào)控。miRNAs 的發(fā)現(xiàn)為解釋運動調(diào)控線粒體自噬這一命題提供了新視角。有研究表明，常氧運動和低氧運動誘導(dǎo)都可以對miRNAs 調(diào)控線粒體自噬具有促進(jìn)作用，如常氧運動可以介導(dǎo)miR-34a、miR-30b 等調(diào)控線粒體自噬，低氧運動可以介導(dǎo)miR-223、miR-210 等調(diào)控線粒體自噬[23-25]。

4.1 常氧運動與線粒體自噬

常氧運動可通過調(diào)節(jié)miRNAs 的表達(dá)抑制病理性心臟重塑，改善心臟功能，產(chǎn)生良好的心臟保護效應(yīng)。miRNAs 可通過影響細(xì)胞周期相關(guān)蛋白的表達(dá)調(diào)節(jié)心肌的增殖、凋亡和線粒體自噬過程，進(jìn)而影響心肌細(xì)胞的數(shù)量。游泳是一種很好的有氧耐力運動，Zhao 等人[26]采用8 周游泳訓(xùn)練抑制小鼠心肌細(xì)胞凋亡以及促進(jìn)線粒體自噬發(fā)現(xiàn)，miR-30b 的表達(dá)增加了32%。得出了運動可通過調(diào)節(jié)miRNA，減輕糖尿病、心肌梗死等疾病誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡、心肌纖維化，抑制病理性心臟重塑，改善心肌功能障礙的結(jié)論。這個證實了miR-30b 通過調(diào)節(jié)P53 抑制心肌細(xì)胞的凋亡以及促進(jìn)線粒體自噬，但是具體機制還需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。而Ramasamy等人[27]也使用大鼠進(jìn)行游泳訓(xùn)練觀察miR-30 的表達(dá)對線粒體自噬的影響，讓8 周齡大鼠連續(xù)游泳8 周，每周90 分鐘，每天兩次。對照大鼠每周游泳兩次，每次5 分鐘，八周的訓(xùn)練后，發(fā)現(xiàn)張力蛋白II 在心肌細(xì)胞中誘導(dǎo)miR-30e 顯著上調(diào)，和以往研究的張力蛋白II 在心肌細(xì)胞中誘導(dǎo)miR-30下調(diào)不一致。綜上所述，運動、miRNAs 以及線粒體自噬這三者之間關(guān)系的研究還處于起步階段，還需要進(jìn)一步探究。

4.2 低氧運動與線粒體自噬

低氧運動誘導(dǎo)的線粒體自噬是miRNAs 通過抑制NIX 和FUNDC1 這兩個線粒體自噬受體的表達(dá)實現(xiàn)的[28]。NIX 是Parkin 移位至線粒體的關(guān)鍵成分，而miRNAs 能抑制線粒體蛋白，還能抑制Parkin 從胞質(zhì)轉(zhuǎn)位至線粒體，從而減弱了線粒體自噬的程度。Liu 等人[29]通過心肌梗死雄性SD 大鼠模型，進(jìn)行miR-223 是否參與調(diào)節(jié)心臟缺血誘導(dǎo)損傷實驗。發(fā)現(xiàn)了miR-223 在心力衰竭大鼠心肌組織中的表達(dá)水平顯著升高，這種情況的出現(xiàn)可能是與慢性缺血有關(guān)。而miR-223 表達(dá)的升高，可以保護細(xì)胞免于低氧運動誘導(dǎo)的凋亡和過度線粒體自噬。降低miR-223 表達(dá)具有對比效應(yīng)，可以進(jìn)一步的探索。Wang 等人[30]試驗后發(fā)現(xiàn)miR-210 的表達(dá)與血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）顯著相關(guān)。細(xì)胞學(xué)檢測顯示低氧誘導(dǎo)miR-210 表達(dá)，可以降低ephrin-A3 蛋白的表達(dá)。PCR結(jié)果顯示大鼠神經(jīng)許旺細(xì)胞（RT4-D6P2T）在常氧運動條件下miR-210 啟動子區(qū)域發(fā)生高甲基化，而在低氧運動條件下則去甲基化。細(xì)胞功能研究表明低氧運動導(dǎo)致RT4-D6P2T細(xì)胞凋亡，甚至是線粒體自噬和侵襲。為了解miR-210 的特異性功能，Wang 等人[30]還發(fā)現(xiàn)低氧運動通過啟動子去甲基化促進(jìn)miR-210 表達(dá)會減弱細(xì)胞凋亡和促進(jìn)線粒體自噬，增加腫瘤細(xì)胞血管生成，而miR-210 在抑制的情況下，腫瘤細(xì)胞凋亡增加，線粒體自噬和血管生成減少，細(xì)胞周期被阻滯。因此，miR-210 可能成為判斷腫瘤惡性程度的潛在指標(biāo)，可作為神經(jīng)鞘瘤臨床輔助治療的有效指標(biāo)。

綜上所述，常氧運動和低氧運動都可以介導(dǎo)miRNAs 調(diào)控線粒體自噬。運動介導(dǎo)可以影響miR-30 家族來抑制相關(guān)靶蛋白，從而促進(jìn)線粒體自噬和調(diào)控細(xì)胞凋亡。低氧運動促進(jìn)miR-223 和miR-210 表達(dá)的上調(diào)，來抑制其相關(guān)靶蛋白，促進(jìn)線粒體自噬，調(diào)控細(xì)胞凋亡和細(xì)胞增殖。但是，運動誘導(dǎo)miRNAs 調(diào)控線粒體自噬的研究還處于起步階段，其具體機制還有待進(jìn)一步探究。

5 總結(jié)與展望

miRNAs 通過調(diào)控靶基因的表達(dá)進(jìn)而調(diào)控線粒體自噬的水平，可以有效防治炎癥、免疫、腫瘤、神經(jīng)類等疾病。目前研究表明miRNAs 可以通過靶向作用于ATG、Bcl-2、Beclin-1 等線粒體自噬相關(guān)蛋白影響線粒體自噬，同時也有研究表明運動干預(yù)能有效改善線粒體自噬，但目前對于運動誘導(dǎo)miRNAs 調(diào)控線粒體自噬的研究仍不充分，還需要進(jìn)一步研究運動誘導(dǎo)miRNAs 對線粒體自噬的激活機制以及長期運動下線粒體自噬適應(yīng)性變化及原因，為探討運動有益于健康提供更多重要依據(jù)。