運(yùn)動介導(dǎo)miRNA調(diào)控阿爾茨海默癥的研究進(jìn)展

陳 思，朱 磊

阿爾茨海默癥（AD）是全球范圍內(nèi)備受關(guān)注的健康問題。它是一種神經(jīng)退行性疾病，其病理特征被認(rèn)為是細(xì)胞外β－淀粉樣蛋白沉積和tau過度磷酸化（p－tau）引起的神經(jīng)纖維纏結(jié)。由于發(fā)病機(jī)制尚不清楚，目前還沒有有效的治療方法。近期研究成果表明：miR－29、miR－132、miR－146a、miR－34a等miRNA可以在靶基因轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)AD患者機(jī)體病理現(xiàn)象。運(yùn)動在改善AD的同時，與miRNA的表達(dá)也存在微妙的關(guān)系。因此，本文綜述了miRNA與AD的關(guān)系以及運(yùn)動對AD的影響，探討運(yùn)動介導(dǎo)miRNA對AD的影響，以期為阿爾茨海默癥方面的研究提供更廣闊的前景。

1 miRNA的概述

microrna（miRNA）代表一類約19～23核苷酸（nt）的單鏈非編碼RNA（sncRNA），是信使RNA（mRNA）轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)因子。微小體積、兩親性、高溶解度使它們具有極強(qiáng)的流動性，存在于大腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng)，是真核生物中攜帶核酸信號分子的最小信息載體。這些miRNA的主要作用方式是通過堿基對互補(bǔ)性與mRNA的3’－非翻譯區(qū)（3’－UTR）相互作用，降解該mRNA，從而降低該特定mRNA表達(dá)的可能性［1］。近年來，大量研究表明，與對照組相比，一些神經(jīng)退行性疾病的miRNA水平發(fā)生了改變，多個miRNA在AD患者中上調(diào)或下調(diào)。這些發(fā)現(xiàn)引起了科學(xué)界的興趣，并開辟了兩個主要的研究領(lǐng)域，即miRNA作為AD的生物標(biāo)記物和miRNA作為AD的治療靶點(diǎn)。

2 miRNA對阿爾茨海默癥的調(diào)控

總體來說，miRNA可以改善阿爾茨海默癥的多種致病機(jī)制。miR－29可以降低淀粉樣斑塊生成、miR－132能夠調(diào)節(jié)突觸障礙和tau蛋白磷酸化、miR－146a主要降低炎癥反應(yīng)、miR－34a可通過多個靶基因影響神經(jīng)元存活和突觸功能。

2.1 miR－29對阿爾茨海默癥的調(diào)控

miR－29家族包括miR－29a，miR－29b和miR－29c。通過使用miRNA基因的直接克隆策略，Lagos－quintana于2001年首次成功克隆了miR－29a［2］，隨后，相繼獲得了家族成員miR－29b和miR－29c。miR－29家族在心血管組織和血管內(nèi)皮細(xì)胞的各個部位都具有調(diào)節(jié)活性，也在細(xì)胞增殖和凋亡、代謝功能等方面起著調(diào)節(jié)作用［3］。大量研究表明，miR－29是與阿爾茨海默癥密切相關(guān)的小分子RNA家族。Hébert等發(fā)現(xiàn)miR－29a、－29b－1和－9可以在體外調(diào)節(jié)BACE1的表達(dá)。AD的一大病理特征是淀粉樣蛋白的沉積，淀粉樣斑塊主要由聚集的Aβ組成，Aβ是通過β－分泌酶（BACE1）和γ－分泌酶（PSEN／早老素）酶對β－淀粉樣前體蛋白（APP）的蛋白水解作用而產(chǎn)生的。在BACE1蛋白異常高的AD患者中，miR－29a／b－1顯著減少［4］。Zong等也進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)microRNA－29c（miR－29c），在APPswe／PSΔE9小鼠腦中富集并且中高度表達(dá)，在體外和轉(zhuǎn)基因miR－29c小鼠中降低BACE1蛋白，認(rèn)為miR－29c可能是BACE1蛋白表達(dá)的靶基因［5］。在另一項研究中，將富含miR－29的外泌體移植到AD的Aβ大鼠模型的海馬區(qū)中，結(jié)果改善了動物在空間學(xué)習(xí)和記憶方面的某些不足［6］。

2.2 miR－132對阿爾茨海默癥的調(diào)控

miR－132是腦內(nèi)最豐富的miRNA之一，位于CRE位點(diǎn)的下游，并處于CREB／CRE轉(zhuǎn)錄途徑的控制之下［7］。cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（CREB）是神經(jīng)退行性疾病中多種生理過程的關(guān)鍵組成部分，包括神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育，細(xì)胞存活，可塑性以及學(xué)習(xí)和記憶［8］。miR－132位點(diǎn)的缺失會降低新生海馬神經(jīng)元樹突分支長度和棘密度，損害新生神經(jīng)元的整合，并減少成年海馬的突觸形成［9］。在對AD患者血漿中分離出的神經(jīng)外泌體進(jìn)行分析后，Cha等證明了miR－132是AD中一個下調(diào)的miRNA［10］。miR－132的下調(diào)加重了AD小鼠的淀粉樣蛋白tau病理［11］，并且它調(diào)節(jié)了肌醇1，4，5－三磷酸3激酶B（ITPKB）的表達(dá)，ITPKB是BACE1活性和tau磷酸化的調(diào)節(jié)劑。但也有研究對人類死后腦樣本和神經(jīng)元細(xì)胞樣本進(jìn)行定量實(shí)時聚合酶鏈反應(yīng)（qRT－PCR）評估出AD和輕度認(rèn)知（MCI）組中miR－132的表達(dá)比起對照組明顯更高［12］。對于此Hansen等認(rèn)為miR－132的更高表達(dá)（約增加了五倍）會損害學(xué)習(xí)和記憶，但小幅增加（約1.5倍）有助于促進(jìn)與記憶相關(guān)的行為任務(wù)的表現(xiàn)。

2.3 miR－146a對阿爾茨海默癥的調(diào)控

microRNA－146a－5p（miR－146a）是一種高度保守的miRNA，廣泛存在于神經(jīng)系統(tǒng)中，以其在免疫應(yīng)答和炎癥途徑中的重要調(diào)節(jié)作用而聞名。先前報道在AD早期、中期和晚期上顳葉新皮質(zhì)和海馬CA1區(qū)，幾種不同類型的人腦和原代培養(yǎng)的視網(wǎng)膜細(xì)胞中以及5種不同的AD轉(zhuǎn)基因小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，miRNA－146a顯著表達(dá)，并且隨著AD嚴(yán)重程度的加重而顯著增加［13］。Liang等確認(rèn)了miR－146a對AD小膠質(zhì)細(xì)胞功能的有益調(diào)節(jié)作用，小膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)miR－146a的表達(dá)可抑制破壞性促炎反應(yīng)，促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞的保護(hù)性吞噬反應(yīng)，從而直接或間接保護(hù)鄰近神經(jīng)元［14］。除小膠質(zhì)細(xì)胞外，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子（STAT1）也可通過增加促炎癥介質(zhì)的表達(dá)而誘導(dǎo)炎癥，還能通過觸發(fā)轉(zhuǎn)錄激活細(xì)胞凋亡調(diào)節(jié)基因（如半胱天冬酶、死亡受體和配體）造成細(xì)胞凋亡［15］。同時，MYC可能通過細(xì)胞周期機(jī)制的異位激活而導(dǎo)致神經(jīng)退行性變［16］。此外，據(jù)報道，STAT1的抑制伴隨著MYC表達(dá)的降低，綜合上述證據(jù)和Ma等的細(xì)胞實(shí)驗結(jié)果，miR－146a的抑制可能通過抑制STAT1／MYC通路來減輕細(xì)胞凋亡和炎癥，提高神經(jīng)突起的生長［17］。

2.4 miR－34a對阿爾茨海默癥的調(diào)控

最近的一些研究將miR－34a與神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)病理過程聯(lián)系起來，miR－34a在大腦中的豐度及其在神經(jīng)元基因表達(dá)調(diào)控中的作用提示了它在神經(jīng)元相關(guān)的活動／作用［18］。miR－34a在細(xì)胞和動物模型中已經(jīng)被證明與AD病理學(xué)有關(guān)。在APPswe／PSΔE9雙轉(zhuǎn)基因AD小鼠模型中發(fā)現(xiàn)其上調(diào)，并且在此研究中認(rèn)為miR－34a靶向Bcl－2損害神經(jīng)元存活［19］。Sarkar等證實(shí)SIRT1 mRNA是miR－34a的靶標(biāo)，強(qiáng)力誘導(dǎo)的miR－34a表達(dá)會降低SIRT1的水平，SIRT1功能的喪失會通過下調(diào)環(huán)狀A(yù)MP反應(yīng)結(jié)合蛋白（CREB）和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）的表達(dá)而導(dǎo)致記憶力和突觸可塑性受損［20］。在另一項研究中，Xu等通過使用TargetScan，將NMDA受體miR－34a－5p鑒定為miR－34a－5p的靶基因，將AMPA受體miR－34a－3p鑒定為miR－34a－3p的靶基因，AMPA受體和NMDA受體在突觸膜上的動態(tài)轉(zhuǎn)運(yùn)是突觸可塑性的關(guān)鍵，因此可以認(rèn)為miR－34a通過調(diào)節(jié)NMDA和AMPA受體的表達(dá)來降低突觸強(qiáng)度，從而導(dǎo)致了AD的突觸功能障礙［21］。從這些研究來看miR－34a的靶基因很多，它可通過多途徑來調(diào)控阿爾茨海默癥。

3 運(yùn)動對阿爾茨海默癥的調(diào)節(jié)

保持適當(dāng)和有規(guī)律的體育鍛煉習(xí)慣是預(yù)防許多疾病的有力因素，也有助于管理現(xiàn)有的病理狀況。據(jù)估計，全世界所有AD病例中約有13%（分別在美國和歐洲分別高達(dá)21%和31%）可能是由于缺乏運(yùn)動［22］。相比之下，據(jù)報道高水平體力活動有利于延緩疾病的進(jìn)展并降低其嚴(yán)重程度［23］。因此進(jìn)一步將運(yùn)動分為主動運(yùn)動和被動運(yùn)動兩類去探討與阿爾茨海默癥的關(guān)系。

3.1 主動運(yùn)動

回顧性流行病學(xué)研究表明，刺激性活動，特別是高水平的教育，對精神有要求的職業(yè)，以及一生中具有挑戰(zhàn)性／積極的休閑和體育活動，與癡呆癥的發(fā)生率降低相關(guān)。但研究均基于自我報告的運(yùn)動頻率，這可能代表分析過程中的潛在偏見。為了解決這個問題，并確保至少在臨床研究中有較好的重現(xiàn)性和可比性，豐富環(huán)境（EE）模式被廣泛應(yīng)用，在EE條件下，嚙齒類動物通常成群飼養(yǎng)在較大的籠子里，并配有跑輪，玩具和筑巢材料［24］，這會產(chǎn)生社交，身體和認(rèn)知刺激等，使動物在籠子內(nèi)可自發(fā)、自愿和自由地進(jìn)行身體活動和運(yùn)動。將轉(zhuǎn)基因小鼠模型暴露在豐富的環(huán)境中4個月，12個月大時的行為測試顯示，與久坐的小鼠相比，在強(qiáng)化條件下飼養(yǎng)的小鼠表現(xiàn)出更好的空間記憶，此外，豐富環(huán)境組海馬中老年斑的總密度降低了69.2%［25］。在眾多病因?qū)W說中，除了淀粉樣蛋白斑塊是AD病理的主要標(biāo)志外，還包括tau蛋白的過度磷酸化。Hu等首次表明在豐富的環(huán)境中經(jīng)歷后，APPswe／PS1ΔE9小鼠大腦中的PHF－1免疫反應(yīng)性（指示tau磷酸化）顯著降低［26］。β淀粉樣蛋白聚積形成老年斑和過度磷酸化的tau蛋白形成神經(jīng)纖維纏結(jié)，最終導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙和死亡，在這些損害過程當(dāng)中都有自由基參與，自由基在AD患者體內(nèi)大量產(chǎn)生造成氧化應(yīng)激，自愿體育鍛煉已被證明可以降低人類和動物的外周氧化應(yīng)激和老年動物的腦氧化損傷，從而揭示神經(jīng)／心臟保護(hù)能力。Herring等證明，4個月的連續(xù)和多樣化的環(huán)境刺激（包括以自愿輪跑的形式增強(qiáng)的體力活動）可降低TgCRND8小鼠的腦氧化應(yīng)激。具體而言，可以檢測到氧化損傷的生物標(biāo)志物，即硝基酪氨酸和羰基化蛋白的減少［27］。

3.2 被動運(yùn)動

非自愿、主動的運(yùn)動方式也被大量應(yīng)用在運(yùn)動對阿爾茨海默癥轉(zhuǎn)基因小鼠的病理改善效果的研究中。Lin等將功能性電刺激（FES）應(yīng)用在了血管性癡呆大鼠模型上，F(xiàn)ES通常是指通過電脈沖的爆發(fā)來刺激一組或多組肌肉，引起肌肉收縮并最終恢復(fù)功能性運(yùn)動［28］。刺激方式為一側(cè)指趾伸肌和橈側(cè)腕伸肌刺激150ms，然后另一側(cè)同樣地方刺激150ms，休息600ms。這個周期模擬了12米／分鐘階梯跑的前肢步態(tài)，每天的訓(xùn)練包括三次10分鐘的訓(xùn)練，中間休息10分鐘。發(fā)現(xiàn)表明，F(xiàn)ES誘導(dǎo)的非自愿運(yùn)動在改善空間學(xué)習(xí)和記憶障礙方面與自愿運(yùn)動一樣有效。還有研究讓12個月大的雄性APP／PS1雙轉(zhuǎn)基因小鼠在六車道水平機(jī)動跑步機(jī)上連續(xù)四個月每周進(jìn)行五天的強(qiáng)迫運(yùn)動［29］。在第一周，在整個實(shí)驗過程中，以5 m／min的速度訓(xùn)練小鼠10 min／天，然后以10 m／min的速度訓(xùn)練小鼠20 min／天，每周連續(xù)訓(xùn)練5天。結(jié)果是四個月的跑步機(jī)鍛煉可顯著改善空間學(xué)習(xí)和記憶能力，并增加了APP／PS1小鼠海馬中CA1，CA2－3和DG的親脂蛋白免疫反應(yīng)點(diǎn)的數(shù)量，親脂蛋白對于維持正常的突觸功能和可塑性至關(guān)重要。Chao等也證實(shí)了跑步機(jī)運(yùn)動能提高APP／PS1小鼠的空間學(xué)習(xí)記憶能力，減少海馬淀粉樣斑塊，延緩神經(jīng)元丟失，誘導(dǎo)神經(jīng)發(fā)生，促進(jìn)新生神經(jīng)元的存活［30］。運(yùn)動對齒狀回內(nèi)神經(jīng)元和成體神經(jīng)發(fā)生的保護(hù)作用可能是AD小鼠空間學(xué)習(xí)記憶能力改善的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之一。除此外，游泳運(yùn)動可能為阿爾茨海默氏病患者減少的神經(jīng)行為障礙相關(guān)的觀點(diǎn)提供了支持。Bashiri等對小鼠進(jìn)行游泳鍛煉四個星期，為了避免動物漂浮，將六個相同的造波器放置在水池的不同角度，一方面發(fā)現(xiàn)游泳可通過增加BDNF水平來改善認(rèn)知功能，另一方面游泳運(yùn)動似乎可能通過改變小鼠的神經(jīng)炎癥途徑來影響抑郁樣行為［31］。

4 運(yùn)動介導(dǎo)miRNA對阿爾茨海默癥的調(diào)控

運(yùn)動可以改善AD轉(zhuǎn)基因小鼠的學(xué)習(xí)和記憶能力，Aβ沉積和tau蛋白過度磷酸化以及突觸障礙和神經(jīng)元存活等多個方面，miR－29、miR－132、miR－146a、miR－34a也分別參與了這些過程。

4.1 運(yùn)動介導(dǎo)miR－29調(diào)控阿爾茨海默癥

Chen等從基因表達(dá)綜合數(shù)據(jù)庫下載了骨骼肌對高強(qiáng)度間歇運(yùn)動訓(xùn)練（HIIT）反應(yīng)的微陣列數(shù)據(jù)集“GSE109657”，分析發(fā)現(xiàn)HIIT后在骨骼肌中共可篩選出530個差異表達(dá)基因，提示HIIT對骨骼肌有影響，miR－29a／b／c可能通過PI3K／Akt信號通路調(diào)控血管內(nèi)皮細(xì)胞的生長、遷移和骨骼肌血管生成［32］。在神經(jīng)退行性疾病相關(guān)的疾病中，血管生成是一種修復(fù)系統(tǒng)，在zhang等的研究中發(fā)現(xiàn)血管生成可促進(jìn)Aβ清除并減少神經(jīng)元丟失，最終改善認(rèn)知功能［33］。在另一項研究中，Dungan等對3xTg－AD（3xTg）小鼠采用了漸進(jìn)式加權(quán)輪式跑步（PoWeR）運(yùn)動計劃，評估了20周運(yùn)動訓(xùn)練對小鼠海馬miRNA表達(dá)變化的影響［34］。與野生型小鼠相比，久坐3xTg小鼠的miR－29顯著降低，但在運(yùn)動后升高。并且運(yùn)動后miR－29靶向的BACE1基因表達(dá)降低，可溶性Aβ1－42的表達(dá)也較低。

4.2 運(yùn)動介導(dǎo)miR－132調(diào)控阿爾茨海默癥

SAMP8小鼠可表現(xiàn)出與年齡相關(guān)的學(xué)習(xí)和記憶缺陷，在實(shí)驗中作為AD模型來進(jìn)行研究。將SAMR1（野生型）和SAMP8小鼠分為對照組和運(yùn)行組［35］。SAMR1－Run和SAMP8－Run小鼠分別被關(guān)在裝有跑輪的籠子里，每個跑輪用于自愿運(yùn)動。對照組小鼠分別置于裝有固定轉(zhuǎn)輪的籠中作為對照。四周后通過qRT－PCR分析發(fā)現(xiàn)與SAMP8對照相比，SAMP8自愿運(yùn)動小鼠中的miR－132表達(dá)顯著降低。miR－132的調(diào)節(jié)抑制了SAMP8小鼠的認(rèn)知能力下降并減少海馬神經(jīng)變性。Mojtahedi等人使成年雄性大鼠分別進(jìn)行了低強(qiáng)度跑步（LIR），高強(qiáng)度跑步（HIR）和自動滾輪跑步（WR），結(jié)果顯示與強(qiáng)迫跑步相比，自愿跑步對刺激雄性大鼠海馬中的神經(jīng)發(fā)生和突觸形成有關(guān)的生物標(biāo)志物如miR－132和CREB具有更顯著的影響［36］。運(yùn)動方式的效果比較為運(yùn)動干預(yù)阿爾茨海默癥的研究進(jìn)展起到了啟示作用。

4.3 運(yùn)動介導(dǎo)miR－146a調(diào)控阿爾茨海默癥

體力活動被認(rèn)為可改變特定miR－146a的表達(dá)和循環(huán)水平。在12周游泳運(yùn)動后，與對照組相比，大鼠運(yùn)動組的miR－146a和炎性細(xì)胞因子IL－6的表達(dá)水平顯著降低［37］。Russo等對患者進(jìn)行3個月的運(yùn)動干預(yù)，運(yùn)動訓(xùn)練計劃為26次90分鐘有氧和耐力混合訓(xùn)練，每周兩次；每次訓(xùn)練分為60分鐘的有氧運(yùn)動和30分鐘的肌肉力量和柔韌性循環(huán)訓(xùn)練。結(jié)果發(fā)現(xiàn)體力活動對患者炎癥和miR－146a－5p水平的積極影響，促炎趨化因子IL－8在運(yùn)動干預(yù)后與miR－146a－5p水平一起顯著降低［38］。還有研究招募了10名籃球運(yùn)動員，在參加為期3個月的籃球賽季后對參與血管生成、炎癥和富集于肌肉和／或心臟組織的循環(huán)miRNAs進(jìn)行分析，miR－146a降低，和炎性標(biāo)志物呈線性相關(guān)。這些結(jié)果為長期運(yùn)動訓(xùn)練誘導(dǎo)的miR－146a改變在炎癥中的生理作用奠定了基礎(chǔ)，提示了可以進(jìn)一步研究運(yùn)動介導(dǎo)的miR－146a的變化是否可以減輕AD中的炎癥。

4.4 運(yùn)動介導(dǎo)miR－34a調(diào)控阿爾茨海默癥的5研究進(jìn)展

在最近的一項研究中，發(fā)現(xiàn)自愿鍛煉具有顯著的積極影響，將動物分別飼養(yǎng)在不銹鋼籠子里，自愿運(yùn)動組中允許其每天24小時開放使用滾輪并持續(xù)10周，與對照組相比，miR－34a的表達(dá)下降［39］。在另一篇同樣自愿運(yùn)動的研究中，miR－34a表達(dá)下降的同時SIRT1水平顯著增加［40］。以及Bao等在自發(fā)性跑輪運(yùn)動后第15天使用Morris水迷宮（MWM）測試評估小鼠空間學(xué)習(xí)和記憶能力，然后檢測小鼠海馬中miRNA的表達(dá)變化。結(jié)果表明，自發(fā)性跑輪運(yùn)動修復(fù)了小鼠海馬相關(guān)的認(rèn)知缺陷，同時伴有miR－34a的表達(dá)下調(diào)［41］。Kou等讓衰老大鼠模型適應(yīng)新環(huán)境1周后，每天一次在溫度為25士2°C的水箱中進(jìn)行30min的游泳訓(xùn)練。同時，在訓(xùn)練期間有計劃地增加10分鐘的游泳時間，增加至90min后，每天進(jìn)行一次90min的游泳訓(xùn)練，連續(xù)6周［42］。發(fā)現(xiàn)游泳干預(yù)可以通過抑制miR－34a來挽救自噬功能受損和線粒體動力學(xué)異常，從而延緩衰老進(jìn)程。這些與運(yùn)動相關(guān)的研究都提示miR－34a可能是阿爾茨海默癥的新型治療靶點(diǎn)。

5 小結(jié)與展望

miR－29、miR－132、miR－146a等與阿爾茨海默癥密切相關(guān)的miRNA，通過調(diào)控靶基因及下游相關(guān)蛋白的表達(dá)改善AD患者機(jī)體的認(rèn)知缺陷、炎癥反應(yīng)、突觸功能障礙等病理現(xiàn)象，運(yùn)動同樣也刺激miR－29、miR－132、miR－146a等AD相關(guān)miRNA的表達(dá)水平，對AD轉(zhuǎn)基因小鼠產(chǎn)生了積極影響。但是運(yùn)動刺激miRNA調(diào)控阿爾茨海默癥的分子機(jī)制尚不明了，有待進(jìn)一步展開研究，其相關(guān)成果可為阿爾茨海默癥患者通過運(yùn)動介導(dǎo)miRNA治療和延緩病情提供理論依據(jù)。