運(yùn)動調(diào)節(jié)miRNA改善2型糖尿病的機(jī)制研究進(jìn)展

劉祖輝，鐘遠(yuǎn)鳴，傅 鈺，王 倩

(1.福建師范大學(xué)體育科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350117；2.福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350117)

糖尿病是胰島素分泌缺陷或胰島素抵抗(Insulin resistance,IR)導(dǎo)致的一種以高血糖癥為特征的慢性代謝性疾病[1]。2型糖尿病(Type 2 Diabetes,T2D)是糖尿病的一種亞型病癥，其以IR和胰腺β細(xì)胞功能缺陷為主要特征，約占糖尿病發(fā)病率的90 %～95 %[2]。近年來，T2D的流行與發(fā)展在世界范圍內(nèi)呈現(xiàn)迅速增長的趨勢，預(yù)計(jì)到2030年，T2D患病人數(shù)將增至5.52億。[3]80 %的T2D患者超重或肥胖，其中伴隨產(chǎn)生的心血管疾病、行動障礙、腎衰竭、視力障礙和周圍神經(jīng)病變等多種并發(fā)癥，是導(dǎo)致患者死亡的主要原因[4]。現(xiàn)有研究表明，IR使機(jī)體出現(xiàn)糖、脂、蛋白代謝損傷，進(jìn)而導(dǎo)致肌肉細(xì)胞受損，最終引起患者肌肉力量喪失。[5]而運(yùn)動除了能控制血糖外，還能夠提高有氧能力、肌肉力量和內(nèi)皮功能，因此運(yùn)動訓(xùn)練被認(rèn)為是預(yù)防和治療T2D的方式之一。[1]肥胖個體定制的鍛煉計(jì)劃能夠有效且健康的減重，對T2D具有臨床療效。[6]研究表明，體重減輕能以劑量依賴性方式減輕T2D的癥狀，當(dāng)體重減輕約15 kg，可緩解約80 %T2D患者的臨床病癥。[6]然而，運(yùn)動如何預(yù)防和治療T2D的機(jī)制仍不明確。MicroRNA(miRNA)是一類單鏈非編碼小RNA，它通過與靶mRNA的3′-非翻譯區(qū)(3′-UTR)結(jié)合抑制mRNA翻譯或促進(jìn)mRNA降解，從而在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)基因表達(dá)。[7]近年來，一系列研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動能夠調(diào)節(jié)T2D患者體內(nèi)miRNA，進(jìn)而參與T2D病癥的預(yù)防和治療。[8-10]本文將從IR、脂毒性、氧化應(yīng)激和炎癥發(fā)生等方面探討運(yùn)動介導(dǎo)miRNA改善T2D癥狀的機(jī)制。

1 T2D的發(fā)病機(jī)理

T2D是一種以機(jī)體胰島素利用率低下為主要特征的復(fù)雜代謝性疾病。T2D是遺傳因素和后天因素共同作用的結(jié)果，其中后天因素主要指高能量的飲食方式以及久坐的生活方式。臨床上，T2D患者的病理癥狀表現(xiàn)為內(nèi)臟肥胖、異位脂肪沉積、肌肉消瘦等。[11]T2D的主要病理因素包括IR、脂毒性、氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)。[12]

IR病癥狀態(tài)下，細(xì)胞對胰島素的敏感性和利用率降低，其吸收和儲存葡萄糖和甘油三酯的能力受損，導(dǎo)致血液中葡萄糖和甘油三酯含量上升，從而引起T2D的發(fā)生。[13-14]其中，miRNA被證明通過調(diào)控胰島素信號通路中各種重要蛋白成分參與IR的病理進(jìn)程發(fā)展，包括胰島素生長因子-1(Insulin-like growth factor,IGF-1)和它的受體IGF-1R、胰島素受體底物(Insulin receptor substrate,IRS)蛋白、磷脂酰肌醇3激酶(Phosphatidylinositol 3 kinase,PI3K)、AKT/蛋白激酶B(Protein kinase B,PKB)和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4(Glucose transporter,GLUT4)。[10]Ryu等人發(fā)現(xiàn)，miR-126通過降低其靶標(biāo)IRS-1導(dǎo)致IR。[15]在脂肪組織和內(nèi)皮細(xì)胞中，miR-320通過調(diào)節(jié)IGF-1和IGF-1R促進(jìn)IR。[16]此外，小鼠肝臟中miR-21水平升高與FOXO1蛋白水平下降和肝胰島素敏感性升高有關(guān)。[17]研究表明，肥胖是導(dǎo)致患者IR的主要因素，由于身體脂肪分布的不同，個體的胰島素敏感性存在顯著差異。[18-19]其中，未酯化脂肪酸(Non-esterified fatty acids,NEFAs)被證明在T2D患者血清中大量上升，其脂毒性是誘導(dǎo)IR的關(guān)鍵因素。[20]在IR的脂肪細(xì)胞中，miR-21顯著下調(diào)，而miR-21的過表達(dá)會增加胰島素誘導(dǎo)的AKT(Ser473)、GSK3β(Ser9)磷酸化和GLUT4的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而降低PTEN蛋白的表達(dá)，導(dǎo)致胰島素刺激的葡萄糖攝取增強(qiáng)。[21]此外，miR-21拮抗劑通過上調(diào)TIMP3的表達(dá)水平來改善鏈脲佐菌素(Streptozotocin,STZ)誘導(dǎo)的T2D大鼠的IR和脂質(zhì)代謝紊亂。[22]

胰腺β細(xì)胞受損時，機(jī)體將出現(xiàn)糖耐受失調(diào)和空腹血糖升高，最終發(fā)展為T2D。[23]胰腺β細(xì)胞缺陷包括β細(xì)胞增殖、發(fā)育缺陷以及胰島素產(chǎn)生和分泌異常，葡萄糖代謝和胰島素產(chǎn)生延遲均會導(dǎo)致胰腺β細(xì)胞缺陷。[24]與非糖尿病患者相比，miR-124a在T2D患者中過表達(dá)并負(fù)調(diào)節(jié)胰島素分泌。胰島中的miR-124a沉默，導(dǎo)致參與β細(xì)胞功能的預(yù)測靶基因的表達(dá)增加。[25]miR-124a2通過靶向Foxa2參與胰腺發(fā)育、葡萄糖代謝和胰島素分泌。[26]此外，T2D的發(fā)生還與氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)有關(guān)。研究表明，T2D患者的胰島白介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)的表達(dá)增加，其參與胰腺β細(xì)胞損傷，而腫瘤壞死因子α(Tumor necrosis factor-α,TNF-α)是外周IR發(fā)生的關(guān)鍵分子。[27]miR-1過表達(dá)會伴隨著較高的ROS水平，miR-1通過轉(zhuǎn)錄后抑制SOD1、Gclc和G6PD的表達(dá)，從而有助于增加ROS水平和小鼠心臟的氧化應(yīng)激敏感性。[28]胰島素也可降低miR-1的表達(dá)，并在氧化應(yīng)激下對miR-1誘導(dǎo)的損傷產(chǎn)生明顯的保護(hù)作用。[29]miR-21在炎癥的消退中起關(guān)鍵作用，它的表達(dá)與IL-6、IL-8、IL-10、IL-12a和NOS2a相關(guān)，因此miR-21是巨噬細(xì)胞抗炎反應(yīng)的關(guān)鍵介質(zhì)。[30]Frederick J Sheedy等人發(fā)現(xiàn)抑制白細(xì)胞中的miR-21將促進(jìn)炎癥。[31]此外，沉默PTEN和GSK3β誘導(dǎo)的miR-21抑制了脂多糖誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)。[32]在臨床診斷方面，Ying-Zhi Liang等人發(fā)現(xiàn)miR-148b、miR-223、miR-130a、miR-19a、miR-26b和miR-27b可作為T2D的潛在血液循環(huán)生物標(biāo)志物，miR-146a和miR-21可作為T2D的潛在組織生物標(biāo)志物。[8]

2 運(yùn)動對T2D的影響

長期以來，運(yùn)動訓(xùn)練被認(rèn)為是治療糖尿病的重要非藥物手段。臨床實(shí)驗(yàn)已證明運(yùn)動可改善胰島素敏感性并有利于血糖控制。[33]一方面，除了加快能量消耗以逆轉(zhuǎn)肥胖相關(guān)的T2D病癥，運(yùn)動還能短期內(nèi)通過加強(qiáng)非胰島素依賴的葡萄糖轉(zhuǎn)化促進(jìn)胰島素的效能。[34]另一方面，體育鍛煉還是一種天然的強(qiáng)抗炎和改善新陳代謝的策略。[35]在過去30年內(nèi)，阻力訓(xùn)練已被認(rèn)為是T2D患者一種有效的運(yùn)動訓(xùn)練選擇，包括利用自體重量、重力器械或彈性阻力帶，其可通過增加肌肉質(zhì)量從而改善其血糖攝取能力。[35]在阻力訓(xùn)練的研究評估中，其可改善T2D患者的身體力量、骨密度、血壓、血脂、心血管健康、胰島素敏感性和肌肉質(zhì)量方面的10 %～15 %。[36]有氧運(yùn)動主要指連續(xù)且有節(jié)奏的大肌肉群運(yùn)動，包括散步、慢跑和騎行等。目前，有氧運(yùn)動是公認(rèn)的可改善糖化血紅蛋白(hemoglobin A1c,HbA1c)的方法，其對減重、增強(qiáng)脂質(zhì)和脂蛋白代謝具有重要作用。[37]此外，Meta分析數(shù)據(jù)表明，通過與靜坐對照組患者相比，有氧運(yùn)動改善了T2D患者血糖控制、胰島素敏感性、氧化能力和相關(guān)代謝參數(shù)。[38]有趣的是，許多研究已經(jīng)揭示有氧運(yùn)動和阻力訓(xùn)練的結(jié)合比單獨(dú)一種訓(xùn)練方式更有效。[39]其中，Cuff等人評估了28名絕經(jīng)后的T2D女性患者，以探究聯(lián)合訓(xùn)練方案是否能改善胰島素敏感性且優(yōu)于單獨(dú)運(yùn)動。在16周的聯(lián)合訓(xùn)練后，患病組相比對照組，其體內(nèi)胰島素介導(dǎo)的葡萄糖吸收明顯得到改善，反映出更優(yōu)的胰島素敏感性。[40]雖然運(yùn)動對T2D的治療與預(yù)防已有相當(dāng)多的研究報道，運(yùn)動訓(xùn)練改善T2D癥狀的相關(guān)分子機(jī)制仍不明確。近年來，一系列研究證據(jù)表明miRNA通過調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄后表達(dá)間接調(diào)控T2D相關(guān)的信號通路，參與T2D的病癥發(fā)展與恢復(fù)。運(yùn)動被證明可通過改變miRNA水平調(diào)控機(jī)體IR、脂毒性、氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)等，從而改善T2D病癥。隨著研究的進(jìn)展，運(yùn)動參與T2D恢復(fù)分子機(jī)制的研究重點(diǎn)也逐漸從原有的生物大分子相關(guān)的信號通路水平轉(zhuǎn)向miRNA水平。

3 運(yùn)動通過改變miRNA水平改善T2D的可能機(jī)制

3.1 運(yùn)動相關(guān)的miRNA

定期運(yùn)動是改善T2D的有效方法之一。miRNA被認(rèn)為是其中的關(guān)鍵，但并非所有miRNA均會在運(yùn)動過后發(fā)生顯著變化，表1為不同運(yùn)動后miRNA的變化情況。

表1 不同運(yùn)動后miRNA的表達(dá)變化

3.2 運(yùn)動通過調(diào)節(jié)IR相關(guān)的miRNA改善T2D

IR是指細(xì)胞對胰島素的敏感性和反應(yīng)性降低的癥狀[53]，其中胰島素信號傳導(dǎo)失調(diào)是引起IR的主要因素。阻力運(yùn)動會導(dǎo)致miR-320a的下調(diào)。[16]研究表明，舉重運(yùn)動可通過下調(diào)miR-126靶向調(diào)控IRS-1，進(jìn)而調(diào)控IR引起的線粒體失調(diào)，從而緩解T2D的進(jìn)展。[15]在胰島素介導(dǎo)的葡萄糖攝取中，發(fā)揮重要作用的PI3K異二聚體由一個調(diào)節(jié)亞基和一個催化亞基組成，調(diào)控亞基包含p85a、p85p、p55a、p50a或p55y，催化亞基包含p110a。研究表明，運(yùn)動可通過調(diào)控miR-320水平控制P13K-p85a亞基表達(dá)，或通過miR-126調(diào)控p85p，通過miR-29控制脂肪組織和骨骼肌中p85a的表達(dá)，從而調(diào)節(jié)機(jī)體對葡萄糖的攝取。[16,54,55]Kruppel-like轉(zhuǎn)錄因子15(KLF15)能夠調(diào)節(jié)骨骼肌和脂肪細(xì)胞的GLUT4，miR-133通過靶向KLF15調(diào)節(jié)GLUT4的表達(dá)，并參與細(xì)胞的代謝控制。過表達(dá)miR-133會降低GLUT4的表達(dá)，并減少心肌細(xì)胞中胰島素介導(dǎo)的葡萄糖攝取。運(yùn)動會導(dǎo)致miR-133下調(diào)從而可能增加細(xì)胞對葡萄糖的攝取。[56]此外，miR-29b 的上調(diào)導(dǎo)致了SPARC蛋白水平、GLUT4水平的表達(dá)降低，從而影響了3T3-L1脂肪細(xì)胞的葡萄糖攝取，引起IR，而運(yùn)動能夠下調(diào)miR-29b從而改善。IR[57]

3.3 運(yùn)動通過調(diào)節(jié)脂毒性相關(guān)的miRNA改善T2D

脂質(zhì)在非脂肪組織中積累的有害作用被稱為脂毒性。脂質(zhì)堆積造成的肥胖是T2D的關(guān)鍵危險因素，其會降低周圍組織的胰島素敏感性。已有研究表明，miRNA參與調(diào)節(jié)脂質(zhì)合成、脂肪酸氧化以及脂蛋白形成和分泌。

miR-21能夠靶向脂肪酸結(jié)合蛋白7(Fatty acid binding proteins,FABP7)和胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白3(Insulin-like growth factor binding proteins,IGFBP3)，從而調(diào)節(jié)體內(nèi)脂肪含量。[58-59]跑步運(yùn)動可以降低體內(nèi)的miR-21，而miR-21的下調(diào)會減少脂肪變性、炎癥和脂肪細(xì)胞凋亡，該過程通過miR-21/PPARα軸發(fā)揮作用。[60]阻力運(yùn)動會引起miR-21-5p上調(diào)，而miR-21-5p的過表達(dá)減弱H9C2細(xì)胞中的脂質(zhì)含量和脂質(zhì)過氧化作用，這可能是通過減少細(xì)胞脂質(zhì)的攝取和利用，使細(xì)胞代謝向糖酵解途徑轉(zhuǎn)化。[61]A Sabag等人發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動可有效減少內(nèi)臟脂肪，改善糖脂代謝和胰島素敏感性并恢復(fù)β細(xì)胞功能。[62]

3.4 運(yùn)動通過調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激相關(guān)的miRNA改善T2D

氧化應(yīng)激是指細(xì)胞內(nèi)活性氧(Reactive oxygen,ROS)水平升高，ROS水平失衡會引起慢性炎癥從而導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生。[63]H9c2細(xì)胞的體外實(shí)驗(yàn)證明，miR-21模擬物通過降低ROS水平并增加NO的產(chǎn)生從而抑制由棕櫚酸酯引發(fā)的心肌肥大。進(jìn)一步研究表明，miR-21在體外和體內(nèi)直接靶向凝溶膠蛋白(Gelsolin,GSN)，并通過下調(diào)GSN表達(dá)，預(yù)防糖尿病性心肌病引起的舒張功能障礙。另一項(xiàng)研究表明，miR-21通過與程序性死亡因子相互作用，保護(hù)肌細(xì)胞免受H2O2誘導(dǎo)的損傷和血管平滑肌細(xì)胞凋亡。[64]

Xin Yin等人發(fā)現(xiàn)，大鼠在進(jìn)行上下坡跑步后，其腓腸肌中的miR-1水平顯著降低，因此運(yùn)動可能通過下調(diào)miRNA以改善細(xì)胞的氧化應(yīng)激作用。[65]此外，運(yùn)動可造成miR-23a水平顯著下降，Jingjing Du等人發(fā)現(xiàn)在Dox誘導(dǎo)的細(xì)胞模型中，增加的miR-23a促進(jìn)了線粒體損傷，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)抑制miR-23a可以減輕心肌細(xì)胞的損傷，從而抑制線粒體依賴性細(xì)胞凋亡，該作用與PGC-1α/p-Drp1信號通路有關(guān)。[66]

3.5 運(yùn)動通過調(diào)節(jié)炎癥相關(guān)的miRNA改善T2D

流行病學(xué)研究表明炎癥生物標(biāo)志物與T2D的發(fā)生和并發(fā)癥之間存在關(guān)聯(lián)，炎癥反應(yīng)可能通過引起IR而促進(jìn)T2D的病癥，并且在高血糖癥的存在下炎癥反應(yīng)會加劇，從而促進(jìn)了糖尿病的長期并發(fā)癥的發(fā)生。[67]

miR-124a的表達(dá)與IL-10和轉(zhuǎn)化生長因子β(Transforming growth factor,TGF-β)的表達(dá)呈正相關(guān)，與干擾素(Interferon,IFN-γ)的表達(dá)呈負(fù)相關(guān)。[68]Palanikumar Manoharan等人發(fā)現(xiàn)，miR-124a水平降低與KLF2缺陷型巨噬細(xì)胞中促炎介質(zhì)表達(dá)的增加有關(guān)。[69]miR-124a通過靶向PIK3/NF-κB途徑抑制類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎成纖維樣滑膜細(xì)胞的增殖和炎癥。而在神經(jīng)性疼痛中，miR-124a通過靶向去乙酰化酶1(SIRT1)導(dǎo)致CD4(+)T細(xì)胞分化偏向調(diào)節(jié)性T細(xì)胞，從而限制了誘發(fā)疼痛的炎癥。

Saloua Dimassi等人在肥胖女性中進(jìn)行了長達(dá)八周的有氧訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)有氧訓(xùn)練可通過上調(diào)miR-124a調(diào)控TNFα和IF-6水平，從而降低機(jī)體炎癥水平。[41]此外，運(yùn)動可調(diào)節(jié)急性和慢性炎癥，運(yùn)動過后肌肉通過Nrf2信號傳導(dǎo)激活細(xì)胞防御和抗炎途徑。人體的力學(xué)研究表明，運(yùn)動引起IL-6和IL-10顯著增加，并通過抑制TNF-α和刺激IL-1Ra發(fā)揮直接的抗炎作用，從而限制IL-1β信號傳導(dǎo)，且IL-6對葡萄糖和脂質(zhì)代謝存在直接影響。[27]

4 總結(jié)與展望

T2D與IR、脂毒性、氧化應(yīng)激和慢性炎癥反應(yīng)密切相關(guān)，近年來，多項(xiàng)研究證據(jù)表明miRNA參與T2D的發(fā)展與恢復(fù)。多種運(yùn)動的結(jié)合可降低患者體內(nèi)的脂肪水平，從而顯著改善糖尿病癥狀。miRNA可靶向和調(diào)節(jié)多種mRNA，從而參與多種生物學(xué)過程，例如胰島素的產(chǎn)生和分泌、葡萄糖代謝、氧化應(yīng)激、脂質(zhì)代謝、胰島β細(xì)胞的增殖和分化。運(yùn)動可以導(dǎo)致體內(nèi)的miRNA水平發(fā)生顯著變化，從而改變多種T2D相關(guān)的下游信號通路。因此，運(yùn)動改善T2D的過程中miRNA發(fā)揮著重要作用。但目前仍有許多問題待明確：(1)已有大量研究深入探析了在IR、炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激等過程中發(fā)揮作用的信號通路，但與運(yùn)動介導(dǎo)miRNA改善T2D相關(guān)的信號通路仍缺乏相應(yīng)的研究。(2)不同的運(yùn)動方式可能會導(dǎo)致同一種miRNA的水平發(fā)生相反的變化，如何選擇改變miRNA水平的最佳運(yùn)動方式，從而使miRNA更有效地改善代謝和降低炎癥反應(yīng)？(3)miRNA具有極廣泛的生物學(xué)功能，運(yùn)動調(diào)節(jié)的miRNA是否可通過影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、血管生成、骨骼肌發(fā)生等過程改善T2D？