李德深 卢健 陈彩珍

华东师范大学体育与健康学院（上海 200241）

长时间有规律的训练能增加骨骼肌大小及其力量，改善骨骼肌对抗疲劳、提高骨骼肌利用碳水化合物和脂肪氧化供能的能力［1］。而年龄增长、久坐不动的生活方式和一些慢性疾病会引起骨骼肌体积和功能衰减，如肌肉衰减征（sarcopenia）［2］。目前对于运动调节骨骼肌适应的分子生物学机制并不是很清楚，最近关于肌肉特异性microRNA的研究为我们了解骨骼肌的适应提供了一个新的视野。microRNAs（miRNAs）是一类长度约为20~30个核苷酸的不编码调节RNA分子。据报道，miRNAs在调节胚胎干细胞发育、肌肉细胞生成、脂肪生成、脂肪代谢转录后基因表达等方面起重要作用。由于一些miRNA在横纹肌中高表达，所以把这一类miRNA称为肌肉特异性microRNA。目前国内外对于肌肉特异性microRNA的研究主要集中在microRNA与肌细胞分化、增殖与骨骼肌肥大、萎缩之间的关系。为了更好地了解运动对microRNA，特别是肌肉特异性microRNA的影响，本文对肌肉特异性microRNA功能及运动对其影响的研究做一综述。

1 microRNA概述

MicroRNAs（miRNAs）是一类长度约为20~30个核苷酸的不编码调节RNA分子，据报道，miRNAs在调节胚胎干细胞的发育、肌肉细胞生成、脂肪生成、脂肪代谢转录后的基因表达中起重要作用［3］。核内的初级microRNA转录产物（primiRNA）裂开为具有茎-环结构大小约为70~90个碱基的前体microRNA（pre-miRNA），输出蛋白（XPO5）将pre-miRNA运输到细胞质，经Dicer酶加工后生成miRNA［4］。成熟的miRNAs合并组成核糖核蛋白复合体，一般称之为核糖核酸诱导的沉默复合体（RNA-induced silencing complex，RISC）［5］。这些复合体能够识别和结合靶mRNA 3’端的非翻译区（untranslated region，UTR），通过降解或者使mRNA位置不稳定从而抑制蛋白质翻译［6］。目前的发现证明miRNAs介导的调节是多功能性的，一个miRNA有数以百计的靶基因，同时一个mRNA也能作为许多miRNAs的靶基因，由此可见miRNAs调控系统的复杂性和灵活性［7］。正如很多文献所描述的那样，成熟microRNA在本文中用miRNA表示，microRNA初级转录体称之为primiRNA，而pre- miRNA则是表示前体microRNA。

2 肌肉特异性microRNA

目前为止，有超过500种人类miRNA被发现，其中很大一部分miRNA是组织特异性的。正是因为一些miRNA在横纹肌中高表达，所以把这一类miRNA命名为肌肉特异性miRNA（myomiRNAs），包括 miR-1、miR-133a、miR -133b、miR -206、miR-208、miR-208b、miR-486 和 miR-499 等［8-12］。肌肉特异性miRNA并不是简单的排列，而是有组织地在同一条染色体上形成双顺反子簇一同转录，如miR-1-1/133a-2、miR-1-2/133a-1和 miR-206/ 133b［13］。肌肉特异性miRNA的调节受到肌原性调节因子（MRFs）家族的调控，MRFs包括肌分化因子（MyoD）、肌细胞生成素、MRF4和 Myf5［14］。同样肌细胞增强因子2（MEF2）、血清反应因子（SRF）和心肌相关转录因子-A（MRTF-A）也可以调控肌肉特异性miRNA的调节［10］。近些年的研究表明，miRNA通过调节一些关键基因从而控制肌细胞的生成［15］，成为新一类调控肌肉发育的关键因子。

3 microRNA与肌细胞的增殖、分化

肌肉主要有三种类型：心肌、骨骼肌和平滑肌，它们都来源于脊椎动物胚胎的中胚层。肌肉的发育是一个协调的过程，包括细胞的增殖、分化、迁移和死亡。转录和翻译水平上基因表达的调节对于肌肉在组织形态学上的发育至关重要。在三种类型的肌肉中，心肌和骨骼肌是横纹肌，最终会分化。心脏是胚胎形成的第一个功能性器官，来源于侧板中胚层，而骨骼肌则来源于组成胚胎体节的轴旁中胚层，最后会形成肌节［16］。

骨骼肌的发育是一个复杂的过程，需要协调许多控制成肌细胞增殖的因子，这些因子从细胞循环中退去后，成肌细胞随后会分化成为具有多个细胞核的肌小管［16］。肌细胞生成主要是由一些关键转录因子来控制，包括具有最基本的螺旋基元结构的MRFs、Myf5、MyoD、肌细胞生成素、MRF4以及 MEF2、SRF［17］。miRNA 通过与 MRFs之间的调控关系参与到肌细胞生成中。

miR-1和miR-133主要是通过调节SRF和MEF2的活性来调控肌肉的生长和分化［11］。在骨骼肌细胞中，增殖过程和分化过程是相互对抗的。miR-1通过抑制MEF2的抑制物——组蛋白脱乙酰酶4（HDAC4），从而加强MEF2的活性，最后刺激肌细胞分化［15］。而miR-133和miR-1的作用刚好相反，主要是促进成肌细胞增殖。目前认为miR-133通过抑制肌肉分化的必要调节器——SRF促进成肌细胞的增殖［15］。另外的研究表明，miR-206能促进骨骼肌的分化，当miR-206被敲除后，通过反义的寡核苷酸阻止成肌细胞退出细胞循环，从而阻止细胞分化［18］。

4 microRNA与骨骼肌肥大、萎缩

4.1 microRNA与骨骼肌肥大

骨骼肌肥大与增生不同，前者是指肌细胞体积变大，而后者是指肌细胞数量增多。骨骼肌肥大主要分为两种：肌质肥大和肌纤维肥大。肌质肥大一般是指肌质的体积增大，而肌肉力量并没有伴随着增加。在肌纤维肥大中，肌动蛋白和肌球蛋白等收缩蛋白数量增加使得肌肉收缩力量增加，同时肌肉体积也有少量增大［19］。

McCarthy等利用双侧协同肌切除模型（bilateral synergist ablation model）诱导跖肌肥大［8］。建模后，实验组鼠跖肌重量比对照组增加45%。与此同时，一些pri-miRNAs和它们相对应的成熟miRNA的转录也发生了变化。pri-miR-1-2和pri-miR-133a2转录水平提高了2倍，pri-miR-206提高了18.3倍，而它们所对应的成熟miR-1和miR-133a的表达却减少了50%。肥大肌肉中的pri-miRNA和miRNA表达出现不符的原因目前尚不清楚。可能是功能超负荷影响了控制pri-miRNA加工的机制，比如RNA编辑酶——腺苷酸脱氨酶（ADAR），能够防止一种关键的miRNA加工酶Drosha在一个特殊的步骤中切断pre-miRNA。研究表明Drosha会使成熟miRNA转录减少［20］。McCarthy等的研究也显示，实验后跖肌Drosha的转录水平明显增加了50%［8］。因此可以推测，miR-1和miR-133a的表达减少可能会促进肌肉肥大。因此miR-1和miR-133a除了在肌细胞增殖和分化中发挥各自作用，又多了一个共同的功能。

目前对miR-1和miR-133a调节肌肉肥大的机制研究还不是很多，miR-1和miR-133a在肌肉肥大的过程中可能是通过消除生长因子基因靶点的转录抑制物起作用，包括肝细胞生长因子受体（c-MET）、肝细胞生长因子（HGF）、白血病抑制因子（LIF）、胰岛素样因子-1（IGF-1）和血清反应因子（SRF）［8］。 Lamon等的实验结果也支持上述假设，8周抗阻训练后诱导的肥大骨骼肌中SRF、IGF-1 mRNA 的水平都增加［21］。 更多的证据也证明了miR-1 和IGF-1信号转导通路之间可能存在交互的控制回路来调节肌肉生长［22］。分化中的C2C12细胞的肌小管的miR-1增加会降低IGF-1蛋白质水平；相反地，IGF-1处理后会降低C2C12细胞的肌小管的miR-1水平。Rommel等的实验也证明了IGF-1通过激活Akt信号传输和抑制转录因子（FoXO），从而激活C2C12细胞的肌小管肥大［23］。不仅在培养的细胞中有这样的现象，在人体骨骼肌中也出现同样的现象。25名健康男性经过8周抗阻训练后，骨骼肌表现出一定程度的肥大，在骨骼肌中检测到活跃的Akt和低水平的FoXO［24］。因此，从前面的实验中可以得知，miR-1水平被活跃的Akt降低，也能被活跃的FoXO3a增加，这表明IGF-1通过Akt/FoXO3a通路调控miR-1，而Akt/FoXO3a通路则调控肌细胞的生长。此外，FoXO3a通过降低IGF-1的蛋白水平和Akt活性增加miR-1水平，在萎缩的肌小管中能看到类似的现象［25］。miRNA通过转导通路和基因调节肌肉肥大还需要更多的实验来证明。

4.2 microRNA与骨骼肌萎缩

骨骼肌萎缩是一个复杂的过程，是很多因素综合影响下产生的结果。衰老、神经障碍和一些慢性疾病都会引起骨骼肌萎缩，长期卧床或者太空飞行等造成的骨骼肌功能退行性改变也会引起骨骼肌萎缩。11天太空飞行后检测发现，小鼠腓肠肌里一些与肌肉生长相关的基因mRNA水平显著改变，如FOXO1、MAFbx/atrogin1等。值得注意的是小鼠腓肠肌中的miR-206水平显著下降，而miR-1和miR-133a只是出现减少的趋势［26］。这些肌肉特异性miRNA的变化和肌肉里的MAFbx（或者atrogin-1）和肌肉生长抑制素（Myostatin，MSTN）的增加是平行的，而MAFbx和MSTN在细胞中的作用分别是促进肌肉的萎缩与抑制肌肉的生长，并且在很多肌肉萎缩模型中的表达增加［27］。目前还不是很清楚miR-206在抑制MAFbx和MSTN这些肌肉萎缩基因的过程中是否发挥着直接或间接的作用。但miR-206的活性可以通过肌肉分化因子（MyoD）上调，而MAFbx又可以降解肌肉分化因子（MyoD）［28］。是否存在着一条miR-206/ MyoD/MAFbx影响骨骼肌生长的调节回路仍需要更多的实验证明。

实验证明采用后肢悬垂模型也会诱导动物骨骼肌萎缩［29］。后肢悬垂7天后诱导大鼠肌肉萎缩后，McCarthy等人使用微流体芯片技术对比目鱼肌中的miRNA进行检测分析后发现，有151个miRNA在比目鱼肌中表达，其中有18个miRNA经过7天的后肢悬垂后有显著性变化（P < 0.01）［29］。与太空飞行诱导的肌肉萎缩不同，后肢悬垂后肌细胞中并未出现miR-206减少。出现此种情况可能与实验所选取的肌肉类型、实验时间不同有关。

有研究表明炎症性细胞因子在骨骼肌萎缩的过程中起着重要作用，在一定程度上可减少肌肉内蛋白质的合成［30］。最近报道前炎症因子——肿瘤坏死因子相关弱凋亡诱导因子（TWEAK）能引起肌肉萎缩、肌肉纤维化、肌纤维类型转换和蛋白质降解，因此TWEAK可能是导致肌肉萎缩的一种主要的细胞因子［31］。Panguluri等最近的研究发现，经过TWEAK处理的C2C12细胞肌小管中的一些与肌细胞生长相关的miRNA表达明显受到抑制，包括miR-1、miR-23、miR-133a、miR-133b和miR-206，但是在鼠骨骼肌中TWEAK只是减少miR-1、miR-133a和 miR-133b的表达，而miR-206的表达并没有变化［32］。这个实验也证明骨骼肌中一些重要的肌肉萎缩基因和肌肉特异性miRNA对TWEAK的应答反应不同。TWEAK调节与肌肉生长有关的miRNA的表达，是引起骨骼肌萎缩的原因，还是机体对将要发生的骨骼肌萎缩所做出的应答，尚不清楚。了解miRNA与肌肉萎缩之间的关系对于更好了解肌肉的病理状态有很大作用。

5 microRNA与sarcopenia

Sarcopenia是一种以肌肉质量、体积与肌肉力量下降为主要特征的中老年人高发病征，其发生与肌肉特异性蛋白合成减少、线粒体功能紊乱、激素水平下降、氧化损伤增加以及细胞凋亡等有着密切关系［33］。随着对miRNA研究的深入，研究者们发现 miRNA 与 sarcopenia之间关系密切［34，35］。对6名老年人（70±2岁）进行肌肉活检发现，pri-miR-1-1、pri-miR-1-2、pri-miR-133a-1、pri-miR-133a-2水平比正常青年人（29 ± 2岁）高，而pri-miR-206未发生变化［34］。尽管如此，老年人与青年人的miR-1或者miR-133a并没有差异。Ham rick给老年小鼠注射10天的瘦素（Leptin）后发现，瘦素在增加肌肉质量的同时明显改变骨骼肌中多达37种miRNA的表达［35］。将来需要更大样本量的实验来确定年龄的增长是否会导致骨骼肌中miRNA的异常表达。最后，对老年人与青年人进行比较时，要考虑身体活动水平和营养状况等因素对其骨骼肌miRNA水平的影响。

6 运动与microRNA

研究表明运动能够降低一些慢性病的发病率，如心血管疾病、Ⅱ型糖尿病、代谢综合征等［36-39］。运动对于上面所提到的肌肉肥大、萎缩、IGF-1都有一定程度的影响，那么运动与miRNA的关系如何呢？目前关于这方面的研究并不多，且采取的运动形式比较单一，主要是研究有氧运动对miRNA的影响，对抗阻运动的研究还比较少。

6.1 有氧运动对miRNA的影响

有氧运动通常是指低强度、长时间的运动，规律性的有氧运动能提高三羧酸循环关键酶、线粒体呼吸链和β氧化通路的水平［40］。90分钟力竭性运动后，小鼠骨骼肌中与肌肉分化及发育相关的miR-1、miR-181、miR-133和 miR-107的 表 达 都有所增加。miR-23的降低与过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活子1α（peroxisome proliferatoractivated receptor-γ coactivator-1α，PGC-1α） 的 上升有着一定的对应关系［41］。PGC-1α是转录的共同激活剂，能调节许多骨骼肌功能，包括线粒体的生物发生、底物氧化、骨骼肌的类型［42］。PGC-1α能够预防肌肉萎缩［43］。

小鼠进行4周耐力跑台运动后，检测其腓肠肌中miRNA表达变化时发现，只有miR-21升高，其 他 3个 miRNA（miR-696、miR-709、miR-720）的表达均降低［44］。而且miR-696的降低与PGC-1α的蛋白水平呈反比。虽然在C2C12细胞肌小管中miR-696的短暂升高并没有影响PGC-1α的mRNA表达，但是抑制了PGC-1α的蛋白表达。相反地，用miR-696抑制剂转染C2C12细胞肌小管时提高了PGC-1α蛋白表达，但没有改变PGC-1α mRNA的表达。可能是miRNA影响了PGC-1α蛋白的翻译。总之，小鼠骨骼肌中的miR-696明显受到运动的影响。肌小管中miR-696表达增加与PGC-1α蛋白表达之间存在反比的关系。至今为止，miR-696和miR-709在人体中还未识别到，

Nielsen等［45］为了研究有氧运动对肌肉特异性miRNA的影响，对10名健康男性青年进行12周耐力训练。训练开始前被试进行60分钟强度为65%最大功率的自行车运动，运动后发现miR-1和miR-133a明显增加，而12周后再进行同样强度的运动，并未出现相同结果，这表明激烈运动后肌肉特异性miRNA通过目标mRNA的转录过程间接影响蛋白质表达量只会发生在未经过训练的个体上。

与60分钟激烈运动不同的是，12周有氧训练后，miR-1、miR-133a、miR-133b和miR-206表达显著降低。这说明激烈的单次运动与长时间重复性运动后安静状态基因表达存在差异。这些被试在恢复2周的日常生活后，肌肉特异性miRNA和训练前差异不具显著性，但是经过12周训练后，miR-1、miR-133a、miR-133b和miR-206的表达与停止训练14天后比较差异具有显著性（P < 0.05）。这提示miR-1等肌肉特异性miRNA似乎能很快适应身体活动水平。

6.2 抗阻运动对miRNA的影响

与有氧运动相对应的是抗阻运动，一般认为抗阻运动是强度大而运动持续时间比较短的运动形式。抗阻运动能刺激机体的合成代谢，通过增加收缩蛋白和结构蛋白的合成增大肌肉的体积。Davidsen等［46］对56名青年人进行每周5天、共12周的抗阻运动训练后，对人体中含量比较多的21种miRNA进行检测。这个实验成功运用抗阻运动诱导人骨骼肌肥大并且观察到了miRNA的选择性改变。miRNA表达在不同组别选择性变化的不同表明了miRNA在调节骨骼肌生长的关键基因方面起着重要作用。在很多动物实验中，骨骼肌肥大会影响到miR-1和miR-133的表达，人进行12周抗阻运动却没有影响这些miRNA的表达。尽管如此，抗阻运动还是影响了一些miRNA的表达水平。肌肉miR-451明显增加的同时，miR-378的表达水平明显降低（P = 0.008）。研究还发现miR-378与增加的瘦体重之间存在相关度很大的线性关系（R= 0.71，P = 0.001），说明体内miR-378的保持对于瘦体重的增加起着决定性作用。

Drummond等［34］观察青年与老年被试进行一次激烈的抗阻运动后发现，青年被试运动后6小时后骨骼肌中pri-miR-1-2和pri-miR-133a-1的表达减少，而在青年被试和老年被试的骨骼肌中，primiR-133a-2的表达在运动后3小时和6小时均减少。与此相反的是，青年被试和老年被试骨骼肌中primiR-206的表达在运动后3小时和6小时均增加。对于成熟的miRNA来说，只有miR-1的表达水平在青年被试和老年被试的骨骼肌中升高，而miR-133a和miR-206的表达水平没有变化。这一结果和Davidsen等人的研究观点类似，具体机制仍待研究。

7 小结与展望

了解运动诱导的哪些通路能改变miRNA的表达和miRNA的调节如何有利于运动的生理性适应十分关键。未来研究的焦点会集中在调节骨骼肌特异性miRNA的机制，身体活动水平和营养状况对miRNA的影响及其机制，骨骼肌对运动产生适应时miRNA的作用以及miRNA是否能作为治疗肌肉紊乱的一种治疗方法等。

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