骨骼肌中miRNAs与运动相关研究进展

李积永 于新凯 左群 李莎莎 郑盼盼

上海体育学院运动科学学院（上海200438）

骨骼肌是人体内最大的组织， 不同的运动方式会促使骨骼肌发生相应的适应性变化。 近些年来不断有研究表明miRNAs可能参与调节骨骼肌对运动介导的适应性变化过程。 本文就骨骼肌中miRNAs与运动相关研究成果进行综述。

1 miRNAs简介

miRNAs是一类大约22 nt能够在后转录过程调节其靶基因表达的保守的非编码RNAs分子。 1993年，Lee等发现了第一个非编码的小RNA分子lin-4[1]。7年之后，Reinhart等在C. 线虫体内发现了另一个能调节其发育过程的内源性非编码的单链RNA分子let-7， 并将其命名为microRNA[2]。此后，miRNAs成为生命科学领域的基础研究热点。 后来大量的研究又在果蝇、昆虫、人体内陆续发现了许多miRNAs。 据比较近的一次miRBase（2013年6月，第20版，www.mirbase.org）显示，最少已发现并证实了206个物种中的30424个成熟的miRNAs，其中人体和小鼠体内分别有2652个和1235个miRNAs。

与其他的基因相似，miRNAs同样来源于编码和转录的基因组，miRNAs首先在核内被由5' 加帽，3'加尾结构的RNA聚合酶Ⅱ剪接成300～1000 nt的原始转录物（pri-miRNA）， 随后由RNase Ш 内切酶Drosha剪接成70～100nt的前体（pre-miRNA），由核转运受体exportin 5将pre-miRNA转移到细胞质中， 被另一个RNase Ш 内切酶Dicer剪切成大约22 nt的双链miRNA分子， 成熟miRNAs的一条链转移到包含Dicer的RNA-诱导的沉默复合物（RISC）中，而另外一条链被靶向降解。 成熟的miRNAs使RISC通过miRNA的种子序列与靶mRNA的3'UTR配对结合，最终导致靶向转录物的翻译抑制[3]。

不断有研究发现，miRNA的表达具有组织特异性。Sempere 等[4]发现有30种miRNAs在一些特定的组织中是高水平的表达甚至是呈现特异性的， 并且首次提到横纹肌特异性表达的miR-1、-133a、-206， 并将它们命名为myomiRs（横纹肌特异性miRNAs），后来又将miR-208a、-208b、-499以及miR-486都划分到myomiRs家族中。大多数的myomiRs家族成员都能在骨骼肌和心肌中表达，除了miR-208a在心肌中呈特异性表达，miR-206在骨骼肌中特异性表达[5]。有意思的是，miR-206的表达还与肌肉纤维类型有很大的关系， 以慢收缩型纤维为主的比目鱼肌miR-206的表达要明显高于快缩型为主的腓肠肌和趾长伸肌[16，18]。

2 骨骼肌中miRNAs与运动相关研究

2.1 骨骼肌中miRNAs与抗阻运动

抗阻运动会导致许多信号通路 （PI3K-Akt-mTOR和PI3K-AKT-GSK-3β途径）的激活，进而促进蛋白合成的增加[6]。骨骼肌对抗阻运动的适应性变化最明显的结果就是肌肉肥大。 肌肉肥大的最主要表现形式是收缩蛋白的增加导致肌纤维的增粗， 从而使肌肉产生更大的收缩力量[7]。

2.1.1 急性抗阻运动

Drummond等[8]发现一次急性的抗阻运动结合氨基酸注射会使年轻受试者股外侧肌中miR-1的表达下调。其中的原因可能是miR-1可以直接地靶向抑制IGF-I/Akt信号通路中的不同因子， 运动后miR-1表达的下调可能导致IGF-I/Akt信号增加， 从而增加蛋白的合成。Rivas等[9]通过对年轻组和老年组的受试者进行一次急性抗阻运动，发现年轻组受试者中有21 个miRNAs表达发生了改变，而老年组的表达未发生变化；通过基因信息学技术发现miR-126可能直接影响肌肉生长调节因子的表达；随后通过细胞实验深入研究机制，结果表明miR-126能通过激活IGF-1信号从而增加年轻组受试者肌肉蛋白的合成， 而老年组受试者在急性抗阻运动后，由于维持miR-126的表达，扰乱了IGF-1信号的激活，进而导致了瘦体重的下降。 此外，除了对骨骼肌中miRNAs表达的研究之外，近年有学者[10]对12名男性受试者进行5组、 每组间隔1 min休息、10次70%最大力量的急性抗阻运动，随后对循环血液中miRNAs的表达谱进行检测， 结果发现运动后miR-149表达上调，miR-221和miR-146a表达下降， 提示循环中miRNAs的表达变化有可能通过血液间接作用于骨骼肌参与机体对急性抗阻运动的适应性变化。

2.1.2 长期抗阻训练

Davidsen等[11]对56名青年男性实施长达12周的抗阻训练，使用双能X线骨密度仪进行检测，根据肌肉质量增加程度的不同， 将他们分为高反应者与低反应者两组 （上下各取15%）； 通过肌肉活检对21个成熟的miRNAs进行了检测， 发现抗阻运动对其中的17 个miRNAs的表达未见显著影响，但是miR-378、miR-29a、miR-26a和miR-451的表达在低反应者与高反应者中不同，miR-378、miR-29a、miR-26a在低反应者中下调而在高反应者中未见变化，然而miR-451仅在低反应者肌肉内上调， 这表明在抗阻运动对不同程度反应者是通过不同的miRNAs表达水平来适应运动引起的刺激。他们还发现miR-378的表达变化与瘦体重的变化可能存在相关性（R2= 0.51），这一结果使他们推测要增加瘦体重就必须要维持miR-378的水平。 Gagan等[12]在离体实验中也证实了这一假设，他们发现miR-378能够通过靶向调节MyoR （生肌转录因子MyoD的负调节子）来促进成肌细胞的分化， 而成肌分化过程可以通过向肌纤维增加细胞核的数量来影响肌肉肥大[13]。 研究表明，在运动过程中，miR-378能够通过调节PGC-1β来控制线粒体代谢和生物能系统[14]， 缺乏miR-378会导致MyoR和PGC-1β的上调。 Rhim等[15]通过离体实验发现，抑制成肌细胞miR-133a的活性， 然后通过组织工程技术获得人造骨骼肌，其肌肉的力量峰值增加了20%，并且与对照组相比， 缺乏miR-133a的人造肌肉内肌管的直径也要比对照组大。

2.1.3 其他形式抗阻适应

John等[16]通过协同肌切除实验，与对照组相比，7天后跖肌的湿重增加了50%， 成功创建了跖肌的肥大模型；他们发现与对照组相比，肥大的小鼠跖肌中miR-1和miR-133a的表达下调了约50%，miR-206的表达稍有上调； 他们同时发现pri-miR-1和pri-miR-133a的表达却有2倍的上调，pri-miR-206的表达则上调了18.3倍；接着他们从miRNAs的生成途径检测关键的内切酶，发现Drosha和Exportin-5的表达升高了50%， 而Dicer的表达未见变化；从核酸内切酶表达的变化，不能解释primiRNAs与成熟的miRNAs表达变化的差异。

综上所述， 急性抗阻运动通过下调miR-1和miR-126的表达来增加IGF-I/Akt信号， 引起蛋白合成增加；长期抗阻训练中低反应者通过下调miR-378的表达、上调PGC-1β，从而调节线粒体的生成；而高反应者可能是通过维持miR-378的表达， 抑制MyOR的表达来增加MyOD的表达，进而促进生肌分化过程。

2.2 骨骼肌中miRNAs与耐力运动

骨骼肌对耐力运动产生的适应性变化不如抗阻运动那么明显，主要的表现形式是线粒体数量增加、肌型转变以及毛细血管密度增加；耐力运动后有关miRNAs表达变化的研究表明，miRNAs主要参与了机体的代谢适应过程。

Van Rooij 等[17]研究发现，α-和β-肌球蛋白重链（MHC）是骨骼肌内的主要运动蛋白，它们分别能编码miR-208a和miR-208b；另外，Myh7b基因，与β-MHC基因同源， 在心肌和慢缩型骨骼肌中表达， 并能够编码miR-499；miR-499和miR-208b过表达会增加肌肉中I型肌纤维的数量，miR-499过表达的小鼠在下坡跑实验中表现出了更强的肌肉耐力； 该研究同时也警示我们miR-499有可能成为耐力型项目运动员用来提高运动成绩的潜在基因兴奋剂。虽然miR-206在慢缩型肌纤维为主的比目鱼肌中表达远高于以快缩型肌纤维为主的腓肠肌内的表达[18]，但是Liu等[19]采用miR-206敲除的小鼠模型进行实验，结果显示，与野生型小鼠相比，该模型小鼠在下坡跑训练中并没有出现运动能力的差别。

2.2.1 急性耐力运动

有研究发现， 一次90 分钟的急性耐力训练使C57BL/6 J小鼠股直肌中miR-1、miR-181、miR-107表达上调， 而miR-23表达下调，miR-23的下调与其可能的靶基因PGC-1α的mRNA和蛋白的表达升高有关 （分别升高了3倍和45%），并发现miR-23和PGC-1α蛋白表达量之间呈较高的相关性（R2=0.62）[20]。 最新的研究表明[21]，miR-23对PGC-1α及机体耐力的调节具有肌型的选择性，Wada等将miR-23基因过表达的小鼠与野生型小鼠相比，慢缩型肌纤维为主的比目鱼肌PGC-1α表达下调， 而快缩型纤维为主的跖肌PGC-1α表达并未改变，但是作者并未通过离体实验验证PGC-1α是否就是miR-23参与代谢调节的一个直接的靶基因。 Yamamoto等[22]采用一次急性游泳耐力训练模型，发现运动后小鼠腓肠肌中miR-494的表达下降，他们继续探索并验证了miR-494 的两个直接参与线粒体生成的靶基因mtTFA和Foxj3。另有研究报道，大鼠游泳运动后比目鱼肌中miR-16的表达下降[23]，而血管内皮生长因子（VEGF）及其两个受体的蛋白水平表达升高， 并且近期研究已证实VEGF是miR-16下游直接的靶基因[24]；作为对耐力训练的适应性变化，骨骼肌中VEGF途径的这种变化可能与血管的生成有很大的关系。

2.2.2 长期耐力训练

Aoi等[25]发现，小鼠进行4周的跑台耐力训练后，另一个可能调节PGC-1α的miR-696的表达下调，而PGC-1α蛋白的表达同样升高，但是PGC-1α的mRNA水平没有变化， 这提示miR-696可能是通过抑制PGC-1α的翻译来参与骨骼肌对耐力运动的适应过程。PGC-1α在参与骨骼肌对耐力训练的适应性过程中作用极为重要，它能够参与线粒体的生成以及调控能量的消耗， 主要包括糖异生、糖酵解和脂肪酸的氧化[26]。 这些结果表明， 与急性耐力运动相比， 长期耐力运动时骨骼肌中miRNAs对PGC-1α的调节机制也略有差异。张嘉伟等[27]对大鼠分别进行4、6周的跑台有氧训练后发现，有氧训练可以上调大鼠腓肠肌组织中miR-133a、 肌细胞增强因子-2（MEF-2） mRNA的表达。

Nielsen等[28]发现60分钟的自行车耐力训练可以使无训练经历的受试者体内股外侧肌miR-1和miR-133的表达增加， 然而进行12周的训练以后，miR-1、miR-133a、miR-133b和miR-206的表达较训练前水平低，作者随后通过对参与耐力适应的MAPK和TGF-β途径的成分进行检测，但是并没有发现miRNAs与可能的靶蛋白Cdc42和ERK 1/2的表达存在明显的相关。 Keller等[29]研究发现6周的自行车运动会降低miR-1、miR-133、miR-101 和miR-455 的 表 达。 这 些 研 究 结 果 表 明miRNAs的表达随运动持续周期的变化而变化， 但是，要搞清楚miRNAs在肌肉耐力运动适应性过程中的确切机制， 还需要使用过表达和基因敲除的转基因模型动物，并结合离体靶基因鉴定的实验。这方面的研究可能由于实验条件所限，研究相对较少。

2.3 运动不足所致的肌萎缩与miRNAs

与肌肉肥大相比，运动不足、太空飞行、失神经支配或先天基因缺陷等因素都会导致骨骼肌发生萎缩，进而造成肌肉力量和功能下降。研究发现，由运动不足导致的肌萎缩过程中miRNAs表达变化在动物和人体实验中存在差异， 并且由运动不足及其他因素所致的肌萎缩过程中骨骼肌中miRNAs变化的调控机制也有所不同。

2.3.1 动物实验

McCarthy等[30]发现7天的后肢悬吊会降低miR-107、miR-221和miR-499的表达，并且，当悬垂28天时，miR-499和miR-208b分别下调40%和60%， 而Sox6的表达升高了2.2倍。 Quiat等[31]发现miR-499能通过调节Sox6的表达来调节肌萎缩过程中肌型的转变， 缺乏Sox6的小鼠骨骼肌中会表达更多的慢肌纤维，线粒体活性增强，导致肌肉耐力增加。 Wang等[32]通过对斑马鱼胚胎研究发现，在慢缩型肌纤维中Sox6的表达受到抑制，并进一步证实了Sox6的翻译抑制是由miR-499调节的，而慢缩型肌纤维特异性的表达又受到Prdm1a的控制， 从而形成了一个引起与维持慢缩型肌纤维系统的一个完整的调节回路。

2.3.2 人体实验

Ringhom等[33]对12名男性健康受试者进行7天的卧床休息，并于休息前和休息后对股外侧肌进行活检，发现卧床引起萎缩的股外侧肌中线粒体DNA/核DNA 含量的比值下降了15%，miR-1和miR-133a的表达同样下降10%，此结果提示7天的卧床不动可能是通过下调肌肉特异性miRNAs的表达降低了骨骼肌的代谢能力。

人体实验与动物实验结果的差异提示， 在运动不足所致的肌萎缩过程中，miRNAs表达变化的差异可能是由于不同物种之间发生肌肉萎缩时本身就存在不同的调节机制。

2.3.3 其他因素所致的肌萎缩

与运动不足导致的肌萎缩形式不同，Allen等[34]通过微阵列分析与RT-PCR鉴定后发现，与正常重力控制组相比，12天的太空飞行会引起小鼠腓肠肌中miR-206的表达下降， 有272个mRNA的表达出现了比较显著性的变化，并且他们证实这些基因mRNA表达的变化都与肌肉生长和纤维类型有关。Jeng等[35]发现大鼠去神经支配1个月以后， 跟假手术组相比， 比目鱼肌中miR-1和miR-133a的表达量下降约70%； 去神经支配4个月后，再完成了神经支配的恢复， 发现miR-133a和miR-1的表达要比对照组高2倍，miR-206的表达在神经支配恢复后1个月显著性升高了3倍， 并且持续了至少4个月，而4个月恢复神经支配的肌肉中Mef2的转录物的表达水平明显下调，这提示miR-206可能在外周神经损伤修复的过程中参与肌萎缩的调节过程。 杜氏肌营养不良症是由先天性基因缺陷所致的进行性肌萎缩疾病。 Liu等[19]对进行性肌营养不良的mdx小鼠进行研究后发现，4周龄的mdx小鼠腓肠肌、跖肌、胫骨前肌和趾长伸肌中miR-206的表达水平较野生型小鼠相比表达呈显著性上调。关于肌营养不良症病人的研究发现miR-206的表达与正常对照组相比呈过表达水平[36]，这表明miR-206参与了杜氏肌营养不良症的病理发展过程。因此，与运动不足所致的肌萎缩过程相比， 由上述各影响因素所致的肌萎缩中miRNAs的不同表达变化也提示可能存在不同的调控机制。

综上所述， 不同的运动方式会导致骨骼肌发生不同的适应性变化。 运动对骨骼肌中miRNAs调控作用的相关研究表明，抗阻运动、肌肉废用性变化中miRNAs参与肌肉适应性调节的可能机制的相关研究相对比较成熟，但miRNAs在耐力运动过程中的确切作用机制尚待进一步探讨。 在进行miRNAs参与肌肉运动适应性调节的基础研究的同时， 未来临床上可能会考虑利用miRNAs进行基因干预或基因疗法来预防和治疗肌肉萎缩。 此外，在竞技体育领域，一些miRNAs也有可能存在成为潜在的基因兴奋剂的风险。

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