miRNA-29 及其下游信号通路与糖尿病调控的研究进展

朱梦云，黄桂红

（桂林医学院，广西 桂林）

1 糖尿病

糖尿病是一类由胰岛素分泌或作用缺陷引起的，以持续性高血糖为主要特征的，常见的慢性代谢性疾病。[1]官方统计显示，截止2017 年，全球的糖尿病患者已达到4 亿左右。根据国际糖尿病联合会（IDF）的预测，按照目前的趋势，到2040 年，全球患有糖尿病的人数将会急剧增加至6.42 亿[2]。根据发病机制的不同，我们通常将糖尿病分为1 型糖尿病（T1DM）和2 型糖尿病（T2DM）两种类型。T1DM 主要由于胰岛素分泌不足而引发，T2DM 的发病机制则主要是胰岛素效能的下降。其中2 型糖尿病占90%左右。

1.1 1 型糖尿病

1 型糖尿病（T1DM）是一种严重的慢性疾病，由胰岛β 细胞的破坏和减少引起，主要由免疫系统介导，例如多种胰岛特异性自身抗体。T1DM 的发展涉及多种遗传和环境因素。遗传风险由特定等位基因的组合而引发，从而影响T 细胞识别异源和自体分子以及对这些异源和自体分子的耐受性。与遗传因素相比，影响T1DM 发生发展的环境因素不是特别显著，但与特定微生物的接触可能是重要的因素，因为某些感染会影响免疫调节，从而成为T1DM 的危险因素。一些证据还表明营养因素在T1DM 中发挥重要作用[3]。

1 型糖尿病（T1DM）具有较典型的三多一少症状，即多饮，多食，多尿，体重减少。T1DM 通常在儿童或年轻人中发展，该病是儿童中最常见的慢性疾病之一。随着发病率的增加，发病高峰年龄已经越来越低龄化。低血糖是其最常见，也是最高危的急性并发症[4]。

1.2 2 型糖尿病与胰岛素抵抗

2 型糖尿病（T2DM）以高血糖和葡萄糖耐受不良为主要表现，是一种蛋白质，脂质和碳水化合物代谢异常的慢性综合性疾病[2]。其三多一少现象较1 型糖尿病而言并不典型。尽管T2DM 受到生活习惯（例如饮食，运动和作息）的影响，遗传也在其发生发展中发挥重要作用，遗传几率约为60%[5]。研究表明，两种潜在机制导致其逐渐临床发展，即胰岛素抵抗与胰腺β 细胞功能障碍分别或共同作用，导致胰岛素分泌相对缺乏。结果，临床研究表明T2DM发作可以在其临床诊断之前9-12 年发生，即在最终发展为糖尿病之前，葡萄糖耐量降低和/或空腹葡萄糖受损的情况就已经存在。而这一阶段对于病情的康复和扭转至关重要，因此对2 型糖尿病的早期诊断的研究需要引起广泛的重视[6]。

胰岛素抵抗（IR）主要的特点为，胰岛素的靶组织，如脂肪，肌肉和肝细胞等，对正常浓度胰岛素敏感性下降，从而导致人体对葡萄糖的调控发生失衡。IR 显著增加了肥胖症、胰岛β 细胞早期衰竭、心血管疾病，代谢综合征等疾病的风险[7]。适当强度的有氧运动能够有效地逆转胰岛素抵抗[8]。

2 miRNA 与miRNA-29

2.1 miRNA

微小RNA（miRNA）是包含18-25 个核苷酸的进化保守的，内源表达的非编码单链RNA[9]。miRNA 种类繁多，科研工作者每年在不同的生物体内发现多种新miRNA。miRbase 数据库内的数据显示，迄今为止已鉴定出2500 多种功能多样的miRNA[10]。RNA 聚合酶II 存在于细胞核内，将DNA 转录产物聚合形成独特的茎- 环结构，该结构称为pri-miRNA。pri-miRNA 拥有完整的5' 帽子和poly-A 尾部，其结构与mRNA 相类似。随后，它被RNAse III 核酸内切酶切割掉细胞核中的复合物，仅留下一个约65-70 个核苷酸的结构，该结构称为前体miRNA（pre-miRNA）。pre-miRNA 转运出细胞核，到达细胞质，此时，Drosha 和Dicer 蛋白的RNAse III 核酸内切酶组分协同TARBP2 和PRKRA 一起，将pre-miRNA 切割成miRNAs。得到的双链miRNA 被分成两部分：一条为附着在RNA 诱导的沉默复合物（RISC）上的引导链，另一条为无用的过客链[11]。miRNA 在转录后水平调控基因的表，达[10]其通过与靶mRNA 的3’非翻译区（3’UTR）配对结合并调节mRNA 降解、腺苷酸化或抑制mRNA 翻译等途径来调节下游靶基因的表达[9]。miRNA 在许多细胞学和生物学过程，例如发育、细胞分裂、分化、凋亡以及免疫反应中发挥关键作用[12]。另外，许多疾病的发生发展都与miRNA 的表达失调甚至是缺失有关。每个microRNA 都可以微调数百个靶基因。因此，关键microRNA 的表达失调或者缺失可以促进疾病的发展[13]。值得注意的是，miRNA在血清，血浆，尿液和其他体液中均表现出良好的稳定性[14]。这一特征使得miRNA 在疾病的诊疗过程中起到重要作用。

2.2 miRNA-29

miRNA-29（miR-29）家族是小鼠和人类中胰腺和肝脏中表达最丰富的miRNA 之一[15]。microRNA-29（miR-29）家族由三个miRNA 组 成：miR-29a，miR-29b 和miR-29c[16]，包 括miRNA-29a，miRNA -29b，miRNA-29c 三 种 亚 型，其 中miRNA29b 又分为miRNA-29b-1 和miRNA-29b-2。就人类而言，miRNA-29a 与miRNA-29b-1 共同位于7 号染色体，而miRNA-29b-2 与miRNA29c 共同位于1 号染色体。miRNA-29 家族的几种亚型具有几乎一致的编码序列，在5’帽子端均包含序列-AGCACCA[17]，由此可见，miRNA-29 家族编码的核苷酸序列有着遗传保守性[18]。

miRNA-29 家族参与多种疾病的发生发展有关，如肿瘤，心血管疾病，糖尿病的发生发展等。Shi[19]等的研究表明，miRNA-29a的过表达将抑制心肌细胞的自噬，从而导致心肌肥厚。姜贻乾[20]等的研究数据显示，miRNA-29b 通过抑制下游靶向因子PTEN 的表达来抑制乳腺癌细胞的增殖和迁移能力。

3 miRNA-29 与糖尿病

miR-29a 被证实为与糖尿病相关的血清RNA，在高糖环境下，其表达下调[21]。

3.1 miRNA-29 与1 型糖尿病

Nielsen 等[22]研究表明，1 型糖尿病儿童血清miR-29 表达显着着上调，为儿童T1DM 的诊断提供了参考。miRNA-29a/b/c 三种亚型在1 型糖尿病模型大鼠的心肌组织中表达均上调[23]。miRNA-29a/b/c 的上调导致抗细胞凋亡蛋白(IAPS) 水平降低，通过激活Caspase3、7、9 等酶的活性促使胰岛β 细胞的损伤和凋亡，进一步导致其分泌能力下降。因此，高表达的miRNA-29 引发胰岛β 细胞的功能失调，尤其是在糖尿病发病初期[24]。这也是miRNA-29 家族在细胞凋亡方面发挥作用的体现。

3.2 miRNA 与2 型糖尿病

胰岛素信号转导分为三类，分别为受体前信号转导，受体信号转导和受体后信号转导。miRNA-29a 的过表达主要通过介导胰岛素受体后信号转导途径导致IR。在前脂肪细胞中，miRNA-29家族抑制了胰岛素诱导基因1（insulin induced gene 1， Insig1）的表达，从而降低胰岛素受体底物1（IRS-1）、磷脂酰肌醇-3 激酶（PI3K） p85 亚单位及AKT 的磷酸化水平，进一步抑制了葡萄糖转运蛋白4（glucose transporter type 4， GLUT4）向细胞膜转移，减少细胞对葡萄糖的吸收和利用，引发IR[25]。另一方面，过表达的miRNA-29a 可以在PI3K 的亚单位p85 的mRNA 层面靶向抑制其翻译过程，从而降低下游因子AKT 的磷酸化水平，激活糖异生过程的关键酶：磷酸烯醇丙酮酸羧激酶（PEPCK）基因，诱发IR。此外，miRNA-29 还可以抑制糖异生相关的下游分子，如：过氧化物酶体增殖物受体γ 共激活因子1α（peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1α， PGC-1α) 和 葡萄糖-6- 磷酸酶（glucose-6-phosphatase， G-6-Pase）的基因表达，减少糖异生，从而使血糖调节失衡[18]。研究表明，miRNA-29在DM 鼠的肝脏和胰腺组织中表达升高[26]，且与下游调节胰腺发育及糖、脂代谢的翼螺旋转录因子(FOXA)2 表达下降密切相关。Dennis Dahlmans 等[27]进一步进行了临床试验，分别对患有2 型糖尿病，非糖尿病肥胖/超重，久坐的瘦弱个体和耐力测试的四位受试者进行肌肉活检，通过RT-PCR 技术，检测所选miRNA 的表达。确定了miR-27a-3p 和miRNA-29 家族的所有成员是人类胰岛素敏感性的潜在调节因子。

4 PI3K/AKT/GSK3β/GLUT4 通路与糖尿病

P13K/AKT/GSK3/GLUT4(Phosphoinositide-3-Kinase/Protein kinase B/Glycogen synthase kinase-3/GLUT4)是一条重要的信号通路，该信号通路参与细胞存活、增殖、凋亡等过程的调控，[28]其与癌症，糖尿病等疾病的调控密切相关，被认为可调节T2DM 相关的多种生理过程。大量研究表明，该途径不仅可以促进胰岛素的信号转导，而且能够刺激脂肪、肌肉和肝脏等组织中葡萄糖的吸收[2]。首先，由胰岛β 细胞分泌胰岛素至细胞外，胰岛素与细胞外的胰岛素受体(IR) 结合，胰岛素受体构象随即发生改变，酪氨酸激酶(PTK)将其磷酸化之后，激活胰岛素受体底物(IRS)，从而引起下游信号分子，例如磷脂酞肌醇激酶(phosphoinositide3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinaseB，PKB/AKT)的级联反应。蛋白激酶B通过磷酸化而被活化（P-AKT），活化后抑制下游糖原合酶激酶3 beta（GSK3β；丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶）活性，促进糖原合成，以及通过酶促级联反应的扩增导致葡萄糖转运蛋白（GLUT4）易位，最终被激活，从而增强骨骼肌和脂肪组织中的葡萄糖摄取[1]，促进细胞对葡萄糖的摄取，从而降低血糖水平。该信号通路中任何环节的失调均可引发胰岛素抵抗。

4.1 PI3K

PI3K 是一种脂类第二信使[29]，根据其序列同源性和底物特异性将其分为3 类，其中I 类具有丝氨酸/ 苏氨酸蛋白激酶和磷脂激酶活性的双重活性。PI3K 由调节亚基p85(p85a、p85β、p85y)和催化亚基p110 (p110α、p110β、p110δ)相互结合，共同作用，形成异二聚体。其中p110α 是PI3K 在胰岛素信号通路中发挥最重要作用的分子[30]。胰岛素受体传入细胞，与IRS 结合，使IRS 中的酪氨酸基团磷酸化，与p85 亚基的SH2 结构域结合的同时，激活p110 亚基，异二聚体结构发生改变，p110 亚基进一步催化磷脂酰肌醇4，5-二磷酸(PIP2)，反应成为磷脂酰肌醇3，4，5-三磷酸(PIP3)，PIP3 进一步激活其下游因子Akt。此外，胰岛素受体也可作用于Ras 系统，PI3K 的P110 亚基直接结合与Ras 结合，活化P13K[30]。

4.2 AKT

蛋白激酶B（PKB）是PI3K 的下游因子，具有丝氨酸/ 苏氨酸蛋白激酶活性，PKB 与鼠类胸腺瘤病毒 (Akt8)中V-Akt 基因编码的Akt 同源，因此又称Akt，且Akt 这一名称目前使用更广泛[29]。Akt 家族有3 种蛋白异形体，分别为Akt1、Akt2 和Akt3，它们的氨基酸序列具有较高的同源性（80%左右），即具有相似的蛋白结构，且均包含N 端的pH 结构域、催化结构域以及C 端的调节结构域。3 种异形体分布于不同组织中，在胰岛中分布最多的为Akt2[30]。PI3K 被激活 产生的PIP3 和Akt 的pH 结构域结 合，使AKT 在细胞膜上聚集，发生构象变化从而被磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1(PDK1) 磷酸化，其磷酸化的位点为催化结构域中的Thr308 和调节结构域中的Ser473，前者使AKT 活性升高10%，后者使其完全活化[29]。活化的Akt 激活或者抑制下游靶向因子，进一步调节对血糖进行调节。

4.3 GSK3β

糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase3β，GSK3β)是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，有2 种亚型，包括GSK3α 和GSK3β，这2 种亚型均在人体各种细胞、组织中广泛分布和表达，因两者氨基酸序列具有较高的同源性，所以其蛋白结构相似，从而具有相似的生物学特性[30]。GSK3β 是AKT 的下游靶向因子，其活性受到AKT 的负性调节，活化的Akt 与GSK3β 上特异位点结合，诱导GSK3β 转移至向细胞膜，使其N 端第9 位Ser 活性位点磷酸化，最终失活，从今糖原的合成，降低血糖[29]。

4.4 GLUT4

骨骼肌是人体内最主要的摄取和代谢葡萄糖的组织之一。葡萄糖的跨膜转运是骨骼肌利用葡萄糖的第一步。这一步骤需要细胞膜上的葡萄糖转运蛋白(glucose transporter，GLUT)这一载体蛋白的协助扩散[30]。GLUT 有12 种亚型，根据序列相似性和同源性将这些亚型分成3 类。第一类(GLUT 1，2，3，4) 主要参与葡萄糖转运，第二类(GLUT5，7，9，11)是果糖转运蛋白，第三类(GLUT6，8，10，12)功能目前没有明确的报道。其中GLUT4 主要存在于骨骼肌、脂肪组织中，是参与葡萄糖转运的重要蛋白[30]。GLUT4 包含12 个跨膜结构域外加一个位于N 端的环状胞外结构域。GLUT4 在基础状态下循环于骨骼肌的细胞膜和细胞浆之间。在运动或胰岛素刺激后，胞浆中的GLUT4 从内膜转位至细胞膜上，从而发挥其促进骨骼肌细胞摄取和利用葡萄糖的生理作用。GLUT4 的表达异常或其转位缺陷，导致骨骼肌细胞对葡萄糖的摄取和利用受到抑制，血糖升高，引起糖尿病。而运动和胰岛素等有利因素可以逆转这一过程，促进葡萄糖的摄取与利用，降低血糖，缓解糖尿病[29]。

5 miRNA-29 与PI3K/AKT/GSK3β/GLUT4 通路

miR-29 介导信号通路中几种调节剂的磷酸化，例如磷脂酰肌醇3 激酶（PI3K），蛋白激酶B（AKT）[31]。Shi[32]等的研究表明，升高miR-29a 的表达可以通过靶向血管内皮生长因子（VEGF）从而使PI3K/AKT 通路失活，在鼻咽癌（NPC）细胞中发挥肿瘤抑制作用。Hu[33]等得出的结论是，miR-29b 通过抑制PI3K / AKT 信号通路在Ang II 诱导的上皮-间质转化（EMT）的负调控中起重要作用。综上，miRNA-29 通过负调控PI3K/AKT 通路在多种疾病中扮演不同的角色。在糖尿病中，miRNA-29 通过激活AKT 下游因子GSK3β，降低了糖原合成，或者通过抑制GLUT4，减少细胞对葡萄糖的摄取，从而引发糖尿病。

6 小结

随着经济的蓬勃发展和生活节奏的不断加快，全球的糖尿病发病率正在以不可逆转的趋势上升，我国也不例外。糖尿病不仅给患者的日常生活造成困扰，其并发症，如糖尿病肾病，视网膜病变，心血管疾病等更是对病人的生存质量发起了严峻的挑战。其中，1 型糖尿病的发病率远低于2 型糖尿病，但是其发病的低龄化和原发性值得引起广泛的重视。

miRNA 是一种非编码单链RNA，近年来成为研究的热点，其在肿瘤等疾病中的作用已经得到证实。有研究显示，miRNA-29家族在糖尿病的发生发展中起到了不可或缺的作用，其高表达是糖尿病的一大诱发因素。miRNA-29 通过调节下游信号通路PI3K/AKT 的表达，进一步调节GSK3β 和GLUT4 的表达，最终导致血糖去路的减少，导致糖尿病的发生。

因此，本综述旨在阐明miRNA-29 及其下游靶向通路与糖尿病的关联，为糖尿病的早期临床诊断和治疗提供新的研究靶点和思路。