MircoRNAs與體力活動

殷　鑫，馬繼政，王　巍，牛　潔

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MircoRNAs與體力活動

殷鑫1,2，馬繼政2，王巍2，牛潔2

1. 南京體育學院運動健康科學系，江蘇 南京210014;2. 解放軍理工大學軍人身體適應訓練研究中心，軍人體能訓練與機能評定實驗室, 江蘇 南京211101

摘要：MircoRNAs(miRNAs)是一類進化上高度保守的非編碼RNA，在多種細胞進程中具有重要調節功能。體力活動的類型、時間、強度都會影響miRNAs變化，產生不同的生理適應。但是，這些生理適應性變化規律及具體機制尚不清楚，存在復雜的基因調控。體力活動相關miRNAs變化，為研究體力活動中循環、肌肉、組織生理性適應機制提供新的思路，有助于精細監測、評定、認識體力活動。

關鍵詞：mircoRNA；體力活動；骨骼肌；myomiR

1前言

MircoRNAs的作用機制在健康預防領域研究較多，在各種體力活動后也被檢測。體育鍛煉已經被證實是一個預防疾病強有力的工具，作用機制可能與miRNAs的變化有關系，但是其分子機制尚不清楚，目前為止仍然沒有精確的運動后產生miRNAs變化的分子機制。找到清楚且完整的視角深入理解體力活動，認識各類體力活動造成機體不同的生理性適應，為疾病預防或治療提供更加精確的信息。

為了在變化的環境需求中保持和改善人類的健康，探究miRNA的調控網絡和體適能，生理適應以及訓練能力之間的關系顯得尤為重要。

2MircoRNAs

MircoRNAs(miRNAs)是一類由20-25個核苷酸組成的小的非編碼RNA，作用于RNA沉默和轉錄后水平的基因表達調節。在20年前miRNAs并不為人所知，科學研究的重心都集中在編碼蛋白質的基因上，其中不包括因此而研究的非編碼序列。但是，在1993年，Ambro和Ruvkun實驗室在秀麗隱桿線蟲內發現了第一個miRNA，也就是lin-4，通過轉譯抑制導致lin-14蛋白合成的減少，控制幼蟲由L1期向L2期的轉化。1987年Ferguson等人發現了lin-4可以負面調節lin-14基因表達[1]。

在2000年Reinhart等人發現另一個miRNA，Let-7，調節秀麗隱桿線蟲幼蟲發育的L4期到成熟的轉變過程。在線蟲中，降低Let-7活性會導致成蟲期發育遲緩，相反則會造成幼蟲期發育早熟[2]。Let-7控制各種發育包括動物系統進化，參與細胞增殖、分化、死亡，并且它的序列從果蠅到人類中進化上是高度保守的，對各種生命進程具有不可或缺的作用。

Let-7在進化上高度保守的發現，推動了mircoRNA領域的研究，大約有1900個miRNAs在人類和其它物種中被發現。MiRNA生物合成高度復雜并且精細調節一系列生物學進程，包括轉錄，核過程，出核轉運過程，胞突等[3]。近期miRNAs分子作為肌肉發育和肌肉性能的調節者，以及作為潛在的疾病治療因子已經得到人們關注。在體力活動中，眾多因素影響miRNA水平，包括年齡、性別、訓練狀態、鍛煉類型等。為了解miRNA的分子調控機制和及在不同類型運動后的變化水平，需要更多綜合性的研究。

3體力活動和miRNAs

眾所周知，體力活動可以影響機體大多數器官系統，包括心血管系統、呼吸系統、神經內分泌系統，尤其對骨骼肌系統影響最大。體力活動產生刺激促進細胞內外信號交流，歸于生理過程，表現為代謝和結構上的積極適應，例如機體表現出最合理的肌纖維效率和神經肌肉的募集程度，線粒體的生物合成增加，肌肉增長和重建[4]。此外，久坐的習慣會對以上適應產生負面的影響，顯著增加患慢性疾病的風險，例如癌癥、心血管疾病、骨質疏松、糖尿病和其它一些代謝性疾病。

體力活動能夠調節miRNAs在骨骼肌，心血管和免疫系統的水平。這些變化又調節了目標基因的表達，促使機體產生短期或者長期的適應，而不同類型的運動又會導致不同miRNAs的變化[5]。這提示我們不同類型運動與miRNAs水平差異存在一定關系，然而運動改變miRNAs水平機制仍然不清楚。

3.1耐力性運動

耐力性運動牽涉全身數個大肌肉群，促進氧氣消耗的增加，改善身體狀況。這種長時間重復次最大強度的運動會誘發表型的變化，例如快肌纖維向慢肌纖維的轉化，線粒體生物合成的增加，毛細血管密度增加[6]。PGC家族在耐力性運動骨骼肌適應中扮演重要的角色，參與新陳代謝過程例如脂肪酸氧化、糖酵解和糖異生過程。PGC1-α和PGC1-β主要作用于線粒體生物合成過程的調節，并且各種miRNAs也參與到調節的過程中。當miR-696和miR-23水平在有氧運動中表達下降，PGC1-α蛋白的表達就上升了[7,6]。

在人類中，耐力性運動會引起肌肉相關miRNAs(myomiRs)水平變化,并且鍛煉形式和恢復時間也影響myomiRs水平。Banzet等人研究表明，在一堂訓練課中，離心運動占訓練較多(簡稱離心組)，與向心運動占訓練較多(簡稱向心組)相比，在分子響應方面存在很大不同。離心組miR-1，miR-133a，miR-133b和miR-208b水平出現顯著的上升，但是，在向心組中卻沒有檢測到miRNAs的變化[8]。其他實驗數據表明，在60分鐘的自行車訓練課后，miR-1和miR-133水平迅速升高，而在通過12周運動計劃訓練后，miR-1，miR-133a，miR-133b，和miR-206水平都下降了[9]。即在急性耐力性運動時會出現miR-1和miR-133水平的上升[9,6]，而在長期耐力性運動后卻會出現兩者水平的下降。表明miRNAs水平在不同的訓練狀態下可以為機體適應訓練提供內源性的調控。

HUNT體適能研究中心證實了最大攝氧量與miRNAs的調節有顯著的相關性。最大攝氧量是心血管健康的一個指標，可以為心血管意外發生提供預測。有氧能力低的受試者在循環中miR-210,miR-21，miR-222水平顯著升高[10]。在已分析的miRNAs和一些心腦血管疾病主要危險因素，例如血壓、肥胖、吸煙習慣和膽固醇等沒有相關性。因此，miRNAs在涉及氧氣運輸的生物學調節過程中可能具有重要的作用，對耐力性運動是必不可少的，需要更多的機制研究。

3.2抗阻運動

抗阻運動和耐力性運動相比，在代謝方面的適應變化很少，而肌肉蛋白的生物合成增加較多。MiR-1可以靶向作用于IGF-1。機械抗阻訓練會降低miR-1在骨骼肌中水平，增強IGF/AKT的信號通路，從而增加蛋白質合成[11]。常見的肌肉肥大動物模型是“協同肌切除”模型。通過外科手術切除小鼠兩個主要的協同肌(比目魚肌和腓腸肌)，給予剩余的跖肌過量的機械負荷誘導肌肉肥大。7天后，在小鼠跖肌中miR-1、miR-133a水平下降了50%[11]。人類試驗中[12]，力量運動已經被證明影響多種miRNA的變化。在年輕人當中，一次急性力量運動伴隨氨基酸的攝取會顯著導致骨骼肌miR-1水平下降，其結果與小鼠肥大刺激試驗miR-1在肌肉中水平下降是一致的。而且有研究表明miR-1可以靶向抑制各種因子如促生長因子(IGF-1)和蛋白激酶(protein kinase B)的信號通路[13]。因此，力量運動后miR-1水平下降可能與骨骼肌應對刺激后蛋白質合成增加有關。

Davidsen等人選取一群成年男性進行12周力量訓練，采用事后分析的方法，并通過每個受試者去脂體重變化，將其分為低反應者組(Low renponsers)和高反應者組(High responsers)，選擇表達最高的miRNAs，觀察兩組之間是否存在表達差異。結果表明，高反應者組miRNAs水平在股外肌不受影響，而低反應者組miR-451和miR-378表達量明顯改變，并且miR-26a和miR-29a水平呈下降的趨勢。此外，miR-378水平變化與去脂體重的變化呈現明顯相關性(R2=0.51)。去脂體重的變化對維持miR-378的水平具有重要的意義[14]。此外，近期miR-378研究表明，miR-378可以通過調節PGC1-β表達來調節線粒體新陳代謝，并且，在運動中miR-378可以作為生理反應和耐力性運動的觀察指標[15],為運動狀態監控和運動處方制定提供更加深入準確的評判標準。

抗阻運動能夠增加骨密度、預防骨質疏松、改善肌肉狀態等，但其分子機制尚不清楚，miRNA在耐力性運動方面研究較多，而在抗阻運動方面研究較少。因此，miRNA為研究抗阻運動帶來的生理適應提供了新的思路，找到不同類型體力活動與miRNAs變化之間關系及其作用機制是當前研究的重點，并且，找到miRNA與傳統訓練學分子標志物之間是否存在相關性也將為miRNA的作用機制提供思路。

4骨骼肌和miRNAs

近期研究表明miRNAs在骨骼肌功能中扮演重要的角色，數個miRNAs已經被認為是在生理病理狀態下肌肉生成、肌肉質量和營養代謝的調節因子。大約60%的編碼蛋白基因可能被miRNAs調控。因此，miRNAs是影響身體綜合發育的關鍵因素,參與維持內環境穩態,細胞凋亡,并通過改變蛋白含量帶來年齡相關的變化。

4.1肌生成中的MircoRNA

骨骼肌發育是一個復雜的過程，各種因素之間相互影響、相互作用，貫穿肌細胞增殖分化為成熟肌纖維的整個肌生成過程，并且骨骼肌適應受到基因調控。肌生成調節因子(MRFs)家族,包括成肌分化抗原(MyoD),成肌素(myogenin)，生肌因子5(Myf5)，肌細胞增強轉錄因子2(MEF2)，都是骨骼肌細胞發育的關鍵調節因子[16]。

已有研究表明MircoRNA參與了發生在骨骼肌中的大多數生物學過程。例如，miR-133a通過沉默抑制細胞增殖的生長激素釋放因子(SRF)實現肌細胞的增殖[17]。此外，miR-30家族調控成肌細胞分化，為miRNA通路提供負反饋作用[18]。

在細胞分化的早期，miR-24水平上升，在之后的分化過程中維持上升，并且在分化成熟的心肌和骨骼肌中都有表達[19]，在細胞分化的后期miR-181水平降低[20]。活體體內的實驗證實了miR-26a可以靶向作用于轉錄因子Smad1和Smad4促進細胞分化，表明miR-26a在TGF-b/BMP通路中具有重要作用[21]。同時，肌細胞生成過程也包括靜止的衛星細胞激活、增殖、分化和融合。MiR-31存在于靜止的衛星細胞，抑制Myf5的mRNA翻譯過程。在激活的衛星細胞中，miR-31水平降低，Myf5蛋白累積，而蛋白的累積最初需要Myf5的mRNA翻譯。MiR-489水平在靜止的衛星細胞中表達很高，并且在衛星細胞被激活后miR-489水平迅速下降。包括miR-106b，miR-25，miR-29c，miR-320c，在人類肌肉靜止的衛星細胞中的表達比增殖的衛星細胞中低[22]。

4.2 肌肉相關的miRNAs

組織特異性的miRNA的定義，是指某個miRNA在特定組織中的表達水平相比其它組織中檢測到的平均水平，高出20倍以上[23]。肌肉中表達的150多種miRNs中，25%的miRNA是肌肉特異性。有研究第一次證明miR-1在橫紋肌特異性表達[24]，之后，Sempere等人提出了組織特異性miRNAs的簡介，描述了30個在特定組織中富集的miRNAs，包括miR-1,miR-133a，miR-206,miR-208a，miR-208b，miR-378,miR-486,miR-499等眾所周知的miRNAs[25]。MyomiRs屬于兩個家族，miR-1/206和miR-133。MiR-1和miR-206都具有相同的種子序列，除了位于3’端的3個核苷酸。MyomiRs都是由三個基因位點編碼，每一個都包含miR-1/206族成員之一和miR-133家族成員之一。這些基因位點的定位在人和老鼠中是不同的。在人類中miR-1-1和miR-133a-2的基因都成群聚集在20號染色體，而在老鼠中則是成群聚集在2號染色體。此外，miR-206和miR-133b在人類中都位于6號染色體，在老鼠中位于1號染色體[26]。

肌肉特異性的miRNAs決定了在骨骼肌中由于各種原因，例如制動、疾病、訓練適應等造成的表型變化。MyomiR-378參與骨骼肌的發育過程，在成肌細胞分化過程中靶向作用于肌源性的抑制物MyoR。此外，myomiR-486通過抑制肌萎縮的轉錄調節因子FoxO1促進肌細胞生成。在肌肉特異性的miRNAs中，miR-1，miR-133，miR-206是目前為止被研究最多且最具有代表性的肌肉相關miRNAs。這些miRNAs對于調節骨骼肌和心肌的發育是必不可少的，對各種病理學情況具有深遠的影響。研究證明，miR-1作用范圍中包括胰島素樣生長因子1(IGF-1)信號通路[27]。MiRNA-1和miRNA-133在相同的基因表達，在一個互補的回路中合作，表現出相反的生物學功能。MiR-1表達升高細胞凋亡增加，miR-133表達升高細胞凋亡減少[28]。miR-1過表達會帶來肌源性分化的增加；相反，miR-133水平在成肌細胞增殖過程中表達上升，在成肌細胞分化過程中表達下降[29]。MiR-206是一個肌肉特異性的miRNA，只在骨骼肌中表達，并且是唯一一個只在脊椎動物中表達的肌肉特異性miRNA，可能與它在成人肌肉中肌纖維類型轉變功能有關系[29]。此外，肌相關的miR-208b和miR-499在心肌細胞中高表達，涉及到肌纖維由快肌轉變到慢肌的過程。主要表達在心肌中的myomiRs有miR-1,miR-133a,miR-133b,miR-208a和miR-499。尤其是miR-208a和miR-499的表達和心肌梗死相關連。MircoRNA-208a被用來維持心臟相關轉錄因子的表達，并對心臟傳導系統的發育有重要作用。

5循環miRNAs與體力活動

除了在骨骼肌中，循環血液miRNAs(c-miRNAs)的表達水平也被證明與運動相關。一項實驗顯示，一系列耐力性運動后血液中miR-146a，miR-222，miR-21和miR-221表達水平都有所升高,并且在經歷90天的訓練之后，受試者循環血液中miRNAs水平仍會在急性運動后出現暫時上升[30]。急性和長期耐力性運動都會降低循環血液中肌肉富集性miR-486水平，但是，其它所有肌肉相關的miRNAs表達水平均低于可測含量。

雖然在不同體力活動后循環中miRNAs呈現不同變化，但是循環miRNAs的精確生理學功能仍不清楚。Aoi等人研究重點集中在年輕健康，沒有經受過長期規律訓練的受試者，評估急性鍛煉和長期鍛煉對骨骼肌特異性的miRNAs在血清中表達變化的影響。多數myomiRs (miR-1,miR-133a,miR-133b,miR-206,miR-208b和miR-499)都在血清中被發現有低水平表達。Baggish等人報道了miR-146a和miR-222水平在持續性自行車訓練后升高，但是miR-133a水平沒有變化。此外，miR-146a水平上升和最大攝氧量變化呈正相關[31]。在馬拉松跑后，miR-133a，miR-1，miR-146a水平顯著升高。一方面，研究證實了在馬拉松跑后不但miR-133a表達升高，而且血管內皮損傷生物標志物miR-126的表達也有所升高；另一方面，Sawada等人報道，在一次單獨抗阻訓練之后則沒有檢測到miR-133的升高，而只有miR-221和miR-146a水平的降低[32]。因此，運動可能導致循環中肌肉特異性的miRNAs低水平的分泌，并且增強了miRNA的生物學通路。

從miRNAs和分子變化之間的關系得出，c-miRNAs將在病理或生理狀態下成為有意義的分子標志物。例如Mooren等人提出miR-1，miR-133a，miR-206作為有氧能力的分子標志物，因為這些miRNAs與最大攝氧量和達到無氧閾時的跑速呈現較高的相關性[33]。

6體力活動調節miRNAs與非傳染性疾病預防的關系

有規律的體力活動對身體健康具有諸多益處，患有肌肉疾病的病人可以通過適當的訓練獲得恢復，多數慢性退行性病變患者都能從中獲益。體力活動帶來的數種miRNAs水平變化，表明體力活動對于非傳染性疾病預防具有潛在的價值，并且c-miRNAs將成為健康預防和治療干預領域有用的分子標志物。

有規律的鍛煉不僅可以減少癌癥患者的死亡率，而且能改善其生理和免疫功能。相比久坐習慣帶來的健康問題，多種體力活動例如抗阻運動則會增加骨骼肌合成代謝、骨骼肌力量、骨密度等，預防骨質疏松的發生。此外，適量體育鍛煉會增加免疫細胞數量，改善睡眠，促進血液循環，增強免疫功能等。

數個miRNAs，例如miR-25，miR-92和miR-126都直接涉及到糖尿病的發病機制。近期研究顯示：miR-25和miR-92a與胰島素合成調節有關系[34]。II型糖尿病導致數個c-miRNAs水平異常，包括miR-126水平降低，糖尿病受試者在六個月的規定飲食、體力活動鍛煉后提高了miR-126在血清中水平[35]。

研究數據表明血漿中的miRNAs是病理狀態下有用的預測工具。臨床miRNAs用來預防和治療疾病的介入需要進一步研究。

7總結

MiRNAs參與機體各種生理過程，對刺激發生反應，作為重要的候選小分子研究體力活動后的適應機制。骨骼肌中miRNAs變化對骨骼肌生理適應尤其是蛋白質的生物合成具有重要意義，循環血液中的miRNAs可隨血液傳送到身體各部位發揮作用。而研究抗阻運動后循環血液中miRNAs變化，有助于認識抗阻運動與循環miRNAs變化之間的關系，深入理解循環miRNAs變化對于抗阻運動后骨骼肌適應的生理意義。體力活動近期被認為是對于長期慢性退行性疾病潛在的預防工具，大量研究證實體力活動能夠改變miRNAs水平，但是變化機制仍需進一步研究。運動導致的氧化應激可能是一個機制，能夠改變骨骼肌中miRNAs水平。

MiRNAs作為潛在分子標志物，從體力活動角度研究miRNAs不僅可以用來監控身體訓練狀態，而且可以為預測和治療疾病提供新的方向，從新的角度認識體力活動對于預防和治療疾病的作用。

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第一作者簡介：殷鑫(1993-)，男，江蘇宿遷人，在讀碩士，研究方向：運動生理學。

中圖分類號：

文獻標識碼：A

文章編號：1005-0256(2016)07-0157-4

doi:10.19379/j.cnki.issn.1005-0256.2016.07.063

MircoRNAs And Physical Activity

Yin Xin1,2, Ma Jizheng2, Wang Wei2, Niu Jie2

Abstract:MircoRNAs(miRNAS) is a non-coding RNAs, which is highlyconversed, and it has an important regulatory function in a variety of cellular processes. The type, time and intensity of physical activity are all affected by miRNAs and produce different physiological adaptation. However, these physiological adaptation changes and specific mechanisms with a complex gene regulation are not clear. Physical activity related to miRNAs changes provides a new way to study the mechanism of circulation, muscle and tissue physiological adaptation in physical activity, which is helpful to the fine monitoring, evaluation and understanding of physical activity.

Key words:MircoRNA;physical activity; skeletal muscle;myomiR

1. Department of Exercise and Heath, Nanjing sports Institute, Nanjing 210014, Jiangsu，China;

2. The Research Center of Military Physical Adaptation Training, the Lab of Military Physical Conditioning and Motor Function Assessment，the PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, Jiangsu,China.