運動介導miRNA調控阿爾茨海默癥的研究進展

陳 思，朱 磊

阿爾茨海默癥（AD）是全球范圍內備受關注的健康問題。它是一種神經退行性疾病，其病理特征被認為是細胞外β－淀粉樣蛋白沉積和tau過度磷酸化（p－tau）引起的神經纖維纏結。由于發病機制尚不清楚，目前還沒有有效的治療方法。近期研究成果表明：miR－29、miR－132、miR－146a、miR－34a等miRNA可以在靶基因轉錄后水平調節AD患者機體病理現象。運動在改善AD的同時，與miRNA的表達也存在微妙的關系。因此，本文綜述了miRNA與AD的關系以及運動對AD的影響，探討運動介導miRNA對AD的影響，以期為阿爾茨海默癥方面的研究提供更廣闊的前景。

1 miRNA的概述

microrna（miRNA）代表一類約19～23核苷酸（nt）的單鏈非編碼RNA（sncRNA），是信使RNA（mRNA）轉錄后調節因子。微小體積、兩親性、高溶解度使它們具有極強的流動性，存在于大腦和中樞神經系統，是真核生物中攜帶核酸信號分子的最小信息載體。這些miRNA的主要作用方式是通過堿基對互補性與mRNA的3’－非翻譯區（3’－UTR）相互作用，降解該mRNA，從而降低該特定mRNA表達的可能性［1］。近年來，大量研究表明，與對照組相比，一些神經退行性疾病的miRNA水平發生了改變，多個miRNA在AD患者中上調或下調。這些發現引起了科學界的興趣，并開辟了兩個主要的研究領域，即miRNA作為AD的生物標記物和miRNA作為AD的治療靶點。

2 miRNA對阿爾茨海默癥的調控

總體來說，miRNA可以改善阿爾茨海默癥的多種致病機制。miR－29可以降低淀粉樣斑塊生成、miR－132能夠調節突觸障礙和tau蛋白磷酸化、miR－146a主要降低炎癥反應、miR－34a可通過多個靶基因影響神經元存活和突觸功能。

2.1 miR－29對阿爾茨海默癥的調控

miR－29家族包括miR－29a，miR－29b和miR－29c。通過使用miRNA基因的直接克隆策略，Lagos－quintana于2001年首次成功克隆了miR－29a［2］，隨后，相繼獲得了家族成員miR－29b和miR－29c。miR－29家族在心血管組織和血管內皮細胞的各個部位都具有調節活性，也在細胞增殖和凋亡、代謝功能等方面起著調節作用［3］。大量研究表明，miR－29是與阿爾茨海默癥密切相關的小分子RNA家族。Hébert等發現miR－29a、－29b－1和－9可以在體外調節BACE1的表達。AD的一大病理特征是淀粉樣蛋白的沉積，淀粉樣斑塊主要由聚集的Aβ組成，Aβ是通過β－分泌酶（BACE1）和γ－分泌酶（PSEN／早老素）酶對β－淀粉樣前體蛋白（APP）的蛋白水解作用而產生的。在BACE1蛋白異常高的AD患者中，miR－29a／b－1顯著減少［4］。Zong等也進一步發現microRNA－29c（miR－29c），在APPswe／PSΔE9小鼠腦中富集并且中高度表達，在體外和轉基因miR－29c小鼠中降低BACE1蛋白，認為miR－29c可能是BACE1蛋白表達的靶基因［5］。在另一項研究中，將富含miR－29的外泌體移植到AD的Aβ大鼠模型的海馬區中，結果改善了動物在空間學習和記憶方面的某些不足［6］。

2.2 miR－132對阿爾茨海默癥的調控

miR－132是腦內最豐富的miRNA之一，位于CRE位點的下游，并處于CREB／CRE轉錄途徑的控制之下［7］。cAMP反應元件結合蛋白（CREB）是神經退行性疾病中多種生理過程的關鍵組成部分，包括神經系統發育，細胞存活，可塑性以及學習和記憶［8］。miR－132位點的缺失會降低新生海馬神經元樹突分支長度和棘密度，損害新生神經元的整合，并減少成年海馬的突觸形成［9］。在對AD患者血漿中分離出的神經外泌體進行分析后，Cha等證明了miR－132是AD中一個下調的miRNA［10］。miR－132的下調加重了AD小鼠的淀粉樣蛋白tau病理［11］，并且它調節了肌醇1，4，5－三磷酸3激酶B（ITPKB）的表達，ITPKB是BACE1活性和tau磷酸化的調節劑。但也有研究對人類死后腦樣本和神經元細胞樣本進行定量實時聚合酶鏈反應（qRT－PCR）評估出AD和輕度認知（MCI）組中miR－132的表達比起對照組明顯更高［12］。對于此Hansen等認為miR－132的更高表達（約增加了五倍）會損害學習和記憶，但小幅增加（約1.5倍）有助于促進與記憶相關的行為任務的表現。

2.3 miR－146a對阿爾茨海默癥的調控

microRNA－146a－5p（miR－146a）是一種高度保守的miRNA，廣泛存在于神經系統中，以其在免疫應答和炎癥途徑中的重要調節作用而聞名。先前報道在AD早期、中期和晚期上顳葉新皮質和海馬CA1區，幾種不同類型的人腦和原代培養的視網膜細胞中以及5種不同的AD轉基因小鼠模型中發現，miRNA－146a顯著表達，并且隨著AD嚴重程度的加重而顯著增加［13］。Liang等確認了miR－146a對AD小膠質細胞功能的有益調節作用，小膠質細胞內miR－146a的表達可抑制破壞性促炎反應，促進小膠質細胞的保護性吞噬反應，從而直接或間接保護鄰近神經元［14］。除小膠質細胞外，信號轉導和轉錄激活因子（STAT1）也可通過增加促炎癥介質的表達而誘導炎癥，還能通過觸發轉錄激活細胞凋亡調節基因（如半胱天冬酶、死亡受體和配體）造成細胞凋亡［15］。同時，MYC可能通過細胞周期機制的異位激活而導致神經退行性變［16］。此外，據報道，STAT1的抑制伴隨著MYC表達的降低，綜合上述證據和Ma等的細胞實驗結果，miR－146a的抑制可能通過抑制STAT1／MYC通路來減輕細胞凋亡和炎癥，提高神經突起的生長［17］。

2.4 miR－34a對阿爾茨海默癥的調控

最近的一些研究將miR－34a與神經發育和神經病理過程聯系起來，miR－34a在大腦中的豐度及其在神經元基因表達調控中的作用提示了它在神經元相關的活動／作用［18］。miR－34a在細胞和動物模型中已經被證明與AD病理學有關。在APPswe／PSΔE9雙轉基因AD小鼠模型中發現其上調，并且在此研究中認為miR－34a靶向Bcl－2損害神經元存活［19］。Sarkar等證實SIRT1 mRNA是miR－34a的靶標，強力誘導的miR－34a表達會降低SIRT1的水平，SIRT1功能的喪失會通過下調環狀AMP反應結合蛋白（CREB）和腦源性神經營養因子（BDNF）的表達而導致記憶力和突觸可塑性受損［20］。在另一項研究中，Xu等通過使用TargetScan，將NMDA受體miR－34a－5p鑒定為miR－34a－5p的靶基因，將AMPA受體miR－34a－3p鑒定為miR－34a－3p的靶基因，AMPA受體和NMDA受體在突觸膜上的動態轉運是突觸可塑性的關鍵，因此可以認為miR－34a通過調節NMDA和AMPA受體的表達來降低突觸強度，從而導致了AD的突觸功能障礙［21］。從這些研究來看miR－34a的靶基因很多，它可通過多途徑來調控阿爾茨海默癥。

3 運動對阿爾茨海默癥的調節

保持適當和有規律的體育鍛煉習慣是預防許多疾病的有力因素，也有助于管理現有的病理狀況。據估計，全世界所有AD病例中約有13%（分別在美國和歐洲分別高達21%和31%）可能是由于缺乏運動［22］。相比之下，據報道高水平體力活動有利于延緩疾病的進展并降低其嚴重程度［23］。因此進一步將運動分為主動運動和被動運動兩類去探討與阿爾茨海默癥的關系。

3.1 主動運動

回顧性流行病學研究表明，刺激性活動，特別是高水平的教育，對精神有要求的職業，以及一生中具有挑戰性／積極的休閑和體育活動，與癡呆癥的發生率降低相關。但研究均基于自我報告的運動頻率，這可能代表分析過程中的潛在偏見。為了解決這個問題，并確保至少在臨床研究中有較好的重現性和可比性，豐富環境（EE）模式被廣泛應用，在EE條件下，嚙齒類動物通常成群飼養在較大的籠子里，并配有跑輪，玩具和筑巢材料［24］，這會產生社交，身體和認知刺激等，使動物在籠子內可自發、自愿和自由地進行身體活動和運動。將轉基因小鼠模型暴露在豐富的環境中4個月，12個月大時的行為測試顯示，與久坐的小鼠相比，在強化條件下飼養的小鼠表現出更好的空間記憶，此外，豐富環境組海馬中老年斑的總密度降低了69.2%［25］。在眾多病因學說中，除了淀粉樣蛋白斑塊是AD病理的主要標志外，還包括tau蛋白的過度磷酸化。Hu等首次表明在豐富的環境中經歷后，APPswe／PS1ΔE9小鼠大腦中的PHF－1免疫反應性（指示tau磷酸化）顯著降低［26］。β淀粉樣蛋白聚積形成老年斑和過度磷酸化的tau蛋白形成神經纖維纏結，最終導致神經元功能障礙和死亡，在這些損害過程當中都有自由基參與，自由基在AD患者體內大量產生造成氧化應激，自愿體育鍛煉已被證明可以降低人類和動物的外周氧化應激和老年動物的腦氧化損傷，從而揭示神經／心臟保護能力。Herring等證明，4個月的連續和多樣化的環境刺激（包括以自愿輪跑的形式增強的體力活動）可降低TgCRND8小鼠的腦氧化應激。具體而言，可以檢測到氧化損傷的生物標志物，即硝基酪氨酸和羰基化蛋白的減少［27］。

3.2 被動運動

非自愿、主動的運動方式也被大量應用在運動對阿爾茨海默癥轉基因小鼠的病理改善效果的研究中。Lin等將功能性電刺激（FES）應用在了血管性癡呆大鼠模型上，FES通常是指通過電脈沖的爆發來刺激一組或多組肌肉，引起肌肉收縮并最終恢復功能性運動［28］。刺激方式為一側指趾伸肌和橈側腕伸肌刺激150ms，然后另一側同樣地方刺激150ms，休息600ms。這個周期模擬了12米／分鐘階梯跑的前肢步態，每天的訓練包括三次10分鐘的訓練，中間休息10分鐘。發現表明，FES誘導的非自愿運動在改善空間學習和記憶障礙方面與自愿運動一樣有效。還有研究讓12個月大的雄性APP／PS1雙轉基因小鼠在六車道水平機動跑步機上連續四個月每周進行五天的強迫運動［29］。在第一周，在整個實驗過程中，以5 m／min的速度訓練小鼠10 min／天，然后以10 m／min的速度訓練小鼠20 min／天，每周連續訓練5天。結果是四個月的跑步機鍛煉可顯著改善空間學習和記憶能力，并增加了APP／PS1小鼠海馬中CA1，CA2－3和DG的親脂蛋白免疫反應點的數量，親脂蛋白對于維持正常的突觸功能和可塑性至關重要。Chao等也證實了跑步機運動能提高APP／PS1小鼠的空間學習記憶能力，減少海馬淀粉樣斑塊，延緩神經元丟失，誘導神經發生，促進新生神經元的存活［30］。運動對齒狀回內神經元和成體神經發生的保護作用可能是AD小鼠空間學習記憶能力改善的重要結構基礎之一。除此外，游泳運動可能為阿爾茨海默氏病患者減少的神經行為障礙相關的觀點提供了支持。Bashiri等對小鼠進行游泳鍛煉四個星期，為了避免動物漂浮，將六個相同的造波器放置在水池的不同角度，一方面發現游泳可通過增加BDNF水平來改善認知功能，另一方面游泳運動似乎可能通過改變小鼠的神經炎癥途徑來影響抑郁樣行為［31］。

4 運動介導miRNA對阿爾茨海默癥的調控

運動可以改善AD轉基因小鼠的學習和記憶能力，Aβ沉積和tau蛋白過度磷酸化以及突觸障礙和神經元存活等多個方面，miR－29、miR－132、miR－146a、miR－34a也分別參與了這些過程。

4.1 運動介導miR－29調控阿爾茨海默癥

Chen等從基因表達綜合數據庫下載了骨骼肌對高強度間歇運動訓練（HIIT）反應的微陣列數據集“GSE109657”，分析發現HIIT后在骨骼肌中共可篩選出530個差異表達基因，提示HIIT對骨骼肌有影響，miR－29a／b／c可能通過PI3K／Akt信號通路調控血管內皮細胞的生長、遷移和骨骼肌血管生成［32］。在神經退行性疾病相關的疾病中，血管生成是一種修復系統，在zhang等的研究中發現血管生成可促進Aβ清除并減少神經元丟失，最終改善認知功能［33］。在另一項研究中，Dungan等對3xTg－AD（3xTg）小鼠采用了漸進式加權輪式跑步（PoWeR）運動計劃，評估了20周運動訓練對小鼠海馬miRNA表達變化的影響［34］。與野生型小鼠相比，久坐3xTg小鼠的miR－29顯著降低，但在運動后升高。并且運動后miR－29靶向的BACE1基因表達降低，可溶性Aβ1－42的表達也較低。

4.2 運動介導miR－132調控阿爾茨海默癥

SAMP8小鼠可表現出與年齡相關的學習和記憶缺陷，在實驗中作為AD模型來進行研究。將SAMR1（野生型）和SAMP8小鼠分為對照組和運行組［35］。SAMR1－Run和SAMP8－Run小鼠分別被關在裝有跑輪的籠子里，每個跑輪用于自愿運動。對照組小鼠分別置于裝有固定轉輪的籠中作為對照。四周后通過qRT－PCR分析發現與SAMP8對照相比，SAMP8自愿運動小鼠中的miR－132表達顯著降低。miR－132的調節抑制了SAMP8小鼠的認知能力下降并減少海馬神經變性。Mojtahedi等人使成年雄性大鼠分別進行了低強度跑步（LIR），高強度跑步（HIR）和自動滾輪跑步（WR），結果顯示與強迫跑步相比，自愿跑步對刺激雄性大鼠海馬中的神經發生和突觸形成有關的生物標志物如miR－132和CREB具有更顯著的影響［36］。運動方式的效果比較為運動干預阿爾茨海默癥的研究進展起到了啟示作用。

4.3 運動介導miR－146a調控阿爾茨海默癥

體力活動被認為可改變特定miR－146a的表達和循環水平。在12周游泳運動后，與對照組相比，大鼠運動組的miR－146a和炎性細胞因子IL－6的表達水平顯著降低［37］。Russo等對患者進行3個月的運動干預，運動訓練計劃為26次90分鐘有氧和耐力混合訓練，每周兩次；每次訓練分為60分鐘的有氧運動和30分鐘的肌肉力量和柔韌性循環訓練。結果發現體力活動對患者炎癥和miR－146a－5p水平的積極影響，促炎趨化因子IL－8在運動干預后與miR－146a－5p水平一起顯著降低［38］。還有研究招募了10名籃球運動員，在參加為期3個月的籃球賽季后對參與血管生成、炎癥和富集于肌肉和／或心臟組織的循環miRNAs進行分析，miR－146a降低，和炎性標志物呈線性相關。這些結果為長期運動訓練誘導的miR－146a改變在炎癥中的生理作用奠定了基礎，提示了可以進一步研究運動介導的miR－146a的變化是否可以減輕AD中的炎癥。

4.4 運動介導miR－34a調控阿爾茨海默癥的5研究進展

在最近的一項研究中，發現自愿鍛煉具有顯著的積極影響，將動物分別飼養在不銹鋼籠子里，自愿運動組中允許其每天24小時開放使用滾輪并持續10周，與對照組相比，miR－34a的表達下降［39］。在另一篇同樣自愿運動的研究中，miR－34a表達下降的同時SIRT1水平顯著增加［40］。以及Bao等在自發性跑輪運動后第15天使用Morris水迷宮（MWM）測試評估小鼠空間學習和記憶能力，然后檢測小鼠海馬中miRNA的表達變化。結果表明，自發性跑輪運動修復了小鼠海馬相關的認知缺陷，同時伴有miR－34a的表達下調［41］。Kou等讓衰老大鼠模型適應新環境1周后，每天一次在溫度為25士2°C的水箱中進行30min的游泳訓練。同時，在訓練期間有計劃地增加10分鐘的游泳時間，增加至90min后，每天進行一次90min的游泳訓練，連續6周［42］。發現游泳干預可以通過抑制miR－34a來挽救自噬功能受損和線粒體動力學異常，從而延緩衰老進程。這些與運動相關的研究都提示miR－34a可能是阿爾茨海默癥的新型治療靶點。

5 小結與展望

miR－29、miR－132、miR－146a等與阿爾茨海默癥密切相關的miRNA，通過調控靶基因及下游相關蛋白的表達改善AD患者機體的認知缺陷、炎癥反應、突觸功能障礙等病理現象，運動同樣也刺激miR－29、miR－132、miR－146a等AD相關miRNA的表達水平，對AD轉基因小鼠產生了積極影響。但是運動刺激miRNA調控阿爾茨海默癥的分子機制尚不明了，有待進一步展開研究，其相關成果可為阿爾茨海默癥患者通過運動介導miRNA治療和延緩病情提供理論依據。