微RNA調控糖代謝的研究進展

曾霖，黃倩，王高祥，盧趙琦，陳美艷，劉德亮，楚淑芳，李惠林

(1.廣州中醫藥大學第四臨床醫學院，廣東 深圳 518033； 2.南京中醫藥大學，南京 210000；3.深圳市中醫院內分泌科，廣東 深圳 518033)

流行病學調查顯示我國18歲以上人群的糖尿病患病率為11.2%[1]，給社會帶來巨大的醫療負擔。糖代謝紊亂是導致糖尿病等代謝性疾病的主要病因，探討調控糖代謝的因素有助于理解糖代謝紊亂的原因，進而有效地防治糖尿病等代謝性疾病。自2007年發現微RNA(microRNA,miRNA/miR)以來，目前通過miRNA測序技術已在人類基因組中發現約2 654種miRNA[2]，在不影響信使RNA(messenger RNA，mRNA)穩定性的前提下，miRNA與mRNA的3′端或5′端非翻譯區結合，通過抑制下游基因表達行使其生物學功能，廣泛調控細胞增殖、分化、凋亡以及各種信號轉導，可作為疾病發生發展的生物標志物。miRNA與糖代謝密切相關，miRNA影響糖代謝的機制主要體現在對胰島β細胞功能、胰島素的合成與分泌、胰島素的信號轉導的調控?，F就miRNA調控糖代謝的研究進展予以綜述。

1 miRNA概述

1.1動物miRNA的生物合成 miRNA的合成經歷初級轉錄產物miRNA→miRNA前體→成熟miRNA的過程，此過程需要多種酶和輔助蛋白的協同作用，第一步，由RNA聚合酶合成長達數千核苷酸堿基的初始微RNA；第二步，在核酸內切酶Drosha和RNA結合蛋白迪格奧爾格綜合征臨界區域8共同作用，將初始微RNA的莖環結構切割下來，生成miRNA前體，隨后細胞核輸出蛋白5將miRNA前體從細胞核轉運至細胞質中，位于細胞質中的miRNA前體隨即被Dicer(一種核糖核酸內切酶)切割，此過程細胞和輔助蛋白反式激活反應元件RNA結合蛋白、雙鏈RNA依賴性蛋白激酶蛋白激活因子協同作用，最終形成一條長度約為22 nt的雙鏈RNA；第三步，第二步生成的雙鏈RNA被裝載至Argonaute(一種保守核酸導引蛋白)蛋白上，最終形成RNA誘導沉默復合物(RNA-induced silencing complex,RISC)，5′端相對不穩定的一條單鏈被降解，另一條單鏈保留于RISC中，最終形成成熟的miRNA。

1.2miRNA的作用機制 miRNA通過靶向mRNA 3′非翻譯區上的結合位點，攜帶RISC發揮以下3種作用：轉錄抑制、mRNA切割、mRNA降解，其中轉錄抑制作用最主要。RISC包括Ago蛋白和甘氨酸-色氨酸(glycine-tryptophan，GW)182兩個核心組件，GW182通過N端與Ago蛋白結合，其C端可招募其他輔助蛋白，在上述結合蛋白的協同作用下，從以下兩方面抑制mRNA翻譯：抑制80S核糖體形成，阻止翻譯起始；阻礙核糖體前進，中止翻譯。

2 miRNA調控糖代謝的機制

2.1miRNA與胰島β細胞功能 作為唯一合成胰島素的內分泌細胞，胰島β細胞功能失調可直接導致糖代謝異常。miRNA可影響胰腺發育，調控胰島β細胞增殖、分化、凋亡。

2.1.1miRNA與胰腺發育 胰腺胚胎發育主要受配對框6、胰十二指腸同源框1、神經原素3等轉錄因子的調控，miR-7、miR-15a、miR-15b、miR-16、miR-106b、miR-124a、miR-195、miR-218、miR-375、miR-495均參與調控胰腺發育。配對框6促進α細胞和β細胞分化，調控早期胰島形成，但配對框6過表達則可引起胰腺組織細胞凋亡，因此配對框6對胰腺發育起平衡調控作用，miR-7為人類胰腺組織中表達最豐富的miRNA，Kredo-Russo等[3]研究發現miR-7可靶向配對框6，通過抑制miR-7的表達阻礙胰腺發育。神經原素3可促進胰島祖細胞轉化為內分泌細胞，miR-15a、miR-15b、miR-16、miR-106b、miR-124a、miR-195在小鼠胰腺發育過程中過表達，上述miRNA可下調神經原素3的表達水平影響內分泌祖細胞形成[4]。胰十二指腸同源框1參與調控胰腺發育以及胰腺前體細胞分化為胰島β細胞，而其自身亦受肝細胞核因子1β、肝細胞核因子6的調控。miR-375可調控胰腺胚胎發育，抑制miR-375的表達可導致胰腺發育異常，楊進等[5]成功誘導人胚胎肝細胞定向分化為胰島素分泌細胞，在此過程中發現miR-375呈現先升高后降低的動態表達，過表達的miR-375可抑制肝細胞核因子1β表達，上調胰十二指腸同源框1的表達，阻礙胰腺發育。Simion等[6]研究發現，miR-218和miR-495可調控肝細胞核因子6的表達，影響胰腺早期發育。

2.1.2miRNA與β細胞增殖或分化 β細胞增殖或分化主要受轉錄調控的影響。Menin蛋白在調控細胞周期與細胞增殖方面起重要作用，let-7a、miR-24可上調Menin蛋白表達，抑制β細胞增殖[7-8]。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白參與控制細胞生長和增殖，可抑制β細胞增殖，Wang等[9]發現抑制miR-7表達可激活哺乳動物雷帕霉素靶蛋白信號通路，促進β細胞增殖。

miRNA亦可通過調控轉錄因子影響β細胞命運，如miR-15、miR-16、miR-195可通過靶向神經原素3基因誘導β細胞再生[10]，而過表達的miR-7可下調配對框6的表達，抑制β細胞分化[11]。DNA甲基化對β細胞發育具有重要作用，10-11易位酶和胸腺嘧啶DNA糖苷酶可調控DNA去甲基化，在早期胚胎和生殖細胞發育中起關鍵作用，miR-26a可通過下調10-11易位酶、胸腺嘧啶DNA糖苷酶的表達增加小鼠胰島β細胞數量[12]。

轉錄因子v-maf肌腱膜纖維肉瘤癌基因同源物A對維持出生后小鼠的β細胞功能起關鍵作用，v-maf肌腱膜纖維肉瘤癌基因同源物A在2型糖尿病個體及糖尿病小鼠的胰腺組織中的表達水平下調，Nesca等[13]研究發現，miR-132可上調v-maf肌腱膜纖維肉瘤癌基因同源物A的表達，維持正常的β細胞功能。Ago蛋白參與miRNA對其靶基因的調控過程，前期研究表明Ago2與β細胞增殖相關[14]。miR-184在胰島素抵抗模型小鼠和2型糖尿病個體的胰腺組織中處于沉默狀態，miR-184的沉默可促進 Ago2的表達，進而促進β細胞增殖，而在瘦素缺乏的ob/ob小鼠中，miR-184過表達可降低Ago2蛋白水平，從而阻止β細胞代償性增殖[15]。

miR-30家族在胚胎期胰腺組織中過表達，其中miR-30d可靶向調節因子X6，促進人多功能干細胞分化為胰島素分泌細胞，miR-200a也具有類似作用，其機制可能為靶向轉錄因子鋅指E盒結合蛋白1和鋅指E盒結合蛋白2，抑制上皮-間充質轉化。敲除miR-375的小鼠會出現β細胞數量下降以及α細胞數量上升，此外通過DNA微矩陣技術和生物信息學技術篩選的miR-375作用靶點均負調控細胞增殖。Morpholinos(一種嗎啉核酸)可通過阻斷蛋白質翻譯過程抑制目標基因功能，Kloosterman等[10]運用Morpholinos技術發現，敲除miR-375可導致胰腺形態學異常。

2.1.3miRNA與β細胞凋亡 miR-21在1型糖尿病β細胞凋亡過程中發揮重要作用，miR-21可通過上調程序性細胞死亡因子4表達水平，激活Bax家族，引起β細胞凋亡。髓細胞白血病1基因為抗凋亡蛋白家族B細胞淋巴瘤2家族的重要成員，在細胞凋亡過程中發揮重要作用[16]。Roggli等[17]研究發現，miR-29a/b/c可下調髓細胞淋巴瘤1基因的表達，促進非肥胖糖尿病小鼠β細胞凋亡。炎癥介質在β細胞凋亡中起重要作用，研究表明白細胞介素-1β、腫瘤壞死因子-α等可上調miR-34a、miR-146a的表達，體外細胞實驗表明下調miR-34a、miR-146a的表達可抑制促炎性細胞因子介導的β細胞凋亡[18]。

2.2miRNA與胰島素合成 胰島素合成受血糖水平調控，葡萄糖在葡萄糖轉運體作用下進入β細胞，經糖酵解和三羧酸循環產生腺苷三磷酸，致使胞內腺苷三磷酸/腺苷二磷酸比值增高，通過作用于胞外信號調節激酶，使胰島素基因轉錄調控元件v-maf肌腱膜纖維肉瘤癌基因同源物A、配對框6、叉頭框轉錄因子O1與胰島素基因啟動子結合，調控胰島素合成。

miRNA主要通過以下兩種方式調控胰島素合成[19]。首先，miRNA阻礙β細胞糖代謝和腺苷三磷酸生成過程。miR-130a、miR-130b、miR-152在糖耐量異常和2型糖尿病患者胰島中過表達，上述過表達的miRNA可負調控葡萄糖激酶和丙酮酸脫氫酶E1α亞單元，抑制糖酵解，同時阻礙丙酮酸轉化為乙酰輔酶A，進而導致細胞內腺苷三磷酸/腺苷二磷酸比值下降，降低胰島素的合成[20]。線粒體解偶聯蛋白2為線粒體內膜的跨膜蛋白，在不產生腺苷三磷酸的情況下，可介導質子從內外膜間隙轉運至線粒體內膜，在維持線粒體功能方面起著關鍵作用，線粒體解偶聯蛋白2過表達可降低腺苷三磷酸生成，阻礙胰島素合成，miR-15a可通過抑制線粒體解偶聯蛋白2表達而增加胰島素合成[21]。單羧酸轉運蛋白1轉運乳酸和丙酮酸入線粒體，參與β細胞中腺苷三磷酸生成，miR-29直接抑制單羧酸轉運蛋白1的表達，降低腺苷三磷酸生成，減少胰島素合成[22]。

其次，miRNA可直接調控胰島素基因的表達。miR-7在分泌胰島素樣肽的細胞和β細胞中過表達，在小鼠中，miR-7通過抑制配對框6的表達抑制胰島素基因轉錄[3]；在果蠅中，miR-7抑制胰島素樣肽基因Ilp2的轉錄，但具體機制不明[23]。β-制動蛋白1可調控G蛋白偶聯受體的信號轉導，在胰高血糖素樣肽-1受體脫敏中起到重要作用[24-25]，miR-7可通過靶向β-制動蛋白1(可進入細胞核內調節核因子κB等轉錄因子，進而調控基因表達)調控胰高血糖素樣肽-1介導的胰島素合成[26]。miR-19b、miR-124a、miR-802可抑制胰島素基因轉錄，miR-124a可靶向叉頭框A1、神經元分化因子1，干擾胰島素基因轉錄[27]，表皮生長因子可通過誘導表達序列標簽2的激活以抑制miR-124a的表達，從而維持正常的β細胞功能[28]。過表達的miR-19b可通過靶向神經元分化因子1，干擾胰島素基因轉錄[29]，miR-30d、miR-24、miR-26a、miR-148、miR-186通過下調胰島素基因轉錄抑制因子性別決定區Y框蛋白6的表達，促進胰島素基因的表達[30]。

2.3miRNA與胰島素分泌 miRNA主要從以下兩方面調控胰島素的分泌。首先，miRNA可干擾電化學信號傳遞，β細胞內腺苷三磷酸/腺苷二磷酸比值增高可同時引起β細胞膜上腺苷三磷酸敏感的鉀通道關閉，細胞膜極化，激活電壓門控L型Ca2+通道開放，Ca2+內流增加，刺激胰島素分泌顆粒與細胞膜融合，將合成的胰島素分泌至細胞外。miR-26a通過抑制電壓門控Ca2+通道α-1C亞通道阻礙胰島素顆粒與細胞膜融合[31]。miR-802可抑制Ca2+/鈣調蛋白依賴激酶Ⅱ介導的信號轉導，抑制Ca2+內流，減少胰島素分泌[32]。胰高血糖素樣肽-1通過多條途徑增加β細胞內Ca2+含量，進而促進胰島素分泌，miR-204在β細胞過表達，可通過抑制胰高血糖素樣肽-1受體的表達減少胰島素分泌[33]。

其次，miRNA干擾β細胞的胞吐過程，miR-7通過抑制α-突觸核蛋白的表達，減少對可溶性N-乙基馬來酰亞胺敏感因子結合蛋白受體復合物的募集，抑制β細胞分泌囊泡與細胞膜融合[34]。戴帽蛋白可調控肌動蛋白骨架的重塑，miR-375通過靶點肌營養蛋白基因調控戴帽蛋白的α1亞基的功能，進而干擾β細胞胞吐[35]。突觸融合蛋白結合蛋白1(syntaxin-binding protein 1,Stxbp1)為可溶性N-乙基馬來酰亞胺敏感因子結合蛋白受體復合物蛋白成員，可介導胰島素顆粒與細胞膜融合過程，2型糖尿病患者胰島中Stxbp1表達下調，而miR-9、miR-218、miR-322可直接抑制Stxbp1基因表達，下調Stxbp1的表達[36]。

2.4miRNA與胰島素信號轉導 外周靶組織通過胰島素受體結合循環中的胰島素，激活胰島素受體底物，磷脂酰肌醇-3-激酶的p85調節亞基即被募集到鄰近質膜，p110α催化亞基通過與p85調節亞基結合將底物4,5-二磷酸磷脂酰肌醇轉化為3,4,5-三磷酸磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate,PIP3)，進而激活磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B(protein kinase B,PKB/Akt)信號通路，磷酸酯酶與人第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因(phosphates and tensin homologue deleted on chromosome ten gene,PTEN)可將PIP3轉化為磷酸化亞型。PIP3與Akt結合后通過靶向糖原合成酶激酶3促進糖原合成。

陷窩是一種參與胰島素信號轉導的細胞膜內陷結構，陷窩的標志蛋白陷窩蛋白為胰島素受體的重要調控因子。Trajkovski等[37]發現miR-103和miR-107可抑制陷窩蛋白的表達，阻礙胰島素信號轉導。Let-7在小鼠肌肉組織中表達，可通過抑制胰島素受體、胰島素受體底物2、胰島素樣生長因子1受體的表達干擾胰島素信號轉導[38]。miR-15b、miR-33、miR-378則分別通過抑制胰島素受體、胰島素受體底物2、p110α的表達阻礙胰島素信號轉導[39-41]。過表達的細胞因子信號抑制劑(suppressor of cytokine signaling,SOCS)通過下調胰島素受體底物1、胰島素受體底物2表達阻斷胰島素信號轉導，miR-185可下調SOCS3的表達，促進胰島素信號轉導[42]。過表達的miR-802可上調SOCS1、SOCS2的表達，抑制胰島素信號轉導[32]。氧化固醇結合蛋白相關蛋白8在Akt磷酸化過程中起著重要作用，過表達的miR-143可下調氧化固醇結合蛋白相關蛋白8的表達，減弱胰島素對Akt的激活，阻礙胰島素信號轉導[43]。miR-155在肥胖個體呈現過表達，脂肪組織來源的miR-155可下調過氧化物酶體增殖物激活受體γ的表達，導致胰島素抵抗[44-45]。

miRNA亦可調控胰島素信號轉導后的肝糖代謝。miR-19a可下調PTEN的表達，抑制PTEN對糖原合成酶激酶3的激活，刺激肝糖原合成[46]。肝細胞表達的miR-33可導致糖原磷酸化酶、磷酸葡糖變位酶水平下降，促進肝糖原生成[47]。肌肉組織表達的miR-27a可抑制糖原磷酸化酶、磷酸葡糖變位酶、α-葡萄糖苷酶，增加糖原的累積[48]。磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶、葡糖-6-磷酸酶是肝糖異生的主要調節因子，其激活過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α及叉頭框轉錄因子O1的調控。miR-27、miR-29、miR-451、miR-33b、miR-446b可通過直接靶向糖異生相關酶以及轉錄因子調控糖異生。miR-446b可直接抑制磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶的表達，降低糖異生水平[49]，miR-27通過靶向叉頭框轉錄因子O1負調控肝糖異生[50]。miR-29在葡萄糖激酶糖尿病大鼠肝臟組織中過表達，過表達的miR-29通過下調過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1α、葡萄糖-6-磷酸酶的表達抑制肝葡萄糖生成[51]。在肝臟組織中，葡萄糖和胰島素可通過抑制甘油激酶的表達上調miR-451的表達，miR-451可通過Akt-叉頭框轉錄因子O1-磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶/葡萄糖-6-磷酸酶信號通路調控肝糖異生[52]。miR-33b可直接抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶和葡萄糖-6-磷酸酶的表達以降低糖異生，miR-33b和固醇調節元件結合蛋白1為同種基因的共同表達物，固醇調節元件結合蛋白1可促進肝糖原生成，同時抑制糖異生基因表達，而胰島素可上調miR-33b和固醇調節元件結合蛋白1的表達，以有效地抑制肝糖異生[47]。

3 小 結

糖代謝紊亂為糖尿病等相關代謝性疾病的主要病理生理特征，miRNA具有組織特異性，在體液中含量穩定，可穿梭于細胞之間，因此miRNA可有效作為疾病早期診斷的標志物。miRNA通過干預β細胞功能、調節胰島素的合成與分泌、調控胰島素信號轉導等調控糖代謝。近年發現miRNA可被遠處細胞攝取，發揮類似“激素”的傳遞信號的作用，可在一定程度預測糖代謝紊亂，但目前研究處于起步階段。隨著研究不斷深入，miRNA將有助于糖尿病等相關代謝性疾病的診斷和治療。