MicroRNA介導的營養因子對肌肉減少癥的作用

劉洪文余博飛 徐杰

(1福建中醫藥大學中醫骨傷及運動康復教育部重點實驗室，福建 福州 350001；2福建醫科大學省立臨床醫學院 福建省立醫院骨科)

肌肉減少癥又稱年齡相關性肌肉減少癥，簡稱肌少癥。2016年亞洲肌少癥工作組的數據表明，亞洲老年群體肌少癥的患病率為4.1%～11.5%，而肌少癥與營養不良密切相關〔1〕；肌少癥的發病機制復雜，主要包括長期慢性炎癥積累、胰島素抵抗、線粒體功能障礙、運動神經元退化、與年齡相關的激素代謝紊亂和遺傳因素等〔2,3〕。MicroRNA(miRNA)被譽為21世紀最具希望進行靶向診斷和治療的小分子RNA，miRNA有大量的靶基因，人體約60%的基因受到miRNA調控〔4〕,miRNA可通過抑制或促進mRNA表達來實現對靶細胞的調控，對骨骼肌生長、發育和代謝平衡具有關鍵的調控作用。miRNA調控營養因子代謝的機制和在肌少癥發病機制中的作用研究近年來已經掀起熱潮，根據對miRNA表達譜的分析，miRNA對機體營養吸收、轉化及骨骼肌形態和功能的維持都有關鍵的調控作用〔5〕。

1 肌少癥與營養代謝系統

1.1 肌少癥與營養不良 長期慢性炎癥、胰島素抵抗和線粒體功能障礙等均可導致機體蛋白攝入量的減少，使骨骼肌能量供給不足，導致骨骼肌細胞代謝失衡，最終導致骨骼肌細胞數量和功能減退〔6〕。必須注意的是有眾多通路可引起骨骼肌萎縮，而各通路相互交叉相互影響，但對骨骼肌營養的供給是各通路的一個交叉點〔7〕。因此，充足的營養供給對延緩和治療肌少癥至關重要。從飲食中攝入的眾多營養因子中維生素(vitamin)D、蛋白質和抗氧化物與肌少癥有密切的聯系〔8〕，見圖1。

圖1 microRNAs、營養因子、肌少癥關系

1.2 相關營養因子與肌少癥

1.2.1 vitamin D vitamin D被認為與肌鈣蛋白的合成、骨骼肌細胞的增殖、分化、代謝和免疫應答相關〔9〕。有研究證明vitamin D對體內Ca2+的調節具有協同作用，vitamin D的缺乏會導致骨軟化病和肌肉疾病〔10〕；此外vitamin D的充足供給可降低骨骼肌細胞的自噬水平和泛素-蛋白酶體系統的表達〔11〕。在基因層面，vitamin D可以提高一系列蛋白的轉錄水平和鈣的代謝水平，但是vitamin D供給不足導致骨骼肌質量和力量減退的具體機制目前仍存在爭議，其機制可能涉及基因組學和非基因組學。vitamin D受體(VDR)與骨骼肌的強度相關，在VDR基因敲除的大鼠骨骼肌纖維發生了明顯的萎縮，并且產生了運動功能障礙，然而VDR調節肌肉形態和功能的機制仍不清楚〔12〕。Close等〔13〕一項人體試驗中，對運動員充足的vitamin D供給可明顯改善運動員的表現，低水平的vitamin D供給組運動表現與高vitamin D供給組相比存在顯著差異,這說明充足的vitamin D供給可改善骨骼肌的功能;Bauer等〔14〕對肌少癥的老年患者給予13 w充足的vitamin D和氨基酸治療，結果顯示骨骼肌萎縮情況和骨骼肌力量得到顯著改善，患者的生活質量得到顯著提高。

1.2.2 食物蛋白 飲食中獲取的蛋白質為肌肉蛋白的合成提供必需氨基酸，減少蛋白攝入會損害機體功能，增加蛋白的攝入被認為是通過維持氨基酸介導的雷帕霉素(mTOR)復合物(mTORC)1的合成代謝來完成對骨骼肌蛋白合成的調控作用，下調mTORC1的活性可以抑制蛋白激酶B(AKT)、mTOR、p70S6K和rpS6的磷酸化并降低骨骼肌蛋白的活性〔15〕；研究表明，充足的亮氨酸供給可以增加骨骼肌細胞的數量，改善骨骼肌的力量和失用性表現，維持骨骼肌細胞的代謝平衡，但其具體機制目前尚不清楚〔16〕。老年機體對蛋白攝取的敏感度隨著年齡的增長逐漸下降，充足的蛋白供給被證實可以提高瘦體重的重量并改善機體的運動功能，因此，有研究者指出應當提高老年人蛋白質的補充量，以維持體內蛋白代謝平衡；值得一提的是，骨骼肌的流失可能會影響肌肉蛋白的合成，由此產生肌肉蛋白合成障礙-骨骼肌流失-肌肉蛋白合成障礙的惡性循環〔17〕。

1.2.3 抗氧化營養物 氧化應激損傷標志物可由片段DNA、脂質和蛋白在細胞氧化損傷過程中產生〔18〕。正常情況下，氧化機制與抗氧化機制在體內保持動態平衡狀態，而抗氧化機制的正常發揮有賴于從飲食中獲取的vitamin E、vitamin C和胡蘿卜素等。老年人群中活性氧(ROS)在體內積累引起的氧化應激可能是導致骨骼肌細胞數量和力量下降的一個重要原因〔19〕。Yan等〔20〕發現高水平的氧化應激會抑制肌肉蛋白合成，在饑餓狀態下，ROS可以提高骨骼肌自噬體在體內的正常表達水平，而抗氧化營養物的調節作用可以通過PI3K/AKT通路對骨骼肌自噬體進行抑制。

2 miRNA介導的營養因子在骨骼肌細胞代謝中的機制

2.1 miRNA的生理和功能 miRNA是長約22個核苷酸的非編碼單鏈小RNA分子；初始miRNA(pre-miRNA)被核酸內切酶Ⅲ-Drosha及其輔助子DGCR8加工復合物識別、并加工形成長為60～75個核苷酸的前體miRNA(pri-miRNA)，pri-miRNA被核內轉運蛋白(exportin-5)轉運出細胞核進入細胞質，被第二個核酸內切酶Ⅲ-Dicer蛋白識別、加工形成約22個核苷酸的單鏈成熟miRNA,功能成熟的miRNA結合RNA介導沉默復合物(RISC)識別目標mRNA并進行部分堿基配對，導致目標mRNA降解和翻譯終止;miRNA即通過此過程發揮其調控作用,miRNA主要通過與靶基因的3′端非翻譯區(3′-UTR)的結合來表達；隨著越來越多的miRNA被發現，它們在生物學中的作用越來越受到重視,miRNA的調控網主要涉及轉錄后的調控,但是miRNA、mRNA與它們導致疾病的具體分子機制和治療策略之間的關系仍然不是很清楚；miRNA調控著大量的靶標基因，對miRNA的作用機制進行更深層次和更廣范圍的探索，將為揭示miRNA調控骨骼肌營養不良的作用機制奠定基礎〔21〕。

2.2 miRNA介導的營養因子與骨骼肌細胞的代謝平衡

2.2.1 miRNA與vitamin D miRNA與vitamin D可相互影響；Karkeni等〔22〕發現,vitamin D可通過核因子(NF)-κB信號通路抑制P65和IκBD磷酸化水平進而對miR-146a,miR-150和miR-155的表達水平進行調控，加大vitamin D的供給可以提高miR-146a，miR-150和miR-155在小鼠體內的表達水平，使小鼠飲食量增加。調節飲食的供給成分可以影響miR-21，miR-181b，miR-663，miR-30，miR-155 和 miR-34a在血細胞中的表達水平，從而調控炎癥相關的信號通路，這被認為對控制慢性炎癥是一種有潛在治療意義的方法〔23〕;Sriram等〔24〕發現miR-346介導的VDR表達可對體內腫瘤壞死因子(TNF)-α和NF-κB信號通路進行抑制，而Mohri等〔25〕發現miR-125b對人體VDR轉錄后表達進行調控，miR-125b的過表達顯著降低VDR的表達水平。

2.2.2 miRNA與蛋白質 大量miRNA被證明在肌肉蛋白的合成中發揮重要作用；在青年和老年人群中，miR-99和-100家族可通過調控AKT-mTOR信號通路對骨骼肌細胞的數量和力量進行調節，miR-99和miR-100的低表達可以增加mTORC1表達；Margolis等〔15〕發現miR-99和-100家族的過表達可以抑制mTORC1通路的蛋白翻譯和基因表達水平，從而下調骨骼肌細胞的再生通路。miR-16在瘦體重中與蛋白的合成密切相關，miR-16表達可以對骨骼肌細胞中蛋白的代謝效率進行干預，在饑餓狀態下miR-16的過表達可以降低蛋白的合成，進一步影響mTOR和p70S6K1等因子的代謝并且提升骨骼肌細胞的自噬水平，而miR-16的弱表達則作用相反〔26〕；Mcgregor等〔27〕發現miR-1、miR-206、miR-499在餐后3 h呈高表達，表明這幾個miRNAs可能與氨基酸在體內的代謝水平有關。

2.2.3 miRNA與抗氧化營養物 氧化還原敏感的轉錄因子——NF2相關因子(Nrf2)是調節抗氧化酶的一個關鍵因子，miRNA可以對Nrf2介導的基因表達和生成氧自由基(ROS)的關鍵酶同時進行調節，而miRNA對Nrf2和ROS進行調節時，它們之間可相互影響〔28〕。miR-153、miR-27a、miR-142-5p和miR-144等被證明涉及Nrf2水平的下調〔29〕，在細胞內增加miR-144的表達可以減弱Nrf2 mRNA在細胞內抗氧化作用的表達，上調miR-144的表達可能涉及Nrf2參與細胞疾病的進程〔30〕。在人微血管內皮細胞敲除Dicer蛋白的基因點位，降低了ROS對TNF-α和血管內皮生長因子的表達水平，但一些特異性的miRNA對ROS的調控至今仍不明確〔31〕。此外，miR-21可以增加線粒體的活性，同時加快ROS的生成，表明miRNA可能通過結合特點基因點位和調節線粒體活性從而對ROS進行調控〔32〕。

3 總結與展望

肌少癥的發病機制與不同的營養因子相關聯，因為這些營養因子在骨骼肌細胞增殖、分化和凋亡過程中廣泛表達,表明肌少癥與長期的營養不良有直接的聯系。miRNA介導的營養因子廣泛參與骨骼肌細胞代謝通路中，對調節骨骼肌細胞的代謝平衡發揮關鍵作用。相關的miRNA例如miR-140-5p、miR-122、 miR-193a-5p、miR-16-1、miR-221和miR-199a-3p 被認為與骨骼肌代謝性疾病密切相關，經常在骨骼肌代謝性疾病中被檢測到呈異常表達〔33〕，而miR-935,miR-4772,miR-874,miR-199b,miR-766,miR-589 和miR-148b的表達水平與體重的減輕直接相關，然而其具體作用及與相關營養因子之間的作用機制仍然不清楚〔34〕；miRNA是否可以作為營養不良導致的肌少癥診斷標志物和靶向治療的靶點需要對其生物學特性進行更多的研究。