MicroRNAs与葡萄糖稳态的研究进展

王晓晶，聂 敏，孙梅励

(中国医学科学院北京协和医学院北京协和医院内分泌科卫生部内分泌重点实验室，北京100730)

微小RNA (microRNAs，miRNAs)是一类广泛存在于真核生物中的内源性单链非编码小分子RNA，长度约22 个核苷酸。通过与靶mRNA 特异序列互补结合，降解或抑制靶基因的翻译，调控细胞的生长、增殖、分化、凋亡以及生物体发育等一系列生理活动。近来研究发现，miRNAs 在胰岛β 细胞的发育、胰岛素的合成、分泌以及作用等过程中发挥重要的调节作用，与血糖平衡调节有关的miRNA 陆续被发现，本综述简述近来发现的miRNA 在血糖稳态调节中的作用。

1 miRNA 概述

自1993年发现第一个miRNA 分子lin4 以来，到目前为止，在人类基因组中已鉴定出上千种miRNA，参与约30%蛋白编码基因的调控。miRNA 编码基因首先在细胞核内经RNA 聚合酶Ⅱ转录生成初级转录产物Pri-miRNAs。随后，经核酸酶Drosha以及辅助因子DECR8 剪切生成Pre-miRNA，细胞转运蛋白exportin5 将Pre-miRNA 从细胞核转运至细胞质，在Dicer 核酸酶的作用下进一步加工为成熟单链RNA 分子，其选择性地整合至RNA 诱导沉默复合体(RNA induced silencing complex，RICC)，通过与靶基因mRNA 3'UTR 区互补配对结合，诱导mRNA 降解或抑制其翻译，进而调控基因的表达。最近研究显示，miRNA 生物合成以及与靶基因识别过程更加复杂，需要多种蛋白质分子的调控［1］。

2 miRNA 与胰岛素的合成和分泌

正常的胰岛β 细胞功能及胰岛素在糖稳态的维持中起关键作用。miRNA 作为新型的基因表达调控分子，调节相关基因的表达，维持血糖在正常水平。miRNA 的表达及作用异常导致β 细胞功能障碍，使胰岛素的合成和分泌受阻。

miR-375 是第一个与糖代谢有关的miRNA。miR-375 抑制靶基因MTPN 的表达，在胞吐作用的终末阶段抑制葡糖糖刺激的胰岛素分泌;并能降低靶蛋白磷酸肌醇依赖蛋白激酶1(phosphoinositidedependent protein kinase 1，PDK1)的表达水平，影响胰岛β 细胞磷脂酰肌醇3 激酶(phosphatidylinositd 3-kinase，PI3K)/PDK1/蛋白激酶B (protein kinase B，PKB)信号通路传导。然而，miR-375 不仅调控胰岛素分泌，而且影响β 细胞增殖。敲除小鼠miR-375 基因可观察到胰岛β 细胞数减少，胰岛α 细胞数增加，出现高血糖［2］。在没有任何外源性辅助因子的作用下，过表达miR-375 能诱导人胚胎干细胞(human embryonic stem cells，hESCs)分化为类β 细胞样胰岛素生成细胞(insulin-producing β-like cells，IPCs)，且诱导生成的IPCs 细胞完全具备成熟β 细胞的特征:一方面，用葡糖糖刺激IPCs 细胞，可以检测到胰岛素的生成;另一方面，在IPCs 细胞中并没有观察到胰高血糖素或生长抑素与胰岛素的共表达［3］。分析hESCs 向IPCs 分化过程中miRNA 表达谱的动态变化，发现miR-375 在IPCs 分化早期表达增加，随后下降，相应miR-375 负调控的胰岛胚胎发育中特异靶基因HNF1β 和SOX9 的表达呈现先下降后增加的变化，表明miR-375 以时空特异性的方式，促进胰岛β 细胞的分化和成熟，但是该研究诱导生成的IPCs 并不具有上述成熟β 细胞特征，具体机制仍不清楚，推测可能与hESCs 细胞系以及诱导方式不同有关［4］。miRNA 如何诱导成熟胰岛β 细胞生成并将其用于糖尿病的治疗仍需进一步探索。

miR-124a 富集在胰腺组织，参与小鼠胰腺胚胎发育过程。miR-124a 过表达降低MIN6 细胞中转录因子Foxa2 及其下游内向整流钾通道Kir6.2、磺脲受体1(sulphonylurea receptor 1，Sur1)的表达，而且抑制胰岛素胞吐机制中分泌通路蛋白突触小体相关蛋白 25 (synaptosomal -associated protein 25，SNAP25)、Ras 相关蛋白3A(Ras-related protein Rab-3A，Rab3A)和突触蛋白-1A(synapsin-1A)的表达，促使基础胰岛素过度释放而降低葡萄糖刺激的胰岛素分泌［5］。此外，has-miR-124a 基因多态性位点rs531564 G 等位基因为罗马人群2 型糖尿病高度易感等位基因(OR=2.15，P＜0.01)［6］。

miR-9 通过下调转录因子onecut 2 的表达，使胰岛素胞吐机制的负调控因子granuphilin 的表达增加，葡糖糖刺激的胰岛素分泌受到抑制［5］。向小鼠腹膜内注射葡萄糖后60 min，小鼠胰岛β 细胞内miR-9 表达增加，相应的小鼠血清胰岛素水平下降，进一步功能研究显示，β 细胞增殖以及胰岛素分泌过程中的关键分子去乙酰化酶1(sirtuin-1，SIRT1)为miR-9 另一靶蛋白，miR-9 下调SIRT1 的表达，进而抑制葡萄糖刺激的胰岛素分泌［7］。与miR-9 类似，miR-96 同样上调granuphilin 蛋白的表达，但此作用独立于转录因子onecut2，而是通过下调胰岛素胞吐机制中必要因子Noc2 的表达，抑制胰岛素的分泌［5］。

miR-29a、miR-187、miR-184 和miR-15a 也参与调控胰岛素的合成和分泌。高糖环境下，胰岛β 细胞中miR-29a 表达上调，直接抑制胰岛素胞吐机制中突触融合蛋白-1a (syntaxin-1a)的转录和翻译，β细胞功能受损;抑制miR-29a 的表达则可以改善葡萄糖刺激的胰岛素分泌［8］。miR-187 和miR-184 也与胰岛素的分泌负相关，两者分别抑制胰岛素分泌的调控因子同源结构域作用蛋白激酶3(homeodomain-interacting protein kinase-3，HIPK3)和线粒体谷氨酸载体SLC25A22 的表达，降低葡萄糖刺激的胰岛素分泌［9-10］。而miR-15a 通过抑制小鼠β 细胞产生内源性线粒体内膜超家族成员解偶联蛋白-2(uncoupling protein-2，UCP-2)，促进胰岛素的生物合成［11］。

3 miRNA 与胰岛素抵抗

维持血糖的稳态不仅需要β 细胞的胰岛素分泌功能正常，而且要求胰岛素作用的靶组织，如肝脏、脂肪组织和骨骼肌等对胰岛素反应敏感。尽管胰岛素抵抗的具体机制尚不完全清楚，但越来越多的研究发现，miRNA 参与调节胰岛素信号通路的传导，与胰岛素抵抗的发生有关。

3.1 miRNA 与肝脏胰岛素抵抗

肝脏胰岛素抵抗可表现为糖原合成和储存减少，葡萄糖的输出增加。酪氨酸蛋白磷酸酶(protein tyrosine phosphatase，PTP1B)是肝脏中表达最丰富的miR-122 的靶基因。PTP1B 蛋白能催化胰岛素受体(insulin receptor，IR)和胰岛素受体底物(insulin receptor substrate，IRS)去磷酸化，抑制肝脏内胰岛素信号传导;反义核苷酸抑制糖尿病小鼠体内PTP1B 蛋白表达，可以降低血糖和血胰岛素的水平。而且PTP1B 活性下降，可以提高肥胖患者胰岛素的敏感性。高脂饮食(high fat diet，HFD)喂养小鼠体内，c-Jun 氨基末端激酶1(Jun-N-terminal kinase 1，JNK1)表达增加，能抑制肝细胞核因子4α(hepatocyte nuclear factor 4α，HNF4α)磷酸化，使HNF4α与miR-122 基因结合受阻，miR-122 表达下降，增加的PTP1B 蛋白促使胰岛素抵抗的发生，该病理过程可以被JNK1 抑制物逆转［12］。

葡糖胺诱导的胰岛素抵抗状态HepG2 细胞中miR-181a 过表达，呈剂量依赖性的降低胰岛素刺激的IR、PKB 和糖原合成酶激酶3β(glucogen synthase kinase 3β，GSK3β)的磷酸化。SIRT1 蛋白为miR-181a 作用靶点，HepG2 细胞过表达SIRT1 蛋白可以改善miR-181a 引起的胰岛素抵抗，小鼠体内实验得到了相同的结果，说明miR-181a 是调节肝脏胰岛素敏感性的重要分子［13］。

miR-33a/b 抑制肝细胞IRS-2 表达，使胰岛素信号通路下游蛋白PKB 活化受阻，抑制内源性miR-33a/b 表达则可以上调肝细胞对胰岛素的敏感性，提示该miRNA 可能为代谢综合征的潜在治疗靶点［14］。HFD 喂养小鼠和db/db 小鼠肝脏中miR-143 表达增加，以下调氧化固醇结合蛋白相关蛋白8(oxysterol-binding-protein-related protein 8，ORP8)表达的方式抑制PKB 活化，降低胰岛素敏感性［15］。类似于miR-143，肥胖能诱导肝脏miR-802 过表达，通过沉默靶基因(HNF1B)导致糖耐量异常以及胰岛素抵抗，降低miR-802 的表达则可改善糖代谢异常［16］。

线粒体功能异常与胰岛素抵抗和糖尿病的发病有关。miR-126 与miR-96 在线粒体功能异常的SKHep1 细胞中过表达，两者均是通过下调IRS-1 蛋白表达诱导胰岛素抵抗［17-18］。IRS-1 将胰岛素信号从胰岛素受体传至细胞内的PI3K，是胰岛素信号传导通路上的关键分子，研究发现糖尿病模型小鼠以及糖尿病患者的肝脏中IRS-1 水平明显降低，但具体的调控机制仍不清楚，与其相关的更多miRNA 分子有待于进一步被发现。

此外，多个研究用miRNA 芯片方法分析肥胖小鼠模型或糖尿病小鼠模型肝脏组织miRNA 差异表达谱，发现miR-103、miR-107、miR-125a 和miR-29a等表达明显上调，通过作用于胰岛素信号通路上不同环节的靶分子，参与胰岛素抵抗。

3.2 miRNA 与脂肪组织胰岛素抵抗

诱导脂肪生成和代谢的miRNA 表达异常与脂肪组织胰岛素抵抗相关。首先发现miR-143 与脂肪形成有关，miR-143 在HFD 喂养小鼠肠系膜脂肪组织中表达增加，而且miR-143 的表达水平与小鼠体质量、肠系膜脂肪重量以及血清瘦素的水平呈正相关，丝裂原活化蛋白激酶7(mitogen-activated protein kinase 7，ERK5)水平轻度下降。但也有报道miR-143 在ob/ob 肥胖小鼠脂肪细胞的表达下调［5］。给出生1d 的小鼠腹腔内注射miR-143 锁定核苷酸，沉默脂肪组织miR-143 的表达，并不改变小鼠脂肪细胞的大小、形态以及与脂肪形成有关基因的表达，而且miR-143 也不能抑制3T3-L1 细胞以及小鼠脂肪组织ERK5 的表达［19］。提示miR-143 可能通过多种途径调节脂肪细胞的形成和功能，有待对miR-143 与脂肪细胞胰岛素抵抗以及脂肪形成的相关性进一步探索。

过强的脂肪组织炎性反应是导致全身性胰岛素抵抗的重要因素。miR-223 可通过抑制PKNOX1 的表达，调节巨噬细胞的极化，减弱脂肪组织炎性反应。HFD 喂养的miR-223 基因敲除小鼠血浆胰岛素和血糖水平高于野生型小鼠，而且其脂肪组织中抗感染性M2 巨噬细胞浸润减少，而炎性M1 巨噬细胞数增加。用特异的缺乏miR-223 的骨髓细胞进行小鼠骨髓移植，同样出现严重的胰岛素抵抗和糖耐量异常，同时脂肪组织中促炎细胞因子的表达也增加，进一步证实了miR-223 作为巨噬细胞极化的调节分子，有利于改善脂肪组织的炎性反应和全身性胰岛素抵抗［20］。

miR-221 和miR-93 也涉及脂肪组织胰岛素抵抗。腹部皮下脂肪组织中miR-221 的表达水平与BMI 和空腹血胰岛素呈正相关，miR-221 通过下调脂联素受体1(adiponectin receptor 1，ADIPOR1)的表达，干扰过氧化物酶体增殖体激活受体(peroxisome proliferator activated receptor，PPAR)信号通路的传导，促进胰岛素抵抗的发生［21］。miR-93 在多囊卵巢综合征患者和存在胰岛素抵抗妇女的脂肪组织中表达上调，通过下调葡萄糖运载体4(glucose transporter 4，GLUT-4)的表达降低胰岛素敏感性［22］。

3.3 miRNA 与骨骼肌胰岛素抵抗

骨骼肌是胰岛素作用的另一重要靶组织，目前有关miRNA 与骨骼肌胰岛素抵抗的研究相对较少。探讨胰岛素抵抗影响肌肉对负荷反应机制的研究发现，胰岛素抵抗OZ 小鼠比目鱼肌对负荷的肥大反应受损，与正常LZ 小鼠相比，OZ 小鼠比目鱼肌中与肌肉生长发育有关的miR-133a 和miR-1 表达下降［23］。分析db/db 小鼠和正常小鼠腓肠肌miRNA表达谱的差异，发现miR-135a 在db/db 小鼠腓肠肌表达明显上调，抑制了靶蛋白IRS-2 的表达、PI3K和PKB 的磷酸化以及胰岛素刺激的葡糖糖吸收，沉默db/db 小鼠体内miR-135a 的表达，则可恢复。与正常人相比，miR-135a 在2 型DM 患者骨骼肌中的表达同样上调［24］。

4 小结

miRNA 作为重要的基因表达调控分子涉及很多疾病的发病过程。近年来，越来越多的miRNA 被证实与胰岛素的合成和分泌、胰岛素抵抗以及糖尿病的发病密切相关。病理状态下异常表达的miRNA，通过作用于胰岛素分泌及胰岛素信号传导通路上的靶基因，影响血糖稳态的维持。表达异常miRNA 的发现，加深了对糖尿病发病机制的认识，也使得miRNA 作为2 型DM 生物标志物成为可能。然而，miRNA 调控网络非常复杂，一个miRNA 可作用于多个靶基因，而一个靶基因受多种miRNA 的调控，同一种miRNA 又可在多种组织中表达，通过多种途径参与糖稳态的调节。因此，miRNA 的靶基因及其功能仍需大量的研究进一步明确;另外，体外实验到体内试验的逐步深入，以及特定的miRNA-靶基因调节通路的确定也将为治疗2 型DM 的药物研发提供潜在的靶点。

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