运动诱导miRNAs 调控线粒体自噬的研究进展*

刘 源

（山东建筑大学，山东 济南 250101）

线粒体自噬作为选择性自噬的一种，可以通过自噬途径选择性地进行清除线粒体，细胞利用线粒体自噬途径消除具有功能障碍的线粒体，进而适应应激环境并维持胞内内环境的稳定[1]。miRNAs 是近年来发现对基因和蛋白有所调控并参与机体内的一些生理过程的短链非编码的RNA，与心脏疾病以及癌症的防治具有较高的关联性。近年来研究发现，miRNAs 可以调控线粒体自噬，同时一些学者研究表明，运动诱导对miRNA 调控线粒体自噬具有显著性影响，但是具体的机制还不明了[2,3]。本文通过综述miRNAs 对线粒体自噬的正向调控作用以及运动诱导miRNAs 对线粒体自噬的影响，探讨miRNAs 对线粒体自噬的分子机制及生理学意义，展望线粒体自噬的研究前景，给科研人员提供一个新思路，为疾病的防治提供新的参考。

1 线粒体自噬

线粒体自噬是细胞内的线粒体在应急作用下出现去极化损伤，受损线粒体被特异性包裹进入自噬体，再与溶酶体融合后进行降解维持细胞内环境稳定的过程。线粒体自噬主要包括四个阶段[4,5]：前期（受到损伤的线粒体会改变其通透性，产生去极化，从而导致相关蛋白活化），早期（自噬小体包裹受到损伤的线粒体形成线粒体自噬小体），中期（线粒体自噬小体与溶酶体相结合，形成成熟的线粒体自噬溶酶体），末期（溶酶体降解线粒体）。线粒体自噬的发生在执行过程中受到多种因子的精密调节，比如Parkin 蛋白、PINK1蛋白、NIX 蛋白以及自噬相关分子(Atg32、Atg33、Uth1 和Aup1 等) 等，都在线粒体自噬中起着关键作用。

2 miRNAs

miRNAs 结合到mRNAs 的3′端区域，抑制mRNA 翻译，促进mRNA 降解。最早在1993 年，研究秀丽隐杆线虫的Lee等人发现了第一个miRNA，一种可以时序性调控其生长发育的小分子非编码RNA，命名为Lin-4[6]。但是，当时的研究人员认为Lin-4 是秀丽隐杆线虫所特有的，并没有意识到miRNAs的重要性。直到7 年后，有人发现了另外一个和Lin-4具有类似结构的小分子Let-7，发现了miRNAs 广泛存在于多个物种体内，人们终于开始认清miRNAs 的作用。通过研究观察到了miRNAs 的独特特点：1 个miRNA 能同时调控多个基因，1 个基因也可同时受多个miRNAs 调控[7]。

3 miRNAs 与线粒体自噬的关系

3.1 miRNAs 与PINK1/Parkin 介导的线粒体自噬

最初，miR-27a 和miR-27b 被证明在翻译水平上调控PINK1 的表达，随后研究发现，它们还能降低有丝分裂效率。有研究证明miR-27a、b 表达可以减少受损线粒体中的泛素磷酸化、帕金森染色体易位和LC3-II 积累[8]，而miR-181a通过靶向Parkin，阻断线粒体和自噬体的共定位，成为另一种线粒体抑制剂，能够通过降低Parkin 表达，延缓线粒体自噬[9]。

3.2 miRNAs 与缺氧介导的线粒体自噬

2014 年，一项研究揭示了miR-137 与缺氧介导的线粒体自噬之间的联系。miR-137 是一种新型的低氧反应miRNAs，通过调控FUNDC1 和NIX 两种线粒体自噬受体来抑制线粒体自噬。miR-137 破坏线粒体自噬受体与LC3 的结合，从而抑制线粒体靶向自噬[10]。Li 等人[11]发现，由于miR-137的过表达而导致的线粒体自噬缺陷，可以通过重新引入缺少miR-137 配对位点的FUNDC1 和NIX 表达结构来修复。

3.3 损伤介导的miRNAs 和线粒体自噬

脊髓损伤。Liu 等人[12]推测，线粒体自噬在脊髓损伤中具有保护作用。他们特别证明了在脊髓缺血再灌注的大鼠中，miR-124 的下调通过增加线粒体自噬来保护脊髓损伤。为了了解miR-124 对有丝分裂的抑制机制，还需要进行在脊髓损伤后miR-124 的哪些靶点可能被抑制的相关研究。

心脏损伤。线粒体功能障碍在心脏系统中是至关重要的。杨等人[13]证实miR-410 通过调节靶向基因HMGB1 活性，抑制心脏缺血再灌注损伤后的线粒体自噬，在心脏缺血再灌注损伤小鼠模型中进一步研究发现，miR-410 表达显著上调，并伴有线粒体功能下降和线粒体自噬缺失。在缺氧/复氧刺激的HACM 中，miR-410 的表达显著增加。miR-410 过表达进一步抑制细胞活力，ATP 产生，线粒体膜电位和线粒体水平，并增加caspase-3 活性，Bax 表达和细胞色素c 释放。相反，对miR-410 的抑制会减弱这些效果。发现在体内心脏缺血再灌注损伤过程中，缺血心肌组织中miR-410 表达升高，线粒体功能下降，缺氧/复氧诱导miR-410 表达升高，导致HACMs 中有缺陷的线粒体自噬。HMGB1 是miR-410 的直接靶点之一，HMGB1 通过调节HSPB1 在HACMs 中的活性，影响线粒体自噬，提高细胞活力和线粒体功能。调控miR-410表达可能是通过HMGB1/HSPB1 依赖的有丝分裂作用靶向治疗心脏缺血再灌注诱导的心肌细胞损伤。过表达miR-410促进了这些细胞活力和线粒体自噬的改变，而抑制miR-410部分减弱了缺氧/复氧处理带来的这些影响。miR-410 可能通过直接靶向HMGB1，通过HSPB1 活性调节心脏缺血再灌注损伤后的线粒体自噬。因此，探索miRNAs 与线粒体自噬的关系，为调节心脏缺血再灌注相关心脏疾病开辟了新的途径。

肝损伤。BDE-47 通过阻断PINK1 介导的线粒体自噬，诱导小鼠肝脏线粒体功能障碍积累，从而在肝脏损伤中发挥作用。在此背景下，miR-34a-5p 通过靶向小鼠肝脏NAMPT的表达、减少NAD 的产生，促进氧化损伤介导线粒体自噬损伤。因此，miR-34a-5p 介导的线粒体自噬缺陷成为BDE-47毒性治疗干预的潜在靶点[14]。

3.4 miRNA 和线粒体自噬与炎症有关

脂肪炎症。在肥胖的背景下，miR-103 通过下调肿瘤坏死因子受体相关因子3 来阻断线粒体自噬，是脂肪炎症的阳性反应因子，为改善肥胖中的脂肪炎症提供新的机会[15]。

面部神经炎症。炎症反应参与了面部神经的发展。Liu等人[16]探讨线粒体自噬在肿瘤坏死因子（TNF）导致面部神经损伤中的作用，他们发现TNF 小鼠通过降低Bnip3 的表达，诱导SH-SY5Y 细胞凋亡，抑制线粒体自噬。功能研究表明，miR-145 抑制Bnip3 的转录和表达，导致有丝分裂抑制。在此背景下，miR-145/Bnip3/线粒体自噬这一通路可能被认为是治疗面神经炎的一个潜在靶点。

抗病毒信号通路。在先天免疫应答中，miR-33 在防御病原体中发挥重要作用，它靶向腺苷单磷酸活化蛋白激酶，阻碍线粒体接头线粒体抗病毒信号蛋白形成活性聚集物，反过来抑制线粒体自噬并产生不平衡的线粒体稳态，这是有效的抗病毒信号蛋白激活所必需的。因此，miR-33 应该是RNA病毒触发的先天免疫应答的负调控因子[17]。

3.5 miRNA、自噬与癌症

近年来，人们发现了miRNAs、线粒体自噬和癌症之间的一些联系，突显了癌症预防或治疗方面一些潜在的新策略。线粒体动力学在癌症中是一个高度放松的过程。Purhoit等[18]研究表明，miR-195 通过靶向线粒体融合蛋白2 在乳腺癌细胞中发挥促凋亡作用，导致线粒体分裂和乳腺癌细胞死亡。其中值得注意的是，在此背景下线粒体数量减少，但PINK1 没有增加，虽然在这个研究中诱导线粒体自噬的精确路径需要澄清，但验证了miR-195 的表达可用于治疗乳腺癌。

基于干细胞疗法对治疗癌症在内的各种人类疾病很有吸引力。在可用于这一目的的细胞类型中，间充质干细胞是被人们所看好的干细胞来源。已有研究表明，miR-155 干扰了间充质干细胞的线粒体自噬，特别是miR-155 靶向与Bcl-2 相关BAG5，它破坏了PINK1 激酶的稳定，从而破坏了线粒体自噬，从而对肿瘤产生了影响[19]。此外，由于癌症干细胞通常对抗癌治疗具有耐药性，调节它们的生存能力变得非常有吸引力。Zang 等[20]研究表明，过表达miR-1 通过靶向GPD2、MINOS1 基因，并与LRPPRC 蛋白相互作用，诱导肿瘤干细胞线粒体损伤，这表明miR-1 介导的线粒体形态反射可能是调节癌症干细胞存活率的一种策略。在小鼠矽肺模型中，已经证实miR-1224-5p 在硅诱导肺纤维化的肺组织和暴露于TGF-1 的成纤维细胞中表达增加。抑制miR-1224-5p表达可减轻体内硅胶诱导的纤维化进展和体外TGF-1 诱导的肌成纤维细胞分化。miR-1224-5p 主要通过抑制靶基因Beclin 1，从而阻断Parkin 转位到线粒体和阻止受损线粒体的积累来促进二氧化硅诱导的肺纤维化。这些数据表明，miR-1224-5p 在二氧化硅诱导的肺纤维化中发挥关键作用，可能是肺肿瘤的潜在治疗靶点[21]。最后，由于产生ROS 是杀死癌细胞的一种策略，Guo 等人[22]提出了一种通过miR-346预防或治疗癌症的新策略，他们发现在毒胡萝卜素处理诱导内质网应激后，miR-346 的表达增加，又证明了miR-346 通过自噬依赖机制降低内质网应激后HeLa 细胞的凋亡。特别是，他们发现miR-346 有利于GSK 蛋白的表达，该蛋白干扰其抑制剂Bcl-2 的Beclin 1，有利于自噬途径减少ROS的产生，表明miR-346 降低Bcl-2 可能是癌症预防或治疗的一种治疗策略。总之，由多种病理状态如脊髓、心脏或肝脏损伤、炎症或癌症引起的线粒体自噬过程被miRNAs 广泛控制。

4 运动诱导miRNAs 调控线粒体自噬

运动可以产生心肌保护效应使心脏更加的健康，运动还可以促进细胞增殖抑制心肌细胞凋亡，现阶段发现这与线粒体自噬有关，而miRNAs 参与其机制的调控。miRNAs 的发现为解释运动调控线粒体自噬这一命题提供了新视角。有研究表明，常氧运动和低氧运动诱导都可以对miRNAs 调控线粒体自噬具有促进作用，如常氧运动可以介导miR-34a、miR-30b 等调控线粒体自噬，低氧运动可以介导miR-223、miR-210 等调控线粒体自噬[23-25]。

4.1 常氧运动与线粒体自噬

常氧运动可通过调节miRNAs 的表达抑制病理性心脏重塑，改善心脏功能，产生良好的心脏保护效应。miRNAs 可通过影响细胞周期相关蛋白的表达调节心肌的增殖、凋亡和线粒体自噬过程，进而影响心肌细胞的数量。游泳是一种很好的有氧耐力运动，Zhao 等人[26]采用8 周游泳训练抑制小鼠心肌细胞凋亡以及促进线粒体自噬发现，miR-30b 的表达增加了32%。得出了运动可通过调节miRNA，减轻糖尿病、心肌梗死等疾病诱导的心肌细胞凋亡、心肌纤维化，抑制病理性心脏重塑，改善心肌功能障碍的结论。这个证实了miR-30b 通过调节P53 抑制心肌细胞的凋亡以及促进线粒体自噬，但是具体机制还需要进一步进行研究。而Ramasamy等人[27]也使用大鼠进行游泳训练观察miR-30 的表达对线粒体自噬的影响，让8 周龄大鼠连续游泳8 周，每周90 分钟，每天两次。对照大鼠每周游泳两次，每次5 分钟，八周的训练后，发现张力蛋白II 在心肌细胞中诱导miR-30e 显著上调，和以往研究的张力蛋白II 在心肌细胞中诱导miR-30下调不一致。综上所述，运动、miRNAs 以及线粒体自噬这三者之间关系的研究还处于起步阶段，还需要进一步探究。

4.2 低氧运动与线粒体自噬

低氧运动诱导的线粒体自噬是miRNAs 通过抑制NIX 和FUNDC1 这两个线粒体自噬受体的表达实现的[28]。NIX 是Parkin 移位至线粒体的关键成分，而miRNAs 能抑制线粒体蛋白，还能抑制Parkin 从胞质转位至线粒体，从而减弱了线粒体自噬的程度。Liu 等人[29]通过心肌梗死雄性SD 大鼠模型，进行miR-223 是否参与调节心脏缺血诱导损伤实验。发现了miR-223 在心力衰竭大鼠心肌组织中的表达水平显著升高，这种情况的出现可能是与慢性缺血有关。而miR-223 表达的升高，可以保护细胞免于低氧运动诱导的凋亡和过度线粒体自噬。降低miR-223 表达具有对比效应，可以进一步的探索。Wang 等人[30]试验后发现miR-210 的表达与血管内皮生长因子（VEGF）显著相关。细胞学检测显示低氧诱导miR-210 表达，可以降低ephrin-A3 蛋白的表达。PCR结果显示大鼠神经许旺细胞（RT4-D6P2T）在常氧运动条件下miR-210 启动子区域发生高甲基化，而在低氧运动条件下则去甲基化。细胞功能研究表明低氧运动导致RT4-D6P2T细胞凋亡，甚至是线粒体自噬和侵袭。为了解miR-210 的特异性功能，Wang 等人[30]还发现低氧运动通过启动子去甲基化促进miR-210 表达会减弱细胞凋亡和促进线粒体自噬，增加肿瘤细胞血管生成，而miR-210 在抑制的情况下，肿瘤细胞凋亡增加，线粒体自噬和血管生成减少，细胞周期被阻滞。因此，miR-210 可能成为判断肿瘤恶性程度的潜在指标，可作为神经鞘瘤临床辅助治疗的有效指标。

综上所述，常氧运动和低氧运动都可以介导miRNAs 调控线粒体自噬。运动介导可以影响miR-30 家族来抑制相关靶蛋白，从而促进线粒体自噬和调控细胞凋亡。低氧运动促进miR-223 和miR-210 表达的上调，来抑制其相关靶蛋白，促进线粒体自噬，调控细胞凋亡和细胞增殖。但是，运动诱导miRNAs 调控线粒体自噬的研究还处于起步阶段，其具体机制还有待进一步探究。

5 总结与展望

miRNAs 通过调控靶基因的表达进而调控线粒体自噬的水平，可以有效防治炎症、免疫、肿瘤、神经类等疾病。目前研究表明miRNAs 可以通过靶向作用于ATG、Bcl-2、Beclin-1 等线粒体自噬相关蛋白影响线粒体自噬，同时也有研究表明运动干预能有效改善线粒体自噬，但目前对于运动诱导miRNAs 调控线粒体自噬的研究仍不充分，还需要进一步研究运动诱导miRNAs 对线粒体自噬的激活机制以及长期运动下线粒体自噬适应性变化及原因，为探讨运动有益于健康提供更多重要依据。