运动调节miRNA改善2型糖尿病的机制研究进展

刘祖辉，钟远鸣，傅 钰，王 倩

(1.福建师范大学体育科学学院，福建 福州 350117；2.福建师范大学生命科学学院，福建 福州 350117)

糖尿病是胰岛素分泌缺陷或胰岛素抵抗(Insulin resistance,IR)导致的一种以高血糖症为特征的慢性代谢性疾病[1]。2型糖尿病(Type 2 Diabetes,T2D)是糖尿病的一种亚型病症，其以IR和胰腺β细胞功能缺陷为主要特征，约占糖尿病发病率的90 %～95 %[2]。近年来，T2D的流行与发展在世界范围内呈现迅速增长的趋势，预计到2030年，T2D患病人数将增至5.52亿。[3]80 %的T2D患者超重或肥胖，其中伴随产生的心血管疾病、行动障碍、肾衰竭、视力障碍和周围神经病变等多种并发症，是导致患者死亡的主要原因[4]。现有研究表明，IR使机体出现糖、脂、蛋白代谢损伤，进而导致肌肉细胞受损，最终引起患者肌肉力量丧失。[5]而运动除了能控制血糖外，还能够提高有氧能力、肌肉力量和内皮功能，因此运动训练被认为是预防和治疗T2D的方式之一。[1]肥胖个体定制的锻炼计划能够有效且健康的减重，对T2D具有临床疗效。[6]研究表明，体重减轻能以剂量依赖性方式减轻T2D的症状，当体重减轻约15 kg，可缓解约80 %T2D患者的临床病症。[6]然而，运动如何预防和治疗T2D的机制仍不明确。MicroRNA(miRNA)是一类单链非编码小RNA，它通过与靶mRNA的3′-非翻译区(3′-UTR)结合抑制mRNA翻译或促进mRNA降解，从而在转录后水平调节基因表达。[7]近年来，一系列研究发现，运动能够调节T2D患者体内miRNA，进而参与T2D病症的预防和治疗。[8-10]本文将从IR、脂毒性、氧化应激和炎症发生等方面探讨运动介导miRNA改善T2D症状的机制。

1 T2D的发病机理

T2D是一种以机体胰岛素利用率低下为主要特征的复杂代谢性疾病。T2D是遗传因素和后天因素共同作用的结果，其中后天因素主要指高能量的饮食方式以及久坐的生活方式。临床上，T2D患者的病理症状表现为内脏肥胖、异位脂肪沉积、肌肉消瘦等。[11]T2D的主要病理因素包括IR、脂毒性、氧化应激和炎症反应。[12]

IR病症状态下，细胞对胰岛素的敏感性和利用率降低，其吸收和储存葡萄糖和甘油三酯的能力受损，导致血液中葡萄糖和甘油三酯含量上升，从而引起T2D的发生。[13-14]其中，miRNA被证明通过调控胰岛素信号通路中各种重要蛋白成分参与IR的病理进程发展，包括胰岛素生长因子-1(Insulin-like growth factor,IGF-1)和它的受体IGF-1R、胰岛素受体底物(Insulin receptor substrate,IRS)蛋白、磷脂酰肌醇3激酶(Phosphatidylinositol 3 kinase,PI3K)、AKT/蛋白激酶B(Protein kinase B,PKB)和葡萄糖转运蛋白4(Glucose transporter,GLUT4)。[10]Ryu等人发现，miR-126通过降低其靶标IRS-1导致IR。[15]在脂肪组织和内皮细胞中，miR-320通过调节IGF-1和IGF-1R促进IR。[16]此外，小鼠肝脏中miR-21水平升高与FOXO1蛋白水平下降和肝胰岛素敏感性升高有关。[17]研究表明，肥胖是导致患者IR的主要因素，由于身体脂肪分布的不同，个体的胰岛素敏感性存在显著差异。[18-19]其中，未酯化脂肪酸(Non-esterified fatty acids,NEFAs)被证明在T2D患者血清中大量上升，其脂毒性是诱导IR的关键因素。[20]在IR的脂肪细胞中，miR-21显著下调，而miR-21的过表达会增加胰岛素诱导的AKT(Ser473)、GSK3β(Ser9)磷酸化和GLUT4的转运，从而降低PTEN蛋白的表达，导致胰岛素刺激的葡萄糖摄取增强。[21]此外，miR-21拮抗剂通过上调TIMP3的表达水平来改善链脲佐菌素(Streptozotocin,STZ)诱导的T2D大鼠的IR和脂质代谢紊乱。[22]

胰腺β细胞受损时，机体将出现糖耐受失调和空腹血糖升高，最终发展为T2D。[23]胰腺β细胞缺陷包括β细胞增殖、发育缺陷以及胰岛素产生和分泌异常，葡萄糖代谢和胰岛素产生延迟均会导致胰腺β细胞缺陷。[24]与非糖尿病患者相比，miR-124a在T2D患者中过表达并负调节胰岛素分泌。胰岛中的miR-124a沉默，导致参与β细胞功能的预测靶基因的表达增加。[25]miR-124a2通过靶向Foxa2参与胰腺发育、葡萄糖代谢和胰岛素分泌。[26]此外，T2D的发生还与氧化应激和炎症反应有关。研究表明，T2D患者的胰岛白介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)的表达增加，其参与胰腺β细胞损伤，而肿瘤坏死因子α(Tumor necrosis factor-α,TNF-α)是外周IR发生的关键分子。[27]miR-1过表达会伴随着较高的ROS水平，miR-1通过转录后抑制SOD1、Gclc和G6PD的表达，从而有助于增加ROS水平和小鼠心脏的氧化应激敏感性。[28]胰岛素也可降低miR-1的表达，并在氧化应激下对miR-1诱导的损伤产生明显的保护作用。[29]miR-21在炎症的消退中起关键作用，它的表达与IL-6、IL-8、IL-10、IL-12a和NOS2a相关，因此miR-21是巨噬细胞抗炎反应的关键介质。[30]Frederick J Sheedy等人发现抑制白细胞中的miR-21将促进炎症。[31]此外，沉默PTEN和GSK3β诱导的miR-21抑制了脂多糖诱导的炎症反应。[32]在临床诊断方面，Ying-Zhi Liang等人发现miR-148b、miR-223、miR-130a、miR-19a、miR-26b和miR-27b可作为T2D的潜在血液循环生物标志物，miR-146a和miR-21可作为T2D的潜在组织生物标志物。[8]

2 运动对T2D的影响

长期以来，运动训练被认为是治疗糖尿病的重要非药物手段。临床实验已证明运动可改善胰岛素敏感性并有利于血糖控制。[33]一方面，除了加快能量消耗以逆转肥胖相关的T2D病症，运动还能短期内通过加强非胰岛素依赖的葡萄糖转化促进胰岛素的效能。[34]另一方面，体育锻炼还是一种天然的强抗炎和改善新陈代谢的策略。[35]在过去30年内，阻力训练已被认为是T2D患者一种有效的运动训练选择，包括利用自体重量、重力器械或弹性阻力带，其可通过增加肌肉质量从而改善其血糖摄取能力。[35]在阻力训练的研究评估中，其可改善T2D患者的身体力量、骨密度、血压、血脂、心血管健康、胰岛素敏感性和肌肉质量方面的10 %～15 %。[36]有氧运动主要指连续且有节奏的大肌肉群运动，包括散步、慢跑和骑行等。目前，有氧运动是公认的可改善糖化血红蛋白(hemoglobin A1c,HbA1c)的方法，其对减重、增强脂质和脂蛋白代谢具有重要作用。[37]此外，Meta分析数据表明，通过与静坐对照组患者相比，有氧运动改善了T2D患者血糖控制、胰岛素敏感性、氧化能力和相关代谢参数。[38]有趣的是，许多研究已经揭示有氧运动和阻力训练的结合比单独一种训练方式更有效。[39]其中，Cuff等人评估了28名绝经后的T2D女性患者，以探究联合训练方案是否能改善胰岛素敏感性且优于单独运动。在16周的联合训练后，患病组相比对照组，其体内胰岛素介导的葡萄糖吸收明显得到改善，反映出更优的胰岛素敏感性。[40]虽然运动对T2D的治疗与预防已有相当多的研究报道，运动训练改善T2D症状的相关分子机制仍不明确。近年来，一系列研究证据表明miRNA通过调节基因转录后表达间接调控T2D相关的信号通路，参与T2D的病症发展与恢复。运动被证明可通过改变miRNA水平调控机体IR、脂毒性、氧化应激和炎症反应等，从而改善T2D病症。随着研究的进展，运动参与T2D恢复分子机制的研究重点也逐渐从原有的生物大分子相关的信号通路水平转向miRNA水平。

3 运动通过改变miRNA水平改善T2D的可能机制

3.1 运动相关的miRNA

定期运动是改善T2D的有效方法之一。miRNA被认为是其中的关键，但并非所有miRNA均会在运动过后发生显著变化，表1为不同运动后miRNA的变化情况。

表1 不同运动后miRNA的表达变化

3.2 运动通过调节IR相关的miRNA改善T2D

IR是指细胞对胰岛素的敏感性和反应性降低的症状[53]，其中胰岛素信号传导失调是引起IR的主要因素。阻力运动会导致miR-320a的下调。[16]研究表明，举重运动可通过下调miR-126靶向调控IRS-1，进而调控IR引起的线粒体失调，从而缓解T2D的进展。[15]在胰岛素介导的葡萄糖摄取中，发挥重要作用的PI3K异二聚体由一个调节亚基和一个催化亚基组成，调控亚基包含p85a、p85p、p55a、p50a或p55y，催化亚基包含p110a。研究表明，运动可通过调控miR-320水平控制P13K-p85a亚基表达，或通过miR-126调控p85p，通过miR-29控制脂肪组织和骨骼肌中p85a的表达，从而调节机体对葡萄糖的摄取。[16,54,55]Kruppel-like转录因子15(KLF15)能够调节骨骼肌和脂肪细胞的GLUT4，miR-133通过靶向KLF15调节GLUT4的表达，并参与细胞的代谢控制。过表达miR-133会降低GLUT4的表达，并减少心肌细胞中胰岛素介导的葡萄糖摄取。运动会导致miR-133下调从而可能增加细胞对葡萄糖的摄取。[56]此外，miR-29b 的上调导致了SPARC蛋白水平、GLUT4水平的表达降低，从而影响了3T3-L1脂肪细胞的葡萄糖摄取，引起IR，而运动能够下调miR-29b从而改善。IR[57]

3.3 运动通过调节脂毒性相关的miRNA改善T2D

脂质在非脂肪组织中积累的有害作用被称为脂毒性。脂质堆积造成的肥胖是T2D的关键危险因素，其会降低周围组织的胰岛素敏感性。已有研究表明，miRNA参与调节脂质合成、脂肪酸氧化以及脂蛋白形成和分泌。

miR-21能够靶向脂肪酸结合蛋白7(Fatty acid binding proteins,FABP7)和胰岛素样生长因子结合蛋白3(Insulin-like growth factor binding proteins,IGFBP3)，从而调节体内脂肪含量。[58-59]跑步运动可以降低体内的miR-21，而miR-21的下调会减少脂肪变性、炎症和脂肪细胞凋亡，该过程通过miR-21/PPARα轴发挥作用。[60]阻力运动会引起miR-21-5p上调，而miR-21-5p的过表达减弱H9C2细胞中的脂质含量和脂质过氧化作用，这可能是通过减少细胞脂质的摄取和利用，使细胞代谢向糖酵解途径转化。[61]A Sabag等人发现，运动可有效减少内脏脂肪，改善糖脂代谢和胰岛素敏感性并恢复β细胞功能。[62]

3.4 运动通过调节氧化应激相关的miRNA改善T2D

氧化应激是指细胞内活性氧(Reactive oxygen,ROS)水平升高，ROS水平失衡会引起慢性炎症从而导致多种疾病的发生。[63]H9c2细胞的体外实验证明，miR-21模拟物通过降低ROS水平并增加NO的产生从而抑制由棕榈酸酯引发的心肌肥大。进一步研究表明，miR-21在体外和体内直接靶向凝溶胶蛋白(Gelsolin,GSN)，并通过下调GSN表达，预防糖尿病性心肌病引起的舒张功能障碍。另一项研究表明，miR-21通过与程序性死亡因子相互作用，保护肌细胞免受H2O2诱导的损伤和血管平滑肌细胞凋亡。[64]

Xin Yin等人发现，大鼠在进行上下坡跑步后，其腓肠肌中的miR-1水平显著降低，因此运动可能通过下调miRNA以改善细胞的氧化应激作用。[65]此外，运动可造成miR-23a水平显著下降，Jingjing Du等人发现在Dox诱导的细胞模型中，增加的miR-23a促进了线粒体损伤，进一步研究发现抑制miR-23a可以减轻心肌细胞的损伤，从而抑制线粒体依赖性细胞凋亡，该作用与PGC-1α/p-Drp1信号通路有关。[66]

3.5 运动通过调节炎症相关的miRNA改善T2D

流行病学研究表明炎症生物标志物与T2D的发生和并发症之间存在关联，炎症反应可能通过引起IR而促进T2D的病症，并且在高血糖症的存在下炎症反应会加剧，从而促进了糖尿病的长期并发症的发生。[67]

miR-124a的表达与IL-10和转化生长因子β(Transforming growth factor,TGF-β)的表达呈正相关，与干扰素(Interferon,IFN-γ)的表达呈负相关。[68]Palanikumar Manoharan等人发现，miR-124a水平降低与KLF2缺陷型巨噬细胞中促炎介质表达的增加有关。[69]miR-124a通过靶向PIK3/NF-κB途径抑制类风湿关节炎成纤维样滑膜细胞的增殖和炎症。而在神经性疼痛中，miR-124a通过靶向去乙酰化酶1(SIRT1)导致CD4(+)T细胞分化偏向调节性T细胞，从而限制了诱发疼痛的炎症。

Saloua Dimassi等人在肥胖女性中进行了长达八周的有氧训练，发现有氧训练可通过上调miR-124a调控TNFα和IF-6水平，从而降低机体炎症水平。[41]此外，运动可调节急性和慢性炎症，运动过后肌肉通过Nrf2信号传导激活细胞防御和抗炎途径。人体的力学研究表明，运动引起IL-6和IL-10显著增加，并通过抑制TNF-α和刺激IL-1Ra发挥直接的抗炎作用，从而限制IL-1β信号传导，且IL-6对葡萄糖和脂质代谢存在直接影响。[27]

4 总结与展望

T2D与IR、脂毒性、氧化应激和慢性炎症反应密切相关，近年来，多项研究证据表明miRNA参与T2D的发展与恢复。多种运动的结合可降低患者体内的脂肪水平，从而显著改善糖尿病症状。miRNA可靶向和调节多种mRNA，从而参与多种生物学过程，例如胰岛素的产生和分泌、葡萄糖代谢、氧化应激、脂质代谢、胰岛β细胞的增殖和分化。运动可以导致体内的miRNA水平发生显著变化，从而改变多种T2D相关的下游信号通路。因此，运动改善T2D的过程中miRNA发挥着重要作用。但目前仍有许多问题待明确：(1)已有大量研究深入探析了在IR、炎症反应和氧化应激等过程中发挥作用的信号通路，但与运动介导miRNA改善T2D相关的信号通路仍缺乏相应的研究。(2)不同的运动方式可能会导致同一种miRNA的水平发生相反的变化，如何选择改变miRNA水平的最佳运动方式，从而使miRNA更有效地改善代谢和降低炎症反应？(3)miRNA具有极广泛的生物学功能，运动调节的miRNA是否可通过影响内质网应激、血管生成、骨骼肌发生等过程改善T2D？