運動誘導miRNAs 調控線粒體自噬的研究進展*

劉 源

（山東建筑大學，山東 濟南 250101）

線粒體自噬作為選擇性自噬的一種，可以通過自噬途徑選擇性地進行清除線粒體，細胞利用線粒體自噬途徑消除具有功能障礙的線粒體，進而適應應激環境并維持胞內內環境的穩定[1]。miRNAs 是近年來發現對基因和蛋白有所調控并參與機體內的一些生理過程的短鏈非編碼的RNA，與心臟疾病以及癌癥的防治具有較高的關聯性。近年來研究發現，miRNAs 可以調控線粒體自噬，同時一些學者研究表明，運動誘導對miRNA 調控線粒體自噬具有顯著性影響，但是具體的機制還不明了[2,3]。本文通過綜述miRNAs 對線粒體自噬的正向調控作用以及運動誘導miRNAs 對線粒體自噬的影響，探討miRNAs 對線粒體自噬的分子機制及生理學意義，展望線粒體自噬的研究前景，給科研人員提供一個新思路，為疾病的防治提供新的參考。

1 線粒體自噬

線粒體自噬是細胞內的線粒體在應急作用下出現去極化損傷，受損線粒體被特異性包裹進入自噬體，再與溶酶體融合后進行降解維持細胞內環境穩定的過程。線粒體自噬主要包括四個階段[4,5]：前期（受到損傷的線粒體會改變其通透性，產生去極化，從而導致相關蛋白活化），早期（自噬小體包裹受到損傷的線粒體形成線粒體自噬小體），中期（線粒體自噬小體與溶酶體相結合，形成成熟的線粒體自噬溶酶體），末期（溶酶體降解線粒體）。線粒體自噬的發生在執行過程中受到多種因子的精密調節，比如Parkin 蛋白、PINK1蛋白、NIX 蛋白以及自噬相關分子(Atg32、Atg33、Uth1 和Aup1 等) 等，都在線粒體自噬中起著關鍵作用。

2 miRNAs

miRNAs 結合到mRNAs 的3′端區域，抑制mRNA 翻譯，促進mRNA 降解。最早在1993 年，研究秀麗隱桿線蟲的Lee等人發現了第一個miRNA，一種可以時序性調控其生長發育的小分子非編碼RNA，命名為Lin-4[6]。但是，當時的研究人員認為Lin-4 是秀麗隱桿線蟲所特有的，并沒有意識到miRNAs的重要性。直到7 年后，有人發現了另外一個和Lin-4具有類似結構的小分子Let-7，發現了miRNAs 廣泛存在于多個物種體內，人們終于開始認清miRNAs 的作用。通過研究觀察到了miRNAs 的獨特特點：1 個miRNA 能同時調控多個基因，1 個基因也可同時受多個miRNAs 調控[7]。

3 miRNAs 與線粒體自噬的關系

3.1 miRNAs 與PINK1/Parkin 介導的線粒體自噬

最初，miR-27a 和miR-27b 被證明在翻譯水平上調控PINK1 的表達，隨后研究發現，它們還能降低有絲分裂效率。有研究證明miR-27a、b 表達可以減少受損線粒體中的泛素磷酸化、帕金森染色體易位和LC3-II 積累[8]，而miR-181a通過靶向Parkin，阻斷線粒體和自噬體的共定位，成為另一種線粒體抑制劑，能夠通過降低Parkin 表達，延緩線粒體自噬[9]。

3.2 miRNAs 與缺氧介導的線粒體自噬

2014 年，一項研究揭示了miR-137 與缺氧介導的線粒體自噬之間的聯系。miR-137 是一種新型的低氧反應miRNAs，通過調控FUNDC1 和NIX 兩種線粒體自噬受體來抑制線粒體自噬。miR-137 破壞線粒體自噬受體與LC3 的結合，從而抑制線粒體靶向自噬[10]。Li 等人[11]發現，由于miR-137的過表達而導致的線粒體自噬缺陷，可以通過重新引入缺少miR-137 配對位點的FUNDC1 和NIX 表達結構來修復。

3.3 損傷介導的miRNAs 和線粒體自噬

脊髓損傷。Liu 等人[12]推測，線粒體自噬在脊髓損傷中具有保護作用。他們特別證明了在脊髓缺血再灌注的大鼠中，miR-124 的下調通過增加線粒體自噬來保護脊髓損傷。為了了解miR-124 對有絲分裂的抑制機制，還需要進行在脊髓損傷后miR-124 的哪些靶點可能被抑制的相關研究。

心臟損傷。線粒體功能障礙在心臟系統中是至關重要的。楊等人[13]證實miR-410 通過調節靶向基因HMGB1 活性，抑制心臟缺血再灌注損傷后的線粒體自噬，在心臟缺血再灌注損傷小鼠模型中進一步研究發現，miR-410 表達顯著上調，并伴有線粒體功能下降和線粒體自噬缺失。在缺氧/復氧刺激的HACM 中，miR-410 的表達顯著增加。miR-410 過表達進一步抑制細胞活力，ATP 產生，線粒體膜電位和線粒體水平，并增加caspase-3 活性，Bax 表達和細胞色素c 釋放。相反，對miR-410 的抑制會減弱這些效果。發現在體內心臟缺血再灌注損傷過程中，缺血心肌組織中miR-410 表達升高，線粒體功能下降，缺氧/復氧誘導miR-410 表達升高，導致HACMs 中有缺陷的線粒體自噬。HMGB1 是miR-410 的直接靶點之一，HMGB1 通過調節HSPB1 在HACMs 中的活性，影響線粒體自噬，提高細胞活力和線粒體功能。調控miR-410表達可能是通過HMGB1/HSPB1 依賴的有絲分裂作用靶向治療心臟缺血再灌注誘導的心肌細胞損傷。過表達miR-410促進了這些細胞活力和線粒體自噬的改變，而抑制miR-410部分減弱了缺氧/復氧處理帶來的這些影響。miR-410 可能通過直接靶向HMGB1，通過HSPB1 活性調節心臟缺血再灌注損傷后的線粒體自噬。因此，探索miRNAs 與線粒體自噬的關系，為調節心臟缺血再灌注相關心臟疾病開辟了新的途徑。

肝損傷。BDE-47 通過阻斷PINK1 介導的線粒體自噬，誘導小鼠肝臟線粒體功能障礙積累，從而在肝臟損傷中發揮作用。在此背景下，miR-34a-5p 通過靶向小鼠肝臟NAMPT的表達、減少NAD 的產生，促進氧化損傷介導線粒體自噬損傷。因此，miR-34a-5p 介導的線粒體自噬缺陷成為BDE-47毒性治療干預的潛在靶點[14]。

3.4 miRNA 和線粒體自噬與炎癥有關

脂肪炎癥。在肥胖的背景下，miR-103 通過下調腫瘤壞死因子受體相關因子3 來阻斷線粒體自噬，是脂肪炎癥的陽性反應因子，為改善肥胖中的脂肪炎癥提供新的機會[15]。

面部神經炎癥。炎癥反應參與了面部神經的發展。Liu等人[16]探討線粒體自噬在腫瘤壞死因子（TNF）導致面部神經損傷中的作用，他們發現TNF 小鼠通過降低Bnip3 的表達，誘導SH-SY5Y 細胞凋亡，抑制線粒體自噬。功能研究表明，miR-145 抑制Bnip3 的轉錄和表達，導致有絲分裂抑制。在此背景下，miR-145/Bnip3/線粒體自噬這一通路可能被認為是治療面神經炎的一個潛在靶點。

抗病毒信號通路。在先天免疫應答中，miR-33 在防御病原體中發揮重要作用，它靶向腺苷單磷酸活化蛋白激酶，阻礙線粒體接頭線粒體抗病毒信號蛋白形成活性聚集物，反過來抑制線粒體自噬并產生不平衡的線粒體穩態，這是有效的抗病毒信號蛋白激活所必需的。因此，miR-33 應該是RNA病毒觸發的先天免疫應答的負調控因子[17]。

3.5 miRNA、自噬與癌癥

近年來，人們發現了miRNAs、線粒體自噬和癌癥之間的一些聯系，突顯了癌癥預防或治療方面一些潛在的新策略。線粒體動力學在癌癥中是一個高度放松的過程。Purhoit等[18]研究表明，miR-195 通過靶向線粒體融合蛋白2 在乳腺癌細胞中發揮促凋亡作用，導致線粒體分裂和乳腺癌細胞死亡。其中值得注意的是，在此背景下線粒體數量減少，但PINK1 沒有增加，雖然在這個研究中誘導線粒體自噬的精確路徑需要澄清，但驗證了miR-195 的表達可用于治療乳腺癌。

基于干細胞療法對治療癌癥在內的各種人類疾病很有吸引力。在可用于這一目的的細胞類型中，間充質干細胞是被人們所看好的干細胞來源。已有研究表明，miR-155 干擾了間充質干細胞的線粒體自噬，特別是miR-155 靶向與Bcl-2 相關BAG5，它破壞了PINK1 激酶的穩定，從而破壞了線粒體自噬，從而對腫瘤產生了影響[19]。此外，由于癌癥干細胞通常對抗癌治療具有耐藥性，調節它們的生存能力變得非常有吸引力。Zang 等[20]研究表明，過表達miR-1 通過靶向GPD2、MINOS1 基因，并與LRPPRC 蛋白相互作用，誘導腫瘤干細胞線粒體損傷，這表明miR-1 介導的線粒體形態反射可能是調節癌癥干細胞存活率的一種策略。在小鼠矽肺模型中，已經證實miR-1224-5p 在硅誘導肺纖維化的肺組織和暴露于TGF-1 的成纖維細胞中表達增加。抑制miR-1224-5p表達可減輕體內硅膠誘導的纖維化進展和體外TGF-1 誘導的肌成纖維細胞分化。miR-1224-5p 主要通過抑制靶基因Beclin 1，從而阻斷Parkin 轉位到線粒體和阻止受損線粒體的積累來促進二氧化硅誘導的肺纖維化。這些數據表明，miR-1224-5p 在二氧化硅誘導的肺纖維化中發揮關鍵作用，可能是肺腫瘤的潛在治療靶點[21]。最后，由于產生ROS 是殺死癌細胞的一種策略，Guo 等人[22]提出了一種通過miR-346預防或治療癌癥的新策略，他們發現在毒胡蘿卜素處理誘導內質網應激后，miR-346 的表達增加，又證明了miR-346 通過自噬依賴機制降低內質網應激后HeLa 細胞的凋亡。特別是，他們發現miR-346 有利于GSK 蛋白的表達，該蛋白干擾其抑制劑Bcl-2 的Beclin 1，有利于自噬途徑減少ROS的產生，表明miR-346 降低Bcl-2 可能是癌癥預防或治療的一種治療策略?？傊?，由多種病理狀態如脊髓、心臟或肝臟損傷、炎癥或癌癥引起的線粒體自噬過程被miRNAs 廣泛控制。

4 運動誘導miRNAs 調控線粒體自噬

運動可以產生心肌保護效應使心臟更加的健康，運動還可以促進細胞增殖抑制心肌細胞凋亡，現階段發現這與線粒體自噬有關，而miRNAs 參與其機制的調控。miRNAs 的發現為解釋運動調控線粒體自噬這一命題提供了新視角。有研究表明，常氧運動和低氧運動誘導都可以對miRNAs 調控線粒體自噬具有促進作用，如常氧運動可以介導miR-34a、miR-30b 等調控線粒體自噬，低氧運動可以介導miR-223、miR-210 等調控線粒體自噬[23-25]。

4.1 常氧運動與線粒體自噬

常氧運動可通過調節miRNAs 的表達抑制病理性心臟重塑，改善心臟功能，產生良好的心臟保護效應。miRNAs 可通過影響細胞周期相關蛋白的表達調節心肌的增殖、凋亡和線粒體自噬過程，進而影響心肌細胞的數量。游泳是一種很好的有氧耐力運動，Zhao 等人[26]采用8 周游泳訓練抑制小鼠心肌細胞凋亡以及促進線粒體自噬發現，miR-30b 的表達增加了32%。得出了運動可通過調節miRNA，減輕糖尿病、心肌梗死等疾病誘導的心肌細胞凋亡、心肌纖維化，抑制病理性心臟重塑，改善心肌功能障礙的結論。這個證實了miR-30b 通過調節P53 抑制心肌細胞的凋亡以及促進線粒體自噬，但是具體機制還需要進一步進行研究。而Ramasamy等人[27]也使用大鼠進行游泳訓練觀察miR-30 的表達對線粒體自噬的影響，讓8 周齡大鼠連續游泳8 周，每周90 分鐘，每天兩次。對照大鼠每周游泳兩次，每次5 分鐘，八周的訓練后，發現張力蛋白II 在心肌細胞中誘導miR-30e 顯著上調，和以往研究的張力蛋白II 在心肌細胞中誘導miR-30下調不一致。綜上所述，運動、miRNAs 以及線粒體自噬這三者之間關系的研究還處于起步階段，還需要進一步探究。

4.2 低氧運動與線粒體自噬

低氧運動誘導的線粒體自噬是miRNAs 通過抑制NIX 和FUNDC1 這兩個線粒體自噬受體的表達實現的[28]。NIX 是Parkin 移位至線粒體的關鍵成分，而miRNAs 能抑制線粒體蛋白，還能抑制Parkin 從胞質轉位至線粒體，從而減弱了線粒體自噬的程度。Liu 等人[29]通過心肌梗死雄性SD 大鼠模型，進行miR-223 是否參與調節心臟缺血誘導損傷實驗。發現了miR-223 在心力衰竭大鼠心肌組織中的表達水平顯著升高，這種情況的出現可能是與慢性缺血有關。而miR-223 表達的升高，可以保護細胞免于低氧運動誘導的凋亡和過度線粒體自噬。降低miR-223 表達具有對比效應，可以進一步的探索。Wang 等人[30]試驗后發現miR-210 的表達與血管內皮生長因子（VEGF）顯著相關。細胞學檢測顯示低氧誘導miR-210 表達，可以降低ephrin-A3 蛋白的表達。PCR結果顯示大鼠神經許旺細胞（RT4-D6P2T）在常氧運動條件下miR-210 啟動子區域發生高甲基化，而在低氧運動條件下則去甲基化。細胞功能研究表明低氧運動導致RT4-D6P2T細胞凋亡，甚至是線粒體自噬和侵襲。為了解miR-210 的特異性功能，Wang 等人[30]還發現低氧運動通過啟動子去甲基化促進miR-210 表達會減弱細胞凋亡和促進線粒體自噬，增加腫瘤細胞血管生成，而miR-210 在抑制的情況下，腫瘤細胞凋亡增加，線粒體自噬和血管生成減少，細胞周期被阻滯。因此，miR-210 可能成為判斷腫瘤惡性程度的潛在指標，可作為神經鞘瘤臨床輔助治療的有效指標。

綜上所述，常氧運動和低氧運動都可以介導miRNAs 調控線粒體自噬。運動介導可以影響miR-30 家族來抑制相關靶蛋白，從而促進線粒體自噬和調控細胞凋亡。低氧運動促進miR-223 和miR-210 表達的上調，來抑制其相關靶蛋白，促進線粒體自噬，調控細胞凋亡和細胞增殖。但是，運動誘導miRNAs 調控線粒體自噬的研究還處于起步階段，其具體機制還有待進一步探究。

5 總結與展望

miRNAs 通過調控靶基因的表達進而調控線粒體自噬的水平，可以有效防治炎癥、免疫、腫瘤、神經類等疾病。目前研究表明miRNAs 可以通過靶向作用于ATG、Bcl-2、Beclin-1 等線粒體自噬相關蛋白影響線粒體自噬，同時也有研究表明運動干預能有效改善線粒體自噬，但目前對于運動誘導miRNAs 調控線粒體自噬的研究仍不充分，還需要進一步研究運動誘導miRNAs 對線粒體自噬的激活機制以及長期運動下線粒體自噬適應性變化及原因，為探討運動有益于健康提供更多重要依據。