馬繼政 ， 孫 飆

運動特異性適應(yīng)的原則是運動訓(xùn)練學(xué)的基石。進(jìn)行長期訓(xùn)練，肌體適應(yīng)表現(xiàn)是多層次的，涉及到細(xì)胞、組織、器官以及系統(tǒng)水平。運動誘導(dǎo)分子適應(yīng)機(jī)制是一個十分復(fù)雜的過程，其中涉及到一些特異的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，啟動DNA復(fù)制，轉(zhuǎn)錄翻譯形成新的蛋白[1]。這些生理性適應(yīng)的變化受到個體的起始水平、遺傳背景、運動方式、運動量、強(qiáng)度、頻率和蛋白的半衰期所決定[2,3]，其中最重要的是運動訓(xùn)練誘導(dǎo)的適應(yīng)具有刺激方式的特異性。長時間的耐力可誘導(dǎo)大量分子代謝和形態(tài)上的改變，包括：線粒體的生物合成、快肌纖維向慢肌纖維轉(zhuǎn)換和新陳代謝基質(zhì)的變化。相反，大強(qiáng)度抗阻力訓(xùn)練誘導(dǎo)適應(yīng)主要為肌肉肥大和最大力量的生成[2]。不同的訓(xùn)練方式誘導(dǎo)適應(yīng)的分子機(jī)制是不同的，激活各自特異的信號通路和相關(guān)的基因。盡管存在可見形態(tài)和功能上的變化，但分析個體對訓(xùn)練產(chǎn)生的反應(yīng)時，研究結(jié)果存在較大的誤差。有證據(jù)顯示運動誘導(dǎo)的生理性適應(yīng)與基因表達(dá)平衡，但是，基因間相互作用的復(fù)雜性限制了發(fā)現(xiàn)個體基因來解釋這一誤差。另外，基因表達(dá)的變化相應(yīng)地根據(jù)機(jī)體受到的刺激而變化，在這方面MicroRNAs（miRNAs）的相關(guān)研究可能起到重要的作用。

1 MicroRNAs

對于外部的刺激（如運動），可通過不同的機(jī)制調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，包括miRNAs， miRNAs是1993年發(fā)現(xiàn)一類長度為2l～25nt的單鏈RNA，屬于非編碼蛋白RNA，廣泛存在于生物界，其表達(dá)具有組織和時期特異性，其中一些miRNAs在進(jìn)化上有很高的保守性[4]。不象人類基因組眾多的RNAs，這些小RNA具有獨特的能力，調(diào)節(jié)基因表達(dá)的復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。目前，已知miRNAs由特定的基因，或特定基因區(qū)域（和編碼蛋白的區(qū)域無關(guān)）合成[5]，miRNAs成熟過程涉及到復(fù)雜的代謝過程：起始于細(xì)胞核，然后轉(zhuǎn)移至細(xì)胞質(zhì)（圖1）[6]。第一步是從特定的基因轉(zhuǎn)錄生成較長的初級miRNA鏈，由Drosha酶復(fù)合物酶切，釋放前體，稱為前體miRNA，不同于miRNA[6]。在核質(zhì)/細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運蛋白Exportin-5的作用下，從核內(nèi)運輸?shù)桨|(zhì)中，由在Dicer酶的作用下，前體miRNA被剪切成約22個核苷酸長度的雙鏈miRNA。雙鏈miRNA分離，其中一個充當(dāng)功能性的miRNAs，另一條鏈一般降解[7]。

成熟形式miRNAs，在RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合體（RNAInduced Silencing Complex， RISC）幫助下，結(jié)合目標(biāo)mRNA。這一結(jié)合阻止核糖體識別mRNA含有的遺傳信息，導(dǎo)致目標(biāo)基因的蛋白合成下降[8]。通常，功能性的miRNAs辨認(rèn)RISC，結(jié)合目標(biāo)mRNA。研究表明單一miRNA可調(diào)節(jié)數(shù)百個截然不同的基因，另外可共同合作控制單一基因[4]。人類miRNA發(fā)現(xiàn)已超過700個，盡管對miRNAs生物功能認(rèn)識并不完全清楚[6,8]，但據(jù)估計miRNAs調(diào)節(jié)哺乳動物的30%～60%基因[6]。

圖1 哺乳細(xì)胞miRNA生物合成的示意圖[6]Figure 1 Biosynthesis of Mammalian Cells miRNA

2 MicroRNAs和運動

運動、懷孕和個體生長可作為刺激物促進(jìn)心臟增長。在19世紀(jì)中期，發(fā)現(xiàn)了“運動員心臟”[9]。最近，由于運動多方面的益處，以及不運動產(chǎn)生的危害，致使運動作為一個治療手段來治療心臟病，包括業(yè)已表現(xiàn)出病理性增加心室重量的左室收縮失調(diào)[10]。研究發(fā)現(xiàn)miRNAs在生理性的心肌肥大和病理性的心肌肥大表達(dá)存在不同[11]。

骨骼肌同樣是一個具有適應(yīng)性的器官，具有非凡的適應(yīng)能力，能夠通過細(xì)胞自動調(diào)節(jié)而對機(jī)械負(fù)荷發(fā)生反應(yīng)。動物試驗研究業(yè)已發(fā)現(xiàn)有氧和力量訓(xùn)練特異骨骼肌miRNAs表達(dá)變化（見表1）。

表1 運動對microRNA產(chǎn)生的影響（動物試驗研究）TTaabbllee Ⅰ Effects of Exercise on microRNA (Animal studies)

一些miRNAs表達(dá)于骨骼肌，miRs-1、 -133a、 -133b和 -206占其中的25%，這些miRNAs通常被認(rèn)為是“促肥大”[16]。健康人群，12周耐力訓(xùn)練這4個miRNAs顯著下降，表明這些miRNAs可根據(jù)身體活動的水平的變化進(jìn)行調(diào)整，14天后回歸到正常水平，評估單一的運動反應(yīng)時，僅miRs-1和 -133a增加[17]。力量訓(xùn)練，個體獲得肌肉的重量的變化存在較大的差異，常伴隨著不同miRNAs的表達(dá)，研究發(fā)現(xiàn)12周力量訓(xùn)練，訓(xùn)練變化較小的個體miR-378表達(dá)下降，miR-478表達(dá)增加。另外，miR-378變化和瘦體重密切相關(guān)[16]。

表2 運動對microRNA產(chǎn)生的影響（人體試驗研究）TTaabbllee Ⅱ Effects of Exercise on microRNA (Human studies)

關(guān)于循環(huán)血液miRNAs變化，Baggish等人[18]研究發(fā)現(xiàn)運動誘導(dǎo)的相關(guān)的miRNAs的變化，如血管生成（miR-20a、 miR-210、miR- 221、miR-222和 miR-328）、 炎 癥（miR-21和 miR-146a）、心肌和骨骼肌的收縮（miR-21和 miR-133a）、肌肉對低氧和缺血的適應(yīng)（miR-21、miR-146a和miR-210）。最近，Bye等人[19]發(fā)現(xiàn)最大攝氧量（VO2max）較低的人群miR-101、21-222表達(dá)增加。運動涉及到miRNAs的變化人體研究見表2。 循環(huán)血液miRNAs可作為診斷各種疾病的標(biāo)志物，因此發(fā)現(xiàn)運動調(diào)節(jié)循環(huán)血液miRNAs的變化，可揭示運動生理學(xué)的獨特的生理標(biāo)注物，洞察運動分子適應(yīng)機(jī)制。

3 MyomiR網(wǎng)絡(luò)

Van Rooij等人在研究miRNA在骨骼肌中作用時，提出了肌肉特異MyomiR（Muscle-Specific miRNA）網(wǎng)絡(luò)這一概念。最初這一概念來源于Van Rooij等人的實驗[23]，該研究發(fā)現(xiàn)失活miR-208a阻滯Myh7基因?qū)Ψ蚀髴?yīng)激的反應(yīng)。Myh7編碼β肌球重鏈蛋白（β-MHC）。miR-208a是Myh6內(nèi)含子，Myh6編碼α肌球重鏈蛋白。miR-208a可調(diào)節(jié)第二個肌球蛋白（β-MHC）的表達(dá)，表明其他相互作用也可能存在。

MyomiR網(wǎng)絡(luò)見圖2[24]，miR-208b來源于Myh7基因第31內(nèi)含子，miR-499來源于Myh7b基因的第19內(nèi)含子，這些MyomiR表達(dá)和宿主基因平行，如miR-208b在骨骼?、裥吐「弑磉_(dá)，在心肌表達(dá)較低；miR-499在心肌和Ⅰ型慢肌高表達(dá)。研究業(yè)已表明這些MyomiR調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子（Sox6、Purβ和Sp3）的表達(dá)，這些轉(zhuǎn)錄因子抑制慢肌表型的表達(dá)，研究表明Sox6是β-MHC表達(dá)的主要阻遏物。

圖2 骨骼肌MyomiR網(wǎng)絡(luò)示意圖[24]Figure 2 MyomiR Network of Skeletal Muscles

Van Rooij等人[25]研究發(fā)現(xiàn)MyomiR網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建肌纖維的類型：通過抑制轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)來完成。如Sox6抑制慢肌基因的表達(dá)（β-MHC），而miR-208b和miR-499抑制轉(zhuǎn)錄因子，從而促進(jìn)慢肌基因的表達(dá)。這些分子相互作用建立一個反饋循環(huán)，miR-208b調(diào)節(jié)Sox6，抑制miR-208b宿主基因Myh7的表達(dá)。失活miR-208b和miR-499可導(dǎo)致比目魚?、裥图±w維顯著喪失，伴隨著Sox6表達(dá)增加，β-MHC表達(dá)下降60%。相反，miR-499過表達(dá)可導(dǎo)致比目魚肌所有肌纖維轉(zhuǎn)換為Ⅰ型，野生型的小鼠Ⅰ型為55%，從而增加耐力運動的成績。另外，Sox6過表達(dá)可引起β-MHC和慢肌鈣蛋白I表達(dá)喪失，但是不改變快成分的肌鈣蛋白的表達(dá)，表明其他的目標(biāo)基因參與調(diào)節(jié)快成分的表達(dá)。上述研究表明MyomiR網(wǎng)絡(luò)參與調(diào)節(jié)肌纖維的類型。

3.1 MyomiR網(wǎng)絡(luò)參與調(diào)解快肌纖維向慢肌纖維轉(zhuǎn)換

認(rèn)識MyomiR網(wǎng)絡(luò)參與調(diào)節(jié)肌纖維的轉(zhuǎn)換中的作用非常重要.McCarthy等人[26]研究表明MyomiR網(wǎng)絡(luò)在骨骼肌可塑變化中具有可操作性，伴隨骨骼肌萎縮，一個標(biāo)志性肌纖維轉(zhuǎn)換是慢型β-MHC表達(dá)下調(diào)。相應(yīng)地，骨骼肌萎縮，miR-208b和miR-499表達(dá)下調(diào)，Sox6表達(dá)2倍增加，β-MHC表達(dá)下調(diào)至28%。但仍需要基因敲除miR-208b和miR-499來證明MyomiR網(wǎng)絡(luò)是否參與調(diào)節(jié)肌纖維的轉(zhuǎn)換。

3.2 MyomiR網(wǎng)絡(luò)調(diào)解肌肉的質(zhì)量

MyomiR網(wǎng)絡(luò)另一作用是可能參與調(diào)解骨骼肌的質(zhì)量，miR-208b和miR-499預(yù)測目標(biāo)基因為肌肉生長限制因子（myostatin，Mstn），主要參與調(diào)解骨骼肌的質(zhì)量。Callis等人[27]研究表明miR-208可抑制Mstn表達(dá)，Bell等人[28]研究表明miR-499可抑制Mstn表達(dá)。

4 結(jié)論

MiRNAs在各種生理過程中起著重要的作用。涉及到細(xì)胞的最初的應(yīng)激反應(yīng)，可快速對各種刺激發(fā)生反應(yīng)，從而作為研究運動適應(yīng)機(jī)制理想的候選分子。但是，關(guān)于MiRNAs機(jī)制的研究主要來源于培養(yǎng)的細(xì)胞和動物實驗，需要人體研究來進(jìn)一步證實。另外，盡管MyomiR網(wǎng)絡(luò)參與調(diào)節(jié)骨骼肌的適應(yīng)機(jī)制，但是，調(diào)節(jié)MyomiR表達(dá)的機(jī)制并不清楚，這些研究最終能夠為運動訓(xùn)練方法制定提供極其有用的信息，并且能夠為肌肉功能失調(diào)的患者提供極其有用和針對性運動處方。

[1] Coffey VG, Hawley JA. (2007). The molecular bases of training adaptation[J].Sports Med,37(9):737-763.

[2] Nader GA. (2006). Concurrent strength and endurance training:from molecules to man[J].Med Sci Sports Exerc,38(11):1965-1970.

[3] Baar K. (2006). Training for endurance and strength: lessons from cell signaling[J].Med Sci Sports Exerc,38(11):1939-1944.

[4] Lewis BP, Burge CB, Bartel DP. (2005). Conserved seed pairing,often fl anked by adenosines, indicates that thousands of human genes are microRNA targets[J].Cell,120(1):15-20.

[5] Rodriguez A,Griffiths-Jones S,Ashurst JL,Bradley A.(2004 ).Identification of mammalian microRNA host genes and transcription units[J].Genome Res,14(10A):1902-10.

[6] Fernandes-Silva MM, Carvalho VO, Guimar?es GV, et al. (2012).Physical exercise and microRNAs: new frontiers in heart failure[J].Arq Bras Cardiol,98(5):459-66.

[7] Schwarz DS, Hutvagner G, Du T, et al. (2003). Asymmetry in the assembly of the RNAi enzyme complex[J].Cell,115(2):199-208.

[8] Kloosterman WP, Plasterk RH. (2006). The diverse functions of microRNAs in animal development and disease[J].Dev Cell,11(4):441-50.

[9] Hill JA, Olson EN. (2008). Cardiac plasticity[J].N Engl J Med,358(13):1370-80.

[10] Godfrey R, Theologou T, Dellegrottaglie S, et al. (2013). The effect of high-intensity aerobic interval training on postinfarction left ventricular remodelling[J].BMJ Case Rep,[Epub ahead of print]

[11] Fernandes T, Soci UP, Oliveira EM. (2011). Eccentric and concentric cardiac hypertrophy induced by exercise training: microRNAs and molecular determinants[J].Braz J Med Biol Res,44(9):836-47.

[12] Safdar A, Abadi A, Akhtar M, et al. (20090. miRNA in the regulation of skeletal muscle adaptation to acute endurance exercise in C57Bl/6J male mice[J].PLoS One,4(5):e5610.

[13] McCarthy JJ, Esser KA. (2007). MicroRNA-1 and microRNA-133a expression are decreased during skeletal muscle hypertrophy[J].J Appl Physiol,102(1):306-13.

[14] Aoi W, Naito Y, Mizushima K, et al. (2010). The microRNA miR-696 regulates PGC-1{alpha} in mouse skeletal muscle in response to physical activity[J].Am J Physiol Endocrinol Metab,298(4):E799-806.

[15] Fernandes T, Hashimoto NY, Magalhaes FC, et al. (2011). Aerobic exercise training-induced left ventricular hypertrophy involves regulatory microRNAs, decreased angiotensin-converting enzymeangiotensin II, and synergistic regulation of angiotensin-converting enzyme 2-angiotensin (1-7) [J].Hypertension,58(2):182-9.

[16] Davidsen PK, Gallagher IJ, Hartman JW, et al. (2011). High responders to resistance exercise training demonstrate differential regulation of skeletal muscle microRNA expression[J].J Appl Physiol,110(2):309-17.

[17] Nielsen S, Scheele C, Yfanti C, et al. (2010). Muscle specific microRNAs are regulated by endurance exercise in human skeletal muscle[J].J Physiol,588(Pt 20):4029-37.

[18] Baggish AL, Hale A, Weiner RB, et al. (2011). Dynamic regulation of circulating microRNA during acute exhaustive exercise and sustained aerobic exercise training[J].J Physiol,589(Pt 16):3983-94.

[19] Bye A, R?sj? H, Aspenes ST, et al. (2013). Circulating MicroRNAs and Aerobic Fitness - The HUNT-Study[J].PLoS One,8(2):e57496.

[20] Ringholm S, Bienso RS, Kiilerich K, et al. (2011). Bed rest reduces metabolic protein content and abolishes exercise-induced mRNA responses in human skeletal muscle[J].Am J Physiol Endocrinol Metab,301(4):E649-58.

[21] Drummond MJ, McCarthy JJ, Fry CS, et al. (2008). Aging differentially affects human skeletal muscle microRNA expression at rest and after an anabolic stimulus of resistance exercise and essential amino acids[J].Am J Physiol Endocrinol Metab,295(6):E1333-40.

[22] Guiraud T, Nigam A, Gremeaux V, et al. (2012}. High-Intensity Interval Training in Cardiac Rehabilitation[J].Sports Medicine,42(7):587-605.

[23] van Rooij E, Sutherland LB, Qi X, Richardson JA, et al. (2007).Control of stress-dependent cardiac growth and gene expression by a microRNA[J].Science,316:575-9.

[24] McCarthy JJ. (2011). The MyomiR network in skeletal muscle plasticity[J].Exerc Sport Sci Rev,39(3):150-4.

[25] van Rooij E, Quiat D, Johnson BA, et al. (2009). A family of microRNAs encoded by myosin genes governs myosin expression and muscle performance[J].Dev Cell,17:662-73.

[26] McCarthy JJ, Esser KA, Peterson CA, Dupont-Versteegden EE.(2009). Evidence of myomiR network regulation of beta-myosin heavy chain gene expression during skeletal muscle atrophy[J].Physiol Genomics,39:219-26.

[27] Callis TE, Pandya K, Seok HY, et al. (2009). MicroRNA-208a is a regulator of cardiac hypertrophy and conduction in mice[J].J Clin.Invest,119:2772-86.

[28] Bell ML, Buvoli M, Leinwand LA. (2010). Uncoupling of expression of an intronic microRNA and its myosin host gene by exon skipping[J].Mol Cell Biol,30:1937-45.