运动介导miRNA调控阿尔茨海默症的研究进展

陈 思，朱 磊

阿尔茨海默症（AD）是全球范围内备受关注的健康问题。它是一种神经退行性疾病，其病理特征被认为是细胞外β－淀粉样蛋白沉积和tau过度磷酸化（p－tau）引起的神经纤维缠结。由于发病机制尚不清楚，目前还没有有效的治疗方法。近期研究成果表明：miR－29、miR－132、miR－146a、miR－34a等miRNA可以在靶基因转录后水平调节AD患者机体病理现象。运动在改善AD的同时，与miRNA的表达也存在微妙的关系。因此，本文综述了miRNA与AD的关系以及运动对AD的影响，探讨运动介导miRNA对AD的影响，以期为阿尔茨海默症方面的研究提供更广阔的前景。

1 miRNA的概述

microrna（miRNA）代表一类约19～23核苷酸（nt）的单链非编码RNA（sncRNA），是信使RNA（mRNA）转录后调节因子。微小体积、两亲性、高溶解度使它们具有极强的流动性，存在于大脑和中枢神经系统，是真核生物中携带核酸信号分子的最小信息载体。这些miRNA的主要作用方式是通过碱基对互补性与mRNA的3’－非翻译区（3’－UTR）相互作用，降解该mRNA，从而降低该特定mRNA表达的可能性［1］。近年来，大量研究表明，与对照组相比，一些神经退行性疾病的miRNA水平发生了改变，多个miRNA在AD患者中上调或下调。这些发现引起了科学界的兴趣，并开辟了两个主要的研究领域，即miRNA作为AD的生物标记物和miRNA作为AD的治疗靶点。

2 miRNA对阿尔茨海默症的调控

总体来说，miRNA可以改善阿尔茨海默症的多种致病机制。miR－29可以降低淀粉样斑块生成、miR－132能够调节突触障碍和tau蛋白磷酸化、miR－146a主要降低炎症反应、miR－34a可通过多个靶基因影响神经元存活和突触功能。

2.1 miR－29对阿尔茨海默症的调控

miR－29家族包括miR－29a，miR－29b和miR－29c。通过使用miRNA基因的直接克隆策略，Lagos－quintana于2001年首次成功克隆了miR－29a［2］，随后，相继获得了家族成员miR－29b和miR－29c。miR－29家族在心血管组织和血管内皮细胞的各个部位都具有调节活性，也在细胞增殖和凋亡、代谢功能等方面起着调节作用［3］。大量研究表明，miR－29是与阿尔茨海默症密切相关的小分子RNA家族。Hébert等发现miR－29a、－29b－1和－9可以在体外调节BACE1的表达。AD的一大病理特征是淀粉样蛋白的沉积，淀粉样斑块主要由聚集的Aβ组成，Aβ是通过β－分泌酶（BACE1）和γ－分泌酶（PSEN／早老素）酶对β－淀粉样前体蛋白（APP）的蛋白水解作用而产生的。在BACE1蛋白异常高的AD患者中，miR－29a／b－1显著减少［4］。Zong等也进一步发现microRNA－29c（miR－29c），在APPswe／PSΔE9小鼠脑中富集并且中高度表达，在体外和转基因miR－29c小鼠中降低BACE1蛋白，认为miR－29c可能是BACE1蛋白表达的靶基因［5］。在另一项研究中，将富含miR－29的外泌体移植到AD的Aβ大鼠模型的海马区中，结果改善了动物在空间学习和记忆方面的某些不足［6］。

2.2 miR－132对阿尔茨海默症的调控

miR－132是脑内最丰富的miRNA之一，位于CRE位点的下游，并处于CREB／CRE转录途径的控制之下［7］。cAMP反应元件结合蛋白（CREB）是神经退行性疾病中多种生理过程的关键组成部分，包括神经系统发育，细胞存活，可塑性以及学习和记忆［8］。miR－132位点的缺失会降低新生海马神经元树突分支长度和棘密度，损害新生神经元的整合，并减少成年海马的突触形成［9］。在对AD患者血浆中分离出的神经外泌体进行分析后，Cha等证明了miR－132是AD中一个下调的miRNA［10］。miR－132的下调加重了AD小鼠的淀粉样蛋白tau病理［11］，并且它调节了肌醇1，4，5－三磷酸3激酶B（ITPKB）的表达，ITPKB是BACE1活性和tau磷酸化的调节剂。但也有研究对人类死后脑样本和神经元细胞样本进行定量实时聚合酶链反应（qRT－PCR）评估出AD和轻度认知（MCI）组中miR－132的表达比起对照组明显更高［12］。对于此Hansen等认为miR－132的更高表达（约增加了五倍）会损害学习和记忆，但小幅增加（约1.5倍）有助于促进与记忆相关的行为任务的表现。

2.3 miR－146a对阿尔茨海默症的调控

microRNA－146a－5p（miR－146a）是一种高度保守的miRNA，广泛存在于神经系统中，以其在免疫应答和炎症途径中的重要调节作用而闻名。先前报道在AD早期、中期和晚期上颞叶新皮质和海马CA1区，几种不同类型的人脑和原代培养的视网膜细胞中以及5种不同的AD转基因小鼠模型中发现，miRNA－146a显著表达，并且随着AD严重程度的加重而显著增加［13］。Liang等确认了miR－146a对AD小胶质细胞功能的有益调节作用，小胶质细胞内miR－146a的表达可抑制破坏性促炎反应，促进小胶质细胞的保护性吞噬反应，从而直接或间接保护邻近神经元［14］。除小胶质细胞外，信号转导和转录激活因子（STAT1）也可通过增加促炎症介质的表达而诱导炎症，还能通过触发转录激活细胞凋亡调节基因（如半胱天冬酶、死亡受体和配体）造成细胞凋亡［15］。同时，MYC可能通过细胞周期机制的异位激活而导致神经退行性变［16］。此外，据报道，STAT1的抑制伴随着MYC表达的降低，综合上述证据和Ma等的细胞实验结果，miR－146a的抑制可能通过抑制STAT1／MYC通路来减轻细胞凋亡和炎症，提高神经突起的生长［17］。

2.4 miR－34a对阿尔茨海默症的调控

最近的一些研究将miR－34a与神经发育和神经病理过程联系起来，miR－34a在大脑中的丰度及其在神经元基因表达调控中的作用提示了它在神经元相关的活动／作用［18］。miR－34a在细胞和动物模型中已经被证明与AD病理学有关。在APPswe／PSΔE9双转基因AD小鼠模型中发现其上调，并且在此研究中认为miR－34a靶向Bcl－2损害神经元存活［19］。Sarkar等证实SIRT1 mRNA是miR－34a的靶标，强力诱导的miR－34a表达会降低SIRT1的水平，SIRT1功能的丧失会通过下调环状AMP反应结合蛋白（CREB）和脑源性神经营养因子（BDNF）的表达而导致记忆力和突触可塑性受损［20］。在另一项研究中，Xu等通过使用TargetScan，将NMDA受体miR－34a－5p鉴定为miR－34a－5p的靶基因，将AMPA受体miR－34a－3p鉴定为miR－34a－3p的靶基因，AMPA受体和NMDA受体在突触膜上的动态转运是突触可塑性的关键，因此可以认为miR－34a通过调节NMDA和AMPA受体的表达来降低突触强度，从而导致了AD的突触功能障碍［21］。从这些研究来看miR－34a的靶基因很多，它可通过多途径来调控阿尔茨海默症。

3 运动对阿尔茨海默症的调节

保持适当和有规律的体育锻炼习惯是预防许多疾病的有力因素，也有助于管理现有的病理状况。据估计，全世界所有AD病例中约有13%（分别在美国和欧洲分别高达21%和31%）可能是由于缺乏运动［22］。相比之下，据报道高水平体力活动有利于延缓疾病的进展并降低其严重程度［23］。因此进一步将运动分为主动运动和被动运动两类去探讨与阿尔茨海默症的关系。

3.1 主动运动

回顾性流行病学研究表明，刺激性活动，特别是高水平的教育，对精神有要求的职业，以及一生中具有挑战性／积极的休闲和体育活动，与痴呆症的发生率降低相关。但研究均基于自我报告的运动频率，这可能代表分析过程中的潜在偏见。为了解决这个问题，并确保至少在临床研究中有较好的重现性和可比性，丰富环境（EE）模式被广泛应用，在EE条件下，啮齿类动物通常成群饲养在较大的笼子里，并配有跑轮，玩具和筑巢材料［24］，这会产生社交，身体和认知刺激等，使动物在笼子内可自发、自愿和自由地进行身体活动和运动。将转基因小鼠模型暴露在丰富的环境中4个月，12个月大时的行为测试显示，与久坐的小鼠相比，在强化条件下饲养的小鼠表现出更好的空间记忆，此外，丰富环境组海马中老年斑的总密度降低了69.2%［25］。在众多病因学说中，除了淀粉样蛋白斑块是AD病理的主要标志外，还包括tau蛋白的过度磷酸化。Hu等首次表明在丰富的环境中经历后，APPswe／PS1ΔE9小鼠大脑中的PHF－1免疫反应性（指示tau磷酸化）显著降低［26］。β淀粉样蛋白聚积形成老年斑和过度磷酸化的tau蛋白形成神经纤维缠结，最终导致神经元功能障碍和死亡，在这些损害过程当中都有自由基参与，自由基在AD患者体内大量产生造成氧化应激，自愿体育锻炼已被证明可以降低人类和动物的外周氧化应激和老年动物的脑氧化损伤，从而揭示神经／心脏保护能力。Herring等证明，4个月的连续和多样化的环境刺激（包括以自愿轮跑的形式增强的体力活动）可降低TgCRND8小鼠的脑氧化应激。具体而言，可以检测到氧化损伤的生物标志物，即硝基酪氨酸和羰基化蛋白的减少［27］。

3.2 被动运动

非自愿、主动的运动方式也被大量应用在运动对阿尔茨海默症转基因小鼠的病理改善效果的研究中。Lin等将功能性电刺激（FES）应用在了血管性痴呆大鼠模型上，FES通常是指通过电脉冲的爆发来刺激一组或多组肌肉，引起肌肉收缩并最终恢复功能性运动［28］。刺激方式为一侧指趾伸肌和桡侧腕伸肌刺激150ms，然后另一侧同样地方刺激150ms，休息600ms。这个周期模拟了12米／分钟阶梯跑的前肢步态，每天的训练包括三次10分钟的训练，中间休息10分钟。发现表明，FES诱导的非自愿运动在改善空间学习和记忆障碍方面与自愿运动一样有效。还有研究让12个月大的雄性APP／PS1双转基因小鼠在六车道水平机动跑步机上连续四个月每周进行五天的强迫运动［29］。在第一周，在整个实验过程中，以5 m／min的速度训练小鼠10 min／天，然后以10 m／min的速度训练小鼠20 min／天，每周连续训练5天。结果是四个月的跑步机锻炼可显著改善空间学习和记忆能力，并增加了APP／PS1小鼠海马中CA1，CA2－3和DG的亲脂蛋白免疫反应点的数量，亲脂蛋白对于维持正常的突触功能和可塑性至关重要。Chao等也证实了跑步机运动能提高APP／PS1小鼠的空间学习记忆能力，减少海马淀粉样斑块，延缓神经元丢失，诱导神经发生，促进新生神经元的存活［30］。运动对齿状回内神经元和成体神经发生的保护作用可能是AD小鼠空间学习记忆能力改善的重要结构基础之一。除此外，游泳运动可能为阿尔茨海默氏病患者减少的神经行为障碍相关的观点提供了支持。Bashiri等对小鼠进行游泳锻炼四个星期，为了避免动物漂浮，将六个相同的造波器放置在水池的不同角度，一方面发现游泳可通过增加BDNF水平来改善认知功能，另一方面游泳运动似乎可能通过改变小鼠的神经炎症途径来影响抑郁样行为［31］。

4 运动介导miRNA对阿尔茨海默症的调控

运动可以改善AD转基因小鼠的学习和记忆能力，Aβ沉积和tau蛋白过度磷酸化以及突触障碍和神经元存活等多个方面，miR－29、miR－132、miR－146a、miR－34a也分别参与了这些过程。

4.1 运动介导miR－29调控阿尔茨海默症

Chen等从基因表达综合数据库下载了骨骼肌对高强度间歇运动训练（HIIT）反应的微阵列数据集“GSE109657”，分析发现HIIT后在骨骼肌中共可筛选出530个差异表达基因，提示HIIT对骨骼肌有影响，miR－29a／b／c可能通过PI3K／Akt信号通路调控血管内皮细胞的生长、迁移和骨骼肌血管生成［32］。在神经退行性疾病相关的疾病中，血管生成是一种修复系统，在zhang等的研究中发现血管生成可促进Aβ清除并减少神经元丢失，最终改善认知功能［33］。在另一项研究中，Dungan等对3xTg－AD（3xTg）小鼠采用了渐进式加权轮式跑步（PoWeR）运动计划，评估了20周运动训练对小鼠海马miRNA表达变化的影响［34］。与野生型小鼠相比，久坐3xTg小鼠的miR－29显著降低，但在运动后升高。并且运动后miR－29靶向的BACE1基因表达降低，可溶性Aβ1－42的表达也较低。

4.2 运动介导miR－132调控阿尔茨海默症

SAMP8小鼠可表现出与年龄相关的学习和记忆缺陷，在实验中作为AD模型来进行研究。将SAMR1（野生型）和SAMP8小鼠分为对照组和运行组［35］。SAMR1－Run和SAMP8－Run小鼠分别被关在装有跑轮的笼子里，每个跑轮用于自愿运动。对照组小鼠分别置于装有固定转轮的笼中作为对照。四周后通过qRT－PCR分析发现与SAMP8对照相比，SAMP8自愿运动小鼠中的miR－132表达显著降低。miR－132的调节抑制了SAMP8小鼠的认知能力下降并减少海马神经变性。Mojtahedi等人使成年雄性大鼠分别进行了低强度跑步（LIR），高强度跑步（HIR）和自动滚轮跑步（WR），结果显示与强迫跑步相比，自愿跑步对刺激雄性大鼠海马中的神经发生和突触形成有关的生物标志物如miR－132和CREB具有更显著的影响［36］。运动方式的效果比较为运动干预阿尔茨海默症的研究进展起到了启示作用。

4.3 运动介导miR－146a调控阿尔茨海默症

体力活动被认为可改变特定miR－146a的表达和循环水平。在12周游泳运动后，与对照组相比，大鼠运动组的miR－146a和炎性细胞因子IL－6的表达水平显著降低［37］。Russo等对患者进行3个月的运动干预，运动训练计划为26次90分钟有氧和耐力混合训练，每周两次；每次训练分为60分钟的有氧运动和30分钟的肌肉力量和柔韧性循环训练。结果发现体力活动对患者炎症和miR－146a－5p水平的积极影响，促炎趋化因子IL－8在运动干预后与miR－146a－5p水平一起显著降低［38］。还有研究招募了10名篮球运动员，在参加为期3个月的篮球赛季后对参与血管生成、炎症和富集于肌肉和／或心脏组织的循环miRNAs进行分析，miR－146a降低，和炎性标志物呈线性相关。这些结果为长期运动训练诱导的miR－146a改变在炎症中的生理作用奠定了基础，提示了可以进一步研究运动介导的miR－146a的变化是否可以减轻AD中的炎症。

4.4 运动介导miR－34a调控阿尔茨海默症的5研究进展

在最近的一项研究中，发现自愿锻炼具有显著的积极影响，将动物分别饲养在不锈钢笼子里，自愿运动组中允许其每天24小时开放使用滚轮并持续10周，与对照组相比，miR－34a的表达下降［39］。在另一篇同样自愿运动的研究中，miR－34a表达下降的同时SIRT1水平显著增加［40］。以及Bao等在自发性跑轮运动后第15天使用Morris水迷宫（MWM）测试评估小鼠空间学习和记忆能力，然后检测小鼠海马中miRNA的表达变化。结果表明，自发性跑轮运动修复了小鼠海马相关的认知缺陷，同时伴有miR－34a的表达下调［41］。Kou等让衰老大鼠模型适应新环境1周后，每天一次在温度为25士2°C的水箱中进行30min的游泳训练。同时，在训练期间有计划地增加10分钟的游泳时间，增加至90min后，每天进行一次90min的游泳训练，连续6周［42］。发现游泳干预可以通过抑制miR－34a来挽救自噬功能受损和线粒体动力学异常，从而延缓衰老进程。这些与运动相关的研究都提示miR－34a可能是阿尔茨海默症的新型治疗靶点。

5 小结与展望

miR－29、miR－132、miR－146a等与阿尔茨海默症密切相关的miRNA，通过调控靶基因及下游相关蛋白的表达改善AD患者机体的认知缺陷、炎症反应、突触功能障碍等病理现象，运动同样也刺激miR－29、miR－132、miR－146a等AD相关miRNA的表达水平，对AD转基因小鼠产生了积极影响。但是运动刺激miRNA调控阿尔茨海默症的分子机制尚不明了，有待进一步展开研究，其相关成果可为阿尔茨海默症患者通过运动介导miRNA治疗和延缓病情提供理论依据。