胡晓磐.等:运动对骨质影响的表观遗传机制研究进展 体育活动 形成的积极作用。然而,训练方案设计的项目强度和总 持续时长可能是决定 mIRNA变化的关键要素(马涛等 2011)。 Farsani等(2019)使用4种运动方案(中、高强度耐 力和中、高强度抗阻训练)对23月龄 Wistar大鼠进行为期 纽蛋白修饰◆ 8周的干预后发现,miR-133a、miR-103a与miR-204水平在 NF-kB 中、高强度抗阻训练中有所下降,但这3种直接靶向 Runx2的成骨分化负调控因子的表达并没有因运动介入 而受到明显抑制。 由此,建议老年群体采用中、高强度抗阻训练方案以 破骨细胞 成骨细胞 脑细胞 激活骨重建,并表示8周的干预时长还不足以引起mR- 图3运动调控Sir水平以维持骨稳态的机制 NA变化,应坚持长期(≥6个月)规律性体育锻炼才有可 Figure 3. Exercise Regulates Sirtl Levels to Maintain Bone 能从中获益。事实上,庞大而复杂的非编码RNA调控网 注:TNF-a为肿瘤坏死因子一a( tumor necrosis factor.-a);E2为雌激 络,其全部信息和功能并不是独立或单向的,如已证实 素( estrogen);Sirt为沉默信息调节因子l( silent information regu-cRNA和 mirNA同样参与到对DNA甲基化酶和组蛋白修 lator homolog);PGCl为核受体辅助激活因子( peroxisome pro-饰的调控过程中,引起DNA甲基化及染色质重塑改变,从 literator- activated receptor gamma coactivator-la);NF-KB为核因子 B( nuclear factor-kB):SOST为骨硬化蛋白( sclerostin);PARy为而决定细胞骨髓间充质干细胞分化方向(图4)。解析骨 过氧化物酶体增殖物激活受体( peroxisome proliferators-activated组织内整体或特定的非编码RNA分子功能信息,以及其 在运动过程中的变化情况,将有助于更加全面详实地闸 有研究表明,力学刺激变化可通过调控mRNA改变 明运动调控骨质代谢的表观遗传变化机制,并为骨代谢 骨吸收、骨形成方向,这主要是依靠对机械敏感型因子 性疾病的发生提供全新的表观遗传调控视角 miR-103a的激活或抑制实现。在失去力学刺激的状态 下,miR-103a的过表达将严重降低成骨分化主要转录因 子Runx2含量;而恢复力学刺激,可抑制mR-103a水平并 上调Runx2蛋白表达( Bin et a.,2015; Yuan et al.,2017)。 Sun等(2015)发现,微重力状态下mR-103表达的上调会 通过抑制L型电压门控钙通道(L- type ca2 channel,LTCC) Cav1.2的表达,阻碍成骨细胞增殖。miR-154-5p可抑制调 控成骨分化的Rho/Rho激酶(Rho- associated kinase,ROCK) 骨髓间 通路,并靶向 Wntll以阻碍脂肪来源间充质干细胞(adi- pose-derived mesenchymal stem cells, ADSCs)向成骨分化 酰质脂时细胞 通过增加机械应力下调miR-154-5p,激活Wnt/平面细胞 极性( planar cell polarity,PCP)通路促进 ADSCs成骨(Li 图4调节人体骨髓间充质干细胞分化的表观遗传机制 eta.,2015)。动物实验结果显示,跑台运动在提高皮质 (Letarouilly et al., 2019) 骨密度的同时(曹鹏,2009),可诱导C57BL/6小鼠胫骨内 Figure 4. Epigenetic Mechanisms in Regulating Preferential Human bmscs differentiation 37种mRNA表达差异,其中, miR-let-7a/dmi-5p在运动组 注:成骨细胞和脂肪细胞均来源于骨髓间充质干细胞(bone 中表达下调;2周的重力负荷使小鼠胫骨中miR-20a和 mesenchymal stem cells, BMSCs)。组蛋白-赖氨酸N-甲基转 miR92a表达量高出安静组13和2.倍( Zhou et al 移酶 zeste增强子同源物2( enhancer of zeste homolog2, EZH2)通过:1)催化HDAC9c启动子组蛋白H3第27位赖氨酸 014)。当关键mRNA缺失时,骨组织细胞对机械应激刺 K27发生三甲基化(H3K27me3),抑制其表达开激活过氧化物 激的反应不再敏感。 Mohan等(2015)在破坏成骨细胞内 酶体增殖物激活受体( peroxisome proliferators- activated recep miR-17-92簇后,发现骨对机械应变的反应明显减弱,同时 tors,PPARγ),促进脂肪细胞生成;2)与长链非编码RNA HoxA-AS3结合,下调成骨细胞Runt相关转录因子2( Runt-re EIk3、Runx2和骨膜基因表达减少。因此,运动可能通过 lated transcription factor2,Runx2)的表达; mIRNA和组蛋白 调控 mirNA防治废用性骨丢失( Domanska et a.2019;Li 乙酰化酶( histone deacetylases, HDACS)通过靶向Runx2负调 etal.,2015)。尽管 miRNA并非机械刺激下唯一调节骨代 控骨生成并增加脂肪生成。me表示甲基化;Ac表示乙酰 H3K27me3表示组蛋白H3第27位赖氨酸三甲基化;H3K9Ac 谢的因子,但其在机械应力下会发生明显改变,并可通过 表示组蛋白H3第9位赖氨酸乙酰化;HDAC9c属于Ⅱ类 调节成骨因子或骨吸收因子表达,来加强机械负荷对骨HDAC胡晓磐，等：运动对骨质影响的表观遗传机制研究进展 有研究表明，力学刺激变化可通过调控 miRNA 改变 骨吸收、骨形成方向，这主要是依靠对机械敏感型因子 miR-103a 的激活或抑制实现。在失去力学刺激的状态 下，miR-103a 的过表达将严重降低成骨分化主要转录因 子 Runx2 含量；而恢复力学刺激，可抑制 miR-103a 水平并 上调 Runx2 蛋白表达（Bin et al.，2015；Yuan et al.，2017）。 Sun 等（2015）发现，微重力状态下 miR-103 表达的上调会 通过抑制 L 型电压门控钙通道（L-type Ca2+ channel，LTCC） Cav1.2 的表达，阻碍成骨细胞增殖。miR-154-5p 可抑制调 控成骨分化的Rho/Rho激酶（Rho-associated kinase，ROCK） 通路，并靶向 Wnt11 以阻碍脂肪来源间充质干细胞（adi‐ pose-derived mesenchymal stem cells，ADSCs）向成骨分化； 通过增加机械应力下调 miR-154-5p，激活 Wnt /平面细胞 极性（planar cell polarity，PCP）通路促进 ADSCs 成骨（Li et al.，2015）。动物实验结果显示，跑台运动在提高皮质 骨密度的同时（曹鹏，2009），可诱导 C57BL/6 小鼠胫骨内 37 种 miRNA 表达差异，其中，miR-let-7a/d/f/i-5p 在运动组 中表达下调；2 周的重力负荷使小鼠胫骨中 miR-20a 和 miR-92a 表 达 量 高 出 安 静 组 1.3 和 2.1 倍（Zhou et al.， 2014）。当关键 miRNA 缺失时，骨组织细胞对机械应激刺 激的反应不再敏感。Mohan 等（2015）在破坏成骨细胞内 miR-17-92 簇后，发现骨对机械应变的反应明显减弱，同时 EIk3、Runx2 和骨膜基因表达减少。因此，运动可能通过 调控 miRNA 防治废用性骨丢失（Domanska et al.，2019；Li et al.，2015）。尽管 miRNA 并非机械刺激下唯一调节骨代 谢的因子，但其在机械应力下会发生明显改变，并可通过 调节成骨因子或骨吸收因子表达，来加强机械负荷对骨 形成的积极作用。然而，训练方案设计的项目强度和总 持续时长可能是决定 miRNA 变化的关键要素（马涛 等， 2011）。Farsani 等（2019）使用 4 种运动方案（中、高强度耐 力和中、高强度抗阻训练）对 23 月龄 Wistar 大鼠进行为期 8 周的干预后发现，miR-133a、miR-103a 与 miR-204 水平在 中 、高 强 度 抗 阻 训 练 中 有 所 下 降 ，但 这 3 种 直 接 靶 向 Runx2 的成骨分化负调控因子的表达并没有因运动介入 而受到明显抑制。 由此，建议老年群体采用中、高强度抗阻训练方案以 激活骨重建，并表示 8 周的干预时长还不足以引起 miR‐ NA 变化，应坚持长期（≥6 个月）规律性体育锻炼才有可 能从中获益。事实上，庞大而复杂的非编码 RNA 调控网 络，其全部信息和功能并不是独立或单向的，如已证实 ln‐ cRNA 和 miRNA 同样参与到对 DNA 甲基化酶和组蛋白修 饰的调控过程中，引起 DNA 甲基化及染色质重塑改变，从 而决定细胞骨髓间充质干细胞分化方向（图 4）。解析骨 组织内整体或特定的非编码 RNA 分子功能信息，以及其 在运动过程中的变化情况，将有助于更加全面详实地阐 明运动调控骨质代谢的表观遗传变化机制，并为骨代谢 性疾病的发生提供全新的表观遗传调控视角。 图4 调节人体骨髓间充质干细胞分化的表观遗传机制 （Letarouilly et al.，2019） Figure 4. Epigenetic Mechanisms in Regulating Preferential Human BMSCs Differentiation 注：成骨细胞和脂肪细胞均来源于骨髓间充质干细胞（bone mesenchymal stem cells，BMSCs）。组蛋白-赖氨酸 N-甲基转 移 酶 zeste 增 强 子 同 源 物 2（enhancer of zeste homolog 2， EZH2）通过：1）催化HDAC9c启动子组蛋白H3第27位赖氨酸 K27发生三甲基化（H3K27me3），抑制其表达并激活过氧化物 酶体增殖物激活受体（peroxisome proliferators-activated recep‐ tors ，PPARγ），促进脂肪细胞生成；2）与长链非编码 RNA HoxA-AS3结合，下调成骨细胞 Runt相关转录因子 2（Runt-re‐ lated transcription factor 2，Runx2）的表达；miRNA和组蛋白去 乙酰化酶（histone deacetylases，HDACs）通过靶向 Runx2负调 控骨生成并增加脂肪生成。me表示甲基化；Ac表示乙酰化； H3K27me3 表示组蛋白 H3 第 27 位赖氨酸三甲基化；H3K9Ac 表示组蛋白 H3 第 9 位赖氨酸乙酰化；HDAC9c 属于 II 类 HDAC。 图3 运动调控Sirt1水平以维持骨稳态的机制 Figure 3. Exercise Regulates Sirt1 Levels to Maintain Bone Homeostasis 注：TNF-ɑ为肿瘤坏死因子-ɑ（tumor necrosis factor-ɑ）；E2为雌激 素（estrogen）；Sirt1 为沉默信息调节因子 1（silent information regu‐ lator homolog1）；PGC-1α 为核受体辅助激活因子（peroxisome pro‐ liferator-activated receptor gamma coactivator-1α）；NF-κB为核因子- κB（nuclear factor-κB）；SOST 为骨硬化蛋白（sclerostin）；PPARγ 为 过氧化物酶体增殖物激活受体（peroxisome proliferators-activated receptors）。 63