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MicroRNAs与2型糖尿病及并发症发病机制及未来发展方向的研究进展

李捷¹，黄延芹²，徐云生³^#

(1.山东中医药大学2018级博士山东济南 250014；2.山东中医药大学附属医院山东济南 250014;3^#.山东中医药大学第二附属医院山东济南 250001）

基金项目: 国家自然科学基金项目(81673966);泰山学者工程专项经费资助(ts201712097)

作者简介: 李捷(1991 － )，女，2018级博士研究生，研究方向:中医药治疗内分泌疾病的研究。

通讯作者: 徐云生(1965 － )，男，主任医师、教授，博士研究生导师，研究方向:中医药治疗内分泌疾病的研究;中医药治疗内科杂病的研究。

摘要：

2型糖尿病(T2DM)是最常见的代谢性疾病，其发病率在世界范围内迅速增长，并发症众多，国际糖尿病联盟最新统计数据显示预计到2040 年患病人数将达6. 42 亿人，目前全球约 1 /10 的医疗开支被用于糖尿病及其并发症的治疗，给患者家庭和社会带来沉重的经济负担。T2DM是由于遗传和环境因素复杂的相互作用演变而来，目前关于本研究领域的病因病机研究尚不明确，进一步阐明该病的分子机制显得尤为重要。近些年来，有诸多研究通过靶点预测和通路富集分析，证实microRNAs (miRs)参与了T2DM及并发症的病理生理过程。microRNAs是一种小型的非编码RNA，通过与RNA中的特定序列结合并上调或下调基因表达，发挥内源性基因调控作用。在本文中，我们综述了microRNAs在T2DM及并发症中可能作为生物标记物或病因因素的最新发现，以期寻找新的生物标记物及治疗靶点，为本领域的诊断治疗带来更多的临床应用价值。

关键词：microRNAs;2型糖尿病;并发症;发病机制

Research on MicroRNAs and the Pathogenesis and Future Development Direction of Type 2 Diabetes Mellitus and Its Complications

（1.Shandong University of Traditional Chinese Medicine，Jinan 250014，Shandong，China;

2. The Affiliated Hospital of Shandong University of Traditional Chinese Medicine，Jinan 250014，Shandong，China;3．The Second Affiliated Hospital of Shandong University of Traditional Chinese Medicine，Jinan 250001，Shandong，China)

Abstract:

Type 2 diabetes (T2DM) is the most common metabolic disease, and its incidence is rapidly increasing worldwide. The latest statistics from the International Diabetes Federation show that the number of patients is expected to reach 642 million by 2040. And 1/10 of medical expenses are used for the treatment of diabetes and its complications, which imposes a heavy financial burden on patients' families and society Uncontrolled T2DM is prone to complications such as diabetic nephropathy, diabetic heart disease, and diabetic retinopathy and so on. T2DM has evolved due to the complex interaction of genetic and environmental factors. At present, the research on etiology and pathogenesis of this research field is still unclear, and further elucidation of the molecular mechanism of the disease is particularly important. In recent years, many studies have confirmed that microRNAs (miRs) are involved in the pathophysiological processes of T2DM and complications through target prediction and pathway enrichment analysis. MicroRNAs are small, non-coding RNAs that exert endogenous gene regulation by binding to specific sequences in RNA and upregulating or downregulating gene expression. In this article, we review recent discoveries of microRNAs that may be biomarkers or etiological factors in T2DM and complications, with a view to finding new biomarkers and therapeutic targets that will bring more to the diagnosis and treatment of the field。

Keywords: microRNAs, type 2 diabetes, complications, pathogenesis

2型糖尿病(T2DM)是目前世界范围内最常见的代谢性疾病，其发病率呈现迅速增长的趋势，国际糖尿病联盟最新统计数据显示预计到2040 年患病人数将达6. 42 亿人，目前全球约 1 /10 的医疗开支被用于糖尿病及其并发症的治疗，给患者个人、家庭和社会带来沉重的经济负担^【1】。不加以良好控制的T2DM易引起糖尿病视网膜、糖尿病肾病、糖尿病心肌病病变等诸多并发症等。该病的发生主要是由遗传和环境因素复杂的相互作用演变而来，目前关于T2DM的病因病机研究尚不明确，故进一步阐明该病的分子机制显得尤为重要。近年来，有诸多研究通过靶点预测和通路富集分析，证实microRNAs (miRs)参与了T2DM及并发症的病理生理过程。microRNAs是一类小的非编码RNA片段，是转录过程中的关键调控因子，主要位于细胞内，另有少部分位于细胞外。在真核生物中，各种类型的miRs通过核DNA编码，并通过RNA沉默和调控基因表达的转录后过程，参与翻译过程中的它们可以与互补的RNA序列相互作用并配对，从而通过降解成单独的片段，减少RNA翻译成蛋白质，故miRs影响靶基因的表达，导致蛋白产生改变，进而影响机体重要的生理病理过程^【2-3】。在代谢性疾病中，这些作用可能会改变胰岛素或胰岛素受体在靶组织中的表达，引起和影响T2DM及并发症的发生和发展^【4】。血清miRs获取相对容易，具有较好的灵敏性和稳定性，为理想标记物。因其异常变化比蛋白质更早，在2型DM患者没有出现其他临床症状时，就可体现出miRNA异常化表达，故了解miRs表达模式与T2DM能进一步阐明胰岛细胞功能的分子机制，有助于T2DM及并发症的早期诊断和治疗。

一．micRNAS的生理学

1.关于microRNAs的命名

MicroRNAs 可简写成miRs，再根据其被克隆的先后次序加上阿拉伯数字，如miR-204；高度同源的miRNA 在数字后加上英文小写字母(a、b 、c)，如miR-204a 和miR-204b；由不同染色体上的DNA序列转录加工而成的具有相同成熟体序列的miRNA，则在后面加上阿拉伯数字以区分, 如miR-199a-1 和miR-199a-2；如果一个前体的2个臂分别加工产生miRNA，则根据克隆实验，在表达水平较低的miRNA 后面加“*”，如miR-200a和miR-200a*，另外miR-142-5p(表示从5' 端的臂加工而来)和miR-142-3p(表示从3’端的臂加工而来)；将物种的缩写置于miRNA 之前，如hsa-miR-195；如确定命名规则之前发现的miRNA，则保留原来名字，如let-7。

2.关于microRNAs的生理学特性及生理功能

MicroRNA s(miRs) 是广泛存在于真核生物中的一组较短的、非编码蛋白质的RNA家族，它们是由19-23个核苷酸构成的单链RNA（3‘端可有1~2个碱基长度的变化），通过与靶基因 mＲNA 的结合来参与基因转录后表达调控^【2】。在细胞中，编码 miＲNA 的基因经转录后生成一个发夹状结构的初级 miＲNA，后被细胞中核酸酶Drosha加工成一个长度为 60 ～ 70 bp 且具有茎环结构的miＲNA 前体（pre-miRNA），该过程发生在细胞核中，miＲNA 前体在转运蛋白 exportin-5 的作用下由核内转移至细胞质，胞质内 Dicer酶把pre-miRNA剪切成双链 miＲNA，双链 miＲNA降解形成单链成熟 miＲNA,这些成熟的 miＲNA 与其他蛋白质一起组成ＲNA 诱导的基因沉默复合物RNA-induced silencing complex，RISE），与靶基因mRNA3‘UTR特异性的结合，从而能在转录后水平发挥基因调控作用,通常是负性调控作用，影响蛋白质的翻译，参与机体各重要的生理和病理过程^【5】。MiRs主要具有组织表达特异性、时序特异性和高度进化保守性等生理特性。其中具有组织表达特异性和阶段特异性指在不同组织中表达有不同类型的miRNA;在生物生长发育的不同阶段里有不同的miRNA表达；序列特异性至的是在转录后水平调控基因的表达，在细胞和组织器官中生长、发育、分化、死亡、调控等过程中发挥着重要作用。另外miRs具有高度进化保守性的特性，即各种miRNA均能在其他种系中找到同源体^【6】。

microRNA对与其互补的mRNA表达水平具有调控作用，影响蛋白质的翻译，参与生物的生长发育，从而参与机体各重要的生理和病理过程。血清中miRs获取容易，具有较好的灵敏性和稳定性，因其异常变化比蛋白质更早，在2型DM患者没有出现其他临床症状时，就可体现出microRNA异常化表达，故miRs有可能成为疾病新型的理想生物标记物和潜在治疗靶点，临床应用前景广阔。目前有多项体内外研究证实了microRNAs在2型糖尿病的发生、发展和并发症的出现中扮演及其重要角色,已成为目前该学科领域研究的热点。

二．microRNAs参与T2DM的发病机制

MiRs参与2型糖尿病机制主要包括MiRs影响胰岛β细胞增殖，胰岛素的分泌及胰岛素相关信号通路传导，胰岛素抵抗，糖脂代谢等四个层面，下面作具体综述。

1.miRs和胰岛β细胞增殖

胰岛β细胞是胰岛素生成和分泌的唯一来源，机体内β细胞适当的分化和生长对葡萄糖代谢非常重要。现有诸多研究报道，证实一些miRs的水平与胰岛β细胞的发育密切相关。有学者发现miRNA-92a可以抑制高糖环境诱导的细胞凋亡，有利于胰岛B细胞增殖，增加胰岛素的分泌，此外，他们将KLF2鉴定为miRNA-92a的直接靶标，表明miRNA-92a可能通过调节KLF2起调控作用^【7】；Samandari等人认为miR-197-3p水平可被认为是评估糖尿病患者β细胞功能剩余量的有效生物标志物^【8】； miR-7 包括 miR-7a 和 miR-7b 两个亚型，MiR-7a通过靶向激活雷帕霉素靶向蛋白( mammalian target of rapamycin，mTOR) 信号通路而实现对 β 细胞增殖的负向调控作用，提示靶向抑制内源性 miＲ-7a 促进 β 细胞增殖，改善 T2DM 胰岛素分泌不足，维持血糖稳态^【9】；胰高血糖素样肽-1（GLP-1）是一种有效的胰岛素促分泌素，miR-192在DM大鼠中过表达，并通过调节细胞增殖和凋亡来参与胰腺β细胞发育和增殖，并通过抑制GLP-1表达抑制胰岛素分泌^【10】。另有文献证实miＲ-375 在胰岛 β 细胞中的高表达是通过下调肌侵蛋白( myotrophin，Mtpn) 的表达来抑制β细胞的增殖，减低细胞的数量和胰岛素的分泌水平，最终影响正常葡萄糖稳态，最终导致糖尿病的发生，而抑制 miＲ-375的表达可以促进胰岛β细胞的增殖^【11】。

2.microRNAs与胰岛素分泌及胰岛素相关信号通路传导

胰岛素是人体内唯一降血糖激素，胰岛素的合成和分泌障碍会导致慢性高血糖和糖尿病。Sebastiani 等人证实了miR-124在T2DM患者的胰岛中过度表达，对胰岛素分泌产生负性影响，继而诱发2型糖尿病^【12】；另外，MiR-184是另一种抑制胰岛素分泌的重要miR，而在胰岛素抵抗的情况下，它还能诱导胰岛增殖并调节β细胞功能^【13】；miR-9过表达会造成胰岛β细胞株 INS-1E 细胞的葡萄糖刺激胰岛素分泌水平减低，是通过调节突触结合蛋白样蛋白 4 和 Ras 相关GTP 结合蛋白的表达水平，来发挥抑制胰岛素的分泌作用的^【14】。在影响胰岛信号通路方面，microRNA-205-5p是一种抑制FOXO功能的胰岛素敏感性调节剂，并且与胰岛素传导信号有关^【15】。最近，WU等人等提供了进一步的证据表明miR-206通过诱导胰岛素受体磷酸化来促进胰岛素信号传导^【16】；胰岛素受体底物（IRS）蛋白是胰岛素信号转导途径的重要组成部分，有相关研究在糖尿病大鼠模型中验证了 miR-144miR-181以IRS1 和 IRS2 为靶基因上调，这两种蛋白在胰岛素信号转导过程中有信号协同作用，其机制有待于进一步研究^【17】。

3.MicroRNAs与胰岛素抵抗

胰岛素抵抗（IR）产生的主要原因是靶组织( 包括肌肉，肝脏和脂肪细胞) 对胰岛素的敏感性降低，是导致2型糖尿病的关键因素。有最新文献证实在2型糖尿病小鼠模型中，ob / ob和db / db小鼠患者的肝脏miR-125b水平显著增加，在体外，miR-125b在肿瘤坏死因子-α-（TNF-α）和葡糖胺诱导的胰岛素抵抗条件下同样显著上调，miR-125b通过靶向肝细胞中的PIK3CD来抑制胰岛素敏感性，其过表达会导致胰岛素抵抗并损害葡萄糖稳态，初步认为肝脏miR-125b或PIK3CD是胰岛素抗性的潜在治疗靶标^【18】。促炎细胞因子TNFα是胰岛素抵抗（IR）的关键参与者，有研究证实脂肪细胞中miR-181a-5p和miR-23a-3p的过表达能减少TNFα诱导的胰岛素抵抗，调节PTEN和S6K表达，故初步将miR-181a和miR-23a鉴定为在脂肪细胞及脂肪组织中被TNFα下调的miRNA，认为其能减低机体胰岛素抵抗水平^【19】；在糖尿病小鼠模型中，miR-21通过FOXO1靶标来调节肝脏糖异生，改善胰岛素抵抗，MiR-21可以有望成为治疗T2D患者的胰岛素抵抗的明星治疗靶标^【20】；Fang等人发现miR-696和PPARγ共激活因子-1α（PGC-1α）蛋白水平之间呈负相关，结果表明，miR-696通过抑制T2D发展过程中的PGC-1α翻译，对肝糖原异生和胰岛素抵抗的发展起着至关重要的作用^【21】。

4.microRNAs与糖脂代谢

T2DM是一种长期代谢紊乱，其特征在于高血糖，脂质代谢紊乱和相对缺乏胰岛素。无序的microRNA可以影响糖代谢和脂质代谢，而糖代谢和脂质代谢紊乱也会影响microRNA的表达，显然，microRNA在T2D发生发展过程中对葡萄糖代谢和脂质代谢起着重要的调节作用。Massart证实在T2D患者的骨骼肌中，miR-29过表达对脂肪酸氧化呈负性调控作用，认为miR-29在T2D发病机制中可能是葡萄糖和脂质代谢的关键调节因子^【22】；当miR-194在体外减少时，响应于胰岛素的AKT和GSK3β的磷酸化增加，这会影响葡萄糖代谢的调节，影响血糖稳态^【23】；Chuang 等研究表明在胰岛素抵抗女性患者的脂肪细胞中，miR-223 过度表达，抑制葡萄糖转运蛋4 （GLUT4），减低脂肪胰岛素敏感性，影响体内葡萄糖耐量和葡萄糖代谢^【24】。miRs 对脂质代谢也有调节作用。miR-206通过促进胰岛素信号传导和抑制肝脏脂肪生成而成为葡萄糖和脂质分泌的有效抑制剂^【25】;MiR-451在糖尿病的膳食和遗传小鼠模型的肝组织中升高，并且通过靶甘油激酶调节脂质代谢和血糖水平^【26】。

三．microRNAs与常见T2DM并发症

1.microRNAs与糖尿病视网膜病变

糖尿病视网膜患者人数众多，到2030年，增生性DR（PDR）和糖尿病性黄斑水肿（DME）人数估计分别增加到1.91亿和5630万^【28】，预计近60％的T2DM患者在诊断后的第一个十年内会出现某种形式的视网膜病变^【29】。microRNAs 作为生物学标志物，是可以衡量的客观指标，在糖尿病并发的视网膜病变动物模型中能够被有效监测，能准确反映疾病病理状态变化，这对于糖尿病视网膜病变的早期诊断、治疗及判断预后具有十分重要的意义。糖尿病视网膜病变的机制复杂，涉及多种病变因素的共同作用。多方面研究证实miRs 作为重要的转录后水平调节靶点，参与糖尿病视网膜病变。慢性的高血糖状态是 DR 发生的核心原因，可以导致多种病理改变，其主要的特征是视网膜微血管功能障碍，这主要由内皮细胞异常血管增生及慢性的炎症反应引起的过程。

1.1microRNAs与糖网慢性炎症反应

DR患者中的炎症反应会引起视网膜微血管功能障碍。目前有研究表明microRNAs对炎性TGF-β信号通路具有一定的调控作用,同时TGF-β也可影响microRNAs 的表达。抑制miR-195的表达能抑制 HMGBl 的表达，减少炎症反应以及新生血管的生成，从而延缓或抑制 DR 的发生发展^【30】。Kovacs等通过实验证实在糖尿病大鼠视网膜内皮细胞中NF-kB可以通过转录调控直接激活miR-146 的表达，而miR-146的高表达能使抑制IL-lb所诱导的NF-kB激活，形成反馈回路，影响DR的产生和发展；miR-146通过抑制促炎性NF-κB途径，通过与人视网膜内皮细胞和糖尿病大鼠视网膜中IL-1β激活的上游衔接蛋白IRAK1的3'UTR结合，降低了NF-κB反应性粘附分子ICAM-1的表达^【3^1-32^】。

1.2 microRNAs与内皮细胞异常血管增生

内皮细胞（EC）的异常血管生成生长现在被公认是糖尿病视网膜病变的重要组成部分。几种microRNA与调节异常内皮细胞生长有关有.文献证实在糖尿病大鼠的视网膜中，miR-200b表达减少，而其表达减少直接靶标即血管内皮生长因子，mRNA和蛋白质水平均增加，明确了miR-200b在调节血管内皮生长因子介导的糖尿病视网膜病变中的相关性^【3³^】；在低氧条件下，糖尿病视网膜中miR-126的表达降低，miR-126表达的恢复通过暂停细胞周期进程和抑制血管内皮生长因子表达来阻止缺氧诱导的新血管形成^【3⁴^】；在糖尿病大鼠模型中，miR-320负调节葡萄糖诱导的VEGF和纤连蛋白（FN）的增加并抑制内皮细胞迁移和血管形成，这有望将成为治疗糖尿病视网膜病变的新的靶点^【3⁵^】。

2.microRNAs与糖尿病肾病

糖尿病肾病 (Diabetic nephropathy，DN),其主要病变包括肾基底膜增厚、系膜弥漫性增生、微血管损伤、足细胞病变、肾小管间质纤维化等。根据相关流行病学统计报告显示，世界范围内DN 新增人数也逐年上升，预计到2030年，全世界DN 患者将超过1亿^【3⁶^】。本病的确切发病机制仍未完全阐明。随着分子生物技术的不断发展，microRNAs的发现为DN的研究打开了一扇新的大门。越来越多的证据表明miRs调节参与糖尿病肾病发病机制。

2.1 miRs 与肾小球基底膜和系膜病变密切

肾小球基底膜和系膜病变主要与各种蛋白质的沉积有关，如胶原蛋白、纤连蛋白等。蛋白质在基底膜和细胞外基质沉积是促使 DN 发生的关键病变。转化生长因子β（TGF-β）是一种纤维性和炎症细胞因子，在DN的发生中起重要作用。高糖环境中可诱导TGF-β产生增加，从而激活丝裂原活化蛋白激酶 ( MAPK) 和启动下游 smad 蛋白信号通路促进蛋白质的沉积^【3⁷^】。在链脲佐菌素诱导的糖尿病小鼠和糖尿病模型 db /db 小鼠肾小球细胞中，miR-192过表达在 TGF-β的刺激下使转录抑制因子Smad 作用蛋白 -1(SIP1) 表达下调，促使胶原蛋白、纤连蛋白增多，诱发DN ^【3⁸^】。

2.2 microRNAs与足细胞病变

肾小球足细胞是胰岛素敏感细胞，在对糖尿病环境的早期反应中即受到损伤，它的损伤或减少将引起肾小球滤过屏障功能和结构改变进一步形成蛋白尿和肾小球硬化。据相关报道多种 miRs 在足细胞中表达异常，它们表达上调或下调都与足细胞的功能密切相关。MiR-93与血管生成信号传导和糖尿病肾病的改变直接相关，在足细胞中诱导过表达miR-93的小鼠通过调节染色质重组和靶向组蛋白激酶Msk2及其底物H3S10来参与出糖尿病肾病的发生和发展^【³⁹^】；另有研究发现，在高糖诱导的小鼠足细胞中，miＲ-346呈现过表达状态^【40】。Bai 等人发现 miＲ-130b 在 DN 患者肾穿刺活检组织中表达减少，miＲ-130b 在大鼠肾小管上皮细胞( NＲK-52E 细胞) 中通过抑制 snail 表达减轻足细胞的损害^【41】。

2.3 miRs与肾小管间质纤维化

肾间质纤维化是 DN 性终末期肾病的重要事件，主要表现为肾小管上皮细胞丢失和细胞外基质堆积。miＲ-192表达在DN中呈下调趋势，增强使其下游通路转化生长因子β介导的 E 钙黏蛋白下调功能活性，最终导致肾小球率过滤降低及肾小管间质纤维化^【4²^】。在高糖环境中，miR-23b负反馈调节 p38MAPK 和p53表达，从而参与 DN 的发生和发展。若上调 MiRNA-23b 表达将会逆转肾小球纤维化，因此促进miR-23b表达可延缓DN发展，可为DN 的治疗提供新的治疗策略^【4³^】 ;高糖环境能够诱导 miＲ-27a的高表达，并通过结合过氧化物酶体增殖激活受体 γ( PPAＲγ) mＲNA 的3’-UTＲ，直接抑制 PPAＲγ 的表达，从而减少了PPAＲγ对纤维化的抑制作用，加快肾间质纤维化进程^【4⁴^】。

3.MicroRNAs与糖尿病心肌病的关系

糖尿病心肌病( diabetic cardiomyopathy) 是指有糖尿病病史，同时兼有明确的心肌结构及功能改变，并排除高血压等其他可能引起心肌病变的糖尿病性心脏病^【4⁵^】。糖尿病心肌病病理表现主要为心肌细胞肥大、凋亡及心肌间质纤维化并最终发展至心力衰竭^【4⁶^】。根据国际糖尿病联合会的数据，预计到 2035 年将上升至 5 亿 9 200 万人^【4⁷^】。大量相关研究证实，多种 miRs 均在糖尿病心肌病心肌组织中异常表达，为早期糖尿病心肌病的诊断与预防提供途径。Kuwabara 等人检测显示 miＲ－ 451 水平在 2 型糖尿病小鼠心脏显著增高，并呈剂量和时间依赖方式增加，其通过LKB1、AMPK 通路抑制参与糖尿病性心肌病^【4⁸^】。目前有证据表明，microRNAs的失调在糖尿病心肌病的发生和发展中或发挥关键作用，多种 microRNA 可能通过作用于Rasp21 蛋白活化子1、RAC1 ( Ras- related C3 botulinum toxinsubstrate 1 ) 、转化生长因子 β3 和 COL1A1( collagen，typeⅠ，alpha 1) 等基因参与介导心肌细胞凋亡( miR-320b、miR-378、miR-34a) 、纤维化 ( miR-125b、miR-150、miR-199a、miR-29b、miR30a) 、心肌肥厚 ( miR-1、miR-150、miR-199a、 miR-133a、miR-214、miR-29a、miR-125b、miR-221、miR-212 ) 、自噬 ( miR-133a、miR-221、miR-212、 miR-30a) 及氧化应激 ( miR-221、miR-146a、miR-34a、 miR-210、miR-19b、miR-125b、miR-27a、miR-155 ) 等过程^【⁴⁹^】。心肌肥大是糖尿病心肌病的重要临床表现，多种 miRNAs 失调并且导致心肌细胞肥大在糖尿病心肌病的发生，有相关研究报道miR－133在心脏组织中高表达，并能够调节非糖尿病性心肌肥厚和高血糖导致的心肌肥厚^【5⁰^】。

四．结论：

鉴于microRNAs在T2D及并发症发病机制中的重要作用，microRNAs有望成为新的生物标志物和潜在治疗靶点，为研究T2DM和并发症的发病机制及基因治疗开辟了一个新的领域。miRs数量庞大，因此使用最新的高通量技术如miRs芯片来研究miRs与T2D之间的关系是至关重要的。但miRs具体的调节机制仍旧解释的不够明晰，这主要是因为miRs在体内是一个复杂的调控网络，不同类型的 miRs 和靶目标有许多混杂之处，一个 microRNA 可以同时调控多个基因的表达，几个miRs 也可以组合来调控某个基因的表达，且 microRNA 的表达上调或下调也是多因素的。总而言之，虽然目前 microRNAs 广泛应用于临床实践还存在诸多技术上的难题，但有充足的理由相信其作为有效的分子靶标能为糖尿病及并发症的诊断和治疗带来诸多临床应用价值，也将为其他代谢性疾病的研究开辟新的方向。

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