体育科学 CHINA SPORT SCIENCE 2020年(第40卷)第4期 章编号:1000-677X(202004-0059-08 Do:10.16469css.202004007 运动对骨质影响的表观遗传机制研究进展 胡晓磐12,李世昌12,孙朋12 (1.华东师范大学“青少年健康评价与运动干预”教育部重点实验室,上海200241; 2.华东师范大学体育与健康学院,上海200241) 摘要:骨质变化除了与性别、年龄、激素水平、生活方式和机械受力等因素有关外,还与表观遗传调控途径有关。表 观遗传调控的3大主要途径包括DNA甲基化、组蛋白修饰及非编码RNA。在遗传-环境范畴内,运动作为外源性力 学刺激,可以通过调控DNA去甲基化促成骨生成,调控鉏蛩白修饰雏持骨稳态和非编码RNA影响骨代谢迺路,这些 均是运动通过表观遗传途径改善骨质健康的可能杋制。梳理近年来表观遗传调控在骨鉏织运动医学领域的研究进 展,有助于为运动健骨和防治骨质疏松等代谢性疾病提供新思路。 关键词:表观遗传;骨质疏松;运动;骨代谢;DNA甲基化;组蛋白修饰;非编码RNA 中图分类号:G8042文献标识码:A 随着系统生物学、骨分子生物学和遗传学硏究的发2003);不益于骨健康的高危环境因素则包括营养失衡 展,骨形成或骨吸收不仅受激素、代谢和机械应力的影钙摄入不足、缺乏运动和不良的生活习惯等( Bloomfield, 响,还可能与表观遗传( epigenetic)有关( Amjadi- Moheb et2003)。DNA甲基化正是在遗传-环境-骨质变化范畴内 al.2019)。表观遗传在不改变核酸序列的情况下,使基由基因和外界环境的相互作用,引起生命周期内骨质改 因表达发生可遗传变化,以DNA甲基化( DNA methy la-变的表观遗传调控方式之一。研究发现,妊娠期妇女缺 ion)、组蛋白修饰( histone modifications)和非编码RNA失维生素D将导致CYP2R1和CYP24A1等基因位点高甲 ( non-coding rnas, ncRNAs)3种方式为主( Letarouilly et基化,使子代基因沉默,造成后代整体表观遗传程序功能 al.2019)(表1)。而与基因突变有所不同的是,表观遗传障碍( Michou,20l8; Pike et al.2015; Von et a.,2018)(图 的改变具有可逆性(张严焱等,2018)。有研究发现,身体2),由此可解释孕期维生素D不足与胎儿骨发育迟缓和 活动通过影响相关基因的表观遗传修饰,从而起到预防儿童期骨量减损的联系。Wang等(2018)发现,骨质疏松 和改善病症的效用( Zimmer et al.,2016)(图1),这意味着 steoporosis,OP)患者骨组织内促破骨细胞分化的核因 运动作为外源性刺激,可充当环境表观遗传调制器,在不子kB受体活化因子配体( receptor activator of nuclear fac- 影响DNA编码的前提下,通过直接或间接作用于骨组织tor- kB ligand, RANKL)呈基因启动子低甲基化,而抑制破 细胞,发挥提升骨量、骨密度,改善骨强度等骨骼机械性骨细胞生成的骨保护素( osteoprotegerin,OPG)表现为启 能的功能。这可能是引起基因组一致的同卵双生子在不动子高甲基化,使得 RANKL高表达而OPG不足。这与正 同环境下呈现出身高及骨健康状况差异的原因,也是解常骨组织中 RANKL/OPG通路状态相反,反映出原发性骨 释了运动影响骨质变化的潜在机制。基于此,本文综述质疏松所表现的 RANKL/OPG通路紊乱,可能是由于 国内外运动对骨质影响的表观遗传学研究进展,并系统DNA甲基化状态改变所致。 闸述其中表观遗传的可能机制。 收稿日期:2019-02-14;修订日期:2020-0401 1表观遗传与骨质变化 基金项目:上海市科委基础研究重点项目(16JC1400500 1.1DNA甲基化与骨质 第一作者简介:胡晓磐(1995-),女,在读博士研究生,主要研究方向 骨质的强健与遗传及环境因素密切相关,主要候选基 为运动人体科学,Emai:18817873319a163com *通信作者简介:李世昌(1956-),男,教授博士研究生导师,主要研究 因涉及钙磷代谢调节激素、性激素、细胞因子及其相应的 方向为运动对骨影响的分子机制, E-mail:scli@tx.ecmu 受体基因和I型胶原蛋白基因(张奎等,2017; Qi et a
2020年（第40卷）第4期 Vol. 40,No.4,59-66,2020 体 育 科 学 CHINA SPORT SCIENCE 运动对骨质影响的表观遗传机制研究进展 胡晓磐1,2 ，李世昌1,2* ，孙 朋1,2 （1. 华东师范大学“青少年健康评价与运动干预”教育部重点实验室，上海 200241； 2. 华东师范大学 体育与健康学院，上海 200241） 摘 要：骨质变化除了与性别、年龄、激素水平、生活方式和机械受力等因素有关外，还与表观遗传调控途径有关。表 观遗传调控的3大主要途径包括DNA甲基化、组蛋白修饰及非编码RNA。在遗传-环境范畴内，运动作为外源性力 学刺激，可以通过调控DNA去甲基化促成骨生成，调控组蛋白修饰维持骨稳态和非编码RNA影响骨代谢通路，这些 均是运动通过表观遗传途径改善骨质健康的可能机制。梳理近年来表观遗传调控在骨组织运动医学领域的研究进 展，有助于为运动健骨和防治骨质疏松等代谢性疾病提供新思路。 关键词：表观遗传；骨质疏松；运动；骨代谢；DNA甲基化；组蛋白修饰；非编码RNA 中图分类号：G804.2 文献标识码：A 随着系统生物学、骨分子生物学和遗传学研究的发 展，骨形成或骨吸收不仅受激素、代谢和机械应力的影 响，还可能与表观遗传（epigenetic）有关（Amjadi-Moheb et al.，2019）。表观遗传在不改变核酸序列的情况下，使基 因表达发生可遗传变化，以 DNA 甲基化（DNA methyla‐ tion）、组 蛋 白 修 饰（histone modifications）和 非 编 码 RNA （non-coding RNAs，ncRNAs）3 种方式为主（Letarouilly et al.，2019）（表 1）。而与基因突变有所不同的是，表观遗传 的改变具有可逆性（张严焱 等，2018）。有研究发现，身体 活动通过影响相关基因的表观遗传修饰，从而起到预防 和改善病症的效用（Zimmer et al.，2016）（图 1），这意味着 运动作为外源性刺激，可充当环境表观遗传调制器，在不 影响 DNA 编码的前提下，通过直接或间接作用于骨组织 细胞，发挥提升骨量、骨密度，改善骨强度等骨骼机械性 能的功能。这可能是引起基因组一致的同卵双生子在不 同环境下呈现出身高及骨健康状况差异的原因，也是解 释了运动影响骨质变化的潜在机制。基于此，本文综述 国内外运动对骨质影响的表观遗传学研究进展，并系统 阐述其中表观遗传的可能机制。 1 表观遗传与骨质变化 1.1 DNA甲基化与骨质 骨质的强健与遗传及环境因素密切相关，主要候选基 因涉及钙磷代谢调节激素、性激素、细胞因子及其相应的 受体基因和 I 型胶原蛋白基因（张奎 等，2017；Qi et al.， 2003）；不益于骨健康的高危环境因素则包括营养失衡、 钙摄入不足、缺乏运动和不良的生活习惯等（Bloomfield， 2003）。DNA 甲基化正是在遗传-环境-骨质变化范畴内， 由基因和外界环境的相互作用，引起生命周期内骨质改 变的表观遗传调控方式之一。研究发现，妊娠期妇女缺 失维生素 D 将导致 CYP2R1 和 CYP24A1 等基因位点高甲 基化，使子代基因沉默，造成后代整体表观遗传程序功能 障碍（Michou，2018；Pike et al.，2015；Von et al.，2018）（图 2），由此可解释孕期维生素 D 不足与胎儿骨发育迟缓和 儿童期骨量减损的联系。Wang 等（2018）发现，骨质疏松 （osteoporosis，OP）患者骨组织内促破骨细胞分化的核因 子 kB 受体活化因子配体（receptor activator of nuclear fac‐ tor-kB ligand，RANKL）呈基因启动子低甲基化，而抑制破 骨细胞生成的骨保护素（osteoprotegerin，OPG）表现为启 动子高甲基化，使得 RANKL 高表达而 OPG 不足。这与正 常骨组织中 RANKL/OPG 通路状态相反，反映出原发性骨 质 疏 松 所 表 现 的 RANKL/OPG 通 路 紊 乱 ，可 能 是 由 于 DNA 甲基化状态改变所致。 文章编号:1000-677X(2020)04-0059-08 DOI:10.16469/j.css.202004007 收稿日期：2019-02-14；修订日期：2020-04-01 基金项目：上海市科委基础研究重点项目（16JC1400500）。 第一作者简介：胡晓磐（1995-），女，在读博士研究生，主要研究方向 为运动人体科学，E-mail: 18817873319@163.com。 *通信作者简介：李世昌（1956-），男，教授，博士研究生导师，主要研究 方向为运动对骨影响的分子机制，E-mail: scli@tyxx.ecnu. edu.cn。 59
《体育科学》2020年(第40卷)第4期 表1基因表达调控过程中的主要表观遗传修饰方式 Table 1 Main Epigenetic Mechanisms in Gene Expression Regulation 表观遗传机制 祥细过程 主要效应 DNA甲基化常发生在基因启动子和第一外显子区窬含鸟嘌呤和胞喘啶序列的CpG岛DNA甲基化与基因沉默相关,DNA去甲基化与 上,在持续性DNA甲基化转移酶[DNA( cytosine5)- methyltransferase,基因活化相关 DNMT]催化作用下,使DNA序列内胞嘧啶5’碳位转变为5-甲基胞嘧啶 (5-methylcytosine, SmC) 组蛋白修饰作为染色体的基本结构成分,组蛋白包括H、H2A、H2B、H3和H4等类型。组蛋白乙酰化与基因活化有关,组蛋白去乙酰化 在相关酶作用下,其N末端氨基酸残基可发生甲基化、磷酸化、泛素化、类与基因沉默有关 泛素化、乙酰化等修饰 编码RNA在所有輸出的DNA转录本中,编码蛋白质的RNA占比不足1.5%,余下为非编码RNA能在基因组及染色体水平调控基因 非编码RNA,这是一类能够调控基因表达,但是自身不翻译为蛋白质的功表达,决定細胞分化。主要功能包括使转录基因 能性RNA分子。具有调控功能的非编码RNA按照长度分为长链非编码沉默、生殖细胞内转座子沉默及基因组印记和X RNA( long non-coding rNa, IncANA)和短链非编码RNA(包括sRNA、染色体失活 deacetylase inhibitor, HDACI)探究高度乙酰化对成骨细胞 和破骨细胞分化及基因表达的影响,发现 HDACI有助于 成骨细胞( osteoblast,OB)成熟及基质矿化( Schroeder et al 2007),但也会介导OB内核因子kB受体活化因子配体 乎 ( RANKL)启动子区域乙酰化,继而激活破骨细胞( osteo- clast,OC),使受试者骨密度降低,骨折风险增高( McGee. Lawrence et al.,2011)。以上研究表明,乙酰化修饰可灵 甲基化酶 活地影响染色质结构及功能,在成骨和破骨生成过程中 均发挥重要作用。同时,作为骨相关基因表观遗传的直 接或共调控方式,具备相当的动态性和复杂性 图1运动影响表观遗传修饰示意图( Zimmer et al,2016) 1.3非编码RNA与骨质 Figure 1. Schematic Diagram of the Changes of Epigenetic in 在非编码RNA中,长度约19~24个核苷酸的 micro Response to Exercise NA( miRNA)在机体生命活动过程中的效应范围十分广 泛,可作用于约30%的人类基因组,同时具有较高稳定 1.2组蛋白修饰与骨质 性,因而其表达水平可成为监测和诊断骨代谢疾病的最 组蛋白乙酰化在4种核心组蛋白中均可发生,是表观佳生物标志物。目前已检测出多达80余种与骨密度 遗传组蛋白修饰的研究热点(王维等,2012; Grunstein,( bone mineral density,BMD)、骨折和骨质疏松症密切相 199)。催化组蛋白乙酰化修饰的酶包括可激活转录的关的特异性mRNA( Cheng et al,2018; Scimeca et al 组蛋白乙酰化转移酶( histone/lysine acetyltransferases,HA 2017)(表2),如过表达mR-3383p会通过靶向Runt相关 TS/KATs)( utter et al,199)和功能相反的组蛋白去乙酰转录因子2( Runt-related transcription factor2,Rumx2)和成 化酶( histone/lysine deacetylases, HDACS/ KDACS)( Taunton纤维细胞生长因子受体2( fibroblast growth factor receptor etal,1996)。染色质免疫沉淀显示,成骨细胞基因启动2,FGFR2),抑制 Osterix等骨形成转录因子导致骨质疏松 子区域存在p300和CREB结合蛋白( CREB binding pro-( Liu et al,2014)。但有些mRNA分子的作用功能尚未得 ten,CBP)2种HAT大分子( Gordon et al.,2011),可诱导到统一定论( Meng et al,2015; Wei et al,2017),如 Banach 25-羟维生素D1-24-羟基化酶(25 hydroxyvitamin D-24-等(2015)发现,骨质疏松性骨折患者血清中mR-21-5p与 hydroxylase,Cyp24)基因的启动子发生组蛋白H4乙酰1型胶原羧基末端肽CTX(骨吸收标志物)水平存在很强 化,激活成骨基因转录( Kim et al,2005)。p300C0BP同样相关性; Yavropoulou等(2017)的研究指出,健康对照组人 有助于维持巨噬细胞集落刺激因子( macrophage colony-群的mR-21-5p水平高于骨质疏松患者。样本量大小、研 stimulating factor,MCSF)和细胞核因子C1( nuclear factor究对象等因素会影响最终的研究结论,同时mRNA在不 of activated t cells c1, NFATcl)的高乙酰化状态,促破骨同骨组织细胞乃至各发育分化阶段的功能是否存在差 细胞生成( Asagiri et al.,2005; Weilbaecher et al,2001)。异,以及骨折等改变骨稳态的因素是否会干扰mRNA的 Cantley等(2017)使用组蛋白去乙酰化酶抑制剂( histone作用方式等问题有待研究证明。此外,循环血液中动态 60
《体育科学》2020 年（第 40 卷）第 4 期 1.2 组蛋白修饰与骨质 组蛋白乙酰化在 4 种核心组蛋白中均可发生，是表观 遗传组蛋白修饰的研究热点（王维 等，2012；Grunstein， 1997）。催化组蛋白乙酰化修饰的酶包括可激活转录的 组蛋白乙酰化转移酶（histone/lysine acetyltransferases，HATs/KATs）（Lutter et al.，1992）和功能相反的组蛋白去乙酰 化酶（histone/lysine deacetylases，HDACs/KDACs）（Taunton et al.，1996）。染色质免疫沉淀显示，成骨细胞基因启动 子 区 域 存 在 p300 和 CREB 结 合 蛋 白（CREB binding pro‐ tein，CBP）2 种 HATs 大分子（Gordon et al.，2011），可诱导 25-羟维生素 D3-24-羟基化酶（25-hydroxyvitamin D3-24- hydroxylase，Cyp24）基 因 的 启 动 子 发 生 组 蛋 白 H4 乙 酰 化，激活成骨基因转录（Kim et al.，2005）。p300/CBP 同样 有助于维持巨噬细胞集落刺激因子（macrophage colonystimulating factor，M-CSF）和细胞核因子 C1（nuclear factor of activated T cells C1，NFATc1）的高乙酰化状态，促破骨 细 胞 生 成（Asagiri et al.，2005；Weilbaecher et al.，2001）。 Cantley 等（2017）使用组蛋白去乙酰化酶抑制剂（histone deacetylase inhibitor，HDACI）探究高度乙酰化对成骨细胞 和破骨细胞分化及基因表达的影响，发现 HDACI 有助于 成骨细胞（osteoblast，OB）成熟及基质矿化（Schroeder et al.， 2007），但也会介导 OB 内核因子 kB 受体活化因子配体 （RANKL）启动子区域乙酰化，继而激活破骨细胞（osteo‐ clast，OC），使受试者骨密度降低，骨折风险增高（McGeeLawrence et al.，2011）。以上研究表明，乙酰化修饰可灵 活地影响染色质结构及功能，在成骨和破骨生成过程中 均发挥重要作用。同时，作为骨相关基因表观遗传的直 接或共调控方式，具备相当的动态性和复杂性。 1.3 非编码RNA与骨质 在非编码 RNA 中，长度约 19～24 个核苷酸的 microR‐ NA（miRNA）在机体生命活动过程中的效应范围十分广 泛，可作用于约 30% 的人类基因组，同时具有较高稳定 性，因而其表达水平可成为监测和诊断骨代谢疾病的最 佳 生 物 标 志 物 。 目 前 已 检 测 出 多 达 80 余 种 与 骨 密 度 （bone mineral density，BMD）、骨折和骨质疏松症密切相 关 的 特 异 性 miRNA（Cheng et al.，2018；Scimeca et al.， 2017）（表 2），如过表达 miR-338-3p 会通过靶向 Runt 相关 转录因子 2（Runt-related transcription factor 2，Runx2）和成 纤维细胞生长因子受体 2（fibroblast growth factor receptor 2，FGFR2），抑制 Osterix 等骨形成转录因子导致骨质疏松 （Liu et al.，2014）。但有些 miRNA 分子的作用功能尚未得 到统一定论（Meng et al.，2015；Wei et al.，2017），如 Panach 等（2015）发现，骨质疏松性骨折患者血清中 miR-21-5p 与 I 型胶原羧基末端肽 CTX（骨吸收标志物）水平存在很强 相关性；Yavropoulou 等（2017）的研究指出，健康对照组人 群的 miR-21-5p 水平高于骨质疏松患者。样本量大小、研 究对象等因素会影响最终的研究结论，同时 miRNA 在不 同骨组织细胞乃至各发育分化阶段的功能是否存在差 异，以及骨折等改变骨稳态的因素是否会干扰 miRNA 的 作用方式等问题有待研究证明。此外，循环血液中动态 表1 基因表达调控过程中的主要表观遗传修饰方式 Table 1 Main Epigenetic Mechanisms in Gene Expression Regulation 表观遗传机制 DNA甲基化 组蛋白修饰 非编码RNA 详细过程 常发生在基因启动子和第一外显子区富含鸟嘌呤和胞嘧啶序列的CpG岛 上，在持续性DNA甲基化转移酶［DNA（cytosine-5）- methyltransferase， DNMT］催化作用下，使DNA序列内胞嘧啶5’碳位转变为5-甲基胞嘧啶 （5-methylcytosine，5mC） 作为染色体的基本结构成分，组蛋白包括H1、H2A、H2B、H3和H4等类型。 在相关酶作用下，其N末端氨基酸残基可发生甲基化、磷酸化、泛素化、类 泛素化、乙酰化等修饰 在所有输出的 DNA转录本中，编码蛋白质的 RNA占比不足 1.5%，余下为 非编码RNA，这是一类能够调控基因表达，但是自身不翻译为蛋白质的功 能性 RNA 分子。具有调控功能的非编码 RNA 按照长度分为长链非编码 RNA（long non-coding RNA，lncRNA）和短链非编码 RNA（包括 siRNA、 miRNA、piRNA）2类 主要效应 DNA 甲基化与基因沉默相关，DNA 去甲基化与 基因活化相关 组蛋白乙酰化与基因活化有关，组蛋白去乙酰化 与基因沉默有关 非编码RNA能在基因组及染色体水平调控基因 表达，决定细胞分化。主要功能包括使转录基因 沉默、生殖细胞内转座子沉默及基因组印记和X 染色体失活 图1 运动影响表观遗传修饰示意图（Zimmer et al.，2016） Figure 1. Schematic Diagram of the Changes of Epigenetic in Response to Exercise 60
胡晓磐.等:运动对骨质影响的表观遗传机制研究进展 变化的mRNA在运动应激及逐渐适应过程中同样呈现差高,因此也可将这些血液中的 mIRNA作为反映训练效果 异性表达,如有氧耐力显著上调miR-15a和miR-199a水的分子标志物( Ostanek et al.,2018)。 平,急性力竭运动使血液中miR-146a和mR-222显著升 1,25-二羟维生素D3 miR-125b H VDR 转录激活 VDRE: VDR/RXR序列的结合位点 顺反组 式调控模块散布于整个基因组转录因子与多个位点(如Rux2)结合 通过顺反组与维生素D受体结合组蛋白H3和H4的表观修饰 通过CYP2 RICYP24AL启动子的 作用于基因组中2000~8000个位点受维生素D的活化调节 甲基化进行调节 图2维生素D诱导骨生长的表观遗传调控和转录调节( Michou,2018 Figure 2. Transcriptional Modulation and Epigenetic Regulation in VD-induced Bone Growth 注:维生素D中的1,25-二羟维生素D[1,25(OH)D3]在成骨细胞中通过表观遗传修饰途径促诱导骨生长,首先1,25(OH)2D2与VDR结合,然 后与RXR结合形成异二聚体,作用于靶基因内启动子区城的维生素D反应元件,通过上调或下调基因产物来启动基因转录。除DNA甲基化修 饰外,组蛋白修饰及 mIRNA因子也可参与此过程。VDR为维生素D受体( vitamin D receptor);RXR为类视黄醇X受体( retinoid X receptor); VDRE为维生素D效应元件( vitamin D response element);CYP2R1及CYP24A1属于细胞色素P450( cytochrome P450,CYP450)超家族成员 表2骨组织中与骨质疏松症相关的mRNA分子 对运动改善骨质代谢原因的探究长期集中在机械负 Table 2 Osteoporosis Related miRNA Molecules in Bone Tissue 荷刺激对骨量、骨细胞和骨内环境作用的细胞分子机制 生物功能 上( Andreoli et a.,2012; alert et al.,2013),并逐步明确 hsa.miR-2143p靶向ATF4,抑制成骨细胞功能 运动通过调节骨相关激素、细胞因子和信号转导的作用 hsa-imiR-34-5p 促进破骨细胞生成 hsa-miR-23a-3p在OP骨组织中上调 途径。但运动强度、时长、频率、项目种类以及实验对象 hsa-mR-24-3p在OP骨组织中上调 不一致所带来的异质性,使得现有的研究成果偏重于从 hsa-miR-25-3p在OP骨组织中上调 运动改善骨生长代谢相关生化指标的角度阐释运动对骨 mR-100-5p在OP骨组织中上调 质的积极影响,这在一定程度上限制了对运动健骨潜在 hsa.mir-125b-5p在OP骨组织中上调 机制的思考模式。随着表观遗传概念渗入骨代谢研究领 hsa.mir187-3p在OP骨组织中下调 域, Rubin等(1990)运用表观遗传概念说明了力学环境影 hsa-miR-320a 靶向阝-连环蛋白,在OP骨组织和原代成骨 响骨骼形态方式。尽管研究中并没有对具体的表观遗传 hsa-mir4835在OP骨组织和原代成骨细胞中上调,下调修饰途径作详细叙述,但指出在器官水平上,功能性身体 活动( functional activity)所产生的机械应力可以被看作为 hsa-miR-195-5p在衰老MSCs中上调,恢复MSCs作用 个有效的表观遗传参数,经由组织水平转换为对应的 hsa-mir-133a-3p在OP单核细胞中上调 骨力学参数后,在细胞水平上再转化为相应的生化信号 hsa-miR-422 在OP单核细胞中上调 hsa.mir.503-5p在OP单核细胞中下调,靶向RANK 继而调节骨骼形态以适应先前的功能性机械应力。Tum- 主: miRNA为微小RNA( micRoRNAs);ATF4为转录活化因子4(acti- er(1992)从表观遗传凭借转化生长因子β( transforming growth vating transcription factor4);GF2为胰岛素样生长因子2( insulin- factorβ,TGFB)、胰岛素样生长因子( insulin- like growth like growth factor2);MSCs为间充质干细胞( mesenchymal stem factor,IGF)和前列腺素E2( prostaglandin E2,PGE2)对骨 cel):0OP为骨质疏松( osteoporosIs):RANK为核因子kB受体激活因骼系统产生正反馈和促分化调控的角度,认为表观遗传 T(receptor activator of nuclear factor KB)e 模式与wor定律所持有的骨力学适应性负反馈调控理 念互为补充。了解运动对骨质影响的表观遗传调控机 2运动改善骨质的表观遗传学机制 制,有利于丰富和完善运动健骨理论,同时对认识骨代
胡晓磐，等：运动对骨质影响的表观遗传机制研究进展 变化的 miRNA 在运动应激及逐渐适应过程中同样呈现差 异性表达，如有氧耐力显著上调 miR-15a 和 miR-199a 水 平，急性力竭运动使血液中 miR-146a 和 miR-222 显著升 高，因此也可将这些血液中的 miRNA 作为反映训练效果 的分子标志物（Ostanek et al.，2018）。 2 运动改善骨质的表观遗传学机制 对运动改善骨质代谢原因的探究长期集中在机械负 荷刺激对骨量、骨细胞和骨内环境作用的细胞分子机制 上（Andreoli et al.，2012；Ehlert et al.，2013），并逐步明确 运动通过调节骨相关激素、细胞因子和信号转导的作用 途径。但运动强度、时长、频率、项目种类以及实验对象 不一致所带来的异质性，使得现有的研究成果偏重于从 运动改善骨生长代谢相关生化指标的角度阐释运动对骨 质的积极影响，这在一定程度上限制了对运动健骨潜在 机制的思考模式。随着表观遗传概念渗入骨代谢研究领 域，Rubin 等（1990）运用表观遗传概念说明了力学环境影 响骨骼形态方式。尽管研究中并没有对具体的表观遗传 修饰途径作详细叙述，但指出在器官水平上，功能性身体 活动（functional activity）所产生的机械应力可以被看作为 一个有效的表观遗传参数，经由组织水平转换为对应的 骨力学参数后，在细胞水平上再转化为相应的生化信号， 继而调节骨骼形态以适应先前的功能性机械应力。Tum‐ e（r 1992）从表观遗传凭借转化生长因子β（transforming growth factor β，TGFβ）、胰 岛 素 样 生 长 因 子（insulin-like growth factor，IGF）和前列腺素 E2（prostaglandin E2，PGE2）对骨 骼系统产生正反馈和促分化调控的角度，认为表观遗传 模式与 Wolff 定律所持有的骨力学适应性负反馈调控理 念互为补充。了解运动对骨质影响的表观遗传调控机 制，有利于丰富和完善运动健骨理论，同时对认识骨代 图2 维生素D诱导骨生长的表观遗传调控和转录调节（Michou，2018） Figure 2. Transcriptional Modulation and Epigenetic Regulation in VD-induced Bone Growth 注：维生素D中的1，25-二羟维生素D［3 1，25（OH）2D3 ］在成骨细胞中通过表观遗传修饰途径促诱导骨生长，首先1，25（OH）2D3与VDR结合，然 后与RXR结合形成异二聚体，作用于靶基因内启动子区域的维生素D反应元件，通过上调或下调基因产物来启动基因转录。除DNA甲基化修 饰外，组蛋白修饰及miRNA因子也可参与此过程。VDR为维生素D受体（vitamin D receptor）；RXR为类视黄醇X受体（retinoid X receptor）； VDRE为维生素D效应元件（vitamin D response element）；CYP2R1及CYP24A1属于细胞色素P450（cytochrome P450，CYP450）超家族成员。 表2 骨组织中与骨质疏松症相关的miRNA分子 Table 2 Osteoporosis Related miRNA Molecules in Bone Tissue miRNA hsa-miR-214-3p hsa-miR-34-5p hsa-miR-23a-3p hsa-miR-24-3p hsa-miR-25-3p hsa-miR-100-5p hsa-miR-125b-5p hsa-miR-187-3p hsa-miR-320a hsa-miR-483-5p hsa-miR-195-5p hsa-miR-133a-3p hsa-miR-422a hsa-miR-503-5p 生物功能 靶向ATF4，抑制成骨细胞功能 促进破骨细胞生成 在OP骨组织中上调 在OP骨组织中上调 在OP骨组织中上调 在OP骨组织中上调 在OP骨组织中上调 在OP骨组织中下调 靶向 β-连环蛋白，在 OP 骨组织和原代成骨 细胞中上调 在 OP 骨组织和原代成骨细胞中上调，下调 IGF2 在衰老MSCs中上调，恢复MSCs作用 在OP单核细胞中上调 在OP单核细胞中上调 在OP单核细胞中下调，靶向RANK 注：miRNA为微小RNA（microRNAs）；ATF4为转录活化因子4（acti‐ vating transcription factor 4）；IGF2 为胰岛素样生长因子 2（insulinlike growth factor-2）；MSCs 为 间 充 质 干 细 胞（mesenchymal stem cells）；OP 为骨质疏松（osteoporosis）；RANK为核因子κB受体激活因 子（receptor activator of nuclear factor κB）。 61
《体育科学》2020年(第40卷)第4期 谢调控、骨相关疾病的预防和诊断具有一定的学术防因衰老而产生的代谢性疾病( Lanza et al.2008)。其 价值 中,Sit1是细胞衰老、能量代谢和骨骼重塑3个环节的交 2.1运动通过调控DNA去甲基化促成骨生成 汇点(杨宜锜等,2019),可去乙酰化调节维持细胞干性的 缺乏身体锻炼或久坐不动的生活方式会增加人体罹关键转录因子SOx2( sex determining region Y-box2),进而 患骨代谢性疾病的风险,体育运动益于骨骼强健,这一点加快终末分化细胞重编效率,获得与骨髓间充质干细胞 在长期接受冲击性机械刺激训练的运动员的骨密度含量( bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCS)同等的多 显著高于常人中得以验证( Valente et a.,2018)。即使无向分化潜力( Mu et al.,2015);当 Sirtl表达受抑时,会诱导 法达到高水平的骨密度值,运动也会从表观遗传层面对 BMSCS中的SOX2发生乙酰化和泛素化,将其向核外输出 不同性别、年龄段群体各组织的DNA甲基化程度产生显后降解,严重阻遏 BMSCS的增殖和向成骨分化的能力 著效应,尤以40岁以上人群最为明显( Nakajima et a.,( Yoon et al.2014)。此外,Sirt还可直接与Runx2结合, 2010; Ronn et al.,2013)。尽管与运动相关的DNA甲基化促 BMSCS成骨并抑制其向脂肪分化( Backesjo et a 变化数量巨大( Remand et al..2016),也有研究论证了运2006; Tseng et al.2011);激活单磷酸腺苷活化蛋白激酶 动引起的基因启动子甲基化改变,对血细胞( White et al.,[ adenosine 5’- monophosphate(AMP)- activated protein ki 2013)、骨骼肌( He et a.,2018; Kanzleiter et al.,2015)、脑nase,AMPK]限制核因子kB抑制蛋白( inhibitor of Ne- 组织( Rodrigues et al.,2015)、脂肪组织( Ronn et al.,KB,IkB),下调核因子-KB( nuclear factor.-KB,NF-kB)活 2013)、肿瘤( Bryan et al.,2013)以及配子( Denham et al,性抑制骨吸收( Katto et al.2013; Shakibaei et al.02011); 2015)产生影响。但未见有运动影响骨组织DNA甲基化使骨硬化蛋白基因( sclerostin,SOST)启动子组蛋白H3第 的直接研究文献。但通过对245名10~13岁芬兰女青少9位赖氨酸残基去乙酰化,阻遏SOST负向调控成骨细胞 年的雌激素受体a( estrogen receptor a,ERa)基因Pvu多的功能( Cohenkfir et al.,2011)。在运动能否通过上调 Sirtl 态性和骨质量、骨形态进行分析后发现,每周体育活动时促进骨质代谢的研究中指出,长期规律性体育活动可上 间超过3h,对于杂合子基因型(Pp)个体的骨质量、骨密调 Sirtl活性,如8周的跑台运动激活Stl和叉头转录因 度及皮质骨厚度均有显著提升效果;而纯合子基因型(PP子FOXO3a( forkhead box o3a),形成Sirt1/FOXO3a活性复 和pp)的上述骨指标不会因运动量的增加出现明显变化。合物,恢复生长阻滞与DNA损伤基因( growth arrest and 这说明骨质状况是基因和环境共同作用的结果,而运动 DNA damage, GADDA45a)、锰超氧化物歧化酶(Mnsu- 可借助ERa基因Pvu多态性在一定程度上弥补杂合子 peroxide dismutase, MnSOd)和细胞周期蛋白D2( Cyclin 基因型个体“先天不足”的骨质状态( Suuriniemi et a.,D2)的含量,抑制细胞凋亡并容许DNA修复,以延缓衰老 2004)。 进程( Ferrara et a.,208)。 实际上,两性达到峰值骨量都需要雌激素( estrogen) 耐力运动可上调骨骼肌Si1表达量( Suwa et a. 的参与,也需要由ERa介导完成;ERa在结合雌激素反应2008),同时去乙酰化激活过氧化物酶体增殖活化受体y 元件( estrogen response element,ERE)后激活靶基因转录,辅助活化因子1a( asubunit of peroxisome proliferators-acti 影响骨的成熟和矿化。在成骨细胞中,ERa基因的表达 vated receptor- coactivator-1,PGC-1a),改善衰老引发的 主要与远端F区启动子CpG岛甲基化相关,并会因雌激素线粒体生物发生和氧化能力减退( Koltai et al.,2012)。 增多而降低甲基化程度( Penolazzi et al.,2004; Rubel et值得注意的是,PGC-1a可结合雌激素相关受体α(esto al.2016);此外,运动可通过提升绝经期女性雌激素水平 gen-related receptor,RRa),增强核受体转录激活,参与 来改善骨质( Gavin et al.,20l8; Stanton et al.,2018)。基雌激素调节的骨代谢;急性和有氧运动均可改善女性性 于成骨细胞ERa基因在雌激素作用下发生的启动子甲基激素水平( Stanton et al.,2018)。基于运动提高Sirt及雌 化状态改变,以及适量运动负荷与机体雌激素水平对骨激素水平的特点,结合体力活动提高NAD信号分子水 质的保护作用,推测出运动可能通过直接或间接地改变平,激活代谢传感器AMP依赖的蛋白激酶[ Adenosine ERa基因甲基化水平促成骨细胞正向生成 5-monophosphate(AMP )-activated protein kinase, AMPK] 22运动通过调控组蛋白修饰维持骨稳态 及Sint1l,引起靶蛋白磷酸化和去乙酰化的表观遗传改 表观遗传修饰中,组蛋白去乙酰化状态改变同样影响变,促进组织氧化重塑的作用( Jager et al.2007)。推测 骨重塑过程。以Ⅲ类组蛋白去乙酰化酶(HDAC-Ⅲ1)家族运动可通过作用于Sil上游因子,借助 NADJAMPK/ 中的长寿蛋白 Sirtuins( SIRTS)为例,人体7种 Sirtuin蛋白 Sirtl/PGC-α/雌激素相关受体α通路,调节表观遗传修 (sirt1-7)可依靠辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( nicotinamide饰,刺激骨代谢靶基因的生物合成,改善骨质疏松状 adenine dinucleotide,NAD)调节多种蛋白的乙酰化修饰态(图3)。 或ADP核糖基修饰。体育活动可通过提髙 SIRTS活性,预2.3运动通过调控非编码RNA影响骨代谢
《体育科学》2020 年（第 40 卷）第 4 期 谢 调 控 、骨 相 关 疾 病 的 预 防 和 诊 断 具 有 一 定 的 学 术 价值。 2.1 运动通过调控DNA去甲基化促成骨生成 缺乏身体锻炼或久坐不动的生活方式会增加人体罹 患骨代谢性疾病的风险，体育运动益于骨骼强健，这一点 在长期接受冲击性机械刺激训练的运动员的骨密度含量 显著高于常人中得以验证（Valente et al.，2018）。即使无 法达到高水平的骨密度值，运动也会从表观遗传层面对 不同性别、年龄段群体各组织的 DNA 甲基化程度产生显 著 效 应 ，尤 以 40 岁 以 上 人 群 最 为 明 显（Nakajima et al.， 2010；Rönn et al.，2013）。尽管与运动相关的 DNA 甲基化 变化数量巨大（Reimand et al.，2016），也有研究论证了运 动引起的基因启动子甲基化改变，对血细胞（White et al.， 2013）、骨骼肌（He et al.，2018；Kanzleiter et al.，2015）、脑 组 织（Rodrigues et al.，2015）、脂 肪 组 织（Rönn et al.， 2013）、肿瘤（Bryan et al.，2013）以及配子（Denham et al.， 2015）产生影响。但未见有运动影响骨组织 DNA 甲基化 的直接研究文献。但通过对 245 名 10～13 岁芬兰女青少 年的雌激素受体 α（estrogen receptor α，ERα）基因 PvuII 多 态性和骨质量、骨形态进行分析后发现，每周体育活动时 间超过 3 h，对于杂合子基因型（Pp）个体的骨质量、骨密 度及皮质骨厚度均有显著提升效果；而纯合子基因型（PP 和 pp）的上述骨指标不会因运动量的增加出现明显变化。 这说明骨质状况是基因和环境共同作用的结果，而运动 可借助 ERα 基因 PvuII 多态性在一定程度上弥补杂合子 基 因 型 个 体“ 先 天 不 足 ”的 骨 质 状 态（Suuriniemi et al.， 2004）。 实际上，两性达到峰值骨量都需要雌激素（estrogen） 的参与，也需要由 ERα 介导完成；ERα 在结合雌激素反应 元件（estrogen response element，ERE）后激活靶基因转录， 影响骨的成熟和矿化。在成骨细胞中，ERα 基因的表达 主要与远端 F 区启动子 CpG 岛甲基化相关，并会因雌激素 增 多 而 降 低 甲 基 化 程 度（Penolazzi et al.，2004；Tübel et al.，2016）；此外，运动可通过提升绝经期女性雌激素水平 来改善骨质（Gavin et al.，2018；Stanton et al.，2018）。基 于成骨细胞 ERα 基因在雌激素作用下发生的启动子甲基 化状态改变，以及适量运动负荷与机体雌激素水平对骨 质的保护作用，推测出运动可能通过直接或间接地改变 ERα 基因甲基化水平促成骨细胞正向生成。 2.2 运动通过调控组蛋白修饰维持骨稳态 表观遗传修饰中，组蛋白去乙酰化状态改变同样影响 骨重塑过程。以 III 类组蛋白去乙酰化酶（HDAC-III）家族 中的长寿蛋白 Sirtuins（SIRTs）为例，人体 7 种 Sirtuin 蛋白 （Sirt1-7）可依靠辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+ ）调节多种蛋白的乙酰化修饰 或 ADP 核糖基修饰。体育活动可通过提高 SIRTs 活性，预 防因衰老而产生的代谢性疾病（Lanza et al.，2008）。其 中，Sirt1 是细胞衰老、能量代谢和骨骼重塑 3 个环节的交 汇点（杨宜锜 等，2019），可去乙酰化调节维持细胞干性的 关键转录因子 SOX2（sex determining region Y-box 2），进而 加快终末分化细胞重编效率，获得与骨髓间充质干细胞 （bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）同等的多 向分化潜力（Mu et al.，2015）；当 Sirt1 表达受抑时，会诱导 BMSCs 中的 SOX2 发生乙酰化和泛素化，将其向核外输出 后降解，严重阻遏 BMSCs 的增殖和向成骨分化的能力 （Yoon et al.，2014）。此外，Sirt1 还可直接与 Runx2 结合， 促 BMSCs 成 骨 并 抑 制 其 向 脂 肪 分 化（Bäckesjö et al.， 2006；Tseng et al.，2011）；激活单磷酸腺苷活化蛋白激酶 ［adenosine 5’-monophosphate（AMP）-activated protein ki‐ nase，AMPK］限 制 核 因 子 κB 抑 制 蛋 白（inhibitor of NF- κB，IκB），下调核因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）活 性抑制骨吸收（Katto et al.，2013；Shakibaei et al.，2011）； 使骨硬化蛋白基因（sclerostin，SOST）启动子组蛋白 H3 第 9 位赖氨酸残基去乙酰化，阻遏 SOST 负向调控成骨细胞 的功能（Cohenkfir et al.，2011）。在运动能否通过上调 Sirt1 促进骨质代谢的研究中指出，长期规律性体育活动可上 调 Sirt1 活性，如 8 周的跑台运动激活 Sirt1 和叉头转录因 子 FOXO3a（forkhead box O3a），形成 Sirt1/FOXO3a 活性复 合物，恢复生长阻滞与 DNA 损伤基因（growth arrest and DNA damage，GADDA45a）、锰超氧化物歧化酶（Mn su‐ peroxide dismutase，MnSOD）和细胞周期蛋白 D2（Cyclin D2）的含量，抑制细胞凋亡并容许 DNA 修复，以延缓衰老 进程（Ferrara et al.，2008）。 耐 力 运 动 可 上 调 骨 骼 肌 Sirt1 表 达 量（Suwa et al.， 2008），同时去乙酰化激活过氧化物酶体增殖活化受体 γ 辅助活化因子 1α（αsubunit of peroxisome proliferators-acti‐ vated receptor- γcoactivator-1，PGC-1α），改善衰老引发的 线 粒 体 生 物 发 生 和 氧 化 能 力 减 退（Koltai et al.，2012）。 值得注意的是，PGC-1α 可结合雌激素相关受体 α（estro‐ gen-related receptorα，ERRα），增强核受体转录激活，参与 雌激素调节的骨代谢；急性和有氧运动均可改善女性性 激素水平（Stanton et al.，2018）。基于运动提高 Sirt1 及雌 激素水平的特点，结合体力活动提高 NAD+信号分子水 平 ，激 活 代 谢 传 感 器 AMP 依 赖 的 蛋 白 激 酶［Adenosine 5’-monophosphate（AMP）-activated protein kinase，AMPK］ 及 Sirt1，引 起 靶 蛋 白 磷 酸 化 和 去 乙 酰 化 的 表 观 遗 传 改 变，促进组织氧化重塑的作用（Jäger et al.，2007）。推测 运 动 可 通 过 作 用 于 Sirt1 上 游 因 子 ，借 助 NAD+ /AMPK/ Sirt1/PGC-1α/雌激素相关受体 α 通路，调节表观遗传修 饰 ，刺 激 骨 代 谢 靶 基 因 的 生 物 合 成 ，改 善 骨 质 疏 松 状 态（图 3）。 2.3 运动通过调控非编码RNA影响骨代谢 62
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