MicroRNAs(miRNAs)是在真核生物中发现的一类内源性的具有调控功能的非编码RNA，其大小约20～22个核苷酸。通常与靶基因的3’端非编码区(3’-untranslatedregions,3’-UTR)结合从而调节靶基因的表达。miRNAs由聚合酶II介导转录形成初级microRNA，长度为300～1000个碱基；然后经过核糖核酸酶III加工生成前体，长度为70～90个碱基；最终由RNaseIII家族成员核糖核酸内切酶(Dicer)加工成成熟microRNA，长度为20～22个碱基[1]。研究表明，microRNA的发夹结构及其加工后形成的有5’-磷酸基和3’-羟基均可以靶向不同的mRNA，具有生物学功能的microRNA远远多于pre-miR[2]。

线粒体为细胞内双层膜包裹，位于胞浆，是细胞内的“能量工厂”，是细胞代谢活动的关键细胞器，也是自由基生成和降解的重要细胞器。线粒体为高度动态变化的细胞器，具有多形性、可变性、运动性和适应性的特点，其数量和形状因细胞类型及功能状态的不同而有差异。通常情况下线粒体大多为卵圆形或棒状，卵圆形线粒体直径为0.5～1.0µm，棒状线粒体长度为1.5～3.0µm，在新陈代谢旺盛以及能量需求旺盛的区域大量聚积[3]。

线粒体含有自己特定的DNA，线粒体中的DNA称之为线粒体DNA。人mtDNA为双链环状DNA，大小为16.5Kb，编码37个基因，其中13个基因产物为线粒体呼吸链复合物亚基，介导呼吸链中电子传递；另外24个基因产物为RNA(22个tRNA,2个rRNA)。线粒体双链环状DNA中非编码区域为D-环，为转录起始位点[4]。

研究表明，microRNA可通过多种途径调节靶基因的表达，调节细胞的生物学行为，包括细胞有丝分裂、运动和活力、脂质代谢、炎症介质的产生和失调的蛋白水解[5]。近来的研究表明，microRNA对线粒体的生物学行为有着重要的调节作用[6]。本综述通过探讨microRNA与线粒体生物合成、线粒体动力学、线粒体能量代谢、线粒体钙稳态、线粒体自噬间的关系及其调节机制，综述microRNA调节线粒体功能的研究进展。

1、MiRNA与线粒体生物合成

线粒体的生物合成是细胞内线粒体合成的主要方式，是线粒体自我更新和损伤修复的机制之一。在细胞受到应激信号或环境信号刺激时，线粒体生物合成被激活。研究表明，较高的线粒体拷贝数(或更高的线粒体质量)对细胞具有保护作用。线粒体的生物合成需要线粒体基因及核基因的共同作用，核基因编码和合成的线粒体蛋白通过转位酶穿过外膜，再通过氧化折叠途径进入膜间隙。

研究发现，在线粒体的生物合成中，过氧化物酶体增殖物激活受体γ和转录共激活因子家族成员过氧化物酶体增殖物激活受体-1α是关键的调节因子[7]。miR-29缺失将上调PGC-1α的表达，导致线粒体合成异常，导致大量的小线粒体病理性堆积，表明miR-29具有调节线粒体生物合成的功能。随之发现，miR-29a/b1缺失的小鼠易发生血管重塑和系统性高血压，伴随有心肌纤维化、舒张功能障碍以及保留射血分数异常的心衰，并且导致小鼠过早死亡。然而，敲除PGC-1α能减少miR-29-/-小鼠心脏线粒体的积累，并改善由于miR-29缺失引起的系统性高血压以及HFpEF，延长miR-29突变小鼠的寿命[8]。Lemecha等[9]研究发现，miR-494-3p能调节脂肪形成和褐变过程中的线粒体生物合成，褐变期间miR-494-3p表达减少，减轻了对靶基因PGC-1α表达的抑制，上调了线粒体的生物合成和产热。

研究发现，在重症监护室获得性肌无力患者的股四头肌中，miR-542-3p和miR-542-5p含量明显增加，升高的miR-542-3p/5p通过靶向结合线粒体核糖体蛋白，减少线粒体蛋白翻译，从而介导ICUAW中线粒体的生物合成以及肌肉功能障碍[10]。

2、MiRNA与线粒体动力学

线粒体动力学即线粒体通过分裂和融合，调节线粒体形态、分布和功能，从而满足宿主细胞的各种需求，以响应能量和环境的变化。在哺乳动物中，线粒体融合和分裂受动力蛋白家族GTP酶调控。线粒体分裂过程由胞浆动力蛋白家族成员线粒体动力相关蛋白1(dynamic-relatedprotein1,Drp1)起作用，该蛋白在线粒体外周形成收缩带，通过收缩带的收缩以破坏线粒体的外膜和内膜，从而介导线粒体的分裂。线粒体的融合过程由多个膜锚定的动力蛋白起作用，其中线粒体融合蛋白1和线粒体融合蛋白2(mitofusin2,Mfn2)介导线粒体外膜的融合，视神经萎缩蛋白1介导线粒体内膜的融合[11]。线粒体动力学与线粒体功能以及细胞的命运密切相关，线粒体融合抑制细胞凋亡，而线粒体分裂促进细胞凋亡[12]。

Du等[13]发现，化疗药物多柔比星(Dox)诱导的心脏毒性模型中miR-23a表达上调，miR-23a模拟物显著抑制其靶基因PGC-1α的表达，miR-23a抑制剂抑制Drp-1的表达及其磷酸化修饰，而对Mfn-2的表达无明显影响，表明miR-23a能够促进Dox诱导的心肌细胞线粒体损伤。通过靶向PGC-1α/p-Drp1抑制miR-23a的活性可以减弱心肌细胞损伤，从而抑制线粒体依赖性心肌细胞凋亡。Wang等[14]研究发现，转录因子E2F1(调节心脏功能的关键基因，主要影响心肌细胞代谢)上调miR-421的表达，miR-421靶向抑制Pink1(靶向线粒体的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶)，从而促进心肌细胞中线粒体的分裂，导致心肌细胞凋亡和心肌梗塞。Chen等[15]研究发现，ST段抬高型心肌梗死(ST-segmentelevationmyocardialinfarction,STEMI)患者外周血内皮祖细胞中miR-324-5p的表达水平显著降低，从而降低了对其靶蛋白线粒体分裂调节蛋白1的抑制作用，抑制线粒体片段化，维持膜电位和ATP水平，抑制氧化应激诱导的内皮祖细胞的凋亡。在内皮祖细胞中过表达miR-324-5p后，miR-324-5p通过下调下游靶基因Mtfr1的表达进而抑制线粒体的分裂以及细胞凋亡，从而修复受损内皮祖细胞的功能。这些研究表明，miRNA通过调节线粒体的分裂从而调节心肌细胞的凋亡，在心血管疾病的发生发展过程中起重要的作用，调控相关miRNA及其介导的线粒体动力学改变可能为心血管疾病的有效防治提供新的策略和靶点。

Mao等[16]研究发现，miR-30a上调减少II型肺泡上皮细胞Drp-1的表达和易位，抑制依赖于Drp-1的线粒体分裂，抑制AECs-II细胞凋亡，抑制肺纤维化。Pan等[13]研究表明，miR-125a通过促进电子传递链复合物的活性来增强线粒体依赖性能量代谢，抑制线粒体分裂减少碎片化的线粒体。进一步的研究发现，低浓度的miR-125a上调Mfn2转录和表达，促进线粒体合成，抑制线粒体分裂，保留线粒体膜电位，抑制线粒体通透性孔过度开放，抑制细胞色素C进入胞浆，从而阻断线粒体相关的凋亡途径，有助于PANC1细胞(胰腺癌细胞)存活。这些研究表明，虽然通过miRNA途径抑制线粒体分裂有助于抑制细胞凋亡、促进细胞存活，但在不同的疾病发生、发展过程中扮演着不同的生物学作用。

3、MitomiR与线粒体能量代谢

指的是转移到线粒体中并且具有功能活性的miRNA，位于线粒体区室内，被称为线粒体miRNA或mitomiR。研究发现，在肌细胞的胞质和线粒体基质中同时存在miR-1。miR-1与不同的靶基因结合，参与不同的生物学过程调控。在胞质中，miR-1、Ago2(Argonaute2,miR-1的靶基因识别蛋白)和GW182(miR-1的功能分子伴侣蛋白)家族蛋白组成的RNA诱导的沉默复合体能抑制靶基因转录。但是，当肌细胞处于生长或分化等特殊时期，需要额外的能量供给，miR-1和Ago2蛋白进入到线粒体基质，但GW182家族蛋白无法一同进入，且mtDNA所转录的mRNA没有5’帽子结构，线粒体内miR-1-Ago2复合体结合到烟酰胺腺嘌呤二核苷酸脱氢酶1、细胞色素C氧化酶基因1等基因的mRNA上，增强它们的翻译能力，提高ND1、COX1蛋白质的表达量，进一步促进氧化磷酸化系统募集，提供更多能量[17]。因此，Ago2可以作为关键的线粒体翻译起始因子起作用，以促进核糖体mRNA相互作用。对肝脏的研究发现：Ago2调节miR-802、miR-103/107和miR-148a/152等miRNA的表达，抑制包括Hnf1β、Cav1和Ampka1等在内的调节葡萄糖和脂质代谢基因的表达，引起肝代谢紊乱。肝特异性Ago2缺失能增强线粒体氧化及ATP消耗，导致AMPK活化，抑制肥胖。表明Ago2通过miRNA调节能量代谢过程，并且在肥胖相关疾病的代谢调节中起着重要作用[18]。

心脏是体内高能耗器官，对能量需求大，线粒体是心脏能量供应的主要来源。心肌细胞中线粒体占细胞总容积的40%～60%。miR-181c在细胞核中编码，在细胞质中组装，最后易位到线粒体中。miR-181c的过表达不改变线粒体DNA编码蛋白COX1mRNA的表达，但显著降低COX1蛋白质的水平，表明miR-181c对mt-COX1主要进行翻译水平的调节。此外，miR-181c过表达上调了线粒体DNA编码蛋白COX2mRNA和蛋白质的表达，最终导致电子传递链复合物IV重塑并改变线粒体功能。miR-181c的过表达促进了新生大鼠心室肌细胞线粒体呼吸和ROS产生。这些结果表明，细胞核miRNA与线粒体DNA间存在表观遗传调控，miR-181c可以进入并靶向线粒体基因组，从而调节线粒体的功能以及能量代谢过程[19]。

MitomiR-2392通过特异性识别线粒体H链中的靶序列并以细胞特异性方式部分抑制mtDNA转录，介导线粒体能量代谢重编程。通过下调线粒体氧化磷酸化和上调糖酵解来增强舌鳞状细胞癌(TSCC)细胞的化疗耐受性，影响了TSCC患者的化疗敏感性和总生存率[16,20]。miR-450a是卵巢癌中最显著下调的miRNA之一，miR-450a抑制线粒体膜内含蛋白1的易位酶、MT-ND2、ACO2和ATP5B的表达，降低线粒体膜电位但增加对葡萄糖的摄取，抑制上皮-间质转化的信号通路，抑制肿瘤迁移和侵袭[21]。

这些结果表明：mitomiRs可以通过靶向线粒体中存在的核编码基因或通过靶向线粒体编码基因来翻译后调节线粒体部分的基因功能，在线粒体能量代谢及调节过程中起着非常重要的作用。

4、MiRNA与线粒体钙稳态调节

线粒体除产生ATP外，还调控许多代谢途径和信号级联如：氧化还原平衡、脂肪酸的β-氧化、氨基酸的合成、血红素和类固醇的合成，以及细胞凋亡。线粒体也是细胞钙(Ca2+)的主要储存中心，Ca2+稳态是多种细胞活动的基础——控制氧化磷酸化(OXPHOS)，调节细胞溶质Ca2+([Ca2+]细胞)信号，细胞死亡、分泌和活性氧(ROS)的产生。另外的研究[22]已经证明线粒体[Ca2+]作为多效信号能够调节细胞生理学的许多基本功能。线粒体[Ca2+]浓度约为10-7mol/L，它是线粒体Ca2+流入与流出两个连续和相反过程之间动态平衡的结果。线粒体[Ca2+]在能量代谢过程中促进三羧酸(TCA)循环，增强了还原底物NADH和FADH2的合成、电子传递链(ETC)活性以及H+泵的作用。线粒体基质脱氢酶α-酮戊二酸脱氢酶(α-KGDH)和异柠檬酸脱氢酶(ICDH)受Ca2+的直接结合调节，而丙酮酸脱氢酶(PDH)受Ca2+依赖性磷酸酶(PDP1)调节[23]。

线粒体钙单向转运体促进Ca2+积聚到线粒体基质中。研究表明，miR-25靶向调节MCU,HeLa细胞中miR-25过表达显著降低了MCU水平和线粒体的Ca2+摄取；但线粒体其他生物学行为和细胞溶质Ca2+信号没有受到明显影响。miR-25依赖性线粒体Ca2+摄取的减少抑制癌细胞凋亡，有利于癌细胞存活[24]。

5、MiRNA与线粒体自噬

线粒体受损和功能失调将导致包括神经退行性疾病和癌症等在内的一系列人类疾病。清除功能失调的线粒体对于线粒体的质量维持和有效的能量供应存活是必不可少的。受损的线粒体主要通过两个生物学过程降解：泛素-蛋白酶体系统和线粒体自噬。其中线粒体自噬途径选择性地清除受损的线粒体。在线粒体自噬过程中，Parkin结合磷酸化PINK1被招募至线粒体，启动线粒体自噬过程。线粒体外膜蛋白FUNDC是缺氧诱导的线粒体自噬的受体，FUNDC1通过其典型的LC3结合基序Y(18)xxL(21)与LC3相互作用，缺氧诱导FUNDC1的去磷酸化并增强其与LC3的相互作用以激活选择性线粒体自噬。

在2型糖尿病的血管并发症中miR-4463下调，从而直接增强蛋白磷酸酶1靶调节亚基表达来促进PTEN核定位，随后在高糖和/或缺氧条件下激活人脐静脉血管内皮细胞中的AKT信号传导途径，诱导线粒体自噬，从而抑制血管内皮细胞凋亡[25]。在心脏缺血再灌注损伤小鼠模型中，miR-410的表达显著上调。miR-410可通过直接靶向高迁移率蛋白B1(highmobilitygroupbox-1,HMGB1)，调节HMGB1活性来抑制心脏I/R损伤后的线粒体自噬。miR-410过表达进一步抑制心肌细胞活力、ATP产生、线粒体膜电位和线粒体自噬水平；并增加caspase-3活性，Bax表达和细胞色素C释放，促进心肌细胞的凋亡[26]。这些结果表明，miRNA及其介导的线粒体自噬途径，在心血管疾病的发生发展过程中起着重要的调节作用，是心血管疾病防治的新靶点。

面神经炎中肿瘤坏死因子α通过降低BCL2相互作用蛋白3(Bnip3)的表达来抑制线粒体自噬，诱导SH-SY5Y细胞(神经母细胞瘤细胞)的凋亡。Bnip3过表达通过保留线粒体膜电位，减少细胞色素C泄漏和抑制线粒体通透性转换孔开放来维持线粒体功能。miR-145是Bnip3依赖性线粒体自噬的上游调节因子。miR-145抑制Bnip3转录和表达，导致线粒体自噬抑制；相反，抑制miR-145逆转了线粒体自噬活性，在TNFα介导的炎症损伤情况下促进SH-SY5Y细胞存活[27]。该研究提示，Bnip3依赖的线粒体自噬为维持线粒体稳态和SH-SY5Y细胞存活的防御机制之一，miR145/Bnip3/线粒体自噬轴是临床实践中治疗面神经炎的潜在靶标。

Li等[28]发现，血清饥饿通过下调线粒体相关蛋白电压依赖性阴离子通道1和诱导miR-320a和转录因子cAMP反应元件结合蛋白1的表达来增强宫颈癌细胞线粒体自噬。具体而言，血清饥饿诱导CREB1表达，进而激活miR-320a表达，然后下调VDAC1表达以促进线粒体自噬。作者认为血清饥饿通过miR-320a改善C33A宫颈癌细胞的增殖，miR-320a延长了宫颈癌细胞的存活率，抑制VDAC1的表达增强了线粒体自噬。

6、结论和展望

线粒体为细胞的能量工厂，线粒体功能在细胞能量代谢中起重要作用，在细胞的代谢、存活、表型转变等多个生物学过程中起着重要的调节作用，多种疾病以及衰老都与线粒体功能减弱有关。总体而言，线粒体分裂能减少细胞能量合成、抑制细胞自噬、促进细胞凋亡、促进细胞死亡；而线粒体融合则增加细胞能量合成、改善细胞自噬、抑制细胞凋亡、促进细胞存活。miRNA通过与其靶基因的结合，在线粒体形态、结构以及功能的调节中发挥着重要作用，调节着线粒体多个生物学功能(表1)。深入探讨miRNA调节线粒体形态、结构、功能和自噬的分子机制，将有助于深入了解线粒体障碍相关疾病的发病机制，从而有助于探索有效防治相关疾病的新方案和新策略。

表1miRNA对线粒体生物学功能的影响

谭佳,肖晨,陈金娜,危当恒.miRNA调控线粒体功能的研究进展[J].生命的化学,2020,40(02):250-255.

基金:国家自然科学基金项目(31670962).