microRNA在骨骼肌發(fā)育中的功能及其表達(dá)的營(yíng)養(yǎng)調(diào)控

黃志清 陳小玲 余 冰 毛湘冰 陳代文

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)研究所，教育部動(dòng)物抗病營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，雅安 625014)

microRNA(miRNA)是真核生物中一類約22 bp的非編碼RNA，近年來發(fā)現(xiàn)它是基因表達(dá)重要的調(diào)節(jié)因子。對(duì)miRNA功能研究和表達(dá)分析在不同物種間已經(jīng)迅速展開，miRNA成為了當(dāng)前生物學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。研究證實(shí)，miRNA在肌肉發(fā)育和肌細(xì)胞增殖與分化中發(fā)揮了關(guān)鍵性的調(diào)控作用[1，2]，這為復(fù)雜的肌肉生物學(xué)研究注入了新的血液。miRNA的異常表達(dá)常見于包括骨骼肌肥大和肌萎縮等肌肉疾病中[3-4]，暗示miRNA在肌肉疾病中也扮演著重要的角色。近年來研究表明，營(yíng)養(yǎng)也可以調(diào)控 miRNA的表達(dá)[5-6]，這對(duì)營(yíng)養(yǎng)素作用的分子機(jī)制研究提供了新的思路。本文就miRNA在骨骼肌發(fā)育中的功能及其營(yíng)養(yǎng)調(diào)控作一綜述。

1 miRNA的結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制

miRNA為一長(zhǎng)約22個(gè)核苷酸的單鏈小分子RNA，由一段具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)長(zhǎng)為70～80個(gè)核苷酸的前體 RNA(pre-miRNA)經(jīng) Dicer酶剪切后生成[7]，它廣泛存在于各種生物中。迄今，miRNA數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.mirbase.org)收錄了各種生物的miRNA共15 172條，其中人1 048條，小鼠672條，大鼠408條，豬211條，牛662條，綿羊4條，雞499條。各物種新的miRNA還在不斷地被克隆和發(fā)現(xiàn)。通過比較發(fā)現(xiàn)，多數(shù)miRNA在不同物種間高度保守。正是miRNA的這種廣泛存在和進(jìn)化上的高度保守，暗示著它在生命活動(dòng)中發(fā)揮著關(guān)鍵的調(diào)控作用。據(jù)預(yù)測(cè)，大約1/3的人類基因受miRNA的調(diào)控。

miRNA通過與其靶mRNA的3'非翻譯區(qū)(3'-UTR)互補(bǔ)配對(duì)，從而在轉(zhuǎn)錄后水平發(fā)揮基因表達(dá)調(diào)控功能[8]。miRNA調(diào)控基因表達(dá)的方式主要有靶mRNA的降解和靶mRNA在細(xì)胞質(zhì)中的翻譯受阻這2種，前者導(dǎo)致靶mRNA數(shù)量減少而后者并不改變靶mRNA豐度。動(dòng)物中絕大多數(shù)的miRNA與其靶mRNA形成不完全配對(duì)并通過翻譯受阻機(jī)制發(fā)揮作用[9]，但有些miRNA也可以在不完全配對(duì)的情況下介導(dǎo)靶mRNA的降解[10]。

2 骨骼肌miRNA在不同動(dòng)物中的表達(dá)譜

miRNA的表達(dá)具有組織和發(fā)育階段特異性，不同的組織表達(dá)不同的miRNA，不同的發(fā)育階段有不同的miRNA表達(dá)。Cardinali等[11]通過比較處于增殖階段的成肌細(xì)胞和被分化成肌管的miRNA表達(dá)譜，發(fā)現(xiàn)miR-221和 miR-222在禽類和哺乳動(dòng)物成肌細(xì)胞分化過程中顯著下調(diào)，并證實(shí)了miR-221和miR-222通過其靶基因——細(xì)胞周期抑制蛋白基因(p27)的表達(dá)來調(diào)控骨骼肌細(xì)胞的分化和成熟。McDaneld等[12]研究了胎豬(妊娠第60、90和105天)、新生仔豬和肥育豬骨骼肌組織以及豬骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞中的miRNA表達(dá)豐度，結(jié)果表明，miR-206不存在于骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞，但在其他時(shí)期表達(dá)豐富;miR-1在肥育期表達(dá)量最高，而在其他時(shí)期呈中等表達(dá)水平;miR-133在肥育期中等表達(dá)，而在胚胎期和新生仔豬中低表達(dá);miR-432在妊娠第60天時(shí)表達(dá)水平最高，隨后逐漸下降;miR-24和miR-27在骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞和肥育豬中表達(dá)量最高，而 miR-368、miR-376和miR-423-5p在新生仔豬中表達(dá)量最高。Zhou等[13]研究了妊娠第90天胎豬和120日齡豬背最長(zhǎng)肌中miRNA表達(dá)譜，結(jié)果表明，妊娠第90天的胎豬中 miR-1826、miR-26a、miR-199b和 let-7的表達(dá)豐富，而 120日齡豬 中 miR-1a、miR-133a、miR-26a和miR-1826的表達(dá)豐富。

3 miRNA對(duì)骨骼肌發(fā)育的調(diào)控

骨骼肌肌生成需要許多事件相互配合，包括細(xì)胞退出細(xì)胞周期、肌肉特異性蛋白的表達(dá)、融合成多核的肌管、裝備成有收縮特性的肌纖維。miRNA被證實(shí)在骨骼肌發(fā)育和調(diào)控骨骼肌細(xì)胞增殖和分化方面發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用。miR-1和miR-133是肌肉特異的2種miRNA，雖然它們位于染色體的相鄰位置且常同時(shí)表達(dá)，但在調(diào)控成肌細(xì)胞增值和分化過程中有著不同的功能。miR-1促進(jìn)成肌細(xì)胞分化，抑制成肌細(xì)胞增殖，而miR-133則相反[14]。miR-206是另一個(gè)肌肉特異的miRNA，它通過下調(diào)DNA聚合酶α水平，導(dǎo)致DNA合成受抑制以及成肌細(xì)胞增殖停止，因而促進(jìn)成肌細(xì)胞分化[15]。骨骼肌miRNA的表達(dá)常受肌細(xì)胞生成素(MyoD)家族和肌細(xì)胞增強(qiáng)子因子2(Mef2)等肌肉關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控[16，17]。有研究表明，miR-1和miR-133中含有這些轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合區(qū)域，如 Mef2和 MyoD能與 miR-1和miR-133結(jié)合，進(jìn)而促進(jìn)這些miRNA在骨骼肌中的特異性表達(dá)[18]。

出生后骨骼肌的正常發(fā)育和再生修復(fù)主要依賴于成體干細(xì)胞，即骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞。配對(duì)盒基因7(Pax7)在骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞存活、自我更新和增殖中發(fā)揮了重要作用。Chen等[19]研究衛(wèi)星細(xì)胞由增殖向分化轉(zhuǎn)變過程中Pax7表達(dá)變化時(shí)，發(fā)現(xiàn)miR-1和miR-206在骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞分化過程中顯著上調(diào)，通過熒光素酶報(bào)告基因分析實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了 Pax7是 miR-1和 miR-206的靶基因[19]。抑制miR-1和miR-206表達(dá)增強(qiáng)了骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖和增加了Pax7蛋白水平，相反，持續(xù)表達(dá)Pax7降低了miR-1和miR-206的水平并顯著抑制了骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的分化[19]。這些結(jié)果揭示，miRNA與其靶基因間的相互作用，允許基因表達(dá)程序快速由增殖向分化轉(zhuǎn)變。

除肌肉特異的miRNA外，非肌肉特異表達(dá)的miRNA也參與了骨骼肌發(fā)育的調(diào)控。miR-181在小鼠成肌細(xì)胞系C2C12細(xì)胞分化過程中顯著上調(diào)[20]，提示miR-181可能參與成肌細(xì)胞分化的調(diào)節(jié)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，miR-181通過下調(diào)其靶基因——同源異性盒家族(Hox-A11，一種成肌細(xì)胞分化阻遏物)基因的表達(dá)促進(jìn)成肌細(xì)胞分化[20]。此外，miR-26a也被發(fā)現(xiàn)通過下調(diào)其靶基因——zeste基因增強(qiáng)子同源物基因(Ezh2)的表達(dá)促進(jìn)成肌細(xì)胞分化[21]。miR-27b在分化的胚胎肌節(jié)和激活的骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞中均有表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，在骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞中，miR-27b通過下調(diào)其靶基因——配對(duì)盒基因子(Pax3)的表達(dá)確保細(xì)胞正常進(jìn)入成肌分化程序[22]。上述研究表明，肌肉特異的和非肌肉特異表達(dá)的miRNA在骨骼肌發(fā)育中發(fā)揮了重要的作用。

4 miRNA與骨骼肌疾病的關(guān)系

骨骼肌功能失調(diào)引發(fā)的主要疾病包括肌肉痿縮、肌肉肥大、炎性肌病和先天性肌病。這些疾病主要通過臨床和病理特征定義，但引起這些疾病的分子機(jī)制目前還不清楚。研究認(rèn)為，骨骼肌疾病如肌肉痿縮可能與miRNA的表達(dá)異常有關(guān)。McCarthy等[23]研究了miRNA在小鼠骨骼肌中的表達(dá)情況，同時(shí)考察了小鼠后肢懸掛引起的肌肉痿縮能否改變這些miRNA的表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，后肢懸掛2和7 d后，肌肉特異的miR-1、miR-133和miR-206的表達(dá)水平并未改變，而miR-499的表達(dá)水平顯著下調(diào)，并推測(cè)其機(jī)制可能是通過miR-499間接調(diào)控β-肌動(dòng)蛋白重鏈的抑制子(Sox6)表達(dá)引起的。另有研究表明，miRNA與骨骼肌肥大存在直接的遺傳學(xué)聯(lián)系[24]。體內(nèi)腹腔注射氯胺酮和甲苯噻嗪引起小鼠骨骼肌肥大，采用實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)檢測(cè)體內(nèi)miRNA的表達(dá)變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)骨骼肌特異的miR-1和miR-133a的表達(dá)呈現(xiàn)顯著下調(diào)[25]，表明骨骼肌特異的miRNA可能對(duì)骨骼肌肥大也起著調(diào)控作用。由此可見，miRNA可作為骨骼肌疾病治療的潛在靶標(biāo)。今后研究需進(jìn)一步鑒定并挖掘參與發(fā)病的miRNA以及闡明這些miRNA在骨骼肌發(fā)病機(jī)制中的作用。

5 miRNA表達(dá)的營(yíng)養(yǎng)調(diào)控

近年來研究表明，營(yíng)養(yǎng)不僅可以調(diào)控骨骼肌發(fā)育關(guān)鍵基因的表達(dá)，還可以調(diào)控miRNA的表達(dá)[5，6]。肌肉生長(zhǎng)抑制素(myostatin)是負(fù)調(diào)控骨骼肌生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)鍵的細(xì)胞因子。Drummond等[5]研究了由8種必需氨基酸混合劑對(duì)人骨骼肌中miRNA和myostatin等表達(dá)的影響，發(fā)現(xiàn)miR-499、miR-208b、miR-23a、miR-1 和 miR-206 的表達(dá)量顯著增加，而myostatin的表達(dá)量顯著下降[5]。除必需氨基酸外，也發(fā)現(xiàn)不飽和脂肪酸能夠調(diào)控miRNA的表達(dá)[6]。盡管目前關(guān)于營(yíng)養(yǎng)調(diào)控miRNA表達(dá)的研究鮮有報(bào)道，但隨著國(guó)內(nèi)外營(yíng)養(yǎng)學(xué)領(lǐng)域研究者對(duì)miRNA的關(guān)注，miRNA也將成為營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究的熱點(diǎn)。

6 小結(jié)

與新miRNA的頻頻發(fā)現(xiàn)相比，miRNA的功能研究相對(duì)緩慢，目前只有一小部分miRNA的生物學(xué)功能得到闡明。盡管miRNA被發(fā)現(xiàn)參與了骨骼肌發(fā)育的調(diào)控，但其作用的分子機(jī)理目前還不完全清楚。營(yíng)養(yǎng)被證實(shí)可以調(diào)控miRNA及其靶基因的表達(dá)，這將為更深層次詮釋營(yíng)養(yǎng)素的作用機(jī)理提供新的研究方向。

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