miRNA在脂代謝中的研究進展

王來娣 鄭 云 蔣拾貝 王星果 張 軍 龔道清

(揚州大學(xué)動物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院揚州 225009)

脂肪是能量貯存最主要的形式。在家禽生產(chǎn)中，脂肪對維持生命、生長和生產(chǎn)是不可缺少的。但是，在我們追求體重和生長速度的同時，家禽也沉積了過多的體脂，給生產(chǎn)帶來一些負(fù)面效應(yīng)，如肉禽飼料轉(zhuǎn)化率、胴體品質(zhì)及蛋禽產(chǎn)蛋率、受精率和孵化率均有明顯降低［1］。在奶牛生產(chǎn)中，乳脂是牛奶重要的營養(yǎng)成分，也是衡量牛奶質(zhì)量高低的主要指針之一［2］，眾多學(xué)者開展了關(guān)于影響乳脂率的因素以及提高乳脂率方法的研究。對于養(yǎng)豬業(yè)而言，調(diào)控脂代謝是提高胴體瘦肉率的有效途徑之一［3］，多年來，國內(nèi)外的學(xué)者在豬脂肪沉積、合成、運輸和分解等方面作了大量的研究。而人類由于脂代謝障礙導(dǎo)致的心血管類疾病等在世界范圍內(nèi)的發(fā)病率都很高，細胞中膽固醇不足或過多都會引起一些病理學(xué)過程，包括動脈粥樣硬化以及代謝綜合征［4－5］。由此可見脂代謝研究無論在動物生產(chǎn)還是人類疾病方面都有重要意義。

miRNA是一類長度約22個核苷酸的內(nèi)源性非編碼單鏈RNA，在細胞增殖、分化、凋亡和腫瘤發(fā)生等基本生物過程中起著不同作用，是基因表達的重要調(diào)控因子［6］。miRNA廣泛存在于植物和動物等生物體中，具有一定的保守性，有一些miRNA廣泛存在于各種生物體或組織，而有一些miRNA存在于某種特定生物體或組織。通常一種miRNA可以調(diào)控成百種mRNA，一種mRNA可以由成百種miRNA調(diào)控，這樣miRNA在生物體內(nèi)構(gòu)成一個極其復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控系統(tǒng)，從而發(fā)揮著重要作用［7－9］。關(guān)于脂代謝，miRNA 主要是通過抑制脂代謝相關(guān)基因的翻譯來影響脂肪、膽固醇的合成、轉(zhuǎn)運以及利用，因此miRNA可作為脂代謝調(diào)節(jié)的潛在媒介。

1 脂代謝相關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑特點

脂代謝為三大營養(yǎng)物質(zhì)代謝之一，它主要參與機體的能量供應(yīng)及儲存，生物膜的構(gòu)成以及其他一些重要的生命過程。脂代謝主要包括甘油三酯代謝、膽固醇及其酯的代謝、磷脂和糖脂代謝等。在這些代謝過程中，有大量的蛋白酶、受體、轉(zhuǎn)運子等參與其中，而它們又受一些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的調(diào)控，形成了復(fù)雜而精細的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)［10］。脂代謝信號轉(zhuǎn)導(dǎo)涉及的重要途徑主要包括:過氧化物酶體增殖物啟動受體(PPARs)途徑、肝X受體(LXRs)途徑和固醇調(diào)節(jié)組件結(jié)合蛋白(SREBPs)途徑等［10］，共同維持著細胞乃至機體內(nèi)的脂平衡。

PPARs包括 3種亞型:PPARα、PPARβ 和PPARγ，其中PPARα在肝臟脂代謝中調(diào)控多個環(huán)節(jié)的基因表達［11］。在饑餓狀態(tài)下或配體啟動后，PPARα使脂肪酸轉(zhuǎn)運蛋白(fatty acid transport protein，F(xiàn)ATP)、脂肪酸轉(zhuǎn)位酶(fatty acid tranlocase，F(xiàn)AT)和肝型脂肪酸結(jié)合蛋白(liver-type fatty acid binding protein，L-FABP)基因表達量增加，刺激脂肪酸的轉(zhuǎn)運和攝?。?2］。PPARγ基因在脂肪組織高表達，因而對其調(diào)節(jié)脂代謝的研究集中于脂肪細胞。它主要通過調(diào)控脂肪細胞脂肪酸結(jié)合蛋白(adipocyte fatty acid-binding protein，A-FABP)和一些促脂肪生成蛋白質(zhì)的合成來調(diào)節(jié)脂肪的儲存［13］。PPARβ分布比較廣泛，因此對其功能研究進展相對緩慢，最近發(fā)現(xiàn)，PPARβ參與了巨噬細胞中膽固醇的代謝［14］。

SREBPs是體內(nèi)脂代謝的重要轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，它能調(diào)節(jié)參與膽固醇、脂肪酸等生成和吸收的30多個基因的表達［15］。SREBPs主要是由 SREBF-1和SREBF-2 2個基因編碼產(chǎn)生的SREBP-1a、SREBP-1c和SREBP-2 3種蛋白質(zhì)［16］，它們在各組織中的基因表達各異，且肝臟中3種形式的SREBPs共同調(diào)節(jié)脂類的生成和輸出。SREBP-1可以選擇性啟動脂肪酸代謝以及脂肪從頭合成相關(guān)基因，而SREBP-2則更傾向于啟動膽固醇平衡過程中的相關(guān)基因［16－17］。在小鼠上的試驗表明，SREBPs基因的異常表達會導(dǎo)致一些代謝綜合征，其生理變化類似于人類的脂代謝紊亂［15－17］。

此外，LXRs也是膽固醇代謝的重要調(diào)節(jié)者［18］，有 LXRα 和 LXRβ 2種形式。LXRs特異性地受氧化型膽固醇或氧甾醇啟動，包括膽固醇合成途徑的中間產(chǎn)物。LXRs能啟動細胞中膽固醇輸出的相關(guān)基因包括ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運蛋白(ATP binding cassette protein，ABC)A1以及 G1等基因的轉(zhuǎn)錄［19］。有研究表明，小鼠 LXRs基因缺失會導(dǎo)致組織中固醇的積累并能顯著加快動脈粥樣硬化［20］，而加入合成的LXRs啟動劑則能促進膽固醇的輸出，保護小鼠防止動脈粥樣硬化的發(fā)生［21－22］。LXRs還能影響 SREBP-1基因的轉(zhuǎn)錄，因此調(diào)節(jié)這些信號通路的相互作用能夠增加脂肪酸的合成。通過對小鼠靶向破壞LXRs基因?qū)е耂REBP-1c、脂肪酸合酶(FAS)、硬脂酰基－輔酶a脫氫酶(SCD-1)以及ACC基因的表達受到抑制［23－24］。相反，使用藥理學(xué)方法啟動 LXRs基因的表達能夠誘導(dǎo)脂肪生成路徑以及提高血漿甘油三酯水平，并最終導(dǎo)致肝臟脂肪變性［25］。總體而言，這些路徑對維持體內(nèi)脂質(zhì)平衡起著重要的作用。

2 miRNA的產(chǎn)生與作用機制

miRNA可分為2類:非蛋白質(zhì)編碼的miRNA和蛋白質(zhì)編碼的內(nèi)含子型miRNA，其中，非蛋白編碼的miRNA一般位于編碼基因的外圍，占絕大多數(shù)［6］。研究表明，miRNA有相當(dāng)一部分是在染色體上成簇排列的，這些成簇排列的基因常能夠協(xié)同表達［26］。

成熟的miRNA是一類長約22個核苷酸的單鏈非編碼 RNA，它首次在線蟲中被發(fā)現(xiàn)［27］。首先，miRNA在RNA聚合酶Ⅱ的作用下轉(zhuǎn)錄得到約幾千bp的前體物——pri-miRNA，且具有2個莖環(huán)結(jié)構(gòu)以保持穩(wěn)定性［28］。然后pri-miRNA由Drosha酶進行加工得到60～70個核苷酸的pre-miRNA［29－30］。接著輸出蛋白 5(exportin-5)識別pre-miRNA，在 G蛋白 Ran的作用下將pre-miRNA由細胞核運輸至胞質(zhì)中進行下一個加工步驟，通過Dicer酶切割形成18～25個核苷酸的雙鏈 RNA［31］，隨后在 DiGeorge綜合征關(guān)鍵區(qū)域8(DGCR8)蛋白作用下雙鏈打開，其中一條鏈被稱為過客鏈(passenger strand)，被降解，而另一成熟 miRNA 鏈被稱為引導(dǎo)鏈(guide strand)［32］，它與DGCR8以及RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合體(RNA-induced silencing complex，RISCs)結(jié) 合，P小體是細胞質(zhì)中的一種聚集點，RISCs以及靶基因mRNA 被轉(zhuǎn)移并富集于 P小體中［33－35］。此外，RISCs含有裂解后所需的mRNA降解酶，能最終通過miRNA與靶基因mRNA 3'末端非編碼區(qū)(3'UTR)結(jié)合從而抑制翻譯影響表達［36］。若靶基因mRNA的3'UTR靶序列區(qū)與miRNA精確互補，則mRNA被切斷，若為不完全互補，則會導(dǎo)致對mRNA翻譯的可逆抑制［37］。

3 miRNA與脂代謝

隨著越來越多的miRNA被發(fā)現(xiàn)，人們開始重視這一類內(nèi)源性非編碼單鏈RNA，并對它們的進行功能研究，與脂代謝相關(guān)的miRNA的研究也已取得一定的進展?？傮w而言，與脂代謝相關(guān)的miRNA主要從脂類合成、運輸以及氧化3方面來調(diào)節(jié)脂代謝，但由于一種miRNA能調(diào)節(jié)上百種基因，且一種基因也可能被多個miRNA所調(diào)控，這就導(dǎo)致了miRNA脂代謝調(diào)控的復(fù)雜性。就已有研究而言，miR-33、miR-27以及miR-378等主要參與脂質(zhì)合成以及運輸過程，而miR-122、miR-370等主要在脂質(zhì)合成以及氧化利用過程起作用。當(dāng)然很多miRNA作用的靶基因尚未發(fā)現(xiàn)完全，再加上miRNA通過與靶基因作用可能影響一系列上、下游基因表達，因此眾多miRNA作用形成了一個復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)主要對研究較深入的幾個與脂代謝相關(guān)miRNA進行分析。

3.1 miR-33 與脂代謝

在人體內(nèi)，miR-33主要有 miR-33a和 miR-33b 2種形式，而小鼠、雞等動物中只存在miR-33a 1種形式。成熟的miR-33a與miR-33b在形式上僅有2個核苷酸的差異，而它們的種子序列區(qū)一致，因此預(yù)計它們作用的靶基因可能存在交集。關(guān)于脂代謝的相關(guān)研究表明，miR-33a和miR-33b分別是由SREBF2和SREBF1基因編碼的內(nèi)含子型miRNA，且它們與 SREBF2、SREBF1基因一樣能夠調(diào)節(jié)膽固醇和脂肪酸的平衡［38］。ABCA1是高密度脂蛋白(high-density lipoprotein，HDL)合成以及膽固醇輸出的重要調(diào)節(jié)者，主要參與游離膽固醇從細胞到載脂蛋白微粒再到初期HDL形成，這對于肝臟中HDL的生成以及多余的膽固醇從細胞運至周圍組織具有至關(guān)重要的作用［39］。ABCA1基因具有3個高度保守的miR-33結(jié)合靶位點，miR-33能夠靶向抑制 ABCA1基因的表達［38－40］。在小鼠的研究表明，使用反義寡核苷酸、病毒交付的發(fā)卡抑制劑或者定向缺失的方法抑制miR-33生成，均能夠增加肝臟ABCA1基因的表達，且能使血漿 HDL的增幅達40%［39］。而在非洲綠猴的研究中，用藥理學(xué)方法同時抑制miR-33a和miR-33b生成也導(dǎo)致肝臟ABCA1基因表達量增加以及血漿HDL的持續(xù)性增加，且還導(dǎo)致miR-33的其他脂肪酸氧化相關(guān)靶基因［如肉堿氧位甲基轉(zhuǎn)移酶(CROT)、肉堿棕櫚?；D(zhuǎn)移酶1A(CPT1A)、羥酰輔酶A脫氫酶(HADHB)和AMP激活的蛋白激酶α1亞基(PRKAA1)基因］的表達量增加，以及脂肪酸合成基因［如SREBF1、FAS、ATP檸檬酸裂解酶(ACLY)和乙酰輔酶A羧化酶α(ACACA)基因］的表達量降低，最終使得血漿極低密度脂蛋白和甘油三酯水平顯著降低［41］。這對于血脂異常而造成的心血管疾病的治療具有重要意義。

3.2 miR-122 與脂代謝

miR-122占成年小鼠肝臟miRNA的70%，且在物種間高度保守，它是由一種非編碼的基因hcr的轉(zhuǎn)錄本加工而來，這種基因在物種間也較保守［42－43］。肝臟中 miR-122 的表達對脂代謝具有重要的調(diào)節(jié)作用，miR-122過表達或抑制都能導(dǎo)致膽固醇以及脂肪酸合成相應(yīng)的變化。在對正常小鼠使用反義寡核苷酸抑制miR-122后發(fā)現(xiàn)小鼠血漿膽固醇水平降低，肝臟脂肪酸氧化增強，肝臟脂肪酸以及膽固醇的合成率降低，且對中央代謝傳感器AMP蛋白激酶(AMPK)的活化作用增強，AMPK能夠抑制脂肪酸以及膽固醇合成的關(guān)鍵酶的活性［44］。使用相同方法抑制肥胖小鼠miR-122表達后，導(dǎo)致血漿膽固醇水平降低，且通過下調(diào)相關(guān)脂肪酸合成基因表達使肝臟脂肪變性有顯著好轉(zhuǎn)［44］。另有研究發(fā)現(xiàn)，缺乏夜蛋白(nocturnin)是一種節(jié)律性去腺苷酸酶，小鼠nocturnin可抵御飲食誘導(dǎo)的肥胖和脂肪肝，而在小鼠肝臟中miR-122能將nocturnin作為靶基因，調(diào)節(jié)其表達，在肝細胞代謝和節(jié)律控制中發(fā)揮作用［45］。另外，用 miR-122抑制劑處理小鼠，可以上調(diào)很大一部分肝臟中miR-122的預(yù)測靶基因表達，如N-myc下游調(diào)節(jié)基因3(Ndrg3)、醛縮酶A(AldoA)、支鏈α酮酸脫氫酶激酶(Bckdk)和CD320等基因，最終調(diào)節(jié)肝臟代謝［46］。

3.3 miR-27 與脂代謝

miR-27有 miR-27a和 miR-27b 2種形式，由miRbase數(shù)據(jù)庫可知miR-27a為非蛋白質(zhì)編碼的miRNA，而miR－27b為9號染色體開放閱讀框3(C9orf3)基因的內(nèi)含子型miRNA［47］。研究表明，miR-27a和miR-27b與脂蛋白酯酶(lipoprotein lipase，LPL)基因的表達有關(guān)，LPL是血漿乳糜微粒以及極低密度脂蛋白中甘油三酯水解作用的限速酶。在細胞中miR-27過表達能夠降低LPL基因的表達量，并抑制甘油三酯的積累以及脂肪生成基因的表達。miR-27a和miR-27b可以抑制細胞中脂代謝相關(guān)基因的表達，如PPARγ、視黃醛X受體 α(RXRα)、脂聯(lián)素、CD36、FAS、FABP4、葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白 4(GLUT4)和 SREBP1c 等基因［48－49］。另有研究證實，PPARα是miR-27b的靶基因，miR-27b過表達能夠引起PPARα基因的下調(diào)表達［50］。在豬上的研究表明，miR-27a可以加速甘油三酯的水解作用而miR-143可以促進甘油三酯的合成［51］。此外，在小鼠上 PPARγ受到 LXRα 的調(diào)節(jié)，且與膽固醇積累密切相關(guān)。而LXRα通常可誘導(dǎo)ABCA1、ABCG1以及清道夫受體B1(SR-B1)基因的表達。因此有報道推測可通過抑制miR-27來調(diào)節(jié) PPARγ-LXRα-ABC 轉(zhuǎn)錄級聯(lián)通路［47］。

3.4 其他脂代謝相關(guān)miRNA

有研究表示miR-335在脂質(zhì)加工過程中表達上調(diào)，且在肥胖小鼠的肝臟和脂肪組織中高度表達［52］。關(guān)于miR-378/378*的研究表明，它可以增強脂肪酸代謝相關(guān)基因的表達，如FABP4、FAS和SCD-1等基因［53］。miR-21在肝功能以及膽固醇調(diào)節(jié)方面也起著一定的作用，不飽和脂肪酸能夠上調(diào)miR-21的表達，且其在高脂飲食的大鼠以及人類的肥胖個體肝臟組織中表達量較高［54］。miR-143是最先發(fā)現(xiàn)的調(diào)節(jié)脂肪細胞分化的miRNA。它的表達能夠增加脂肪細胞的分化，且體外培養(yǎng)狀態(tài)下，miR-143抑制劑可以抑制人類脂肪細胞的分化并下調(diào)PPARγ2、FABP以及GLUT4基因的表達［55］。當(dāng)然，miRNA的脂代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)十分復(fù)雜，還需進行更深入的研究。

4 小結(jié)

脂肪是能量貯存最主要的形式，由于物種的不同，脂肪酸的合成場所不盡相同。如在反芻動物上，脂肪組織合成的脂肪較多，肝臟較少;而在家禽上，肝臟是脂肪酸的主要合成場所，且對脂代謝平衡起著重要作用;對于人，脂代謝障礙會導(dǎo)致一系列的疾病如高血脂、高血糖以及脂肪肝等。鑒于miRNA對靶基因的抑制作用，可從這一角度出發(fā)進一步探索與動物某些生產(chǎn)性狀或人脂代謝障礙相關(guān)的主效基因受miRNA的影響情況，嘗試用此方法來修飾某些性狀或改善脂代謝;另外可考慮研究脂代謝障礙所導(dǎo)致的一些特定miRNA含量的異常增加或減少，經(jīng)驗證后將其作為相關(guān)的診斷標(biāo)記?？傮w而言，相關(guān)miRNA能夠通過靶向作用抑制脂質(zhì)生成、運輸、氧化利用等相關(guān)基因的表達從而調(diào)節(jié)機體脂代謝平衡，它為人為調(diào)節(jié)動物的脂質(zhì)代謝以及人類脂代謝障礙引起的相關(guān)疾病的診斷及治療提供了一新思路。

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