長(zhǎng)鏈非編碼RNA調(diào)控動(dòng)物脂肪沉積研究進(jìn)展與趨勢(shì)

張 愨，蔡 瑞，龐衛(wèi)軍

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 動(dòng)物脂肪沉積與肌肉發(fā)育實(shí)驗(yàn)室 陜西省動(dòng)物遺傳育種與繁殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

脂肪組織作為動(dòng)物胴體組成的重要部分，其含量多少?zèng)Q定著肉用家畜肉產(chǎn)量高低和肉品質(zhì)的優(yōu)劣，并與生產(chǎn)效益緊密相關(guān)[1]。動(dòng)物脂肪組織根據(jù)在軀體部位的分布主要可以分為皮下脂肪組織和內(nèi)臟脂肪組織兩種類型，皮下組織是體內(nèi)脂肪最大的儲(chǔ)存場(chǎng)所。根據(jù)其功能皮下脂肪組織又可分為白色脂肪組織和棕色脂肪組織，白色脂肪組織主要用于動(dòng)物儲(chǔ)存能量，以供機(jī)體在需要的時(shí)候利用，是體內(nèi)脂肪的主要儲(chǔ)存形式，而棕色脂肪組織因其內(nèi)部充滿著大量的線粒體，主要負(fù)責(zé)能量的消耗與產(chǎn)熱，維持機(jī)體能量平衡[2]。脂肪細(xì)胞是脂肪組織的主要組成單位，其成熟過程大致分為兩個(gè)階段，一是從間充質(zhì)干細(xì)胞定向分化為前體脂肪細(xì)胞，二是由前體脂肪細(xì)胞終末分化為成熟的脂肪細(xì)胞[3]。lncRNA是一類調(diào)控眾多生物學(xué)過程的非編碼RNA分子，在脂肪細(xì)胞分化的整個(gè)過程中都發(fā)揮著重要的調(diào)控作用[4]。本文總結(jié)近年來該領(lǐng)域的研究進(jìn)展并結(jié)合本團(tuán)隊(duì)取得的研究成果，綜述lncRNA在動(dòng)物脂肪沉積過程中的調(diào)控作用，以期進(jìn)一步完善lncRNA的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為家畜肉品質(zhì)改良提供新的靶點(diǎn)和理論基礎(chǔ)。

1 lncRNA概述

lncRNA是一類長(zhǎng)度大于200 個(gè)核苷酸，主要由RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄的不具備蛋白編碼潛能的RNA分子[5]。LncRNA作用機(jī)制多樣，功能廣泛，分類方式也有多種多樣，與mRNA不同的是，lncRNA在不同組織、細(xì)胞、發(fā)育階段具有較強(qiáng)的特異性和較差的物種間序列保守性[6]。目前，lncRNA根據(jù)來源于基因組的位置可將其分為正義的(sense)、反義的(antisense，AS)、雙向的(bidirectional)、內(nèi)含子的(intronic)和基因間的(intergenic) lncRNA[7]；根據(jù)其在細(xì)胞中的定位分為細(xì)胞核lncRNA、細(xì)胞質(zhì)lncRNA以及外泌體中的lncRNA[8]；根據(jù)其作用方式是否作用于同一染色體上基因的表達(dá)，又可分為順式調(diào)控lncRNA(cis-lncRNA)和反式調(diào)控lncRNA(tran-lncRNA)[9]；而根據(jù)其所發(fā)揮的功能，則可將lncRNA分為誘餌分子、信號(hào)分子和誘導(dǎo)分子等[10]；根據(jù)其物種間的序列保守性又可分為不保守lncRNA和超級(jí)保守(ultraconserved lncRNA, ucRNA)[11-13]等。近年來研究發(fā)現(xiàn)少數(shù)lncRNA存在開放式閱讀框可以編碼微肽，因編碼微肽區(qū)域在各物種間具有較高的保守性，起初被人們認(rèn)為不具備調(diào)控基因表達(dá)的功能，但最新的研究表明,lncRNA編碼的微肽可以調(diào)控基因表達(dá)[14]。

機(jī)體轉(zhuǎn)錄的lncRNA數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于功能基因mRNA的數(shù)量，其功能又較廣泛。因此，lncRNA對(duì)動(dòng)物脂肪沉積領(lǐng)域的作用機(jī)制研究值得關(guān)注。

2 lncRNA調(diào)控動(dòng)物白色脂肪沉積

長(zhǎng)期以來人們認(rèn)為動(dòng)物白色脂肪脂肪組織僅是一種能量?jī)?chǔ)存器官，當(dāng)脂肪細(xì)胞分泌的一些細(xì)胞因子被發(fā)現(xiàn)之后，才認(rèn)識(shí)到脂肪組織還是一個(gè)重要的內(nèi)分泌器官，它可參與調(diào)控動(dòng)物激素合成、繁殖潛能、能量平衡及免疫等多種生理現(xiàn)象。而研究脂肪細(xì)胞的成脂分化對(duì)以上過程的調(diào)控特別是家畜肉質(zhì)改善具有重要意義[15]。lncRNA不具備編碼蛋白能力，而是以RNA的形式在多種層面上調(diào)控基因的表達(dá)水平，下面將從轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后和表觀遺傳水平三方面探討lncRNA調(diào)控動(dòng)物白色脂肪沉積的研究進(jìn)展。

2.1 轉(zhuǎn)錄水平

轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控是基因表達(dá)調(diào)控的重要方式，lncRNA可以通過順式或反式作用從轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控鄰近基因(同一染色體)及非鄰近基因(不在同一染色體)的表達(dá)水平[16]。類固醇受體RNA激活因子(steroid receptor RNA activator，SRA)是一種轉(zhuǎn)錄共調(diào)節(jié)因子, 在調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的分子機(jī)制上以lncRNA不同轉(zhuǎn)錄本形式發(fā)揮作用，可以增強(qiáng)類固醇受體、非類固醇受體以及其他轉(zhuǎn)錄因子活性[17]。有研究通過構(gòu)建SRA敲除鼠，發(fā)現(xiàn)SRA可以募集成脂關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferators-activated receptor γ, PPAR γ)，增強(qiáng)其轉(zhuǎn)錄活性，促進(jìn)脂肪細(xì)胞分化并影響胰島素相關(guān)信號(hào)通路轉(zhuǎn)導(dǎo)[18-19]。有人對(duì)小鼠脂肪細(xì)胞進(jìn)行RNA測(cè)序，鑒定了調(diào)控成脂的一系列l(wèi)ncRNA, lnc-RAP-n, 這些lncRNA啟動(dòng)子區(qū)域存在成脂關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子PPAR γ、CCAAT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白(CCAAT/enhancer binding protein α，CEBP α)的結(jié)合位點(diǎn)，能夠參與調(diào)控脂肪細(xì)胞成脂分化過程，其中l(wèi)nc-RAP-1，可以與核內(nèi)不均一核糖核蛋白(heterogeneous ribonucleo protein U, hnRNPU)結(jié)合從而轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控成脂標(biāo)志基因表達(dá)[20]。增強(qiáng)子lncRNA(enhancer lncRNA, eRNA)是一類最新發(fā)現(xiàn)的lncRNA類型，在染色質(zhì)構(gòu)象改變和轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控方面有關(guān)鍵作用[21-22]。lnc-leptin是在leptin上游增強(qiáng)子區(qū)域轉(zhuǎn)錄的增強(qiáng)子lncRNA，敲低lnc-leptin能減弱leptin表達(dá)并抑制脂肪細(xì)胞分化，通過染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術(shù)發(fā)現(xiàn)lnc-leptin通過改變?nèi)旧|(zhì)構(gòu)象縮短其與leptin啟動(dòng)子的距離，促進(jìn)二者之間結(jié)合轉(zhuǎn)錄調(diào)控leptin表達(dá)[23]。

增強(qiáng)子lncRNA作為lncRNA轉(zhuǎn)錄調(diào)控的重要方式[24]，在真核生物的發(fā)育過程中通過結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子、輔因子以及染色質(zhì)復(fù)合物作用于啟動(dòng)子，激活或促進(jìn)細(xì)胞分化過程中基因的轉(zhuǎn)錄，其對(duì)動(dòng)物脂肪沉積領(lǐng)域的調(diào)控機(jī)制還有待于進(jìn)一步深入研究。

2.2 轉(zhuǎn)錄后水平

研究表明，lncRNA能參與復(fù)雜的基因轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控，包括調(diào)節(jié)mRNA前體剪接、穩(wěn)定性、降解、翻譯以及蛋白質(zhì)活性等過程[25-26]。機(jī)制研究較為清楚的是lncRNA能作為內(nèi)源性競(jìng)爭(zhēng)RNA(competitive endogenous RNA, ceRNA)直接競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合miRNAs的結(jié)合位點(diǎn)來增加其靶基因穩(wěn)定性，削弱miRNA對(duì)靶基因的抑制作用[27-32]。本團(tuán)隊(duì)前期研究發(fā)現(xiàn)PU.1 AS lncRNA能夠與其 mRNA結(jié)合形成內(nèi)源性RNA二聚體，抑制PU.1 mRNA 的翻譯，下調(diào)PU.1 表達(dá)水平從而抑制豬前體脂肪細(xì)胞生脂[33]； Adiponectin AS RNA通過核質(zhì)轉(zhuǎn)移與其mRNA形成內(nèi)源性二聚體削弱脂聯(lián)素的翻譯，過表達(dá)Adiponectin AS RNA能夠抑制脂肪沉積[34]。牛脂肪細(xì)胞中差異表達(dá)的lncRNA-ADNCR，可以通過競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合miR-204，促進(jìn)其靶基因SIRT1表達(dá)，從而降低成脂標(biāo)志基因表達(dá)，抑制脂肪細(xì)胞分化[35]。此外，lncRNA也可以在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控蛋白質(zhì)活性，在脂肪細(xì)胞分化過程中l(wèi)ncRNA NEAT1通過增加SRP40蛋白的磷酸化水平來調(diào)節(jié)PPAR γ2的可變剪切，促進(jìn)脂肪細(xì)胞分化[36]。

ceRNA假說是目前l(fā)ncRNA在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控基因表達(dá)的最常見方式，相比單獨(dú)的mRNA與miRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，ceRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)更為精細(xì)和復(fù)雜，涉及更多的RNA分子，它為更全面、深入地解釋一些生物學(xué)現(xiàn)象提供了依據(jù)。

2.3 表觀遺傳水平

研究表明，大多數(shù)lncRNA是屬于細(xì)胞核lncRNA，而細(xì)胞核lncRNA的功能都與染色質(zhì)相關(guān)，這類lncRNA被稱為染色質(zhì)富集RNA(chromatin-enriched RNAs, cheRNAs)[37-38]。cheRNAs通過調(diào)節(jié)組蛋白和DNA甲基化、組蛋白乙?；蚐UMO化等表觀遺傳修飾，對(duì)染色質(zhì)構(gòu)象進(jìn)行重塑從而調(diào)控大量基因表達(dá)[39-40]。研究表明，lncRNA Xist以順式作用或反式作用形式結(jié)合多梳家族蛋白復(fù)合物2 (polycomb-group proteins 2, PRC2)，調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄水平表達(dá)[41]。間充質(zhì)干細(xì)胞成脂分化中差異表達(dá)的lncRNA ADINR，可以特異性結(jié)合PA1并募集組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物3/4 (methylates lysine, MLL3/4)增加C/EBPα啟動(dòng)子組蛋白3第4位賴氨酸的甲基化修飾(histone H3 lysine4 Methylation, H3K4)，降低組蛋白3第27位賴氨酸的甲基化修飾(histone H3 lysine27 Methylation, H3K27)甲基化水平，順式調(diào)控C/EBPα轉(zhuǎn)錄活性，正向調(diào)控成脂。

3 lncRNA調(diào)控棕色脂肪能量消耗

白色脂肪組織主要以甘油三酯形式貯存能量，參與內(nèi)分泌信號(hào)和代謝免疫交互。棕色脂肪組織含有豐富的線粒體和高表達(dá)的解偶聯(lián)蛋白1(uncoupling protein 1, ucp1)，通過解偶聯(lián)呼吸作用促進(jìn)能量消耗來抵抗飲食誘導(dǎo)的肥胖[42]。近年來，有關(guān)lncRNA調(diào)控棕色脂肪產(chǎn)熱以及白脂棕色化的研究報(bào)道越來越多[43-45]。有研究通過棕色脂肪組織和棕色脂肪細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，鑒別了31423個(gè)lncRNA，其中21個(gè)lncRNA富集在棕色脂肪組織，Blnc1(Brown fat lncRNA 1)與轉(zhuǎn)錄因子EBF2形成核糖核蛋白復(fù)合物構(gòu)成反饋環(huán)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)熱相關(guān)程序，調(diào)控產(chǎn)熱和成脂[46-47]。為研究lncRNA對(duì)棕色脂肪產(chǎn)熱及其作用機(jī)制，對(duì)小鼠棕色脂肪、腹股溝脂肪、附睪脂肪轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，發(fā)現(xiàn)lnc-BATE1特異性直接結(jié)合不均一核糖核蛋白hnRNP U形成核糖核蛋白復(fù)合物，反式作用調(diào)控成脂，來維持棕脂活性和激活產(chǎn)熱[48]。冷刺激等條件可刺激交感神經(jīng)產(chǎn)生去甲腎上腺素(norepinephrine, NE)，其與β3腎上腺素素受體結(jié)合，激活下游的cAMP /PKA (cyclic-AMP dependent protein kinase A)信號(hào)通路，進(jìn)而促進(jìn)脂解、激活棕色脂肪與米色脂肪的產(chǎn)熱基因，是經(jīng)典的白色脂肪棕色化誘導(dǎo)劑促進(jìn)動(dòng)物發(fā)生白色脂肪棕色化[49-51]。研究發(fā)現(xiàn)在冷刺激條件下，超保守lncRNA uc.417的表達(dá)顯著下調(diào)，對(duì)其功能機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)lncRNA uc.417通過抑制p38-MAPK信號(hào)通路的磷酸化水平抑制線粒體產(chǎn)熱基因表達(dá)和氧化呼吸[52]。相反，AK079912和GM13133在冷刺激條件下表達(dá)上調(diào)，并促進(jìn)白色脂肪棕色化[53-54]。

4 問題與展望

隨著高通量測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用以及l(fā)ncRNA研究手段的不斷成熟，越來越多的lncRNA正在被發(fā)現(xiàn)和挖掘出來，大量的lncRNA能參與調(diào)控動(dòng)物脂肪沉積過程(圖1)，LncRNA可以決定多能干細(xì)胞的成脂分化命運(yùn)。成熟的白色脂肪細(xì)胞將甘油三酯儲(chǔ)存在單個(gè)大脂滴中，而棕色脂肪細(xì)胞則具有豐富的小脂滴并且富含線粒體，但其多樣的作用機(jī)制和復(fù)雜的調(diào)控機(jī)理還有待進(jìn)一步闡釋。

圖1 lncRNA參與調(diào)控白色脂肪細(xì)胞和棕色脂肪細(xì)胞的生成

4.1 超保守lncRNA調(diào)控動(dòng)物脂肪沉積

超保守lncRNA是一類新發(fā)現(xiàn)的在人、鼠和大鼠等多物種間高度保守的非編碼RNA，一直以來認(rèn)為超保守lncRNA僅在物種進(jìn)化過程中扮演著重要角色，最新的研究密集指出超保守lncRNA也能調(diào)控動(dòng)物生產(chǎn)性狀[55-58]，未來超保守lncRNA對(duì)動(dòng)物脂肪沉積的作用及機(jī)制可能是潛在的研究熱點(diǎn)。

4.2 lncRNA作為動(dòng)物育種的生物標(biāo)記

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，lncRNA作為某些疾病的生物標(biāo)記[59-61]?；趌ncRNA與動(dòng)物生產(chǎn)性狀緊密相關(guān)[62-63]，推測(cè)lncRNA很可能成為動(dòng)物脂肪沉積新的生物標(biāo)記，將用于動(dòng)物脂肪性狀的選育和人類脂肪疾病的檢測(cè)。