宿主miRNAs在塑造腸道微生物環(huán)境中作用的研究進展*

鄒 昊，王占黎，丁海濤，王 銳

(1.內蒙古醫(yī)科大學，內蒙古 呼和浩特 010010；2.內蒙古自治區(qū)疾病相關生物標志物重點實驗室；3.內蒙古自治區(qū)人民醫(yī)院醫(yī)學檢驗科)

在人體皮膚表面和體腔內，存在著大量相互作用的微生物，包括細菌、真菌、古細菌、噬菌體和真核病毒等[1]。其中絕大多數(shù)微生物都棲息于腸道內，被統(tǒng)稱為腸道微生物群，它們的協(xié)同作用對人體健康和人類生活至關重要。早期針對人體腸道微生物來源的研究證實，腸道微生物最初是由母親體內的微生物構建雛形，并隨著出生、進食、與外界環(huán)境的接觸而不斷發(fā)展變化[2]。在3～4歲時接近成年狀態(tài)，這在哺乳動物中來說，發(fā)展是相對快而穩(wěn)定的[3]。腸道微生物群的多樣性和豐富度在個體之間存在明顯差異[4]。Ravvls等[5]在無菌斑馬魚和小鼠受體移植實驗中也證明了這一點，并發(fā)現(xiàn)種群之間和個體之間的差異是由于每個宿主腸道環(huán)境中不同的選擇性壓力造成的，即腸道微生物群的結構和豐富度受到各種內源性因素(宿主遺傳、免疫、疾病等)和外源性因素(飲食、壓力、藥物、環(huán)境因素等)的影響[6]。腸道微生物群利用基因、蛋白質和代謝物來參與宿主免疫反應、代謝、自噬等生理過程，調節(jié)生理能量穩(wěn)態(tài)。例如微生物產(chǎn)生的丁酸鹽可以向結腸細胞提供能量，阻止結腸中的自噬[7]；由腸道微生物群產(chǎn)生的短鏈脂肪酸(SCFA)和脂磷壁酸(LTA)都會促進宿主的炎癥；細菌脂多糖(LPS)進入體循環(huán)后對正常血糖功能產(chǎn)生抑制作用[8]等等。因此，腸道微生物與人體生理健康和各種疾病(包括肥胖、糖尿病、自身免疫、過敏、炎癥性腸病和癌癥等)密切相關[9]。所以研究宿主與腸道微生物群的相互作用的分子機制十分重要。

miRNAs(miRNAs)是一類長度為19～25個核苷酸的非編碼RNA，通過與靶mRNA結合或引起靶mRNA的降解來調節(jié)動物和植物的基因表達[10]。研究表明，miRNAs經(jīng)多種途徑產(chǎn)生，最常見的是典型的Drosha/Dicer途徑[11]。初級miRNAs(pri-miRNA)最初在細胞核中轉錄，然后被Drosha酶切割成前體miRNAs(pre-miRNA)，隨后pre-miRNA被運送到細胞質中，并被Dicer酶分解成成熟的長度，接著miRNAs與某些蛋白家族組裝成RNA誘導沉默復合物(RISC)。miRNA通過7～8個堿基與靶mRNA 3’非翻譯區(qū)(3’UTR)互補結合，在蛋白質翻譯水平抑制靶基因表達，或引起靶mRNA降解并發(fā)揮其基因表達的調控作用。事實上，miRNAs已被證實參與廣泛的生物過程，包括發(fā)育、細胞分化、增殖、凋亡、代謝和免疫反應[13]。近年來疾病相關細胞和組織中miRNAs的表達譜得到廣泛研究，揭示miRNAs表達的改變與疾病發(fā)生發(fā)展密切相關[14]。研究表明，miRNAs還參與宿主與腸道微生物群的相互作用，并且在不同病原體(包括病毒、寄生蟲和細菌等)的感染過程中起著至關重要的作用[15]。

1 宿主通過miRNAs塑造腸道菌群結構

宿主和腸道微生物群的交流需要一個復雜而精細的調控網(wǎng)絡，miRNAs已經(jīng)成為這種交流的重要媒介。近年來，許多研究小組已經(jīng)廣泛研究了胃腸道免疫細胞和腸上皮細胞中miRNAs的功能，揭示了miRNAs在許多疾病中對腸道微生物的影響。例如，宿主通過上調miR-21，可抑制有核乳桿菌對小鼠結直腸癌細胞增殖和腫瘤生長的促進作用[16]；miR18a和miR-20a-5p表達上調也可以促進大腸桿菌的生長進而影響結直腸癌細胞的自噬途徑[17]。宿主-腸道菌群相互作用的重要性已得到人們的關注。

針對糞便miRNAs的一項研究發(fā)現(xiàn)，宿主通過差異表達miRNAs來塑造腸道菌群[18]。研究人員首先將人類和小鼠糞便中的miRNAs分離，發(fā)現(xiàn)不同物種間糞便中的miRNAs豐富度不同，而且同一個體腸腔不同部位的miRNAs含量存在明顯差異。研究人員通過敲除小鼠腸上皮細胞中的Dicer1酶基因，使其不能正常合成miRNAs，結果顯示，小鼠糞便中的miRNAs豐富度和含量均明顯下降，提示糞便中的miRNAs主要來自腸上皮細胞，進一步證實是由腸上皮細胞通過外泌體的形式特異性分泌到腸腔，而不是來源于脫落的上皮細胞。最后，研究人員通過體外實驗發(fā)現(xiàn)，miR-515-5p促進體外培養(yǎng)的梭桿菌的生長。而miR-1226-5p促進大腸桿菌的生長，在體內某些miRNAs(miR-515-5p和miR-1226-5p)也促進大腸桿菌生長；小鼠體內實驗結果也表明，miR-515-5p和miR-1226-5p 還促進小鼠腸道中大腸桿菌的生長；進一步研究發(fā)現(xiàn)，miRNAs是通過進入細菌線粒體并調節(jié)其線粒體基因表達的方式來影響細菌生長，且該調節(jié)方式具有序列特異性。研究人員通過包裹在植物來源外泌體納米顆粒(ELNs)中的miRNAs進入細菌并特異性調控細菌基因表達的實驗也證明了這一點[19]。

近年來，miRNAs在疾病發(fā)生發(fā)展中對腸道菌群組成的影響已成為人們關注的熱點。臨床研究表明，結直腸癌患者糞便樣本中miR-21和miR-92a等miRNAs表達水平顯著上調，這一發(fā)現(xiàn)提示，miRNAs在宿主與腸道菌群相互作用中具有潛在作用，該研究還有助于開發(fā)一種非侵入性的結直腸癌篩查方法[20]。同時，研究人員通過體外實驗鑒定了76種在結直腸癌腫瘤組織中差異表達的miRNAs，包括miR-182、miR-503和mir-1792簇等，這些miRNAs與腸道細菌的相對豐富度密切相關，包括厚壁菌門、擬桿菌門和變形菌門等[20]。這些發(fā)現(xiàn)不僅揭示了miRNAs在人體中通過調節(jié)腸道微生物群來影響疾病進程的作用，還為未來miRNAs靶向治療腫瘤等疾病提供了新的方向。

2 病原微生物影響宿主miRNAs表達

miRNAs不僅影響宿主腸道細菌的生長，也在不同病原體的感染過程中發(fā)揮重要作用，包括病毒、寄生蟲等。早期一項關于miRNAs表達譜的研究表明，幾種DNA病毒(皰疹病毒、多瘤病毒和腺病毒)在感染細胞中存在多種差異表達miRNAs，這些差異表達miRNAs通過調節(jié)病毒和細胞基因表達，從而影響病毒復制和感染[21]。研究還發(fā)現(xiàn)，丁香假單胞菌感染植物擬南芥后，誘導miR-393a高表達，進而抑制激素生長素受體的表達。已知生長素是植物防御的負調節(jié)因子。該研究結果提示，miR-393a表達上調有助于植物對細菌病原體的抗性[22]。因此，miRNAs不僅在宿主塑造腸道菌群結構中發(fā)揮作用，也是宿主應對外來病原微生物感染的重要手段。近年來，研究人員開始逐漸關注miRNAs對宿主與病原微生物相互作用的影響和機制，尤其是與腸道感染相關的病原微生物。而且，RNA測序技術的發(fā)展，為研究miRNAs對宿主-病原微生物互相作用的影響，提供了嶄新的思路和廣闊的空間。

2.1李斯特氏菌 是一種兼性的細胞內革蘭氏陽性病原體，屬厚壁菌門，可在健康個體中引起胃腸炎，并在免疫缺陷個體和孕婦中引起嚴重疾病[22]。該菌感染小鼠后，取小鼠骨髓來源巨噬細胞進行miRNAs表達譜分析，發(fā)現(xiàn)miR-155、miR-146a、miR-125a3p/5p和miR-149等免疫相關miRNAs表達顯著上調，而miR-29、miR-145的表達顯著下調。進一步研究表明，這些差異表達miRNAs通過調節(jié)IFN-β、IFN-γ、促炎細胞因子IL-5和IL-13等的表達來抑制炎癥反應，其中，IFN-β作為一種具有抗炎特性的細胞因子已被證實對李斯特氏菌的感染有益，進而證實病原微生物在影響宿主miRNAs表達的同時，宿主也可通過miRNAs應對病原微生物的感染[22]。

2.2鼠傷寒沙門氏菌 一種被廣泛研究的革蘭氏陰性兼性細胞內病原體，也是人類胃腸炎最常見的原因之一[23]。沙門氏菌感染對宿主miRNAs的影響首次在小鼠巨噬細胞中被描述，研究發(fā)現(xiàn)上調的miRNAs主要有四種，其中miR-155、miR-146a/b、miR-21依賴NF-κβ通道來發(fā)揮作用。而miR-29a是以(CAV 2)為靶點抑制cdc42酶進而抑制沙門氏菌對上皮細胞的入侵，下降的micRNA有兩種：傳統(tǒng)研究中的let家族(通過調節(jié)IL-6、IL-10)發(fā)揮作用，以及最新研究中的miR-15，是通過抑制周期蛋白D1來抑制沙門氏菌[24]。

2.3幽門螺桿菌 是一種革蘭氏陰性桿菌，是胃炎、消化性潰瘍和胃癌的主要病因[25]。據(jù)估計，全球大約一半人口感染了幽門螺桿菌。眾多研究證實，與幽門螺桿菌感染密切相關的，例如miR-21和miR-222靶向腫瘤轉移抑制基因RECK，miR-584和miR-1290靶向FOXA1發(fā)揮作用，miR-155和let-7家族主要通過NF-κβ信號通路參與調控，miR30b則靶向ATG12和BECN-1，而miR-370和miR-320分別作用于FoxM1和抗凋亡基因MCL1。上述miRNAs通過影響細胞增殖、自噬等途徑影響幽門螺桿菌的生長[24]。

2.4其他病原微生物 金黃色葡萄球菌感染后誘導miR-155高表達，引起IFN的分泌和炎癥反應；奶牛乳腺感染大腸桿菌后，miR-144、miR-451、miR-7863表達顯著異常，參與調控大腸桿菌感染引起的炎癥反應[26]；羊種布魯氏菌(一種兼性胞內的革蘭氏陰性細菌)感染會導致let7b、miR-92a、miR-93、miR-181b和miR-1981等的表達發(fā)生變化[24, 27]，并參與宿主細胞的凋亡、自噬和免疫反應。

以上研究表明，入侵人體的病原微生物為了確保它們的生存和復制，通過將效應蛋白傳遞到宿主細胞來達到操縱宿主細胞的目的。因此miRNA的差異表達是細菌控制宿主細胞通路新的分子策略，同時也是宿主在病原菌感染時感染應答的重要組成部分。

3 腸道微生物調控宿主miRNAs表達

腸道微生物不僅受到宿主的調控，還會通過特定方式影響宿主和其他微生物，來為自身的生長營造更好的環(huán)境。研究表明，幽門螺桿菌通過上調miR-1289抑制HKα(H+ / K+ATP酶的一個亞單位)，進而減少胃酸化，促進其自身在胃上皮的定殖[24]；分枝桿菌通過誘導miR-33上調來抑制自噬和脂肪酸氧化的整合途徑，以逃避溶酶體的傳遞和促進脂質體的積累，進而在巨噬細胞中存活[28]。關于微生物誘導miRNAs表達變化的機制尚未完全闡明，有觀點認為，細菌效應蛋白分泌到宿主細胞中，作為RNA沉默抑制因子/激活因子直接或間接調節(jié)宿主miRNAs途徑；也有觀點認為，病毒RNA可直接介導特定宿主miRNAs的降解。目前，研究人員正在積極尋找腸道微生物調控宿主miRNAs表達的確切機制。

4 總結

RNA測序技術的發(fā)展和進步，使宿主腸道微生物環(huán)境發(fā)生改變時miRNAs變化的系統(tǒng)分析成為可能，使得宿主miRNAs對腸道微生物環(huán)境作用的研究得到突破性發(fā)展。但上述研究暴露了一個共同的問題，即miRNA表達的變化高度依賴于細胞環(huán)境，不同的細胞類型對同一種類型的腸道微生物反應不同，且上述絕大多數(shù)細菌誘導的miRNA表達變化背后的機制尚不完全清楚。而miRNAs作為聯(lián)系宿主與腸道微生物的媒介，在宿主及腸道菌群基因表達調控中發(fā)揮重要作用，與人體生理及病理狀態(tài)息息相關。因此在未來，隨著宿主與腸道菌群相互作用分子機制的深入闡明miRNAs調控宿主與腸道微生物的研究將為疾病診斷及靶向治療等領域開辟新的方向， 具有廣泛的研究前景。