長鏈非編碼RNA 影響家畜脂肪沉積的研究進展

李瑞瑞，鄭淵予，馮 偞，黃潔萍

（廣西大學 亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護與利用國家重點實驗室，廣西 南寧 530000）

脂肪組織是儲存多余能量的重要內(nèi)分泌器官，適量的脂肪沉積可以應付緊急情況下的能量需求。而過量的脂肪沉積，會對人類造成一些疾病，影響人類的健康，而對家畜飼養(yǎng)則是一種浪費。家畜脂肪組織的價值是由其沉積部位決定的。沉積在肌肉內(nèi)部的脂肪組織，稱為肌內(nèi)脂肪組織（Intramuscular fat,IMF），IMF 可改善肉的風味、提高肉的多汁性和嫩度，廣受人們喜愛；而沉積在其它部位的脂肪組織，如皮下脂肪和內(nèi)臟脂肪等，這類脂肪是人們所不需要的，這類脂肪對肉用家畜的飼養(yǎng)是一種能量的浪費。因此，人們希望在提高IMF 水平的同時，抑制皮下脂肪和內(nèi)臟脂肪的沉積。然而，這幾乎很難做到，因為脂肪組織的發(fā)育遵循一定的規(guī)律。通常，皮下脂肪和內(nèi)臟脂肪優(yōu)先發(fā)育，然后才是IMF 沉積；并且，IMF 的含量通常與皮下脂肪呈正相關。因此，從遺傳學角度揭示家畜脂肪沉積的分子調(diào)控機制可為家畜脂肪沉積的優(yōu)化提供策略。已有研究表明，脂肪沉積是一個錯綜復雜的基因調(diào)控網(wǎng)絡，其中包括編碼基因和非編碼基因。人們對長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）的關注已有十余年，越來越多的研究證明，lncRNA 在脂肪形成及調(diào)節(jié)脂肪發(fā)育方面發(fā)揮著重要作用，廣泛參與脂肪細胞的增殖、分化和脂滴的形成，在動物育種、繁殖和畜牧生產(chǎn)相關的基礎研究中獲得廣泛關注。

隨著高通量測序技術和生物信息學分析技術的迅猛發(fā)展，越來越多與脂肪沉積密切相關的lncRNA 被鑒定和研究，但lncRNA 在家畜中的研究則相對有限。本文對lncRNA 在家畜脂肪沉積中的研究結(jié)果進行綜述，使人們對參與家畜脂肪沉積的lncRNA 有更清晰的認識，為深入研究lncRNA 調(diào)控家畜脂肪沉積的分子機制提供基礎信息。

1 長鏈非編碼RNA 概述

1.1 長鏈非編碼RNA 的來源 非編碼RNA 最初在細菌中發(fā)現(xiàn)，曾被認為是“轉(zhuǎn)錄垃圾”，但近幾年，越來越多研究表明非編碼RNA 在動物的基因表達中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用，其中，長度大于200 nt的被稱為lncRNA，是家畜基因組中常見的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，在表觀遺傳、轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后等水平調(diào)控基因的表達。除此之外，lncRNA 在細胞周期、代謝和分化過程中也發(fā)揮關鍵作用。由此可見，lncRNA 在動物的生長和發(fā)育中起著重要的調(diào)控作用。

1.2 長鏈非編碼RNA 的定位及功能 lncRNA 可位于細胞核、細胞質(zhì)、細胞器、外泌體及細胞與細胞之間連接的區(qū)域。早期的研究表明，lncRNA 存在于細胞核中較多，細胞質(zhì)較少，但隨著研究的深入，越來越多的細胞質(zhì)lncRNA 被發(fā)現(xiàn)。lncRNA 的定位不同，其功能及作用機制也會有所不同。在細胞核中，lncRNA 可以指導特定的基因組定位、充當?shù)鞍踪|(zhì)的分子支架、與啟動子結(jié)合調(diào)控轉(zhuǎn)錄等，在細胞質(zhì)中，lncRNA 可作為miRNA 和piRNA 的前體分子、充當miRNA 和蛋白質(zhì)的分子海綿、調(diào)節(jié)RNA 結(jié)合蛋白(RBP)和DNA 結(jié)合蛋白（DBP）、抑制翻譯等（如圖1 所示）。有時即使是同一種lncRNA，若在細胞中的定位不同，功能也會有所不同。如lncRNA PYCARD-AS1 同時存在于細胞質(zhì)和細胞核中，在細胞核中，PYCARD-AS1 將DNMT1 和G9a 招募到PYCARD 啟動子上，促進DNA 甲基化和H3K9me2修飾，在細胞質(zhì)中，則是與PYCARD 的mRNA 相互作用，抑制核糖體組裝和PYCARD 翻譯。有趣的是，lncRNA 會被募集到核糖體，核糖體的存在可能與lncRNA 的降解有關，具體如何降解還有待研究。在線粒體中，lncRNA 會對基因調(diào)控發(fā)揮作用，具有高度的細胞和組織特異性。還有少數(shù)的lncRNA 存在于外泌體中，（如lncMALAT1），還可在細胞間的連接區(qū)域發(fā)揮作用（如lncMER52A）。

圖1 lncRNA 在脂肪中的功能機制

2 家畜的脂肪沉積

2.1 脂肪的分類 按功能分類，可將脂肪分為白色脂肪、棕色脂肪和米色脂肪。這三類脂肪組織在形態(tài)和功能上各不相同。在形態(tài)學上，白色脂肪細胞體積大，充滿大粒脂肪滴，而棕色脂肪細胞體積小，含有豐富的小脂滴。在功能上，白色脂肪組織主要將體內(nèi)多余的能量以甘油三酯的形式儲存起來，而棕色脂肪組織主要負責非顫抖產(chǎn)熱。在后來的研究中，發(fā)現(xiàn)了米色脂肪細胞，其形態(tài)和功能介于白色和棕色脂肪細胞之間。棕色和米色脂肪細胞通過燃燒化學能產(chǎn)生熱量，改善人類或嚙齒動物的肥胖和代謝疾病。同時，棕色和米色脂肪細胞還可以通過產(chǎn)熱來提高家畜的抗寒能力，但會降低飼料的利用率。在育肥黃牛和水牛的白脂肪組織中均可鑒定到棕色脂肪組織標記基因，因此，我們認為水牛和黃牛的脂肪也能通過非顫抖產(chǎn)熱來抵御寒冷，但豬體內(nèi)很少會存在棕色脂肪。

在實際的家畜生產(chǎn)中，主要根據(jù)脂肪沉積的部位將脂肪組織分為：皮下脂肪和內(nèi)臟周圍脂肪。此外，還存在零散分布的肌間脂肪和肌內(nèi)脂肪。不同部位脂肪組織具有不同的基因表達譜，說明它們的生物學功能不同。在對人類脂肪與健康的研究表明，皮下脂肪組織與胰島素敏感性、II 型糖尿病和其他代謝紊亂有關，內(nèi)臟脂肪與胰島素抵抗、血脂異常、II 型糖尿病，高血壓和全因死亡率有關。而在家畜生產(chǎn)中，皮下脂肪和內(nèi)臟脂肪被認為是一種能量的浪費。另外，肌內(nèi)脂肪主要與肉用動物的肉質(zhì)的嫩度、多汁性和風味相關。動物成年后，對于肌肉和骨骼的生長所需的能量減少，能量將以脂肪的形式沉積在各個部位，并且沉積的速度和位置也隨之發(fā)生改變。Gotoh T 等認為牛脂肪首先會沉積在內(nèi)臟器官周圍，其次是皮下脂肪，最后是肌內(nèi)脂肪。除此之外，不同物種不同部位的脂肪，沉積的量也有所差異。有研究表明，在肉牛中皮下脂肪約占它們?nèi)碇镜?5%，肌間脂肪約占23%，肌內(nèi)脂肪約占14%；而豬的皮下脂肪約占全身脂肪的70%，比綿羊和牛的皮下脂肪多，豬的腹部脂肪較皮下脂肪少。我們認為這種差異可能受物種間的個體生理差異、脂肪能量消耗順序以及基因的調(diào)控的影響。

2.2 脂肪在家畜生產(chǎn)中的價值 脂肪組織沉積是評估畜牧業(yè)生產(chǎn)的重要經(jīng)濟指標，尤其是肌內(nèi)脂肪的含量，越來越受到人們的關注。如人們在購買肉制品時候多會注意肉制品的大理石花紋及顏色，口感上更加追求肉質(zhì)的風味、嫩度、多汁性。牛肉的大理石花紋越豐富，牛肉的嫩度就越理想，大理石花紋的豐富度可直觀地反映牛肉肌內(nèi)脂肪的多少。其中肌內(nèi)脂肪的磷脂是影響肉質(zhì)風味的主要因素，在肌內(nèi)脂中占比60%～70%。在牛的肌肉中，肌內(nèi)脂肪含量的增加在一定程度上可以降低肌肉剪切力，從而提高肉制品的嫩度。肉制品的多汁性和水分的含量相關，脂肪含量和水分含量成負相關，為研究肉制品的多汁性奠定基礎。不同品種肌內(nèi)脂肪含量可存在明顯差別，高肌內(nèi)脂肪含量的肉產(chǎn)品更能獲得人們青睞。在日本和牛中，背最長肌的肌內(nèi)脂肪含量約為23%，而在歐洲品種中肌內(nèi)脂肪含量低于5%，因此，日本和牛肉的價格通常比普通牛肉高出幾倍。魯萊黑豬肌內(nèi)脂肪的含量也較其他品種高，市場售賣價格也更高。由此可見，家畜肌內(nèi)脂肪的沉積在滿足人們需求的同時還提高了家畜的經(jīng)濟價值。

3 長鏈非編碼RNA 調(diào)控家畜的脂肪沉積

3.1 長鏈非編碼RNA 在豬脂肪沉積中的作用

高通量測序技術和生物信息學技術的快速發(fā)展，使得大量的、在脂肪組織中表達的lncRNA 被發(fā)現(xiàn)，結(jié)合細胞功能和機制的研究，使得人們對lncRNA 在脂肪沉積的調(diào)控中所發(fā)揮的作用有了更深的認識。對豬脂肪沉積的研究，在轉(zhuǎn)錄組水平上，主要對皮下脂肪進行研究，因豬的肌內(nèi)脂肪含量特別低，難以直接獲取肌內(nèi)脂肪組織。Liu 等對豬皮下前脂肪細胞不同分化階段進行轉(zhuǎn)錄組測序分析和研究，確定了兩個與脂肪形成相關的lncRNA（MSTRG.131380 和MSTRG.62128）。Kumar H 等對16 頭兩個年齡段（10 周和26 周）的豬背部脂肪組織進行鑒定分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)qRT-PCR 驗證的11 個差異表達lncRNA 參與背部脂肪組織的發(fā)育。不僅如此，Zhang等研究者在嘉興黑豬和大白豬皮下脂肪細胞中共鑒定出221 個差異表達的lncRNA，經(jīng)GO 和KEGG通路富集分析表明，差異表達的lncRNA 主要參與免疫應答、細胞命運測定、MAPK 信號通路，通過蛋白質(zhì)免疫印跡分析證實嘉興黑豬和大白豬MAPK通路活性與皮下脂的發(fā)生有關，為進一步研究豬皮下脂肪沉積的分子機制提供了新的目標。而在細胞水平上，主要進行肌內(nèi)脂肪研究，因為肌內(nèi)脂肪是影響肉品質(zhì)的重要指標之一。Sun 等對八眉豬和大白豬的肌內(nèi)前脂肪細胞誘導分化后進行RNA 測序，共鑒定出760 個lncRNA 在前脂肪細胞分化過程中存在差異表達。由此可見，無論是在細胞水平還是轉(zhuǎn)錄組水平上，肌內(nèi)脂肪和皮下脂肪的發(fā)育，均離不開lncRNA 的調(diào)控。

機體的活動是受基因表達的控制。在豬的不同部位或不同處理條件下的脂肪組織中存在大量的差異表達lncRNA，說明脂肪組織的發(fā)育受大量lncRNA 的調(diào)控作用。為進一步確認lncRNA 對脂肪組織發(fā)育的影響，人們在細胞和分子水平上進行了深入研究。Yi X 等發(fā)現(xiàn)敲除lncIMF2 后，豬肌內(nèi)脂肪細胞的增殖受到抑制，細胞周期相關基因及成脂分化標志基因的表達也受到影響，包括PPARγ 和ATGL(甘油三酯脂肪酶)。Cai 等發(fā)現(xiàn)敲除lncIMF4 可促進豬肌內(nèi)脂肪細胞的增殖和成脂分化，還可通過自噬調(diào)節(jié)脂解來影響脂類沉積。所謂自噬是一種生物過程，當缺乏營養(yǎng)、能量或環(huán)境失衡時，通過降解細胞器和蛋白質(zhì)來維持生命的生存。如果脂肪細胞發(fā)生自噬，自噬小體將包裹脂類進行消融。在食物供應充足的情況下，自噬和脂解作用都會減少，而在營養(yǎng)缺乏的情況下，兩者都會增加。這些發(fā)現(xiàn)將有助于更好地理解lncRNA 控制豬脂肪生成的作用，為提高豬肉品質(zhì)提供了一個新的視角。

目前，在豬上，關于lncRNA 分子機制的研究發(fā)現(xiàn)，lncRNA 可作為分子海綿來影響脂肪沉積。Wang等對肌內(nèi)脂肪沉積相關的lncRNA 進行研究發(fā)現(xiàn)lncRNAIMFlnc1 可以通過與海綿miR-199a-5p 競爭內(nèi)源RNA 來調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的表達水平，從而促進肌內(nèi)脂肪的生成。與此不同的是，Yi 等發(fā)現(xiàn)的lncIMF2，可以直接作為miR-217 的分子海綿，影響miR-217 靶基因的表達，進而影響脂肪形成。綜上可知，在測序、功能和機制上的研究結(jié)果均表明lncRNA 影響脂肪沉積。

3.2 長鏈非編碼RNA 在牛脂肪沉積中的作用

關于lncRNA 在牛上的研究，基本處于功能研究階段，相關機制研究極其有限。在黃牛上，Zhang等的研究表明，lncFAM200B 在脂肪組織中的表達水平高于肌肉組織；在離體培養(yǎng)的牛脂肪細胞中，lncFAM200B 可抑制前體脂肪細胞的增殖，不足的是，未研究對于脂肪細胞分化的影響。不僅如此，Li等在牛脂肪細胞中發(fā)現(xiàn)一個新的lncRNA（MIR221H G），敲低MIR221HG 后，可促進成脂標記基因（過氧化物酶體增殖物激活受體γ（PPARγ），CCAAT/增強子結(jié)合蛋白α（C/EBPα）和脂肪酸結(jié)合蛋白4（FABP4））的表達。后來，Cai 等發(fā)現(xiàn)lncRNA BADLNCR1 可負調(diào)控GLRX5 基因mRNA 表達，GLRX5 基因可促進脂滴形成和成脂基因的表達，GLRX5 可部分逆轉(zhuǎn)BADLNCR1 對牛脂肪細胞抑制分化的作用。在里lncRNA 的分子機制上，Li 等發(fā)現(xiàn)lncRNA ADNCR 可以作為分子海綿吸附miR-204，解除miR-204 對靶基因SIRT1 的抑制作用，從而增強靶基因SIRT1 的表達，而SIRT1 可抑制PPARγ活性，進而抑制牛脂肪細胞成脂分化。綜上所述，lncRNA 可以直接或間接調(diào)控牛脂肪細胞的分化，為理解成脂分化的機制提供了理論基礎。

水牛是熱帶和亞熱帶地區(qū)的重要畜禽資源，中國水牛資源豐富，位居世界第三，是僅次于黃牛的第二大牛種。近年來，lncRNA 調(diào)控水牛脂肪沉積方面的研究也有新發(fā)現(xiàn)。Huang 等采用RNA 測序方法對幼齡水牛和成年脂肪組織進行RNA 測序，獲得了大量的差異表達lncRNA 和mRNA；結(jié)合共表達分析和功能富集顯示585 對mRNA-lncRNA 可能參與脂肪沉積的調(diào)控。進一步研究發(fā)現(xiàn)，lncRNANDUFC2-AS 通過上調(diào)THRSP 和C/EBPα 基因的表達來促進成水牛前體脂肪細胞的成脂分化。此外，另外一個在脂肪組織中高表達且定位于細胞核的lncRNA（lncSAMM50），是由SAMM50 基因上游區(qū)域的反義鏈轉(zhuǎn)錄而來，lncSAMM50 可以通過上調(diào)成脂標志基因促進水牛脂肪沉積。最近，在水牛肌內(nèi)脂肪細胞中鑒定到的lnc210，同樣可以通過上調(diào)PPARG 和C/EBPα 的表達來促進水牛肌內(nèi)脂肪細胞的成脂分化。綜上可知，lncRNA 在水牛脂肪沉積上的研究雖然獲得了一些結(jié)果，但相對于調(diào)控脂肪沉積的復雜基因網(wǎng)絡，已有的研究還十分有限，更多調(diào)控水牛脂肪沉積的lncRNA 有待挖掘，更深入的分子調(diào)控機制有待揭示，這將為水牛肉品質(zhì)的遺傳改良提供理論基礎。

3.3 長鏈非編碼RNA 在羊脂肪沉積中的作用

養(yǎng)羊業(yè)已成為世界上一些國家國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，羊品種資源豐富多樣，一般可分為綿羊和山羊。因綿羊尾脂占體重的重量超過20%時，就會極大地降低經(jīng)濟價值，故研究者們會選擇尾部脂肪組進行轉(zhuǎn)錄組測序，進而研究lncRNA對尾部脂肪沉積的影響。在不同羊品種的研究上，Ma 等對蘭州肥尾羊（長肥尾羊）、小尾寒羊（細尾羊）和小尾藏羊（短細尾羊）三種羊品種的尾部脂肪進行RNA 測序，發(fā)現(xiàn)一些差異表達的lncRNAs（TCONS-00372767，TCONS-00171926，CONS-0054 953 和TCONS_00373007）可能在尾部脂肪沉積過程中發(fā)揮重要作用。同樣，Su XH 等選取新疆肥尾羊（巴什拜羊）、小尾羊（由巴什拜羊與野生盤羊的雜交而來）的尾部組織進行全轉(zhuǎn)錄組測序，共鑒定出了728 種差異表達的尾脂lncRNA，其中LncRNA-MSTRG.24995 在尾部脂肪中高度表達，lncRNA-MSTRG.36913 在皮下脂肪中高度表達，此外，LncRNA-MSTRG.24995 和LncRNA-MSTRG.36913在小尾羊的尾脂中的表達顯著低于巴希拜羊，這將有助于我們從轉(zhuǎn)錄組學的角度理解脂肪尾沉積的分子機制。除了對不同品種的羊進行轉(zhuǎn)錄組測序研究，還有研究者會對同一種羊不同生長階段的尾部脂肪進行研究。如He X 等還對蘇尼特羊三個生長階段（6 月、18 月、30 月）的尾脂進行RNA 測序并分析得出，lncRNA 可能通過靶向mRNA 參與尾部脂肪的生長發(fā)育。由此可見，lncRNA 對羊脂肪沉積的研究，大多集中于lncRNA 對尾脂沉積的影響，對于皮下脂肪和肌內(nèi)脂肪的研究還有待挖掘，這將有助于緩解我國羊肉供給需求。

豬牛羊肉已成為研究者們的研究熱點，這與其在市場上的占比和人們的需求量有關，在其他家畜中（馬和兔）的研究還需進一步探究，特別是馬屬動物，是我國市場的一大缺口，而且馬肉的營養(yǎng)價值不亞于牛羊肉，但由于馬“好動”的天性，肌內(nèi)脂肪含量較低，會影響肉制品的口感和風味，因此，是否存在lncRNA 對馬脂肪沉積進行調(diào)控有待挖掘。

4 總結(jié)與展望

本文重點強調(diào)了有哪些lncRNA 影響家畜脂肪沉積，并且通過怎樣的方式來影響家畜的脂肪沉積。lncRNA 分析的最大挑戰(zhàn)，是不能從其序列預測其功能，與蛋白質(zhì)不同，而且家畜之間的物種、個體差異大，再加上lncRNA 保守性低，表達量低，想要研究lncRNA 如何調(diào)控脂肪沉積以及其作用機制，以及如何更系統(tǒng)、更具體地對lncRNA 不同部位脂肪沉積的機制進行研究，這將是未來畜牧業(yè)研究的一大挑戰(zhàn)。

目前，關于lncRNA 在家畜脂肪沉積上的研究大多局限于鑒定和功能上，也有部分研究了其調(diào)控機制。如果能夠研究清楚lncRNA 對脂肪沉積的調(diào)控機制，不僅能為畜牧業(yè)肉品質(zhì)的改良提供理論支撐，還能為人類肥胖疾病的治療提供新的方向和思路。