miRNA在脂代谢中的研究进展

王来娣 郑 云 蒋拾贝 王星果 张 军 龚道清

(扬州大学动物科学与技术学院扬州 225009)

脂肪是能量贮存最主要的形式。在家禽生产中，脂肪对维持生命、生长和生产是不可缺少的。但是，在我们追求体重和生长速度的同时，家禽也沉积了过多的体脂，给生产带来一些负面效应，如肉禽饲料转化率、胴体品质及蛋禽产蛋率、受精率和孵化率均有明显降低［1］。在奶牛生产中，乳脂是牛奶重要的营养成分，也是衡量牛奶质量高低的主要指针之一［2］，众多学者开展了关于影响乳脂率的因素以及提高乳脂率方法的研究。对于养猪业而言，调控脂代谢是提高胴体瘦肉率的有效途径之一［3］，多年来，国内外的学者在猪脂肪沉积、合成、运输和分解等方面作了大量的研究。而人类由于脂代谢障碍导致的心血管类疾病等在世界范围内的发病率都很高，细胞中胆固醇不足或过多都会引起一些病理学过程，包括动脉粥样硬化以及代谢综合征［4－5］。由此可见脂代谢研究无论在动物生产还是人类疾病方面都有重要意义。

miRNA是一类长度约22个核苷酸的内源性非编码单链RNA，在细胞增殖、分化、凋亡和肿瘤发生等基本生物过程中起着不同作用，是基因表达的重要调控因子［6］。miRNA广泛存在于植物和动物等生物体中，具有一定的保守性，有一些miRNA广泛存在于各种生物体或组织，而有一些miRNA存在于某种特定生物体或组织。通常一种miRNA可以调控成百种mRNA，一种mRNA可以由成百种miRNA调控，这样miRNA在生物体内构成一个极其复杂的网络调控系统，从而发挥着重要作用［7－9］。关于脂代谢，miRNA 主要是通过抑制脂代谢相关基因的翻译来影响脂肪、胆固醇的合成、转运以及利用，因此miRNA可作为脂代谢调节的潜在媒介。

1 脂代谢相关信号转导途径特点

脂代谢为三大营养物质代谢之一，它主要参与机体的能量供应及储存，生物膜的构成以及其他一些重要的生命过程。脂代谢主要包括甘油三酯代谢、胆固醇及其酯的代谢、磷脂和糖脂代谢等。在这些代谢过程中，有大量的蛋白酶、受体、转运子等参与其中，而它们又受一些信号转导途径的调控，形成了复杂而精细的调控网络［10］。脂代谢信号转导涉及的重要途径主要包括:过氧化物酶体增殖物启动受体(PPARs)途径、肝X受体(LXRs)途径和固醇调节组件结合蛋白(SREBPs)途径等［10］，共同维持着细胞乃至机体内的脂平衡。

PPARs包括 3种亚型:PPARα、PPARβ 和PPARγ，其中PPARα在肝脏脂代谢中调控多个环节的基因表达［11］。在饥饿状态下或配体启动后，PPARα使脂肪酸转运蛋白(fatty acid transport protein，FATP)、脂肪酸转位酶(fatty acid tranlocase，FAT)和肝型脂肪酸结合蛋白(liver-type fatty acid binding protein，L-FABP)基因表达量增加，刺激脂肪酸的转运和摄取［12］。PPARγ基因在脂肪组织高表达，因而对其调节脂代谢的研究集中于脂肪细胞。它主要通过调控脂肪细胞脂肪酸结合蛋白(adipocyte fatty acid-binding protein，A-FABP)和一些促脂肪生成蛋白质的合成来调节脂肪的储存［13］。PPARβ分布比较广泛，因此对其功能研究进展相对缓慢，最近发现，PPARβ参与了巨噬细胞中胆固醇的代谢［14］。

SREBPs是体内脂代谢的重要转录调控因子，它能调节参与胆固醇、脂肪酸等生成和吸收的30多个基因的表达［15］。SREBPs主要是由 SREBF-1和SREBF-2 2个基因编码产生的SREBP-1a、SREBP-1c和SREBP-2 3种蛋白质［16］，它们在各组织中的基因表达各异，且肝脏中3种形式的SREBPs共同调节脂类的生成和输出。SREBP-1可以选择性启动脂肪酸代谢以及脂肪从头合成相关基因，而SREBP-2则更倾向于启动胆固醇平衡过程中的相关基因［16－17］。在小鼠上的试验表明，SREBPs基因的异常表达会导致一些代谢综合征，其生理变化类似于人类的脂代谢紊乱［15－17］。

此外，LXRs也是胆固醇代谢的重要调节者［18］，有 LXRα 和 LXRβ 2种形式。LXRs特异性地受氧化型胆固醇或氧甾醇启动，包括胆固醇合成途径的中间产物。LXRs能启动细胞中胆固醇输出的相关基因包括ATP结合盒转运蛋白(ATP binding cassette protein，ABC)A1以及 G1等基因的转录［19］。有研究表明，小鼠 LXRs基因缺失会导致组织中固醇的积累并能显著加快动脉粥样硬化［20］，而加入合成的LXRs启动剂则能促进胆固醇的输出，保护小鼠防止动脉粥样硬化的发生［21－22］。LXRs还能影响 SREBP-1基因的转录，因此调节这些信号通路的相互作用能够增加脂肪酸的合成。通过对小鼠靶向破坏LXRs基因导致SREBP-1c、脂肪酸合酶(FAS)、硬脂酰基－辅酶a脱氢酶(SCD-1)以及ACC基因的表达受到抑制［23－24］。相反，使用药理学方法启动 LXRs基因的表达能够诱导脂肪生成路径以及提高血浆甘油三酯水平，并最终导致肝脏脂肪变性［25］。总体而言，这些路径对维持体内脂质平衡起着重要的作用。

2 miRNA的产生与作用机制

miRNA可分为2类:非蛋白质编码的miRNA和蛋白质编码的内含子型miRNA，其中，非蛋白编码的miRNA一般位于编码基因的外围，占绝大多数［6］。研究表明，miRNA有相当一部分是在染色体上成簇排列的，这些成簇排列的基因常能够协同表达［26］。

成熟的miRNA是一类长约22个核苷酸的单链非编码 RNA，它首次在线虫中被发现［27］。首先，miRNA在RNA聚合酶Ⅱ的作用下转录得到约几千bp的前体物——pri-miRNA，且具有2个茎环结构以保持稳定性［28］。然后pri-miRNA由Drosha酶进行加工得到60～70个核苷酸的pre-miRNA［29－30］。接着输出蛋白 5(exportin-5)识别pre-miRNA，在 G蛋白 Ran的作用下将pre-miRNA由细胞核运输至胞质中进行下一个加工步骤，通过Dicer酶切割形成18～25个核苷酸的双链 RNA［31］，随后在 DiGeorge综合征关键区域8(DGCR8)蛋白作用下双链打开，其中一条链被称为过客链(passenger strand)，被降解，而另一成熟 miRNA 链被称为引导链(guide strand)［32］，它与DGCR8以及RNA诱导沉默复合体(RNA-induced silencing complex，RISCs)结 合，P小体是细胞质中的一种聚集点，RISCs以及靶基因mRNA 被转移并富集于 P小体中［33－35］。此外，RISCs含有裂解后所需的mRNA降解酶，能最终通过miRNA与靶基因mRNA 3'末端非编码区(3'UTR)结合从而抑制翻译影响表达［36］。若靶基因mRNA的3'UTR靶序列区与miRNA精确互补，则mRNA被切断，若为不完全互补，则会导致对mRNA翻译的可逆抑制［37］。

3 miRNA与脂代谢

随着越来越多的miRNA被发现，人们开始重视这一类内源性非编码单链RNA，并对它们的进行功能研究，与脂代谢相关的miRNA的研究也已取得一定的进展。总体而言，与脂代谢相关的miRNA主要从脂类合成、运输以及氧化3方面来调节脂代谢，但由于一种miRNA能调节上百种基因，且一种基因也可能被多个miRNA所调控，这就导致了miRNA脂代谢调控的复杂性。就已有研究而言，miR-33、miR-27以及miR-378等主要参与脂质合成以及运输过程，而miR-122、miR-370等主要在脂质合成以及氧化利用过程起作用。当然很多miRNA作用的靶基因尚未发现完全，再加上miRNA通过与靶基因作用可能影响一系列上、下游基因表达，因此众多miRNA作用形成了一个复杂的调控网络，现主要对研究较深入的几个与脂代谢相关miRNA进行分析。

3.1 miR-33 与脂代谢

在人体内，miR-33主要有 miR-33a和 miR-33b 2种形式，而小鼠、鸡等动物中只存在miR-33a 1种形式。成熟的miR-33a与miR-33b在形式上仅有2个核苷酸的差异，而它们的种子序列区一致，因此预计它们作用的靶基因可能存在交集。关于脂代谢的相关研究表明，miR-33a和miR-33b分别是由SREBF2和SREBF1基因编码的内含子型miRNA，且它们与 SREBF2、SREBF1基因一样能够调节胆固醇和脂肪酸的平衡［38］。ABCA1是高密度脂蛋白(high-density lipoprotein，HDL)合成以及胆固醇输出的重要调节者，主要参与游离胆固醇从细胞到载脂蛋白微粒再到初期HDL形成，这对于肝脏中HDL的生成以及多余的胆固醇从细胞运至周围组织具有至关重要的作用［39］。ABCA1基因具有3个高度保守的miR-33结合靶位点，miR-33能够靶向抑制 ABCA1基因的表达［38－40］。在小鼠的研究表明，使用反义寡核苷酸、病毒交付的发卡抑制剂或者定向缺失的方法抑制miR-33生成，均能够增加肝脏ABCA1基因的表达，且能使血浆 HDL的增幅达40%［39］。而在非洲绿猴的研究中，用药理学方法同时抑制miR-33a和miR-33b生成也导致肝脏ABCA1基因表达量增加以及血浆HDL的持续性增加，且还导致miR-33的其他脂肪酸氧化相关靶基因［如肉碱氧位甲基转移酶(CROT)、肉碱棕榈酰基转移酶1A(CPT1A)、羟酰辅酶A脱氢酶(HADHB)和AMP激活的蛋白激酶α1亚基(PRKAA1)基因］的表达量增加，以及脂肪酸合成基因［如SREBF1、FAS、ATP柠檬酸裂解酶(ACLY)和乙酰辅酶A羧化酶α(ACACA)基因］的表达量降低，最终使得血浆极低密度脂蛋白和甘油三酯水平显著降低［41］。这对于血脂异常而造成的心血管疾病的治疗具有重要意义。

3.2 miR-122 与脂代谢

miR-122占成年小鼠肝脏miRNA的70%，且在物种间高度保守，它是由一种非编码的基因hcr的转录本加工而来，这种基因在物种间也较保守［42－43］。肝脏中 miR-122 的表达对脂代谢具有重要的调节作用，miR-122过表达或抑制都能导致胆固醇以及脂肪酸合成相应的变化。在对正常小鼠使用反义寡核苷酸抑制miR-122后发现小鼠血浆胆固醇水平降低，肝脏脂肪酸氧化增强，肝脏脂肪酸以及胆固醇的合成率降低，且对中央代谢传感器AMP蛋白激酶(AMPK)的活化作用增强，AMPK能够抑制脂肪酸以及胆固醇合成的关键酶的活性［44］。使用相同方法抑制肥胖小鼠miR-122表达后，导致血浆胆固醇水平降低，且通过下调相关脂肪酸合成基因表达使肝脏脂肪变性有显著好转［44］。另有研究发现，缺乏夜蛋白(nocturnin)是一种节律性去腺苷酸酶，小鼠nocturnin可抵御饮食诱导的肥胖和脂肪肝，而在小鼠肝脏中miR-122能将nocturnin作为靶基因，调节其表达，在肝细胞代谢和节律控制中发挥作用［45］。另外，用 miR-122抑制剂处理小鼠，可以上调很大一部分肝脏中miR-122的预测靶基因表达，如N-myc下游调节基因3(Ndrg3)、醛缩酶A(AldoA)、支链α酮酸脱氢酶激酶(Bckdk)和CD320等基因，最终调节肝脏代谢［46］。

3.3 miR-27 与脂代谢

miR-27有 miR-27a和 miR-27b 2种形式，由miRbase数据库可知miR-27a为非蛋白质编码的miRNA，而miR－27b为9号染色体开放阅读框3(C9orf3)基因的内含子型miRNA［47］。研究表明，miR-27a和miR-27b与脂蛋白酯酶(lipoprotein lipase，LPL)基因的表达有关，LPL是血浆乳糜微粒以及极低密度脂蛋白中甘油三酯水解作用的限速酶。在细胞中miR-27过表达能够降低LPL基因的表达量，并抑制甘油三酯的积累以及脂肪生成基因的表达。miR-27a和miR-27b可以抑制细胞中脂代谢相关基因的表达，如PPARγ、视黄醛X受体 α(RXRα)、脂联素、CD36、FAS、FABP4、葡萄糖转运蛋白 4(GLUT4)和 SREBP1c 等基因［48－49］。另有研究证实，PPARα是miR-27b的靶基因，miR-27b过表达能够引起PPARα基因的下调表达［50］。在猪上的研究表明，miR-27a可以加速甘油三酯的水解作用而miR-143可以促进甘油三酯的合成［51］。此外，在小鼠上 PPARγ受到 LXRα 的调节，且与胆固醇积累密切相关。而LXRα通常可诱导ABCA1、ABCG1以及清道夫受体B1(SR-B1)基因的表达。因此有报道推测可通过抑制miR-27来调节 PPARγ-LXRα-ABC 转录级联通路［47］。

3.4 其他脂代谢相关miRNA

有研究表示miR-335在脂质加工过程中表达上调，且在肥胖小鼠的肝脏和脂肪组织中高度表达［52］。关于miR-378/378*的研究表明，它可以增强脂肪酸代谢相关基因的表达，如FABP4、FAS和SCD-1等基因［53］。miR-21在肝功能以及胆固醇调节方面也起着一定的作用，不饱和脂肪酸能够上调miR-21的表达，且其在高脂饮食的大鼠以及人类的肥胖个体肝脏组织中表达量较高［54］。miR-143是最先发现的调节脂肪细胞分化的miRNA。它的表达能够增加脂肪细胞的分化，且体外培养状态下，miR-143抑制剂可以抑制人类脂肪细胞的分化并下调PPARγ2、FABP以及GLUT4基因的表达［55］。当然，miRNA的脂代谢调控网络十分复杂，还需进行更深入的研究。

4 小结

脂肪是能量贮存最主要的形式，由于物种的不同，脂肪酸的合成场所不尽相同。如在反刍动物上，脂肪组织合成的脂肪较多，肝脏较少;而在家禽上，肝脏是脂肪酸的主要合成场所，且对脂代谢平衡起着重要作用;对于人，脂代谢障碍会导致一系列的疾病如高血脂、高血糖以及脂肪肝等。鉴于miRNA对靶基因的抑制作用，可从这一角度出发进一步探索与动物某些生产性状或人脂代谢障碍相关的主效基因受miRNA的影响情况，尝试用此方法来修饰某些性状或改善脂代谢;另外可考虑研究脂代谢障碍所导致的一些特定miRNA含量的异常增加或减少，经验证后将其作为相关的诊断标记。总体而言，相关miRNA能够通过靶向作用抑制脂质生成、运输、氧化利用等相关基因的表达从而调节机体脂代谢平衡，它为人为调节动物的脂质代谢以及人类脂代谢障碍引起的相关疾病的诊断及治疗提供了一新思路。

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