微RNA与肠道菌群失调及与肠道疾病的关系

何 丽，周 瑶，孙 强，黄瑞雪

（中南大学湘雅公共卫生学院劳动卫生与环境卫生学系，湖南长沙 410078）

肠道是一个复杂的生态系统，肠道菌群由数量庞大，种类繁多的微生物菌群构成，起到维持肠道平衡和人体健康的作用。已知肠道菌群失调与炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）、肠易激综合征（irritable bowel syndrome，IBS）和结直肠癌（colorectal cancer，CRC）等疾病密切相关。在这3种疾病中，微RNA（miRNA）表达出现显著改变，提示其在肠道疾病发生发展中起重要作用。大量研究也显示，miRNA通过影响肠道菌群以及被肠道菌群影响的方式在肠道疾病发生发展中发挥重要调控作用。本文首先分析了miRNA表达水平变化和肠道菌群失调之间的关系，继而表述miRNA表达水平变化和肠道菌群失调在IBD，IBS和CRC等疾病中的作用，以期为肠道疾病的诊断和治疗提供候选miRNA，为肠道疾病研究提供参考。

1 miRNA与肠道菌群失调的关系

1.1 肠道菌群失调改变miRNA表达水平

Archambaud等［1］在常规小鼠和无菌小鼠的肠道中找到10条共表达的miRNA，对比分析小鼠感染李斯特菌后，这10条miRNA的表达改变情况。研究发现，外来病原体感染后，有6条miRNA表达水平出现显著降低，5条（miRNA-143，miRNA-148a，miRNA-200b，miRNA-200c和miRNA-378）出现突变。研究者还通过生物信息学手段分析了该6条miRNA和mRNA之间的相互作用，发现有其中5条的表达受肠道菌群和李斯特菌的影响，其中miRNA-143和miRNA-378能与下游＞10条以及感染相关基因（如Rigl和Adar等基因）结合并参与调控这些基因表达。研究认为，肠道菌群通过调节肠道miRNA转录水平的方式，对外来病原体产生应答。为进一步了解肠道菌群失调对miRNA的影响，Archambaud等［2］采用李斯特菌诱导型单核细胞增多小鼠模型，灌胃给予2种乳杆菌〔类干酪乳杆菌（L.paracasei CNCM I-3689）和干酪乳杆菌（L.casei BL23）〕后，对比分析小鼠肠道菌群转录组谱，发现李斯特菌诱导型单核细胞增多小鼠中，3个miRNA（miRNA-192，miRNA-200b和miRNA-215）表达水平显著减少，但在给予乳杆菌干预后，这3条miRNA表达水平开始上调，且许多与感染相关的基因表达水平发生改变，其中干扰素刺激基因改变最明显。该研究进一步说明了肠道菌群失调会影响miRNA的表达，同时还提示，可通过干预肠道菌群转录组靶点miRNA的表达，对外来病原体引起的肠道菌群失调进行干预，由此说明在肠道菌群失调时给予乳杆菌等益生菌可纠正。

Hoeke等［3］研究发现，仔猪感染鼠伤寒沙门菌3 h后，miRNA-29a的表达水平开始升高，引起其靶蛋白CAV2表达降低，从而促进鼠伤寒沙门菌在细胞间迁徙转移。该研究提示，降低miRNA-29a水平可靶向治疗鼠伤寒沙门菌感染。Zhang等［4］研究发现，结肠癌患者在感染幽门螺杆菌后，肠道黏膜上miRNA-21表达量显著上高。细胞实验证实，上调表达的miRNA-21可诱导癌细胞增殖和迁移。该研究认为，宿主感染幽门螺杆菌后，肠道菌群失调，造成miRNA表达改变，从而促进幽门螺杆菌在结肠癌中的作用。Fassi Fehri等［5］研究发现，小鼠感染幽门螺杆菌后，肠道菌群组成发生变化，miRNA-155在肠道上皮细胞表达量显著升高，且与炎症因子如IL-8的释放呈负相关关系，提示miRNA-155可参与幽门螺杆菌感染所引起的炎症反应。Vikram等［6］发现，健康无病原菌C57BL/6小鼠主动脉血管壁中的miRNA-204水平显著高于无菌小鼠，在加入广谱抗生素饮用水喂养健康无病原菌小鼠6周后，该小鼠主动脉血管壁中的miRNA-204表达水平下降。该研究认为，广谱抗生素可导致宿主肠道菌群发生改变，肠道菌群的改变影响宿主肠道外部miRNA的表达。外来病原体引起的肠道菌群失调会影响miRNA表达水平改变，其机制可能是外来病原体产生内毒素刺激宿主肠道菌群，也可能是外来病原体与宿主相互作用时产生的一些代谢物作用于宿主肠道菌群，影响肠道菌群数量，导致miRNA的表达水平发生改变。外来病原体通过肠道菌群影响miRNA表达改变的具体机制还有待深入研究。

1.2 miRNA调节肠道菌群稳态

miRNA可调节细菌生长并可影响宿主肠道微生物的组成，在调节肠道菌群稳态、维持肠道健康这一过程中发挥着关键作用。研究发现，miRNA可通过调节聚糖等物质的产生而影响宿主体内微生物菌群的生长与组成［7］。Liu等［8］发现，肠道上皮细胞（intestinal epithelial cell，IEC）-miRNA缺陷小鼠（Dicer1ΔIEC小鼠）表现出不受控制的肠道微生物群和恶化的结肠炎，他们使用miRNA分离试剂盒分离了健康野生型小鼠粪便中的miRNA并通过管饲法将其移植入Dicer1ΔIEC小鼠肠腔中，发现这些miRNA可恢复粪便微生物并改善结肠炎。该研究表明，miRNA对肠道菌群有一定的影响，对肠道菌群稳定有一定的调节作用。Liu等［9］的另一个研究发现，粪便中存在的miRNA可进入肠道细菌，调节细菌基因的表达和细菌的生长，这对恢复和维持正常的肠道菌群有着十分重要的作用。Johnston等［10］利用野生型表达miRNA-21小鼠和敲除miRNA-21基因小鼠（miRNA-21-/-）模型研究miRNA-21对肠道菌群的影响，发现miRNA-21-/-小鼠对葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎敏感性降低；在无菌小鼠中移植入miRNA-21-/-小鼠的粪便，测序发现野生型小鼠组和植入miRNA-21-/-小鼠粪便组之间肠道菌群存在显著差异，研究揭示了miRNA-21可改变肠道菌群从而影响肠道炎症的发生发展。Du等［11］利用野生型和miRNA-146a缺陷型小鼠模型，发现在miR-146a缺失的情况下，肠道菌群发生有利的改变，对李斯特菌感染起到抑制作用。Runtsch等［12］的研究发现，miRNA涉及菌群识别和下游免疫活性基因的表达等过程。因此，miRNA通过调控肠道微生物群在肠免疫系统功能中发挥重要作用，且其可能通过各种途径如调节肠道某种物质的产生或进入细菌内等方式直接或间接地影响肠道健康和正常功能，进而影响人体健康或疾病的发生发展。

2 肠道菌群失调和miRNA表达水平变化在肠道疾病中的作用

肠道菌群失调可能是许多胃肠道疾病如IBD，IBS和CRC等的重要病因，而微生物群影响宿主生理的一个可能机制是改变宿主基因的表达。研究发现，在患有这些疾病的患者中，正常的肠道菌群结构发生变化，且miRNA表达水平出现改变，提示肠道菌群和miRNA可作为诊断这些疾病的潜在的参考指标。

2.1 炎症性肠症

IBD是一种慢性肠道炎症性疾病，主要包括溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC）和克罗恩病（Crohn disease，CD）。在哺乳动物的肠道中，当肠黏膜屏障受损时，肠道易受到内外病原微生物的攻击而引起炎症。研究表明，肠黏膜的屏障功能受到肠道菌群的调节，肠道微生物通过Toll样受体4/骨髓分子因子8信号和核苷酸结合寡聚体结构域蛋白2信号调节IEC，当肠道菌群失调时，信号通路传导异常，黏膜屏障功能障碍而发生疾病，此外，小鼠和大鼠肠道中的肠道共生菌如分段丝状菌可紧密附着在IEC上并促进Th17细胞的分化，在与肠炎相关的柠檬酸杆菌感染的情况下，诱导有效的Th17细胞介导的反应，从而起到调节肠道炎症的作用［13］。普拉氏梭杆菌（Faecalibacterium prausnitzii）是一种正常的肠道共生菌［14］，属于厚壁菌门，梭菌纲，瘤胃菌科，是该属最主要的菌种。该菌生成的丁酸对于维持肠道平衡、促进肠道健康有十分重要的作用，是一种非常重要的益生菌。F.prausnitzii可通过阻断NF-κB表达和IL-8分泌而具有抗炎作用，还可诱导针对病原体的定殖抗性［15］，所以该菌数量的减少将会导致丁酸生成减少进而引起肠道健康的失衡以及炎症的发生［16］。在某些IBD患者中发现miRNA的差异表达，如miRNA-193a-3p表达下调时，会导致结肠区域的肽转运蛋白1（peptide transporter 1，PepT1）的表达和活性升高，PepT1是一种二和（或）三肽转运体，结肠PepT1可介导共生菌产物（如N-甲酰化肽，N-甲酰甲硫氨酰亮氨酰-苯丙氨酸和胞壁酰二肽）过量转运到结肠上皮细胞的胞质溶胶中，其水平增高将会引发细菌肽诱导的炎症反应［16-17］。研究发现，与健康对照相比，UC和CD患者具有不同的miRNA特性。在活动性UC患者血清中，有些miRNA包括miRNA-16，miRNA-21，miRNA-23a，miRNA-24，miRNA-29a，miRNA-126，miRNA-195，miRNA-155，miRNA-31，miRNA-126，miRNA-7，miRNA-135b，miRNA-223，miRNA-29a和miRNA-29b等水平较健康对照显著增加，而部分如 miRNA-192，miRNA-375，miRNA-422b，miR⁃NA-125，miRNA-101，miRNA-26和miRNA-200b等则表达下降；与健康对照相比，CD患者血液中部分miRNA如miRNA-16，miRNA-23a，miRNA-29a，miRNA-106a，miRNA-107，miRNA-126，miRNA-191，miRNA-199a-5p，miRNA-200c和miRNA-362-3p等的表达水平显着增高［18］。一研究指出，miRNA-200家族可能通过直接靶向锌指E-盒结合同源蛋白异型盒-1和锌指E-盒结合同源蛋白异型盒-2，使后者在CD所致的肠纤维化患者中显著降低，因此可作为CD肠纤维化潜在的生物标志物［19］。IBD是一种高发的胃肠道疾病，其发病机制和病因尚未阐释清楚。研究miRNA在IBD发生发展中的作用和机制以及致病菌和肠道益生菌在IBD发病和转归中的起到的作用，对于寻找IBD新的诊断标志物和更好的治疗方法，具有十分重要的实践意义。

2.2 肠易激综合征

IBS是一种很常见的胃肠功能失调性疾病，包括便秘型IBS（IBS-C）、腹泻型IBS（IBS-D）、混合型IBS（IBS-M）和未经亚化的IBS等类型，具有反复腹痛和排便习惯改变等特征，IBS几乎无有效的治疗药物，IBS的发病机制复杂且未完全阐明，肠道菌群在IBS中起到的作用得到了很多关注。与正常人群相比，IBS-D患者肠道微生物群落组成出现明显改变，以厚壁菌、放线菌、拟杆菌和变形杆菌改变最为显著，其中变形杆菌和厚壁菌繁殖增加，而放线菌和拟杆菌的数量则减少［20］。在一些临床试验中，使用抗生素或乳酸杆菌、双歧杆菌、L植物乳杆菌299V和鼠李糖乳杆菌等益生菌治疗可有效缓解IBS患者的腹部疼痛和不适的感觉［21］。研究表明，IBS患者体内的某些miRNA如miRNA-199a/b表达水平和某些细菌如大肠杆菌数量与健康人不一致。Mansour等［22］分别选取了由20名IBS-C、18名IBS-D和32名IBS-M共70例IBS患者组成的病例组和由20例健康对照组成的对照组，测定并比较了2组之间血清miRNA-199b水平和粪便大肠菌群数量。结果显示，IBS患者血清中miRNA-199b表达显著降低，IBS患者粪便中大肠菌群显著增加，其中IBS-D患者粪便中大肠菌群数量最多，而IBS患者血清miRNA-199b与粪便大肠菌群数量成负相关。Fourie等［23］的研究结果发现2种miRNA即miRNA-150和miRNA-342-3p在IBS患者的体内差异表达，而它们都与炎症和疼痛有关，说明IBS患者疼痛等症状可能与某些miRNA有关，但还需要更多的直接证据。Zhou等［24］研究评估了45例IBS-D和40例健康对照的内脏疼痛严重程度和结肠镜活检，发现IBS-D患者结肠miRNA-199a/b表达降低与内脏疼痛显著相关，通过腹腔注射miRNA-199a前体物使体内miRNA-199a表达上调可减少内脏超敏性并降低内脏疼痛，提示miRNA-199a可能是IBS患者内脏疼痛有效的治疗候选物。

2.3 结直肠癌

CRC是一种发病率和死亡率很高的消化道恶性肿瘤，CRC患者的肠道菌群在其病程中经常会发生异常改变。2012年，Chen等［15］测序比较了CRC患者和健康对照组的肠腔、癌组织和匹配的非癌正常组织中的微生物群构成，发现双歧杆菌、粪便杆菌和布劳特菌（Blautia）等有益细菌在癌组织中明显减少，而梭杆菌、卟啉单胞菌和消化链球菌等有害细菌则显著增加。相关研究发现，肠道中的具核梭杆菌和脆弱拟杆菌与结直肠癌的发病有关，其中具核梭杆菌可修饰肿瘤免疫微环境，而脆弱拟杆菌可在宿主细胞中产生DNA损伤性基因毒素，此外，卟啉单胞菌也被认为与CRC的发病相关，这些细菌可能通过影响结直肠癌细胞的脂多糖途径诱导Toll样受体4信号传导并促进癌细胞存活，可增加癌细胞侵袭［25］。Lopez-Siles 等［26］比较了健康对照和CRC患者肠道黏膜当中的F.prausnitzii数量，发现该菌在CRC患者肠道数量显著减少，其作为一种正常的肠道共生菌易受疾病期间肠道环境（如pH，胆盐或氧气）条件变化的影响，而CRC发生时肠道微环境发生变化，从而影响F.prausnitzii的生存导致其数量的减少。这表明它的减少可能被视为肠道健康异常的一项指标。Hu等［27］的研究表明miRNA-17-92a基因簇在CRC中过量表达，miRNA-17-92a可促进癌细胞增殖并抑制癌细胞凋亡，使用抗癌物质丁酸盐治疗后癌细胞中的miRNA-17-92a水平明显下降，从而减弱了人CRC细胞增殖并促进癌细胞凋亡，进而可延缓CRC的进程，这可能与丁酸通过减少c-myc（一种原癌基因）而抑制了miRNA-17-92a的转录有关。Yu等［28］研究发现，结肠癌患者的miRNA-21表达增加而miRNA-145表达下调，二者呈负相关关系，均可导致CRC癌症干细胞的增殖和肿瘤的生长，促使癌症的发生发展。体外和体内实验证明，使用miRNA-145前体物或miRNA-21拮抗剂可降低肿瘤干细胞增殖从而抑制肿瘤的生长。Zeng等［29］的研究选取了43名CRC患者的结肠组织样品，其中有36份样品呈现miRNA-146a表达下降，且下降幅度越小，癌细胞分化程度越高，而miRNA-146a表达量较高的患者寿命长于其表达量较低的患者。进一步研究发现miR-146a过表达可抑制CRC细胞增殖，提示其可作为CRC潜在的抗癌因子。

3 展望

肠道菌群失调与肠道疾病密切相关，miRNA作为小片段非编码RNA，在疾病发生发展中的作用越来越受到重视。对肠道菌群和miRNA二者之间的关系展开研究，探讨二者的交互网络作用以及这种交互网络调控作用对肠道疾病发生发展的影响至关重要。目前，测序技术的不断完善和各种分子生物学分析手段迅猛发展，为深入研究肠道疾病中肠道菌群和miRNA二者交互网络调控所起的作用提供了可行性。针对该问题展开探讨，将有助于进一步深入了解肠道疾病的发生病因，揭示肠道菌群和miRNA二者互相调控的机制，最终为寻找到预防和治疗肠道菌群的作用靶点提供科学依据。但目前研究仍存在一些尚未解决的问题，需要引起重视。如肠道菌群如何直接或间接影响宿主健康肠道菌群的变化，如何导致宿主miRNA的改变，如何合理制定益生菌和（或）合生元治疗肠道疾病的量，益生菌和（或）合生元治疗肠道疾病的表观调控机制，miRNA在其中扮演的角色，以及肠道细菌或miRNA是否能成为诊断某种肠道疾病的标志物等仍需大量直接或间接证据的支撑。另外，在动物实验研究中得到的结果推到人类临床应用上时，还需要格外谨慎。