MicroRNA在动物脂肪酸代谢中的研究进展

曹明月, 张 玉, 李 娟, 赵亚运, 薛良义

(宁波大学 海洋学院， 宁波 315211)

MicroRNA(miRNA)是一种内生性的、在进化上高度保守的单链成熟非编码RNA，长约17～25个核苷酸，且通常与靶标 mRNA 的3′非编码区(untranslated region, UTR)互补结合，可在转录后水平直接降解靶标 mRNA 或抑制蛋白质翻译[1-2]。动植物中均存在miRNA，其参与生命过程中的一些重要进程，如细胞凋亡、病毒感染、肿瘤和其他疾病的发生及发展等方面。近年来，研究发现 miRNA 在脂肪酸代谢及脂代谢紊乱方面具有重要的调控作用，其作用机制主要是通过与脂肪酸代谢相关基因靶向结合来调控脂肪酸代谢，如miR-126 可通过抑制血管细胞黏附分子1 (vascular cell adhesion molecule, VCAM-1)的表达在由脂质代谢异常所引起的动脉粥样硬化的发展过程中起保护作用[3]；miR-196基因家族可能在调节皮下脂肪组织中同源基因(Homeotic genes, HOX)基因表达和脂肪分布变化中起重要作用[4]；miR-21可能是肥胖发生的关键调节因子之一[5]；miR-33、miR-122、miR-370和miR-378均被视为脂肪酸代谢的转录后调控因子，均与肝脏脂肪酸代谢异常引发的疾病如非酒精性脂肪肝等密切相关；而miR-133a、miR-141等miRNAs与由肥胖引起的胰岛素异常性糖尿病具有密切联系[6]。

1 脂肪酸代谢

脂质主要包括脂肪酸(fatty acid, FA)、甘油三酯和胆固醇，是机体能量代谢的重要来源。脂肪酸的代谢产物(如前列腺素、鲨烯)参与调节多种基因的表达[7]。多项研究表明，动物合成和分解脂肪的能力在不同组织中有明显不同，兔、鼠等啮齿动物的肝脏和肌肉都是合成脂肪酸的主要场所，各占50%，而鱼类则在肝脏中脂肪代谢旺盛[8]。脂肪酸在肝脏中的代谢存在3个关键分支点，即脂酰CoA、乙酰CoA 和柠檬酸。在脂肪酸的分解代谢中，主要表现为脂肪酸的β氧化，参与反应的主要酶有肉碱棕榈酰转移酶I (carnitine palmitoyl transferase I, CPT I)和过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator-activated receptor, PPAR)。脂肪酸的合成代谢是通过一系列酶促反应来完成的，参与反应的主要酶有脂肪酸合成酶(fatty acid synthase, FAS)复合体系和乙酰辅酶 A 羧化酶(acetyl-CoA carboxylase, ACC)。 脂肪酸的生物合成主要在胞内进行，乙酰 CoA 羧化酶是脂肪酸合成的关键限速酶，可将乙酰 CoA 羧化成丙二酸单酰 CoA[9]。

2 调控脂肪酸分解代谢基因及miRNAs

2.1 肉碱棕榈酰转移酶Iα(carnitine palmitoyl transferase Iα, CPT Iα)

CPTI位于线粒体外膜上，存在两个亚型即CPTIα和CPTIβ，是脂肪酸分解代谢过程第一步的关键酶。CPTI的表达可被丙二酰CoA 抑制[10]，研究发现，黑腹果蝇(Drosophilamelanogaster)中CPTIα与miR-33a存在结合位点且高度保守，miR-33a在饥饿状态下会抑制CPTIα的表达[11]；人类miR-370 和miR-122 均与CPTIα存在结合位点，靶向调控的miR-370与非靶向调控的miR-122 均可负向调控CPTIα的表达[12]；在小鼠高脂肪饮食的影响下，miR-370 表达量增加并下调CPTIα，同时miR-122表达量减少，揭示miR-122与CPTIα之间可能存在某种调控关系[13]。

2.2 过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator-activated receptor， PPAR)

PPAR在脂肪细胞的分化过程中占据重要地位，并对脂肪形成过程具有正向调控作用，是脂肪酸分解过程的关键调控因子[14-15]。PPAR具有3个亚型基因 PPAR α、 PPAR β和 PPAR γ。PPAR α 在动物脂肪酸代谢旺盛的组织中高表达，在饥饿状态下，PPAR α在小鼠肝脏脂肪酸β氧化及酮体生成中发挥重要作用，且表达量上调，miR-21、miR-27a、miR-106b、miR-181a参与调节肝细胞中PPARα表达的上调；在牛乳腺上皮细胞中，miR-27a过表达会显著抑制脂滴的形成、细胞三酰基甘油(Triacylglycerol, TAG)的水平及其靶标基因PPARγ的mRNA的表达，而下调miR-27a则会导致PPARγ增加[16]，以此影响牛乳腺上皮细胞中TAG的合成；在对山羊乳腺癌的研究中发现，PPARα是miR-148a和miR-17-5p的靶标基因，其中，miR-148a可通过抑制PPARα，并与miR-17-5p配合调节脂肪酸代谢，使得TAG增加[17]。

2.3 脂蛋白酯酶(lipoprotein lipase， LPL)

PPARγ受脂蛋白酯酶 (lipoprotein lipase, LPL)的调控[18]，LPL是脂肪酸分解代谢中的关键酶，可在细胞内将甘油三酯(triglyceride, TG)分解转化为游离脂肪酸(free fatty acids，FFA )[19]。在鼠巨噬细胞 RAW264.7 中，miR-476b调控LPL基因并下调脂质积累量[20]；miR-29a与LPL结合可上调清道夫受体(scavenger receptors)的表达，提高了对乙酰化低密度脂蛋白的识别敏感性[21]。在小鼠中，miR-134 也参与调节LPL介导的脂肪酸代谢过程[22]。在人类免疫系统中，miR-590 可与LPL的 3′UTR 靶向结合，并下调脂肪酸的累积[23]；miR-27 可与LPL的 3′UTR 靶向序列结合，并在饥饿状态下下调LPL[24]；同时，miR-27可调节作为胆固醇代谢关键元件的非甾体类肝核受体(liver X-activated receptor, LXR)的靶基因CD36，并正向调控PPARγ[25]；上述结果表明miRNA 可通过调节LPL来间接调控PPARγ并参与哺乳动物的脂肪酸代谢。

2.4 激素敏感性脂肪酶(hormone sensitive lipase, HSL)

激素敏感性脂肪酶(hormone sensitive lipase, HSL)是脂肪分解过程中的关键限速酶，目前和HSL相关的miRNA并无相关文献报道。我们在大黄鱼肝脏组织的miRNA高通量测序结果中筛选发现，miR-130a-5p、miR-301a-5p、miR-7318-3p和miR-8085等均与HSL存在结合位点，双荧光素酶实验结果显示miR-130a-5p、miR-301a-5p和miR-8085均可下调HSL的表达(数据未发表)。

3 调控脂肪酸合成代谢的基因及miRNAs

3.1 脂肪酸合成酶(fatty acid synthase, FAS)

FAS是脂肪酸合成代谢过程中的关键酶，主要催化乙酰辅酶 A 和丙二酸单酰辅酶 A在动物细胞内从头合成长链脂肪酸。在人类骨肉瘤细胞(U2OS cells)中，miR-424 与FAS的 3′UTR 靶向结合，负向调控FAS的表达[26]；在山羊乳腺上皮细胞中，miR-24 可与FAS靶向结合调控甘油三酯的合成[27]；在小鼠中，miR-212-5p可与FAS的 3′UTR特异性结合并抑制其活性，同时，miR-212-5p的过度表达则会降低体内和体外FAS的表达，从而抑制小鼠体内脂肪酸的合成[28]；在哺乳动物的乳腺上皮细胞(mammary luminal epithelial cells, MECs)中，miR-126-3p的过表达降低了MECs的脂质含量，同时抑制FAS的表达[29]。

3.2 乙酰辅酶A羧化酶(acetyl-CoA carboxylase, ACC)

ACC在脂肪酸代谢过程中主要催化乙酰辅酶A 生成丙二酸单酰辅酶A (malonyl-CoA )，也是脂肪酸合成代谢过程中的关键酶。在棉蚜(AphisgossypiiGlover)的卵泡细胞中，miR-276和miR-3016均可在转录后水平抑制ACC的表达，从而抑制脂肪酸合成[29]；在人类中，miR-204-5p被预测可在脂肪组织中抑制ACCβ的表达，但是其调节ACC表达的具体机制并不清楚[30]。

3.3 羟甲基戊二酰辅酶A还原酶(3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase, HMGCR)

羟甲基戊二酰辅酶A还原酶(3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase, HMGCR)是胆固醇合成过程中的关键限速酶，其活性受其合成的小分子代谢物的调控。在人类和小鼠的肝细胞中发现miR-548p可通过与HMGCR的3′UTR靶向结合抑制HMGCR的表达来降低脂蛋白的产生和脂质合成；其中对miR-548p在载脂蛋白B(apolipoprotein B, ApoB)上存在的2个预测位点进行定点突变，以此来确定其靶向位点及序列。结果表明，当对非靶向位点进行突变时，血液中脂蛋白的含量显著降低；当对靶向位点进行突变时，脂蛋白含量并无明显降低[31]。在小鼠非酒精性脂肪肝炎的研究中发现，miR-29a的过度表达会引起小鼠体内HMGCR的表达显著降低，从而抑制胆固醇的合成[32]；在经过2-羟基-(4-甲硫基)丁酸(2-hydroxy-(4-methylthio)butanoic acid, HMB)处理的仔猪肝脏中检测到，miR-150，miR-181d-5p和miR-296-3p均可与HMGCR的3′UTR结合并显著下调其表达，进而降低胆固醇的合成。对HMGCR进行定点诱变后发现，上述miRNAs均未表现出对该基因的显著影响，故而血液中胆固醇含量亦未明显下降[33]。在对神经胶质瘤细胞的研究中发现，miR-132可通过非靶向抑制HMGCR的表达来抑制脂肪酸合成；同时，mir-132可抑制细胞生长并促进细胞凋亡，对其进行突变可显著抑制细胞凋亡，突变恢复后细胞凋亡速率加快，并导致胶质瘤细胞中胱天蛋白酶依赖性凋亡死亡[34]。

3.4 固醇调节元件结合蛋白(sterol regulatory element-binding protein, SREBP)

固醇调节元件结合蛋白(sterol regulatory element-binding protein, SREBP)主要在肝脏和脂肪细胞中表达，可通过调节脂肪代谢相关酶的基因来调控整个脂肪酸合成的网络。在小鼠的脂肪酸代谢过程中，SREBP-2可调控细胞内胆固醇摄取和合成，当体内胆固醇含量下降时，miR-33a与SREBP-2 的内含子区域相结合，并抑制SREBP-2的表达[35-36]，揭示miR-33a与小鼠脂肪酸代谢过程密切相关；在胶质瘤治疗靶向机制的研究中发现，miR-132可以抑制SREBP-1c表达，并下调其靶基因，包括HMGCR和FAS[37]；在人类肝脏组织中，当miR-122沉默表达时，SREBP-1表达明显下降，胆固醇含量也下降[37]；在原鸡(GallusGallus)的肝脏中，miR-101-2-5p可与载脂蛋白B基因的3′UTR结合而参与脂质代谢[38]。

4 小结

随着我国生活水平的提高及环境因素的影响，与脂肪酸代谢相关疾病的发病率逐年上升，如脂肪肝、脑中风等。对脂肪酸代谢相关miRNA的研究，有利于探明这些疾病的发病机制，并提供治疗这些疾病的新思路。目前，这方面的研究有待进一步深入。此外，目前对于脂肪酸代谢相关miRNA 的研究大部分集中于小鼠、兔等哺乳类动物，对低等脊椎动物miRNA的研究相对较少。鱼类miRNA 的研究仅在青鳉(Oryziaslatipes)、红鳍东方鲀(Fugurubripes)、绿河鲀(Tetraodonnigroviridis)和白鲢 (Hypophthalmichthysmolitrix)等有报道[39-40]，且集中在新miRNA的发现及表达鉴定，而对其功能和分子机制研究较少。对低等脊椎动物脂肪酸代谢相关miRNA的研究，将会有助于我们从系统生物学角度去理解miRNA调控脂肪酸代谢的机制以及调控功能的演化。