肠道菌群与宿主miRNA的相互调控作用及其与糖尿病相关性的研究进展

李莉莎综述，胡琼英，熊大迁审校

0 引 言

肠道菌群是人体肠胃中一个极其多样化的微生物生态系统，参与构成肠道黏膜屏障并发挥调节作用，控制营养物质的吸收和代谢，其组成和丰度的变化与多种疾病的发生相关。许多因素可造成肠道菌群的变化，包括抗生素的使用、病原体的感染、饮食或休息的不规律等，此外还发现，微小RNA（microRNAs，miRNAs）的调控作用也可能促使肠道菌群发生改变，肠道菌群与宿主之区间的部分通讯由miRNAs媒介而发生［1］。在过去的几十年中，研究人员在研究理解miRNA编码基因的结构、miRNA如何抑制蛋白质翻译过程方面取得了巨大的进展，发现miRNA几乎能够直接或间接影响机体所有的生物学进程。肠道菌群能与miRNA彼此相互调控，在维持肠道屏障正常功能等人体健康方面共同发挥作用，这一过程主要涉及miRNA调控宿主基因的表达、肠道菌群对宿主miRNA表达的影响以及宿主miRNA的表达对肠道菌群的塑造。对前期肠道菌群和miRNA在机体中的单独调控作用进行综合性研究，其结果不仅是两者实验结果的叠加，还能发现相关病理变化时所涉及的更多、更明确的生物信号分子和具体通路，为糖尿病等相关代谢性疾病的早期诊断、新型靶向治疗药物的研发提供新的思路和策略。

1 肠道菌群及miRNA

人类肠道菌群编码基因超过500万个，其DNA数量比人类多 150～500倍［2］，数量与宿主自身细胞数相当［3］。肠道菌群参与构成肠道黏膜屏障并发挥调节作用，控制营养物质的吸收和代谢，与机体的炎症和免疫能力等相关［4］。肠道菌群的组成随着时间的推移趋于相对稳定，其对机体的危害或有益取决于其组成、多样性及代谢上的改变，这些改变与许多病理过程及人类常见疾病有关，如免疫炎症反应、自身免疫性疾病、糖尿病、冠心病和肿瘤等［5-8］。其直接或间接的致病方式包括主导的TMA/TMAO代谢途径，短链脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA）途径，初级和次级胆汁酸途径，以及过分泌脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）和肽聚糖（peptidoglycan，PGN）等［9-10］。

miRNA是人体内一类内源性、非编码、大小约为20～22个核苷酸的单链RNA。miRNA最后7～8个碱基能够通过与多种mRNA的3’非翻译区的部分互补结合，在43S核糖体扫描过程中抑制早期翻译过程［11］，从而对靶基因进行负调控，抑制相应靶蛋白的合成。miRNA能从多个层面调控基因的表达，与广泛的生物生理学和病理学过程密切相关，涉及细胞的增殖与凋亡、器官的发育、炎症免疫反应、肿瘤的发生等［12］。由于miRNA的变化早于靶基因的变化，复杂性相比蛋白质要低得多；且miRNA在血液中不以游离的形式存在，而是大部分包裹于细胞外囊泡中，或是以大分子蛋白如高密度脂蛋白为载体进行转运，因此在细胞外核糖核酸酶（Ribonuclease，RNase）活性较高的情况下仍非常稳定［13-14］。以上特点使得将特异性miRNA作为预测和早期诊断相关疾病的生物标志物具有相当大的价值。

2 肠道菌群及miRNA的相互调控作用

最近的研究发现，肠道菌群和宿主之间的通讯可能部分由miRNA介导［1］，某些特异性的miRNA能被肠道菌群吸收，当其进入菌体后，可调节细菌基因的表达，造成肠道菌群相关代谢途径的改变，从而实现对机体的生物学过程的调控；另外，肠道细菌在致病过程中能通过某些免疫信号途径诱导miRNA表达水平的改变，提示肠道菌群也能对miRNA的表达水平进行调控，从而实现对宿主基因表达的调节。

2.1 miRNA能够调节肠道菌群众所周知，miRNA在对抗细菌感染过程中至关重要，但对于miRNA如何调控肠道细菌进而影响宿主生理病理变化方面知之甚少。深究机制，Liu等［15］发现宿主细胞的miRNA可特异性地调节肠道菌群基因的表达，在维持宿主肠道菌群平衡中发挥着重要作用。该研究显示，粪便miRNA主要来自于小肠上皮细胞和Hopx阳性细胞［15］，miRNA基因的初级转录产物最初在细胞核中经RNase的Drosha酶切割成前体miRNA，随后进入细胞质，在胞质中经Dicer酶进一步切割成为miRNA［16］。由于宿主miRNA在胞外不受RNase酶降解的影响［14］，具有部分稳定性，所以能够进入细菌，如具核梭杆菌和大肠埃希菌，通过与特定的细菌基因形成碱基对，改变细菌相应基因的表达。Du等［17］研究中，通过对miR-146a基因缺陷小鼠与野生型小鼠肠道菌群16S rRNA V4区序列差异的分析，并利用肠道菌群的传播特性，研究了2组小鼠共住是否能增加小鼠对单核细胞因子感染的易感性，由此证明miR-146a的能够通过对肠道菌群的调节加剧产单核细胞李斯特菌对机体的感染，miR-146a的缺乏有助于维持肠道菌群的健康组成。此外，还发现宿主肠道中miRNA能够通过对肠道菌群产物转运的控制，抑制肠道的炎症免疫反应［18］。在这一过程中，炎症结肠组织中的miR-193a-3p和肽转运蛋白1（peptide transporter 1，PepT1）呈负相关，miR-193a-3p水平的升高可降低靶基因PepT1的转运活性，使肠道菌群产物细菌肽转运到结肠上皮细胞的量减少，进而通过抑制核因子κB（nuclear factor κB，NF-κB）通路，减轻肠道受损程度。

miRNA能够进入细菌体，通过塑造肠道菌群进而实现对宿主的调控，可很好的解释肠道菌群为何能在机体正常生理情况下维持长期稳定。也反映出肠道菌群可间接从基因层面参与宿主的调控，使之针对个体肠道菌群的靶向治疗更具现实意义。

2.2 肠道菌群能够影响miRNA的表达为确定肠道菌群是否调节miRNA在宿主中的表达，在Vikram等［19］的实验中，用加入广谱抗生素的饮用水喂养无病原体（specific pathogen free，SPF）小鼠，6周后发现小鼠主动脉血管壁中的miRNA-204表达水平有所下降，表明抗生素通过改变肠道菌群的组成，调整了肠道菌群的代谢途径，导致肠道相关miRNA的表达水平产生变化。Dalmasso等［20］将无菌（germ-free，GF）小鼠与SPF小鼠的肠道菌群进行定植，观察到与之前的GF和SPF小鼠相比，定植后小鼠miRNA的表达表现出差异，最终发现肠道菌群可能通过下调MMU-miR-665来上调多药耐药相关蛋白基因的表达。此外，还发现肠道共有细菌能够过分泌细胞壁成分LPS及 PGN，通 过 Toll样 受 体 2/4（Toll-like receptor，TLR2/4）信号途径，包括髓样分化因子88（myeloid differentiation facter 88，MyD88）依赖途径与MyD88非依赖途径两条信号通路，诱导小肠上皮细胞中miR-21-5p 的 表 达［21］。miR-21-5p 的 靶 基 因 包 括PTEN，PDCD4和Sprouty（SPRY）1/2，分 别 能对PI3K-Akt、JNK-AP和Erk信号通路进行负调控，miR-21-5p能下调PTEN和PDCD4，通过Akt和JNK途径诱导ADP核糖基化因子4表达，减少细胞膜上紧密连接蛋白以及降低肠道的通透性，激活免疫系统和炎症通路，从而造成肠道屏障功能的紊乱。

综上，分析了miRNA表达水平的变化和肠道菌群组成变化之间的双向关系，显示miRNA可通过肠道菌群抵抗病原体的侵袭；肠道菌群也能调控某些miRNA的表达，参与肠道的炎症反应和免疫应答，维持或破坏肠道内屏障稳态。肠道菌群与miRNA的相互调控作用在机体病理生理过程中发挥着重要作用，虽然之前对于两者的相互调控作用对宿主的调节有一定的研究基础，但在诱发疾病时的相关代谢通路尚不清楚，距离肠道菌群和miRNA真正成为人类有效干预相关疾病的新靶点尚有一段距离。

3 肠道菌群-miRNA与糖尿病

随着现代生活方式的改变，代谢性疾病如肥胖症、糖尿病、冠心病等的发生率呈显著上升趋势，起病复杂、病程长且难以治愈，病理过程涉及表观遗传学、蛋白组学、代谢组学等生命活动所有领域。miRNA几乎可从基因层面上调控机体所有的生物学进程，代谢组学研究也表明肠道菌群能够干预机体的代谢途径，所以不难推测，两者与糖尿病等代谢性疾病的发生有极大的关联，而这一预测也得到了越来越多研究的支持。现有研究提示，两者的相互调控作用在控制宿主机体代谢方面起着不可替代的作用，其关系的失衡很可能会导致相关代谢性疾病的发生，进一步的深入分析可为糖尿病等代谢性疾病的早期预测及确定未来个性化靶向治疗提供重要指标。

糖尿病是一种常见的代谢紊乱性临床综合征，是遗传和环境因素共同作用的结果，其包括胰腺β细胞功能障碍，导致胰岛素绝对不足的1型糖尿病（Type 1 Diabetes，T1DM）；以及β细胞产胰岛素能力未完全丧失，而使胰岛素相对不足或抵抗的T2DM。miRNA被认为是胰腺β细胞功能完整性的重要决定因素，其既能够调控β-细胞的发育以及导致功能障碍，还能通过调节外周靶组织（如脂肪组织）中的胰岛素信号控制葡萄糖稳态［22］，与β细胞的增殖与凋亡、胰岛素生物合成和分泌等相关［23］。迄今为止，发现了大量与糖尿病相关的miRNA，包括miR-21、miR-23a-3p、miR-23b-3p、miR-149-5p 等［24-25］。Sims等［24］的试验中，观察到T1DM动物模型的胰岛β细胞中miR-21的水平显著升高，而miR-21的升高能够抑制抗凋亡蛋白B细胞淋巴瘤2（B-cell lymphoma，Bcl-2）基因的表达，减少Bcl-2蛋白的合成，同时使细胞凋亡蛋白半胱氨酸蛋白酶-3增加，从而诱导β细胞的凋亡，使胰岛素分泌减少和血糖升高。另外，miR-21的过表达也被证明会导致非酒精性脂肪肝的肝损伤及肝纤维化［26］，而非酒精性脂肪肝与T2DM相互预测了彼此的发生，且互为促进因素。在T2DM中，多种miRNA也表现出差异表达，最近发现miR-424-5p能与人肝癌细胞株中胰岛素受体（insulin receptor，INSR）的mRNA 3’UTR序列的直接相互作用，使得INSR和胰岛素受体底物1的表达减少，抑制了脂肪细胞中的胰岛素基因的表达及特异性信号转导过程，从而导致代谢综合征期间脂肪细胞的胰岛素抵抗［27］。

与此同时，越来越多的研究表明，在miRNA导致糖尿病的过程中肠道菌群也扮演着重要的角色［28-29］，在T1DM和T2DM患者中，肠道菌群的丰度及多样性均发生了不同程度的改变［30-31］。Qin等［31］对345名中国T2DM患者进行了Meta分析，发现T2DM患者产丁酸的肠道细菌如梭杆菌属、丁酸杆菌属等的数量减少，而机会致病菌丰度增加。肠道菌群能协助宿主对摄入膳食进行代谢分解，将食物中的难消化多糖分解为SCFA。肠道菌群的SCFA途径不仅能为宿主生命活动提供能量，还可通过激活其受体G蛋白偶联受体41/43，维持组织中非结合脂类和葡萄糖的代谢平衡，干扰脂肪细胞中胰岛素信号的转导，使脂肪组织脂肪积累减少［32-33］。SCFA包括丁酸、乙酸、丙酸等，其中丁酸被认为具有抗氧化、抑制糖尿病相关自身免疫反应的作用［34］。有研究证实，丁酸与miR-106a的表达呈负相关，miR-106a的减少能使细胞周期抑制蛋白p21表达增加，部分抑制了肿瘤细胞的增殖［35］。此外，上文中提到的miR-21除能直接作用于靶基因Bcl-2，导致胰β细胞凋亡以外［24］，在诱发糖尿病的过程中也被认为受到了肠道菌群的控制。且学者以肥胖症和糖尿病等代谢性疾病为研究背景，在构建的高脂饮食的小鼠代谢适应模型中，发现肝代谢过程中三酰甘油含量与肠道菌群和肝miRNA的表达有关，表示肠道菌群与肝miR-21表达之间的关联可能肠道微生物通过调节miR-21的靶基因而产生代谢效应［36］。研究显示:无菌小鼠肝中三酰甘油含量低于其他所有模型，miR-181a、miR-666和miR-21在原代野生型小鼠肝细胞中均受大肠杆菌血清型O55:b5所释放的具有促炎作用的LPS依赖性控制；肝三酰甘油含量与厚壁菌门相对丰度呈正相关，与肝miR-21表达及变形菌门和拟杆菌门相对丰度呈负相关，而导致这一过程的病理机制很可能与之前所提到的肠道菌群对miR-21-5p表达的调节类似。即肠道菌群能通过以过分泌LPS及PGN的形式，经TLR2/4相关途径，对miR-21-5p进行高度特异性的调节，从而促进抗原提呈细胞中促炎细胞因子和氮氧化物的表达，诱导NF-κB活化和上调γ干扰素，引起炎症免疫反应［21］。在持续炎症的环境下，巨噬细胞能通过释放肿瘤坏死因子α、白细胞介素（interleukin，IL）1β以及IL-18干扰胰岛素信号在肝、脂肪等靶组织间的传导，最终使得肝细胞非正常凋亡，导致非酒精性脂肪肝、胰岛素抵抗以及代谢性内毒素血症［36-38］。所以肠道菌群本身的组成结构及其代谢特点决定了其在糖尿病发生时的关键作用，在某些靶点阻断肠道菌群的代谢产物对特异性miRNA调控信号的传输，对于预防或延缓糖尿病等相关并发症及其他代谢类疾病具有重大意义。

通过对肠道菌群及miRNA在导致糖尿病时相互作用关系的深入研究，能为相关代谢性疾病的诊断和防治提供参考，使得我们可无论是单独的从肠道菌群或者miRNA上进行控制，还是从肠道菌群-miRNA通讯中对某一过程给予干扰，均能对代谢性疾病的靶向治疗带来前所未有的积极作用。

4 结 语

在过去的几十年里，人类肠道宏基因组计划的提出、高通量测序和动物模型等技术的进步，为研究人员在理解肠道菌群和miRNA各自的特征提供了充分的研究条件。在此基础上，科学家们发现了肠道菌群和miRNA在调节机体生物学过程中的各种机制。相关的研究表明，miRNA在肠道菌群维持人体健康或是肠道菌群的失调从而引起相应疾病时充当媒介，对肠道菌群具有广泛的调节作用；而肠道菌群也可反过来影响miRNA的表达，从而实现对相关基因的调控。肠道菌群和miRNA的相互作用对机体产生了广泛的影响，涉及炎症、免疫和应激反应等过程，与某些代谢性疾病发生密切相关。然而，由于miRNA分泌方式的不同［39］，在不同种族、不同性别、不同体液及粪便中组成和含量的差异［40］；以及影响肠道菌群稳定性的因素众多，这可能导致相同疾病背景下不同实验个体间miRNA的表达以及肠道菌群丰度的巨大差异。所以在研究两者相互作用和宿主病理改变关系时应该综合考虑以上因素，结合开展大规模、多中心的临床实验，从理论证明到进一步明确miRNA与肠道菌群的相互调控关系，为肠道菌群或miRNA能否成为代谢性疾病标志物提供大量证据，以达到防治、诊断和监测疾病的目的，也期为新型靶向药物的研发提供理论依据。