lncRNA 在家畜脂肪细胞分化中的作用研究进展

李 鑫，王永，王雨雪，李艳艳，朱江江，林亚秋*

（1.青藏高原动物遗传资源保护与利用，四川省重点实验室，四川成都 610041；2.西南民族大学畜牧兽医学院，四川成都 610041）

脂肪组织是机体内最大的储能库，具有保温、缓冲等功能，同时脂肪性状是肉用家畜的重要经济形状，尤其肌内脂肪（Intramuscular Fat，IMF）含量是影响肉品质的一个重要因素，脂肪含量过低或过高不仅会影响肉质，还会引起代谢疾病。动物肌内脂肪沉积主要是由肌内脂肪细胞数目的增多和体积增大造成，而脂肪细胞分化对这一过程起决定性作用，因此构建动物脂肪细胞分化的调控网络对生产具有重要指导意义。研究表明，动物脂肪细胞分化不仅受功能基因调控，还受非编码RNA（Non-coding RNA，ncRNA）的调控。

ncRNA 是一类不具有编码能力的RNA 分子，根据其转录本的长度可以分为小非编码 RNA（snoRNA、miRNA、siRNA 等）和长链非编码RNA（Long Noncoding RNA，lncRNA）。lncRNA 是ncRNA中占比最大的RNA，哺乳动物中的比例高达4%～9%，而mRNA仅占细胞RNA 总量的1%～5%。lncRNA 与mRNA具有相似的结构，虽然lncRNA 在物种保守性方面低于mRNA，但其具有更高的组织细胞特异性。基于lncRNA 在序列、结构和功能等方面的独特生物学特征，其自发现以来受到研究人员的广泛关注。本文在概述lncRNA 特征的基础上，对其在家畜脂肪细胞分化中的研究动态及可能发挥作用的机制进行综述，以期为进一步阐明lncRNA 调控动物脂肪细胞分化的分子调控网络提供参考。

1 lncRNA 概述

lncRNA 在1990 年被Brannan 等首次报道，被定义为转录本长度>200 nt 的RNA 片段，是最丰富的ncRNA 类型之一，它们没有>100个氨基酸的开放阅读框，但在分化和组织稳态中起重要作用。大多lncRNA 由RNA聚合酶II 转录产生，经剪切后的lncRNA 和mRNA 相似，包含5'端帽子、多个外显子和3'端poly A 尾巴，一些转录本来自基因间，而另一些转录本是由接近或部分重叠于蛋白编码基因的基因组区域产生的。根据与邻近编码基因的相对位置，lncRNA 一般可分为基因间（intergenic）、反义（antisense）、双向（divergent）、内含子（intronic）和增强子（enhancer）lncRNA（图1）。

图1 lncRNA 分类[20]

哺乳动物中lncRNA 在进化过程中保守性和表达水平较低，但具有更精确的组织特异性和时序性，如Divoux 等在人腹部脂肪组织和臀部脂肪组织中筛选表达的lncRNA，发现仅有lncRNA HOTAIR 在臀部脂肪组织中表达，在腹部脂肪组织中不表达。有研究指出在24 种人体组织和细胞类型中收集到的4 662个lncRNA 中仅993 种（12%）在其他物种中检测到同源转录本，说明序列保守性低；在小鼠全胚胎中发现lnc-H13 随着胚胎的发育表达水平逐渐升高，即在胚胎发育早期在脑组织和肺脏中检测到表达，发育至中期则广泛表达于脑、舌、心、肺、肾等重要组织器官，且高表达于脑组织，以上资料佐证了lncRNA 具有组织特异性和时序性的特性。

2 LncRNA 与家畜脂肪细胞分化

2.1 脂肪相关lncRNA 在人类及小鼠上的研究历程 关于lncRNA 在脂肪方面的研究始于2013 年，Sun 等研究发现有175个lncRNAs 在小鼠白色及棕色脂肪细胞分化过程中被强烈诱导表达，对脂肪细胞发育具有特异的调控作用，揭开了lncRNA 在动物脂肪方面的研究序幕。Cooper 等进一步研究发现，在小鼠白色和棕色前体脂肪细胞中高度表达的一些lncRNAs 基因启动子区存在脂肪细胞分化关键转录因子过氧化物酶增殖体受体（Peroxisome Proliferator Activated Receptor，PPAR） 的结合位点，干扰这些 lncRNAs 能导致前体脂肪细胞分化过程受阻。Luan 等在人脂肪间充质干细胞（Human Adipose-Derived Stem Cells，hADSCs）成脂定向分化过程中鉴定出了207个差异表达的lncRNA。在鉴定获得lncRNA 后，学者们进一步集中对lncRNA功能进行研究。Alvarez-Dominguez 等和Chen 等相继研究表明 lnc-BATE1 能够调控小鼠棕色脂肪细胞的生长和产热作用，过表达 lncRNA U90926 会抑制脂滴积累，从而减弱 3T3-L1 前体脂肪细胞的分化能力。Huang 等和Wu 等均指出lncRNA H19可促进小鼠骨髓间充质干细胞（Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells，BMSCs）向成骨方向分化，并抑制成脂过程；lncRNA H19 可能是通过 miR-188/LCoR 轴调控BMSCs成脂分化。You 等发现小鼠棕色脂肪组织特异性表达的lncRNA -GM13133 具有促进白色脂肪细胞棕色化和产热的作用。Xiong 等研究lncRNA AK079912在棕色脂肪细胞分化过程中表达水平增加，并且敲除AK079912 后抑制棕色前体脂肪细胞分化，Zhang 等指出lnc-ADAL 与hnRNPU 和IGF2BP2 可以在不同的亚细胞位置相互作用，调节脂肪细胞的分化和脂肪生成。Nuermaimaiti 等报道敲低HOXA11-AS1 的表达可通过抑制脂肪形成相关基因和的表达来抑制脂肪细胞分化及降低hADSCs中的脂质积累。Ding 等根据转录组测序构建了人类脂肪组织比较全面的lncRNA 调控网络图。Wang 等指出lnc-OAD 是3T3-L1 前体脂肪细胞分化所必需的，进一步证实了lncRNA 在脂肪细胞分化中发挥重要的调控作用。lncRNA 因其重要调控功能，同样引起了畜牧工作者的极大重视。下面就lncRNA 在家畜中（猪、牛和山羊）的研究动态做总结分析。

2.2 LncRNA 在家畜脂肪细胞分化中的研究动态

2.2.1 LncRNA 在猪脂肪细胞分化中的研究动态 关于lncRNA 在猪中的研究始于2014 年，卫宁指出m RNA 和AS lncRNA 在猪前体脂肪细胞分化过程中表达趋势相近，而PU.1 蛋白的表达呈现上升趋势，对脂肪细胞分化发挥正向调控作用；继而利用其他物种探究PU.1 AS lncRNA 的作用机制，发现在斑马鱼适应性免疫中，未检测到sense-antisense RNA 二聚体的形成，表明该lncRNA 作用具有物种差异。2017 年Wang等在未去势和去势的淮南雄猪的皮下脂肪组织中鉴定出343个lncRNA，通过分析预测303个lncRNA 启动子区域中存在416个C/EBP的识别位点，并且有13个促进脂肪形成的miRNA 和5个抑制脂肪形成的miRNA 靶向这些lncRNA，lncRNA 及其靶基因可能参与了去雄诱导的脂肪沉积；该研究进一步分析1个保守的小鼠lncRNA 基因ENSMUST00000189966 的特征，发现该基因主要在细胞核中表达，并以核受体亚家族2 F组成员2 （）基因为靶点，且随3T3-L1 细胞的分化而表达下调。2019 年秦晋通过测序筛得猪肌内脂肪细胞分化过程中差异表达的 lnc IMF4，证明干扰lnc IMF4 后对PPAR和C/EBP的mRNA 和蛋白质表达起促进作用，胞内脂滴增多，又发现对其干扰后脂解被自噬途径抑制，表明干扰lnc IMF4 促进猪肌内前体脂肪细胞的分化。以上研究说明lncRNA 参与调控猪前体脂肪细胞分化，且其作用具有种属特异性。

2.2.2 LncRNA 在牛不同组织中表达模式存在差异及其调控前体脂肪细胞分化作用的研究现状 牛脂肪细胞中lncRNA 的研究始于2016 年，李明勋对秦川牛脂肪细胞分化前后进行去除核糖体RNA 高通量测序，筛选得到lncRNA ADNCR 随脂肪细胞分化而显著下调；随后李明勋所在团队于2019 年报道一个与miR-221 在基因组中重叠的lncRNA，命名为miR-221 宿主基因（MIR221HG），抑制MIR221HG 显著促进脂肪细胞的分化，而成熟脂肪细胞的数量和分化标志基因和表达急剧增加。2019 年Choi 等从韩和牛各组织中分离出的lncRNA 包括肌肉组织67个，网膜脂肪10个，肌内脂肪24个，皮下脂肪14个，在肌肉中表达的lncRNA 数量明显高于脂肪组织，PCA 分析显示皮下脂肪和网膜脂肪组织表达模式相似，而肌内脂肪组织与皮下和网膜脂肪组织有区别，说明lncRNA 在肌肉和脂肪组织中有不同的表达模式，因此对牛脂肪组织中lncRNA 仍需深入研究。同年Huang 等对青年和成年水牛脂肪组织中的lncRNA和mRNA 测序，发现有124个lncRNA 和2 008个mRNA 在青年和成年样本中表现出不同的表达模式，且有585 对mRNA-lncRNA 在脂肪沉积中具有潜在功能；随后重点研究泛醌氧化还原酶亚基C2（NDUFC2）反义链转录的lncRNA——NDUFC2-AS lncRNA，该lncRNA 与甲状腺激素反应蛋白（THRSP）高度相关，在脂肪组织和成熟脂肪细胞中高度表达，功能分析表明NDUFC2-AS lncRNA 通过上调和的表达水平从而在水牛中促进脂肪分化。2020 年Zhang 等指出lncFAM200B 在南阳牛脂肪细胞分化过程中的表达与C/EBP的表达呈显著正相关，提示其可能在脂肪细胞分化过程中发挥重要作用。

图2 牛脂肪细胞分化相关lncRNA 作用示意图（基于研究报道，作者自主绘制）

2.2.3 LncRNA 在羊脂肪细胞分化中的研究现状 目前lncRNA 在羊方面的研究主要集中在毛囊发育、精子发生、皮肤色素沉积和性成熟等过程，在脂肪方面研究甚少。郑竹清等于2014 年对内蒙古白绒山羊肌内脂肪细胞成熟前后转录组测序，结合工具分析预测山羊肌内脂肪细胞中表达lncRNA 1 472个，其中29个lncRNA在脂肪细胞成熟前后差异表达，差异表达的lncRNA 主要在细胞分泌、生长调节和细胞形态变化等方面发挥作用。直到2019 年，Wang 等对不同年龄的山羊肾周脂肪组织构建的RNA 文库进行测序，共鉴定出21 232个来自肾周脂肪的lncRNA，共检测到548个差异表达的lncRNA，共表达网络表明4 519个lncRNA 和5 212个mRNA 可能存在互相调控关系，其靶基因参与生物合成的不饱和脂肪酸、氧化磷酸化、线粒体呼吸链复合体和活化蛋白激酶（AMPK）等信号通路，而山羊肾周脂肪内的褐色脂肪组织随年龄增长有从棕色脂肪组织向白色脂肪组织的明显转变。目前对在肉用山羊肌内脂肪细胞分化前后的关键lncRNA 的调控功能及作用机制尚未见报道，仅见本实验室利用转录组测序发现分化前后有143个差异lncRNA，其中上调的为73个，下调的为70个（未发表）。

3 脂肪细胞分化相关lncRNA 可能的作用机制

根据lncRNA 自身的结构特点及在细胞中的分子定位，发现lncRNA 在细胞中发挥调控作用的途径可主要归纳为转录水平、转录后水平及表观遗传学等层面（图3），还可作为信号分子、分子诱饵、分子支架等同时发挥导向作用和与miRNA 互作等机制实现功能调控。

图3 lncRNA 调控机制的类别[48]

在转录水平上，lncRNA 影响邻近基因转录，与转录因子互作，与蛋白质结合等调控转录起始。Yuan 等指出，lncRNA AC092159.2 可能通过调节TMEM18 基因表达来促进人脂肪细胞分化；1ncRNA U90926 抑制3T3-L1 前体脂肪细胞分化是通过抑制PPAR2 启动子的转录活性实现的；lncRNA Paral1 通过与RBM14/CoAA 相互作用共同激活主要的成脂调节因子PPAR促进脂肪细胞分化，且可能存在其它未知的方式改变PPAR2 在mRNA 及蛋白的表达水平。

lncRNA 可以调控mRNA 前体的可变剪接，在转录后水平影响mRNA 稳定性及丰度。如PU.1 AS lncRNA可与mRNA 形成mRNA/AS lnc RNA 复合物，来阻碍mRNA 翻译过程，从转录后水平抑制PU.1 蛋白的合成，从而促进猪脂肪沉积；鼠源Adiponectin AS lncRNA 过表达后会抑制前体脂肪细胞分化，有研究指 出Adiponectin AS IncRNA 与mRNA 可形成内源性的RNA 二聚体，抑制mRNA向蛋白质的翻译，从而抑制成脂分化。

表观遗传学可以定义为在不改变基础碱基对序列的情况下，影响基因表达的可遗传和可逆的现象，故表观遗传学是对全基因组表观遗传修饰的研究，一般包括DNA 甲基化，组蛋白甲基化、乙酰化和类泛素化，X 染色体失活特异转录本是lncRNA 对组蛋白修饰的典型。lncRNA MIR31HG 通过脂肪酸结合蛋白基因启动子区域的组蛋白 H3k4me3 的乙酰化来抑制人脂肪细胞分化。

除了上面几种作用方式外，lncRNA 还与miRNA相互作用调控脂肪生成，如与牛脂肪细胞分化相关的lncRNA ADNCR 能够作为竞争性内源 RNA（competing endogenous RNA，ceRNA） 吸附miR-204，阻止 miR-204 对其靶基因 SIRT1 的抑制作用，增加脂肪细胞中SIRT1 表达量，使 SIRT1 与转录共抑制因子 NCoR 和SMRT 结合，降低活性，从而抑制脂肪生成。lncRNA GM15290作为的ceRNA 与miR-27b相结合，从而降低了miR-27b 对的沉默作用，从而使得表达增加，最终促进小鼠白色脂肪生成。IMFNCR 可作为一种ceRNA 充当miR-128-3p和miR-27b-3p 的分子海绵，提高的表达从而促进鸡肌内脂肪细胞分化。人源lncRNA GAS5 通过调节miR-18a/CTGF 轴作为ceRNA 负调控间充质干细胞(Mesenchymal Stem Cells，MSCs) 的成脂分化。此外，lncRNA 还充当信号分子通过信号通路影响脂肪细胞分化，lnc-OAD 通过影响3T3-L1 细胞有丝分裂和调节Wnt/-catenin 信号传导途径来促进脂肪细胞分化并调控脂肪形成。敲低lnc-ORA 通过调节PI3K/AKT/mTOR 信号通路抑制脂肪细胞的分化。lncRNA AC092834.1 通过DKK1/Wnt/-catenin 信号传导通路调控hADSCs 成脂分化。

4 小结与展望

lncRNA 数量巨大，功能复杂，随着研究的深入人们对lncRNA 的认识日益深刻，lncRNA 广泛表达同时具有物种和组织特异性，提示lncRNA 对基因表达和调控具有重要作用，尤为突出的是医学相关的大量研究中发现lncRNA 涉及多种疾病的发生及发展，对人类健康和科学研究具有重要意义。但lncRNA 在家畜脂肪沉积中的功能研究仍有很多亟待解决的问题，并且需要克服lncRNA 低保守性和高级结构不明确等困难，揭示其在家畜脂肪性状等经济性状的形成中的作用及分子机制。