宿主miRNAs在塑造肠道微生物环境中作用的研究进展*

邹 昊，王占黎，丁海涛，王 锐

(1.内蒙古医科大学，内蒙古 呼和浩特 010010；2.内蒙古自治区疾病相关生物标志物重点实验室；3.内蒙古自治区人民医院医学检验科)

在人体皮肤表面和体腔内，存在着大量相互作用的微生物，包括细菌、真菌、古细菌、噬菌体和真核病毒等[1]。其中绝大多数微生物都栖息于肠道内，被统称为肠道微生物群，它们的协同作用对人体健康和人类生活至关重要。早期针对人体肠道微生物来源的研究证实，肠道微生物最初是由母亲体内的微生物构建雏形，并随着出生、进食、与外界环境的接触而不断发展变化[2]。在3～4岁时接近成年状态，这在哺乳动物中来说，发展是相对快而稳定的[3]。肠道微生物群的多样性和丰富度在个体之间存在明显差异[4]。Ravvls等[5]在无菌斑马鱼和小鼠受体移植实验中也证明了这一点，并发现种群之间和个体之间的差异是由于每个宿主肠道环境中不同的选择性压力造成的，即肠道微生物群的结构和丰富度受到各种内源性因素(宿主遗传、免疫、疾病等)和外源性因素(饮食、压力、药物、环境因素等)的影响[6]。肠道微生物群利用基因、蛋白质和代谢物来参与宿主免疫反应、代谢、自噬等生理过程，调节生理能量稳态。例如微生物产生的丁酸盐可以向结肠细胞提供能量，阻止结肠中的自噬[7]；由肠道微生物群产生的短链脂肪酸(SCFA)和脂磷壁酸(LTA)都会促进宿主的炎症；细菌脂多糖(LPS)进入体循环后对正常血糖功能产生抑制作用[8]等等。因此，肠道微生物与人体生理健康和各种疾病(包括肥胖、糖尿病、自身免疫、过敏、炎症性肠病和癌症等)密切相关[9]。所以研究宿主与肠道微生物群的相互作用的分子机制十分重要。

miRNAs(miRNAs)是一类长度为19～25个核苷酸的非编码RNA，通过与靶mRNA结合或引起靶mRNA的降解来调节动物和植物的基因表达[10]。研究表明，miRNAs经多种途径产生，最常见的是典型的Drosha/Dicer途径[11]。初级miRNAs(pri-miRNA)最初在细胞核中转录，然后被Drosha酶切割成前体miRNAs(pre-miRNA)，随后pre-miRNA被运送到细胞质中，并被Dicer酶分解成成熟的长度，接着miRNAs与某些蛋白家族组装成RNA诱导沉默复合物(RISC)。miRNA通过7～8个碱基与靶mRNA 3’非翻译区(3’UTR)互补结合，在蛋白质翻译水平抑制靶基因表达，或引起靶mRNA降解并发挥其基因表达的调控作用。事实上，miRNAs已被证实参与广泛的生物过程，包括发育、细胞分化、增殖、凋亡、代谢和免疫反应[13]。近年来疾病相关细胞和组织中miRNAs的表达谱得到广泛研究，揭示miRNAs表达的改变与疾病发生发展密切相关[14]。研究表明，miRNAs还参与宿主与肠道微生物群的相互作用，并且在不同病原体(包括病毒、寄生虫和细菌等)的感染过程中起着至关重要的作用[15]。

1 宿主通过miRNAs塑造肠道菌群结构

宿主和肠道微生物群的交流需要一个复杂而精细的调控网络，miRNAs已经成为这种交流的重要媒介。近年来，许多研究小组已经广泛研究了胃肠道免疫细胞和肠上皮细胞中miRNAs的功能，揭示了miRNAs在许多疾病中对肠道微生物的影响。例如，宿主通过上调miR-21，可抑制有核乳杆菌对小鼠结直肠癌细胞增殖和肿瘤生长的促进作用[16]；miR18a和miR-20a-5p表达上调也可以促进大肠杆菌的生长进而影响结直肠癌细胞的自噬途径[17]。宿主-肠道菌群相互作用的重要性已得到人们的关注。

针对粪便miRNAs的一项研究发现，宿主通过差异表达miRNAs来塑造肠道菌群[18]。研究人员首先将人类和小鼠粪便中的miRNAs分离，发现不同物种间粪便中的miRNAs丰富度不同，而且同一个体肠腔不同部位的miRNAs含量存在明显差异。研究人员通过敲除小鼠肠上皮细胞中的Dicer1酶基因，使其不能正常合成miRNAs，结果显示，小鼠粪便中的miRNAs丰富度和含量均明显下降，提示粪便中的miRNAs主要来自肠上皮细胞，进一步证实是由肠上皮细胞通过外泌体的形式特异性分泌到肠腔，而不是来源于脱落的上皮细胞。最后，研究人员通过体外实验发现，miR-515-5p促进体外培养的梭杆菌的生长。而miR-1226-5p促进大肠杆菌的生长，在体内某些miRNAs(miR-515-5p和miR-1226-5p)也促进大肠杆菌生长；小鼠体内实验结果也表明，miR-515-5p和miR-1226-5p 还促进小鼠肠道中大肠杆菌的生长；进一步研究发现，miRNAs是通过进入细菌线粒体并调节其线粒体基因表达的方式来影响细菌生长，且该调节方式具有序列特异性。研究人员通过包裹在植物来源外泌体纳米颗粒(ELNs)中的miRNAs进入细菌并特异性调控细菌基因表达的实验也证明了这一点[19]。

近年来，miRNAs在疾病发生发展中对肠道菌群组成的影响已成为人们关注的热点。临床研究表明，结直肠癌患者粪便样本中miR-21和miR-92a等miRNAs表达水平显著上调，这一发现提示，miRNAs在宿主与肠道菌群相互作用中具有潜在作用，该研究还有助于开发一种非侵入性的结直肠癌筛查方法[20]。同时，研究人员通过体外实验鉴定了76种在结直肠癌肿瘤组织中差异表达的miRNAs，包括miR-182、miR-503和mir-1792簇等，这些miRNAs与肠道细菌的相对丰富度密切相关，包括厚壁菌门、拟杆菌门和变形菌门等[20]。这些发现不仅揭示了miRNAs在人体中通过调节肠道微生物群来影响疾病进程的作用，还为未来miRNAs靶向治疗肿瘤等疾病提供了新的方向。

2 病原微生物影响宿主miRNAs表达

miRNAs不仅影响宿主肠道细菌的生长，也在不同病原体的感染过程中发挥重要作用，包括病毒、寄生虫等。早期一项关于miRNAs表达谱的研究表明，几种DNA病毒(疱疹病毒、多瘤病毒和腺病毒)在感染细胞中存在多种差异表达miRNAs，这些差异表达miRNAs通过调节病毒和细胞基因表达，从而影响病毒复制和感染[21]。研究还发现，丁香假单胞菌感染植物拟南芥后，诱导miR-393a高表达，进而抑制激素生长素受体的表达。已知生长素是植物防御的负调节因子。该研究结果提示，miR-393a表达上调有助于植物对细菌病原体的抗性[22]。因此，miRNAs不仅在宿主塑造肠道菌群结构中发挥作用，也是宿主应对外来病原微生物感染的重要手段。近年来，研究人员开始逐渐关注miRNAs对宿主与病原微生物相互作用的影响和机制，尤其是与肠道感染相关的病原微生物。而且，RNA测序技术的发展，为研究miRNAs对宿主-病原微生物互相作用的影响，提供了崭新的思路和广阔的空间。

2.1李斯特氏菌 是一种兼性的细胞内革兰氏阳性病原体，属厚壁菌门，可在健康个体中引起胃肠炎，并在免疫缺陷个体和孕妇中引起严重疾病[22]。该菌感染小鼠后，取小鼠骨髓来源巨噬细胞进行miRNAs表达谱分析，发现miR-155、miR-146a、miR-125a3p/5p和miR-149等免疫相关miRNAs表达显著上调，而miR-29、miR-145的表达显著下调。进一步研究表明，这些差异表达miRNAs通过调节IFN-β、IFN-γ、促炎细胞因子IL-5和IL-13等的表达来抑制炎症反应，其中，IFN-β作为一种具有抗炎特性的细胞因子已被证实对李斯特氏菌的感染有益，进而证实病原微生物在影响宿主miRNAs表达的同时，宿主也可通过miRNAs应对病原微生物的感染[22]。

2.2鼠伤寒沙门氏菌 一种被广泛研究的革兰氏阴性兼性细胞内病原体，也是人类胃肠炎最常见的原因之一[23]。沙门氏菌感染对宿主miRNAs的影响首次在小鼠巨噬细胞中被描述，研究发现上调的miRNAs主要有四种，其中miR-155、miR-146a/b、miR-21依赖NF-κβ通道来发挥作用。而miR-29a是以(CAV 2)为靶点抑制cdc42酶进而抑制沙门氏菌对上皮细胞的入侵，下降的micRNA有两种：传统研究中的let家族(通过调节IL-6、IL-10)发挥作用，以及最新研究中的miR-15，是通过抑制周期蛋白D1来抑制沙门氏菌[24]。

2.3幽门螺杆菌 是一种革兰氏阴性杆菌，是胃炎、消化性溃疡和胃癌的主要病因[25]。据估计，全球大约一半人口感染了幽门螺杆菌。众多研究证实，与幽门螺杆菌感染密切相关的，例如miR-21和miR-222靶向肿瘤转移抑制基因RECK，miR-584和miR-1290靶向FOXA1发挥作用，miR-155和let-7家族主要通过NF-κβ信号通路参与调控，miR30b则靶向ATG12和BECN-1，而miR-370和miR-320分别作用于FoxM1和抗凋亡基因MCL1。上述miRNAs通过影响细胞增殖、自噬等途径影响幽门螺杆菌的生长[24]。

2.4其他病原微生物 金黄色葡萄球菌感染后诱导miR-155高表达，引起IFN的分泌和炎症反应；奶牛乳腺感染大肠杆菌后，miR-144、miR-451、miR-7863表达显著异常，参与调控大肠杆菌感染引起的炎症反应[26]；羊种布鲁氏菌(一种兼性胞内的革兰氏阴性细菌)感染会导致let7b、miR-92a、miR-93、miR-181b和miR-1981等的表达发生变化[24, 27]，并参与宿主细胞的凋亡、自噬和免疫反应。

以上研究表明，入侵人体的病原微生物为了确保它们的生存和复制，通过将效应蛋白传递到宿主细胞来达到操纵宿主细胞的目的。因此miRNA的差异表达是细菌控制宿主细胞通路新的分子策略，同时也是宿主在病原菌感染时感染应答的重要组成部分。

3 肠道微生物调控宿主miRNAs表达

肠道微生物不仅受到宿主的调控，还会通过特定方式影响宿主和其他微生物，来为自身的生长营造更好的环境。研究表明，幽门螺杆菌通过上调miR-1289抑制HKα(H+ / K+ATP酶的一个亚单位)，进而减少胃酸化，促进其自身在胃上皮的定殖[24]；分枝杆菌通过诱导miR-33上调来抑制自噬和脂肪酸氧化的整合途径，以逃避溶酶体的传递和促进脂质体的积累，进而在巨噬细胞中存活[28]。关于微生物诱导miRNAs表达变化的机制尚未完全阐明，有观点认为，细菌效应蛋白分泌到宿主细胞中，作为RNA沉默抑制因子/激活因子直接或间接调节宿主miRNAs途径；也有观点认为，病毒RNA可直接介导特定宿主miRNAs的降解。目前，研究人员正在积极寻找肠道微生物调控宿主miRNAs表达的确切机制。

4 总结

RNA测序技术的发展和进步，使宿主肠道微生物环境发生改变时miRNAs变化的系统分析成为可能，使得宿主miRNAs对肠道微生物环境作用的研究得到突破性发展。但上述研究暴露了一个共同的问题，即miRNA表达的变化高度依赖于细胞环境，不同的细胞类型对同一种类型的肠道微生物反应不同，且上述绝大多数细菌诱导的miRNA表达变化背后的机制尚不完全清楚。而miRNAs作为联系宿主与肠道微生物的媒介，在宿主及肠道菌群基因表达调控中发挥重要作用，与人体生理及病理状态息息相关。因此在未来，随着宿主与肠道菌群相互作用分子机制的深入阐明miRNAs调控宿主与肠道微生物的研究将为疾病诊断及靶向治疗等领域开辟新的方向， 具有广泛的研究前景。