肠道菌群与非编码RNA互作对疾病影响的研究进展

孙艺洋, 周晓彤， 丁 雪, 何 平*

( 1.中国医科大学 附属盛京医院，辽宁 沈阳 110000; 2.大连医科大学 附属第一医院，辽宁 大连 116011；3.大连医科大学 附属大连市友谊医院，辽宁 大连 116100)

宿主-微生物的相互作用主要沿着黏膜表面发生，其中最大的界面之一是人体肠黏膜。胃肠道常驻细菌的数量是人类体细胞和生殖细胞的10倍，且微生物基因组远远超过人类基因组，因此，肠道菌群被认为是一个独立的器官系统，还被称为人体的“第二基因库”[1]。人体健康与肠道菌群有密不可分的联系，菌群失调可以通过多种机制导致疾病的发生发展。近些年，非编码RNA(ncRNA)包括微小RNA(miRNA)、长链RNA(lncRNA)和环状RNA(circRNA)等的研究飞速发展。ncRNA是一类没有蛋白质编码能力的RNA，但可以参与调控多种细胞功能，对疾病的发生发展有重要影响[2]。本文旨在对目前肠道菌群与ncRNA互作的研究进行综述，对疾病的发病机制进行探索，为疾病防治等方面提供参考。

1 肠道菌群概述

正常成年人体肠道内细菌总数约为1014个，1 000余种，个体差异菌群超过160种，数量庞大，种类繁多。肠道菌群大体可以分为三类：①共生菌：属于肠道“益生菌”，包括拟杆菌科、双歧杆菌、乳酸杆菌等，是肠道菌群主要组成部分，生理条件下拟杆菌门和厚壁菌门占90%[3]，可以协助胃肠道进行营养物质的分解、代谢、吸收和消化，有助于免疫功能的建立和完善，维持人体健康。②致病菌：包括变形杆菌、葡萄球菌、假单胞菌等。这类菌群能够直接导致消化道疾病的发生，健康状态下不表现致病性，一定条件下，如当身体抵抗力下降时，可以导致疾病的发生。③中性菌：如大肠埃希菌、乳杆菌等，其维持人体健康的功能可以在一定条件下发生转变[4]。肠道菌群可以直接与宿主细胞互作影响宿主，也可以通过其代谢产物间接产生作用,肠道菌群的代谢产物包括短链脂肪酸(short-chain fatty acid,SC-FA)、次级胆汁酸(脱氧胆酸、石胆酸)、三甲胺-N-氧化物(trimethylamine-N-ox-ide,TMAO)等，这些终产物作为信号分子可以调节代谢、免疫及宿主的炎性应答。因此，微生物菌群能够调节参与免疫和能量稳定的众多生物途径，并通过定殖抗性保护宿主免受病原体侵害[5]。目前，肠道菌群与人体疾病相关性的研究得到了广泛关注，包括肿瘤[6]、神经精神系统疾病[7]、心血管系统疾病[8]、骨代谢疾病[9]等。肠道菌群对维持人体健康起着十分重要的作用。

2 ncRNA概述

人类基因组计划等研究发现，编码蛋白质的基因仅占人类全部基因组中的2%，剩余人类转录组中的大部分是非编码RNA(ncRNA)[10]，这些数量庞大的ncRNA曾被认为是非功能性的“垃圾”，直到ENCODE项目显示，基因中的非蛋白质编码部分可以被复制成数以千计的RNA分子，其不仅可以调节基本的生物过程，还在人类整个疾病谱中起着至关重要的作用，ncRNA的研究热潮才正式开始[11]。ncRNA种类繁多，目前的研究主要集中在miRNA、lncRNA和circRNA。miRNA是一类长度约22个核苷酸的小RNA,miRNA不编码蛋白质，主要通过与靶基因mRNA 3′UTR区域完全或不完全配对，进而降解mRNA或抑制其转录后翻译，达到调控特定基因表达的作用[12]。lncRNA是长度大于200个核苷酸的ncRNA，其功能与其细胞定位密切相关，在基因调控的几乎所有阶段(表达、转录、转录后和翻译水平)都发挥作用[13]。circRNA是一类具有调控基因表达作用的内源性RNA，通过反式剪接将3′端和5′端以共价形式结合而形成封闭的环状结构。不同于线性RNA结构，circRNA不具有5′-3′极性和多腺苷酸化尾部，具有更好的稳定性并能抵抗外核酶，不易被降解[14]。目前，miRNA与肠道菌群互作影响疾病的研究相对较多，lncRNA与circRNA的研究还处于起步阶段，ncRNA与肠道菌群的互作关系对疾病的影响需要更多的研究探索。

3 ncRNA与肠道菌群互作关系

3.1 miRNA与肠道菌群互作对疾病影响的研究

miRNA与肠道微生物群之间的密切关系已被证实[15]。Dalmasso等[16]发现，相对于无菌小鼠，定殖小鼠中的9种miRNA表达不同，证实在微生物定殖期间，miRNA的潜在靶标与失调的宿主基因重叠。共生细菌在转录后水平上可能影响比预期更多的宿主基因。Liu等[17]通过两个实验证实肠道菌群与miRNA可以互相调控对疾病产生影响。miRNA可以调节介导生物功能的几种mRNA，导致包括癌症在内的几种疾病的发展[18]，肠道菌群-miRNA轴通过不同机制对多种疾病产生影响。

肠道菌群与雌激素密切相关。Carter等[18]研究发现，女性表现出更大的肠道微生物多样性，如嗜黏蛋白阿克曼菌(Akkermansiamuciniphila)。绝经前女性与绝经后女性相比，其肠道具有更丰富的拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、毛螺菌属(Lachnospira)和罗斯氏菌属(Roseburia)菌群。目前已经证实，肠道微生物组中的各种细菌基因可以产生雌激素代谢酶、雌激素类似物以及一些血清小分子[19]，从而对雌激素相关疾病产生影响。雌激素信号传导可以调节miRNA的生物发生[20]。因此，肠道菌群-miRNA轴以雌激素为媒介对多种疾病产生影响。

乳腺癌是全球女性最常见的恶性肿瘤，其治疗效果与疾病类型密切相关。乳腺癌是一种异质性疾病，主要通过两种肿瘤驱动靶点区分：一种是核受体——雌激素受体α(ERα)，一种属于ERBB1-4生长因子受体家族的膜受体——ERBB2/HER2，其基因在乳腺癌中经常被扩增[21]。ERα是乳腺癌细胞增殖的主要驱动因素，还有一种由ER调节的基因——黄体酮受体(PR)，两者都充当激素依赖性转录因子。雌激素水平及其代谢差异与乳腺癌风险直接相关，研究发现70%的乳腺癌患者ERα阳性[22]，ERα具有非常多样化的微生物组，而三阴性乳腺癌具有最少的多样化微生物组[23]。同样，miRNA在ERα阳性乳腺癌的诊断、治疗方面也起着十分重要的作用。研究发现，miR-155、MIR125B1均可以提高抗乳腺癌药物来曲唑的耐药性，二者水平上调可作为针对ER阳性乳腺癌的前瞻性诊断生物标志物[24]。而ERα阳性的乳腺癌细胞系中miR-125a-5p、miR-27b-3p、miR-135a、miR-500a-3p、miR-186-3p和miR-320a等则可以提高治疗乳腺癌的另一种药物他莫昔芬的敏感性。以上这些miRNA作为潜在的治疗选择是非常重要的[25]。

另一种与雌激素代谢密切相关的疾病是绝经后骨质疏松症。有研究发现，雌激素类似物等可以通过调节免疫及影响钙磷的吸收代谢对骨代谢进行影响[19]，另外，缺乏雌激素后可激活T淋巴细胞并且促进破骨细胞的分化和成熟[26]。Chen等[27]发现与健康的绝经后女性相比，骨质疏松患者miR-503 的表达在破骨细胞CD14+外周血单个核细胞(PBMCs)中明显减少，而PBMCs在过表达miR-503后，破骨细胞分化过程明显受到抑制。可见，绝经后女性的miRNA水平下降导致骨吸收和骨生成的平衡被打破，进而造成了骨丢失。以上两种疾病均表明肠道菌群-雌激素-miRNA对疾病的诊断与治疗的重要意义。

肠道菌群-miRNA的互作与癌症密切相关，肠道菌群-miRNA的互作在结直肠癌(CRC)中得到了大量研究。Guo等[28]报道，具核梭杆菌(Fusobacteriumnucleatum)感染可以通过选择性地将miR-1246/92b-3p/27a-3p的外泌体递送到未感染的细胞来促进CRC的转移行为。另一些研究还发现，肠道菌群-miRNA可能通过调整代谢来调节CRC肿瘤的生长[29]。

此外，肠道菌群-miRNA相互作用参与上皮功能障碍的调节，从而影响宿主的心血管健康。动脉粥样硬化是多种心脑血管疾病的共同病理基础，其中一个主要致病因素是内皮功能障碍[30]。相关研究证实了肠道微生物群可以促进原儿茶酸(PCA)的生成，PCA可以抑制巨噬细胞中靶向ABCA1和ABCG1的miR-10b的表达，从而促进胆固醇反向转运(RCT)的发生，并最终抑制动脉粥样硬化的发生[31]。

目前，多项研究已经证实，肠道菌群-miRNA互作可以对癌症、强直性脊柱炎以及糖尿病等多种疾病产生影响[32-34]。由于作用机制复杂，影响的通路及基因数量庞大，因此，肠道菌群-miRNA需要更多、更深入的研究，对加深疾病认知，探索更多疾病的防治手段具有十分重要的意义。

3.2 lncRNA与肠道菌群互作对疾病影响的研究

近些年，针对lncRNA和circRNA的研究飞速发展。但是，由于其本身的一些生物学功能和致病机制仍不清楚，致使与肠道菌群的相关性研究还处于起步阶段。lncRNA越来越被认为是细胞功能的调节剂，其功能依赖于与生物分子的相互作用，可以调节转录和翻译过程[35]。Dempsey等[36]首次确定了肠道微生物群的缺失对lncRNA各脏器表达的影响，在肝脏中，肠道微生物群的缺乏上调了116个 lncRNA，下调了107 个lncRNA。在十二指肠中，肠道微生物群的缺乏上调了101 个lncRNA，下调了179 个lncRNA。由于缺乏肠道微生物群，空肠具有最多的差异调节lncRNA，包括531个上调的lncRNA和278个下调的lncRNA。在具有最少差异调节lncRNA的肌肉中，肠道微生物群的缺乏上调了17个lncRNA，下调了29个lncRNA。该研究直观展现了肠道菌群对lncRNA的影响，也为肠道菌群-lncRNA互作可以影响疾病的发生发展提供了重要的支持。

非酒精性脂肪性肝炎(NASH)是一种病理变化与酒精性肝炎相似但无过量饮酒史的临床综合征，与肥胖、胰岛素抵抗、2型糖尿病、高脂血症等代谢紊乱关系密切。Gadallah等[37]研究发现了肠道菌群作为NASH潜在治疗靶点的可行性。基于既往益生菌、益生元或合生元的治疗可有效恢复微生物生态失调的研究结果[38]，通过给大鼠喂食高蔗糖和高脂肪(HSHF)饮食12周构建NASH模型，给予不同成分及含量的益生菌、益生元制剂，结果提示这些制剂对肠道菌群的调节缓解了高脂饮食带来的损害，进一步的机制确定了肠道菌群通过lncRNA(SRD5A3-AS1)/miRNA(miR-1205)/mRNA(YAP1、LATS1和NF2)轴在NASH治疗中的重要作用。

新生儿坏死性小肠结肠炎 (NEC) 是一种很常见的新生儿消化系统疾病，严重威胁小儿的生命安全。有报道发现益生菌制剂可以降低早产儿NEC风险。基于此，Lin等[39]通过宏观基因组分析发现F.nucleatum在NEC患儿群中明显升高，之后的芯片分析、功能实验确定了F.nucleatum通过lncRNA ENO1-IT1/miR-22-3p/IRF5表达轴激活炎症系统促进NEC发生发展的致病机制。Hong等[40]的实验则验证了F.nucleatum通过 lncRNA ENO1-IT1促进CRC的发展。在上一部分对肠道菌-miRNA的探讨中也提到了F.nucleatum对CRC的重要影响。F.nucleatum是一种黏附细菌，并具有巨大的代谢潜力，被认为是一种机会性病原体和肿瘤相关细菌，已经从临床感染和多个肿瘤样本中分离出来。F.nucleatum与CRC之间密切相关，但仍有许多未解决的问题。肠道菌群-ncRNA互作的研究无疑为F.nucleatum参与CRC进展、转移和治疗反应的机制提供了新的思考角度[41]。

除了F.nucleatum，有研究发现易碎肠毒性拟杆菌(ETBF)是结肠中最常见的致癌细菌种类之一，ETBF是脆弱拟杆菌的亚型菌株，编码拟杆菌脆性毒素(BFT)[42]。Bao等[43]研究确定了ETBF相关的lncRNA1(BFAL1)，并证实ETBF通过协调BFAL1、miR-155-5p/miR-200a-3p和RHEB/mTOR途径以调节CRC肿瘤生长。

除肠道菌群直接与lncRNA互作影响疾病的进展外，肠道菌群代谢物同样可以与lncRNA互作。巨噬细胞参与多种人类疾病，如动脉粥样硬化、慢性阻塞性肺疾病和阿尔茨海默病(AD)等。Gao等[44]发现小鼠中肠道菌群代谢产生的丁酸盐促进了lncRNA lncLy6C的表达，并证实lncLy6C/C/EBPβ/Nr4A1轴可以促进Ly6Chigh至Ly6Cint/neg的转化，从而促进巨噬细胞的分化。这一发现为上述疾病发病机制的探索提供了新的方向。

3.3 circRNA与肠道菌群互作对疾病影响的研究

circRNA被归类为非编码RNA，但部分circRNA最近已被证明可以编码蛋白质[45]。研究表明，circRNA的表达具有组织和细胞类型特异性，并随生长发育进行调节[46]。circRNA正在成为一类异质性分子，通过调节转录、蛋白质和miRNA的功能来调节基因的表达。

circRNA在大脑中含量丰富，为了解脑-肠轴中circRNA和肠道菌群的互作关系，Diling等[47]检测了阿尔茨海默症小鼠中circRNA的表达水平，并最终选择了circNF1-419和circ_0001239进行研究。实验结果提示注射过表达circNF1-4197的早老(SAMP8)小鼠的肠道微生物群组成显著变化。拟杆菌、放线菌、延菌和蓝藻的相对丰度增加，乙酰胆碱酯酶(AChE)、烟碱型胆碱受体A1(CHRNA1)等的表达得到提升，说明大脑中的circNF1-419可以改善AD样小鼠的中枢胆碱能系统，改善肠道生理。该课题组其后在双转基因(APP/PS1)和SAMP8小鼠的大脑皮层中注射转染了circ_0001239，结果显示circ_0001239可以改变肠道菌群的α多样性和β多样性。经过circ_0001239处理的小鼠脑组织的miRNA和mRNA序列表mmu-miR-452-5p、let-7j和miR-205-5p的表达下调，揭示了circ_0001239具有海绵miRNA功能并介导大脑中的一系列连锁反应，然后影响肠道菌群的功能。

饮食不均衡，包括长期摄入大量的糖和脂肪以及膳食纤维不足，均可导致肠道菌群的失调。Fujisaka等[48]发现在喂食HSHF的小鼠中，双歧杆菌物种和芽胞杆菌物种的相对丰度降低，而革兰阴性菌的丰度增加。还有研究发现HSHF饮食加速了小鼠大脑中circRNA的降解。目前已证实，肠道菌群可以产生TMAO[49]，并且TMAO在很多疾病中是有害的[50]。Guo等[51]通过实验发现TMAO损伤的小鼠小胶质细胞(BV)中，单胺氧化酶A基因(MAOA)、单胺氧化酶B基因(MAOB)、儿茶酚-O-甲基转移酶(COMT)、AChE、AMP、CHRNA1和CHRNB1的表达下降，但这些反应受TMAO浓度的影响，低浓度的TMAO不会明显损伤BV细胞。而一些circRNA，如circNF1-419和circ_0001239在低浓度的TMAO作用下的BV细胞中仍会被抑制，表明一些circRNA可能是对TMAO敏感的响应信号分子。这些数据间接说明了肠道菌群对circRNA的影响。

脑-肠轴的另一个重要的精神性疾病——抑郁，同样被证明与肠道菌群-circRNA互作相关。根据抑郁症的炎症小体假说，神经炎症通路在重度抑郁中起作用，NLRP3 mRNA水平在抑郁患者的血细胞中升高[52]。Zhang等[53]研究发现NLRP3炎症小体缺乏症(NLRP3 KO)小鼠的肠道微生物群组成发生显著改变。NLRP3 KO组和野生组(WT)小鼠对比，NLRP3 KO组厚壁菌显著增加，而拟杆菌显著减少。已知星形胶质细胞功能障碍在抑郁症中起关键作用[54]，研究发现，从NLRP3 KO小鼠移植肠道菌群可以改善慢性不可预测的应激(CUS)诱导的星形胶质细胞功能障碍，从而改善抑郁症状。沉默circHIPK2可以抑制脂多糖(LPS)诱导的星形胶质细胞活化[55]。实验进一步将CUS处理小鼠血浆中细菌的相对丰度与circHIPK2水平之间进行了检测，结果显示拟杆菌、S24-7与circHIPK2水平呈负相关，而厚壁菌、红球菌科和拉氏菌科与circHIPK2水平呈正相关。以上实验结果证实了circHIPK2与肠道菌群间的相关性，后续机制研究发现circHIPK2通过改变GFAP的表达含量，从而改善了星形胶质细胞的功能障碍，使抑郁症状得到改善。

circRNA与肠道菌群的互作对癌症同样存在影响。Zhu等[56]对癌症中circRNA与肠道菌群相关性的研究发现，抗生素治疗(ABX)的特定无病原体(SPF)小鼠显示出增强的肺转移。其研究通过GF/SPF与无菌小鼠(GF)组的微阵列分析共检测到992个circRNA，包括18个上调和61个下调circRNA。进一步验证发现，GF/SPF组、GF/双歧组的Mmu_circ_0000730与GF组相比显著下调，SPF/ABX组的Mmu_circ_0000730与SPF组相比显著上调。双重验证证实了肠道菌群对circRNA的重要影响。后续进一步实验及生物信息学分析最终确定了肠道菌群通过IL-11/circRNA/miRNA/SOX9轴影响肺癌的转移。

肠道菌群-lncRNA以及肠道菌群-circRNA互作对疾病影响的研究较少，其机制的相关研究也主要集中在与非编码RNA的竞争性内源RNA(ceRNA)方面。但是，目前少量的研究已经揭示了lncRNA、circRNA与肠道菌群的互作关系对疾病影响的重要性，后续更进一步的研究是十分有必要的。

4 展 望

本文对目前肠道菌群-ncRNA互作对疾病影响的研究进行了简要总结。相关研究表明，ncRNA通过调节肠道菌群对疾病产生影响，肠道菌群也可反过来影响ncRNA的表达、调控相关基因。这一系列反应涉及到炎症、免疫、自噬等多个过程，与多种疾病密切相关。肠道菌群-miRNA互作影响疾病的研究相对较多，而肠道菌群-lncRNA和肠道菌群-circRNA的相关研究近些年刚刚开展，还有很多问题需要解决，比如，肠道菌群-lncRNA和肠道菌群-circRNA的作用关系更多地体现在了肠道菌群对二者的影响上，而二者对肠道菌群影响的研究是欠缺的。同时，lncRNA或circRNA结合miRNA致病的ceRNA机制，仍是肠道菌群-lncRNA和肠道菌群-circRNA对疾病影响的主要研究方向。但是，更多的反应类型，比如，肠道菌群是否对circRNA 翻译功能产生影响，肠道菌群与ncRNA外泌体间相互作用的研究，都将进一步拓展肠道菌群-ncRNA的研究角度。同时，肠道菌群-ncRNA互作对疾病进展的影响，耐药性作用的研究都将为疾病诊治提供更多的方法。肠道菌群和ncRNA作为人体中数量极其庞大又十分复杂的两个体系，其互作关系更为复杂，有必要投入更多的精力进行研究，这会对疾病有更多创新性的认知，为疾病的防治带来更好的方式方法。