miRNA在動物毛囊發(fā)育中的研究進展

劉公言，白莉雅，李福昌，常瑩，姜文學，楊麗萍，孫海濤，高淑霞

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學院畜牧獸醫(yī)研究所/山東省畜禽疫病防治與繁育重點實驗室，山東 濟南 250100；2.山東農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，山東 泰安 271018；3.山東省畜牧協(xié)會，山東 濟南 250100）

microRNA（miRNA）是一種長度約20～25個核苷酸的內(nèi)源性非編碼小分子RNA，通過互補區(qū)域與靶基因的mRNA結(jié)合導致mRNA降解或轉(zhuǎn)錄抑制，影響基因表達，進而影響動物的生長發(fā)育過程等［1］。

近年來，越來越多的研究結(jié)果表明，miRNA作為有效調(diào)節(jié)因子參與生物發(fā)育和疾病發(fā)生過程，包括參與動物被毛生長發(fā)育、毛囊周期循環(huán)和皮膚角質(zhì)形成細胞分化等生物學過程［2，3］。Yi等［4］在小鼠胚胎期表皮中分離并克隆了大量的miRNA。Andl等［5］通過微矩陣方法對出生小鼠皮膚miRNA的表達譜進行分析，進一步確定了miRNA在哺乳動物皮膚毛囊發(fā)育中發(fā)揮重要作用。miR-203是第一個被發(fā)現(xiàn)的在動物皮膚及毛囊中豐富表達，且與動物皮膚及毛囊發(fā)育密切相關(guān)的miRNA，被稱為“皮膚特異性miRNA”［6］。劉公言［7］研究證實miR-205在高被毛密度獺兔皮膚毛乳頭細胞中低表達，在低被毛密度獺兔皮膚毛乳頭細胞中高表達，且在獺兔皮膚組織中高表達，具有組織表達特異性。本研究從哺乳動物miRNA生物合成、miRNA在毛囊發(fā)育中的生理功能及其調(diào)控毛囊發(fā)育作用機制等方面進行詳細闡述，旨在為深入了解miRNA調(diào)控動物毛囊的發(fā)育機制，并為今后指導毛用和皮用動物選育和提高其生產(chǎn)性能提供參考。

1 動物體內(nèi)miRNA的生物合成

miRNA在動物體內(nèi)的生物合成過程包括miRNA的形成和成熟過程。首先需要編碼miRNA基因在RNA聚合酶Ⅱ（RNA polymeraseⅡ，RNA PolⅡ）的作用下轉(zhuǎn)錄生成長度約為300～1 000個堿基的初級轉(zhuǎn)錄物（pri-miRNA），再經(jīng)細胞核中Drosha酶剪切產(chǎn)生具有莖環(huán)結(jié)構(gòu)且大小約70個核苷酸的miRNA 前體（pre-miRNA）。隨后，pre-miRNA在轉(zhuǎn)運蛋白Exportin-5作用下從細胞核內(nèi)轉(zhuǎn)運到細胞質(zhì)，并被細胞質(zhì)中Dicer酶剪切成長度約22個堿基的miRNA/miRNA*。最終miRNA成熟體被裝配到由Argonaute蛋白組成的蛋白復(fù)合體中，形成具有生物學功能的沉默復(fù)合體（RNA-induced silencing complex，RISC），進而引起靶mRNA降解，抑制翻譯過程（圖1）［8，9］。

圖1 動物體內(nèi)miRNA的生物合成過程

2 miRNA在動物毛囊發(fā)育中的功能

2.1 調(diào)節(jié)毛囊發(fā)育的時序性

唐曉惠［10］利用高通量測序技術(shù)分別檢測了藏綿羊處于生長期、衰退期和休止期三個時期的毛囊miRNA表達譜，其中毛囊生長期特異表達miRNA的數(shù)量為10個，衰退期為27個，休止期為7個，推斷這些差異表達miRNA對毛囊生長周期具有重要調(diào)控作用［2］。Mardaryev等［2］研究表明，miRNA-31在小鼠毛囊生長期高表達、衰退期低表達，參與毛囊周期性生長過程。miR-205在小鼠毛囊生長期表達量低，但在毛囊衰退期表達量最高，對毛囊由生長期向衰退期的轉(zhuǎn)換具有驅(qū)動作用［11］。小鼠皮膚過表達miR-22可抑制毛囊從靜止期向下一個生長期轉(zhuǎn)變，促進毛囊從生長期向退行期轉(zhuǎn)變，從而導致小鼠脫毛，但在敲除表達miR-22的基因后，小鼠毛囊從靜止期向下一個生長期的轉(zhuǎn)變加快［12］。

2.2 調(diào)節(jié)毛囊干細胞的增殖分化和凋亡

Liu等［13］認為miRNA在大鼠、小鼠、山羊和綿羊等多種哺乳動物皮膚中均有表達，并在毛囊形態(tài)發(fā)生、毛囊干細胞增殖分化和凋亡中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。Yi等［14］利用小鼠皮膚組織進行免疫組化發(fā)現(xiàn)miR-203在分化的細胞中高表達。Zhang等［15］研究認為miR-125b在小鼠皮膚干細胞中大量表達且隨皮膚干細胞分化程度增強而降低，過表達miR-125b可使小鼠皮脂腺變大、表皮變厚不能形成被毛，因此，miR-125b能夠抑制小鼠干細胞分化。miR-22可以通過促進小鼠毛囊干細胞凋亡，抑制毛囊干細胞增殖和分化等來促進毛囊退化。Yuan等［12］釆用短期誘導miR-22表達的方法證實miR-22可以直接促進小鼠毛囊干細胞分化過程，而miR-31在小鼠皮膚中干擾表達會導致毛囊干細胞異常增殖和毛囊形態(tài)異常［2］。

2.3 調(diào)節(jié)皮膚被毛顏色的形成

miRNA參與動物皮膚及被毛顏色形成。Yan等［16］研究發(fā)現(xiàn)miR-429參與調(diào)節(jié)魚類皮膚色素沉著。Wang等［17］研究表明，miR-204/211在小鼠黑色素細胞中通過小眼畸形相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子（microphthalmia-associated transcription factor，MITF）靶向調(diào)節(jié)色素沉著，并在MITF敲除的黑色素細胞中差異表達。Zhu等［18］認為miR-25在動物皮膚及毛發(fā)生長發(fā)育過程中發(fā)揮重要調(diào)控作用，其作用機理是顯著下調(diào)羊駝黑色素細胞中MITF基因的表達，同時抑制肌球蛋白5a（myosin 5a，MYO5a）和酪氨酸酶（tyrosinase，TYR）的表達。Dong等［3］研究證實miR-137影響小鼠皮膚和被毛顏色，而此前已有研究證明miR-137參與小鼠皮膚和被毛顏色的形成［5］，但目前尚無相關(guān)數(shù)據(jù)表明miR-137在人毛囊或皮膚組織中表達。此外，皮膚中的miRNA還參與了動物皮膚對紫外線照射的應(yīng)答［19］。

2.4 調(diào)控多種毛囊疾病的發(fā)生

miRNA參與人類多種疾病的發(fā)生發(fā)展過程［20-23］。Polytarchou等［22］研究發(fā)現(xiàn)miR-214表達與結(jié)腸癌病程發(fā)展密切相關(guān)。miR-17-92在結(jié)腸癌的發(fā)生發(fā)展過程中起重要作用，可靶向調(diào)控多個誘導腫瘤血管發(fā)生相關(guān)基因的表達［23］。Xiang等［24］應(yīng)用miRNA擴增分析了男性禿頂與非禿頂部頭皮所分離的毛乳頭細胞miRNA的差異表達，發(fā)現(xiàn)miR-106a、miR-410、miR-221、miR-125b的表達存在顯著差異，它們與人類脫發(fā)疾病發(fā)生密切相關(guān)。

3 miRNA在動物毛囊發(fā)育中的作用機制

3.1 通過Wnt信號通路參與毛囊發(fā)育調(diào)控

Wnt家族是一類分泌型脂質(zhì)修飾糖蛋白，參與調(diào)控動物毛囊發(fā)育及周期性生長過程［24，25］。Wnt蛋白配體通過與跨膜蛋白（frizzled，F(xiàn)ZD）受體及脂蛋白受體相關(guān)蛋白5或6（lipoprotein receptor related protein 5 or 6，LRP5/6）等共受體結(jié)合來激活該途徑［26］。Wnt與FZD/LRP復(fù)合物可以誘導β-連環(huán)蛋白（β-catenin）磷酸化，從而使β-catenin和T細胞因子（T-cell factor，TCF）/淋巴增強因子（lymphoid enhancing factor，LEF）/β-catenin介導的基因表達，調(diào)節(jié)毛囊細胞增殖和分化［27，28］。大腸腺瘤性息肉病（adenomatous polyposis coli，APC）蛋白與β-catenin相互作用，在控制β-catenin蛋白穩(wěn)定性方面起著關(guān)鍵作用。大量研究表明，miRNA能夠通過Wnt信號通路相關(guān)基因調(diào)控動物皮膚毛囊發(fā)育。miR-24通過其靶基因TCF-3參與調(diào)控小鼠毛囊形態(tài)的發(fā)生［29］。miR-214通過Wnt/β-catenin信號在小鼠毛囊發(fā)育中發(fā)揮作用，其在外根鞘和毛母質(zhì)細胞中表達豐富，可通過β-catenin基因靶向調(diào)控皮膚上皮細胞的分化，抑制角質(zhì)細胞增殖，進而抑制毛囊生長發(fā)育［30］。Mardaryev等［31］對小鼠不同生長時期皮膚中miRNA進行研究，發(fā)現(xiàn)miR-31可通過Wnt信號通路和BMP信號通路調(diào)控小鼠毛囊發(fā)育及被毛生長。Dickkopf相關(guān)蛋白1（dickkopf relative protein 1，DKK1）是Wnt信號通路的重要拮抗物，胚胎期過表達DKK1的小鼠不能生成毛囊，而小鼠出生后DKK1過表達可抑制毛囊生長［32］。過表達miR-218能夠顯著降低Dickkopf相關(guān)蛋白2（dickkopf relative protein 2，DKK2）和分泌型FZD相關(guān)蛋白（secreted FZD related protein 2，SFRP2）水平，此外，miR-218可激活Wnt/β-catenin信號通路，并通過Wnt3a/DKK2/SFRP2增加β-catenin轉(zhuǎn)錄活性［33-35］。miR-29的表達受Wnt途徑的影響，可通過降低Wnt拮抗劑DKK1和SFRP2的表達來增強Wnt信號傳導［36］。轉(zhuǎn)基因小鼠過表達DKK1后，表皮內(nèi)miR-200b和miR-196a的表達量會顯著減少，表明它們可能存在于Wnt信號通路中［5］。在毛囊發(fā)育早期，miR-205可負調(diào)控PI3K信號通路抑制因子Inppl1、Inpp4b、Frk、Phlda3等，從而調(diào)控毛囊干細胞中Akt磷酸化水平，維持毛囊干細胞正常增殖；PI3K/Akt信號通路可通過磷酸化GSK-3β抑制β-catenin磷酸化，激活Wnt信號通路［11］。

3.2 通過BMP信號通路參與毛囊發(fā)育調(diào)控

骨形態(tài)發(fā)生蛋白質(zhì)（bone morphogenetic protein，BMP）信號通路參與哺乳動物皮膚生長發(fā)育過程，是毛囊發(fā)育的重要信號通路之一。轉(zhuǎn)化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGFβ）可以抑制體外培養(yǎng)的角質(zhì)形成細胞增殖，參與動物皮膚生物學形成過程。BMP信號通路與TGF-β信號通路密切相關(guān)，miRNAs在調(diào)節(jié)皮膚生物學形成過程中受到TGF-β信號轉(zhuǎn)導的影響。TGF-β1在毛囊生長期向退行期轉(zhuǎn)換過程中表達于內(nèi)根鞘，具有抑制細胞增殖作用，促使毛囊由生長期過渡到退行期。部分let-7b和miR-24的靶基因與毛囊生長發(fā)育和毛發(fā)品質(zhì)相關(guān)［37］。Shen等［38］研究得出let-7b通過抑制轉(zhuǎn)化生長因子-β 受體1（transforming growth factor-βreceptor 1，TGF-βR1）的轉(zhuǎn)錄，促進羊駝毛生長。Noggin對BMP信號通路具有負調(diào)控作用，主要表現(xiàn)為生長期毛囊中BMP信號下調(diào)，Noggin表達量增加。進一步研究表明，對缺失Noggin型轉(zhuǎn)基因小鼠給予Noggin蛋白刺激，能夠使毛囊由休止期進入生長期［39］。miR-21在正常小鼠表皮細胞和毛囊上皮細胞中均有表達，Ahmed等［40］研究發(fā)現(xiàn)BMP4對miR-21起負調(diào)控作用。miR-31通過抑制成纖維細胞生長因子10（fibroblast growth factor 10，F(xiàn)GF10）等靶基因的表達調(diào)控動物被毛生長。另有研究認為，miR-31可以通過負向調(diào)控缺氧誘導因子1（hypoxiainducible factor-1，HIF-1）的表達來激活Notch信號通路，進而影響角質(zhì)形成細胞的分化［41］。

3.3 通過細胞因子參與毛囊發(fā)育調(diào)控

胰島素樣生長因子家族中的胰島素樣生長因子1（insulin-like growth factors 1，IGF-1）廣泛分布于毛囊中，能夠刺激黑色素細胞、上皮細胞和毛乳頭細胞等各種毛囊細胞的增殖分化，其作用機理是通過與IGF-1受體結(jié)合將信號傳導來刺激毛囊細胞的增殖［42］。成纖維細胞生長因子5（fibroblast growth factor 5，F(xiàn)GF5）作為一種重要的生長因子，通過誘導毛囊由生長期向退行期轉(zhuǎn)變來調(diào)控動物的被毛長度，在毛囊發(fā)育中發(fā)揮重要作用。FGF5發(fā)生突變后，可以增加人睫毛的生長［43］。miR-let7a在絨山羊生長期中的表達較退行期弱，通過TargetScan軟件預(yù)測，胰島素樣生長因子1受體（insulin-like growth factors 1 receptor，IGF-1R）mRNA 3′非翻譯區(qū)上存在miRlet7a的結(jié)合位點，且IGF-1R在絨山羊生長期毛囊中的表達量高于退行期，與miR-let7a的表達量正好相反，進一步證實了IGF-1R為miRlet7a的靶基因［44］。ocu-miR-205能夠促進獺兔毛乳頭細胞凋亡，影響毛乳頭細胞和獺兔皮膚內(nèi)PI3K/Akt、Wnt、Notch和BMP等信號通路中基因和蛋白的表達，促進毛囊由生長期向退行期及休止期轉(zhuǎn)變，影響獺兔被毛密度。

4 存在問題與展望

對于毛用和皮用動物來說，被毛和皮張具有重要的經(jīng)濟價值，而經(jīng)濟價值的高低與毛囊發(fā)育密切相關(guān)，尤其是毛囊生長期的長短決定毛用動物的產(chǎn)毛量。miRNA作為一類內(nèi)源性非編碼小分子RNA，通過作用于靶基因mRNA的非編碼區(qū)參與基因轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，進而影響動物毛囊發(fā)育的時序性、毛囊干細胞增殖分化以及皮膚被毛顏色等。隨著高通量測序技術(shù)的成熟和普及，越來越多的與毛囊發(fā)育相關(guān)的miRNA被挖掘。因此，miRNA在毛囊發(fā)育調(diào)控過程中的功能和調(diào)控機制將成為未來研究工作的重點，且miRNA在其靶基因上靶位點的復(fù)雜性和功能的多角色性等也有待后續(xù)深入研究。同時，如何通過miRNA來提高毛用動物的產(chǎn)毛性能、皮用動物的皮張質(zhì)量等解決生產(chǎn)問題以及解決人類脫發(fā)等毛囊疾病等，仍然需要科研工作者的不懈努力。