miR-150調(diào)控動(dòng)物成脂分化研究進(jìn)展

陳星伊， 昝林森,2*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.國(guó)家肉牛改良中心，陜西 楊凌 712100)

對(duì)于動(dòng)物機(jī)體而言，脂肪組織十分重要，它不僅可以作為能量的儲(chǔ)備和代謝，還可以作為分泌器官分泌多種脂肪細(xì)胞因子(adipokines)來(lái)參與調(diào)控機(jī)體的生理功能。研究發(fā)現(xiàn)，脂肪組織的呈現(xiàn)形式不單單是一種，而是在動(dòng)物體的不同部位有著不同的分布類型。白色脂肪組織主要位于腹腔、皮下骨骼肌、骨髓腔和盆腔，不僅具有產(chǎn)生熱量、貯存能量、對(duì)皮膚進(jìn)行支持與保護(hù)，增加靈敏度的作用，還是第二性征的一個(gè)重要標(biāo)志。在成人體內(nèi)，棕色脂肪組織的含量極少，大體只有總脂肪的1%，分布于主動(dòng)脈周圍、背部肩胛骨間和頸部。在低溫環(huán)境下，維持體溫的正常調(diào)節(jié)[1]。近來(lái)，研究又發(fā)現(xiàn)了一種新的產(chǎn)熱脂肪，外觀呈米黃色，因而稱為米色脂肪，其細(xì)胞內(nèi)含有大量的棕色脂滴。在生理?xiàng)l件下，動(dòng)物體內(nèi)的白色脂肪與棕色脂肪可以相互轉(zhuǎn)化，二者可發(fā)生動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。但如果二者之間的平衡被打破，就很可能引發(fā)出多種疾病，例如：肥胖癥、Ⅱ型糖尿病、高血脂、脂肪肝、乳腺癌以及心血管疾病等。因而，了解脂肪的來(lái)源、不同類型脂肪的發(fā)生與轉(zhuǎn)化等對(duì)指導(dǎo)人體及動(dòng)物健康有實(shí)際意義[2]。

1 脂肪組織研究進(jìn)展

1.1 脂肪細(xì)胞的來(lái)源

哺乳動(dòng)物的白色脂肪組織和棕色脂肪組織都來(lái)源于胚胎期的間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cell，MSCs)。具有向脂肪細(xì)胞分化能力的脂肪前體細(xì)胞廣泛分布于動(dòng)物體的各類器官中。骨骼組織的造血干細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone mesenchymal stem cells，BMSCs)是脂肪細(xì)胞的重要來(lái)源。來(lái)自于骨髓的造血干細(xì)胞通過(guò)血液循環(huán)被運(yùn)送到其他組織器官中，構(gòu)成了各種組織器官的脂肪前體細(xì)胞。隨著動(dòng)物年齡的增長(zhǎng)，骨髓腔中的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹炯?xì)胞并儲(chǔ)存于骨骼腔中，但之后的路徑還未探究清楚。對(duì)此推斷，脂肪組織可能是由這種骨髓來(lái)源的前體細(xì)胞通過(guò)轉(zhuǎn)化得來(lái)的。同時(shí)也有研究表明，來(lái)自于小鼠胚胎期的神經(jīng)外胚層細(xì)胞(可能是神經(jīng)干細(xì)胞)也可以分化為脂肪細(xì)胞，這可能是脂肪細(xì)胞的另一個(gè)來(lái)源[3]。

1.2 脂肪的分類及關(guān)系

到目前為止，人們了解的哺乳動(dòng)物脂肪有3種，分別為白色脂肪(white fat)、棕色脂肪(brown fat)和米色脂肪(beige fat)。白色脂肪組織是一個(gè)器官，可以儲(chǔ)存一定的能量，也是人類體內(nèi)最大的內(nèi)分泌器官，其脂肪細(xì)胞可以分泌脂肪酸、細(xì)胞因子(cell factor)和轉(zhuǎn)錄因子(transcription factor)等物質(zhì)，還參與進(jìn)人體的肝臟、大腦等中進(jìn)行的生命活動(dòng)過(guò)程中，參與機(jī)體糖脂代謝[4]。因此，白色脂肪組織不僅會(huì)影響肥胖，也會(huì)對(duì)代謝綜合征的發(fā)生及發(fā)展產(chǎn)生一定的影響。

棕色脂肪組織可以與線粒體進(jìn)行氧化呼吸解偶聯(lián)作用，使ATP轉(zhuǎn)化為熱能，從而實(shí)現(xiàn)熱能的轉(zhuǎn)化來(lái)消耗之前儲(chǔ)存的能量[5]。對(duì)于新生個(gè)體來(lái)講，對(duì)環(huán)境溫度的抵御能力差，極容易受到溫度變化的影響，為了快速維持動(dòng)物個(gè)體恒定的體溫，需要有大量的棕色脂肪來(lái)保證可以產(chǎn)生足夠的熱量，所以棕色脂肪是新生個(gè)體的主要脂肪形式。隨著動(dòng)物個(gè)體的發(fā)育，持溫能力會(huì)加強(qiáng)，棕色脂肪就會(huì)逐漸被白色脂肪替代；等到發(fā)育為成體動(dòng)物個(gè)體后，棕色脂肪主要存在于頸部的背側(cè)和主動(dòng)脈周圍，白色脂肪是成年動(dòng)物的主要脂肪形式[6]。

動(dòng)物在消耗白色脂肪時(shí)，脂肪細(xì)胞質(zhì)中的線粒體數(shù)量急劇增加，氧化代謝加快，脂肪也由白色變?yōu)槊S色[7]。因此，可以認(rèn)為米色脂肪是白色脂肪向棕色脂肪轉(zhuǎn)化過(guò)程中出現(xiàn)的中間形態(tài)。

1.3 脂肪細(xì)胞分化機(jī)制

通常脂肪分化被分成2個(gè)時(shí)期：第1個(gè)時(shí)期是間質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cell，MSC)轉(zhuǎn)化成“確定的”或“定向的”前體脂肪細(xì)胞(preadipocytes)，第2個(gè)時(shí)期是前體脂肪細(xì)胞終末分化為成熟的脂肪細(xì)胞(mature adipocyte)[8]，如圖1所示。在定向階段，間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)在激素、胰島素、生長(zhǎng)因子等刺激下分化為定向前體脂肪細(xì)胞。之后，前體脂肪細(xì)胞經(jīng)歷幾輪必不可少的有絲分裂克隆，然后在CCAAT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白(C/EBPs)家族和過(guò)氧化物增殖激活受體γ(PPARγ)等的參與下，離開(kāi)細(xì)胞周期并發(fā)生終末分化，失去其成纖維細(xì)胞的形態(tài)，積累細(xì)胞質(zhì)甘油三酯，形成被一個(gè)大脂滴填充的成熟脂肪細(xì)胞。在上述分化過(guò)程中，各種調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子都起到了重要作用，細(xì)胞的表觀遺傳修飾也都發(fā)生了變化(圖2)[9]。

圖1 多能間充質(zhì)干細(xì)胞定向誘導(dǎo)分化為成熟的脂肪細(xì)胞的模型[10]

圖2 脂肪相關(guān)因子對(duì)脂肪分化的作用[11]

2 miRNAs研究進(jìn)展

microRNAs在動(dòng)物和植物基因組中普遍存在，它在轉(zhuǎn)錄后水平的基因調(diào)控過(guò)程中起著不可忽視的作用[12]。與許多真核生物基因的轉(zhuǎn)錄物相似，miRNAs的初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物pri-miRNA 5′端有加帽，3′端有許多腺苷酸結(jié)構(gòu)，這類基因的轉(zhuǎn)錄能夠被RNA聚合酶Ⅱ與許多miRNAs的啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合在一起。因此，與許多真核基因類似，miRNAs也由RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄，并具有自己的啟動(dòng)子區(qū)域，它們的表達(dá)會(huì)受到各種時(shí)空上的調(diào)節(jié)[13]。在動(dòng)物細(xì)胞中，miRNAs通過(guò)抑制mRNA翻譯或使之降解失衡[14]來(lái)行使作用，miRNAs通過(guò)與靶基因(mRNA)的3′未翻譯區(qū)(3′UTR)堿基配對(duì)來(lái)下調(diào)基因表達(dá)。

2.1 microRNAs的生物合成

動(dòng)物和植物體中形成成熟的miRNA的基本過(guò)程十分相似(圖3)：先由RNA聚合酶Ⅱ產(chǎn)生的較長(zhǎng)的初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物pri-miRNA，中間有一段不完美配對(duì)的莖—環(huán)結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)第一步切割產(chǎn)生pre-miRNA，再經(jīng)第二步切割產(chǎn)生雙鏈miRNA，雙鏈解鏈形成成熟的長(zhǎng)21 nt左右的單鏈miRNA。pri-miRNA在細(xì)胞核內(nèi)被稱為微處理器的多蛋白復(fù)合物加工，其核心成分是RNase Ⅲ酶Drosha和雙鏈RNA結(jié)合do-main(dsRBD)蛋白DGCR8/Pasha[15]。在鏈分離后，其中一條雙鏈成為進(jìn)入RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合物(RISC)的成熟miRNA分子，而另一條miRNA鏈經(jīng)常被降解或在miRNA穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)和下游中發(fā)揮功能性作用[16]。RISC復(fù)合物通過(guò)與其互補(bǔ)靶mRNA完美或不完美的匹配起作用，并誘導(dǎo)靶mRNA降解或翻譯抑制或從翻譯機(jī)制中分離mRNA(圖4)[17]。

圖3 miRNA的生物合成和功能[18]

圖4 miRNA的基因調(diào)節(jié)機(jī)制[19]

2.2 脂質(zhì)代謝相關(guān)microRNAs及其調(diào)節(jié)機(jī)制

脂肪細(xì)胞的分化過(guò)程受到很多miRNAs的調(diào)控，包括正向調(diào)控和反向調(diào)控。miRNAs參與脂肪分化的調(diào)控主要通過(guò)兩種途徑：一種作用于脂肪細(xì)胞分化相關(guān)的信號(hào)通路，包括SMAD/TGFβ、MAPK、Wnt通路等；另一種是作用于一些重要的轉(zhuǎn)錄因子，如PPARG、C/EBPs等從而轉(zhuǎn)錄調(diào)控脂肪酸結(jié)合蛋白4(FABP4)、脂肪酸合成酶(FASN)、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4(GLUT4)等一類脂肪相關(guān)基因的表達(dá)來(lái)影響脂肪細(xì)胞的分化，miR-143是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)可以參與調(diào)控脂肪細(xì)胞分化的miRNA，它通過(guò)調(diào)控蛋白激酶5(mitogen-actived protein kinase 5，MAPK5)來(lái)促進(jìn)脂肪細(xì)胞的分化[20]。之后，越來(lái)越多的研究表明，miRNAs可以與脂肪細(xì)胞分化相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子和重要信號(hào)分子相互作用來(lái)調(diào)控脂肪形成[21]。目前已經(jīng)有很多調(diào)控脂肪細(xì)胞分化的miRNAs和靶基因(表1)被發(fā)現(xiàn)，miRNAs調(diào)控脂肪細(xì)胞分化的網(wǎng)絡(luò)日益完善。

表1 miRNAs調(diào)控脂肪細(xì)胞分化

注[52]：PPARs為過(guò)氧化氫酶體增殖物激活受體；C/EBPs為CCAAT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白；EID-1為EP300相互作用分化抑制因子1；Wnt/β-catenin為Wnt/β-連環(huán)蛋白；GSK3-β為糖原合成酶激酶3β；LRP6為低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白6；TCF為T細(xì)胞因子；MAPK為促分裂原活化蛋白激酶；ERK1/2為細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶1/2；cAMP/PKA/CREB為腺苷酸環(huán)化酶/蛋白激酶A/環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白；PI3K/Akt為磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B；IRS1為胰島素受體底物；ORP8為氧類固醇結(jié)合蛋白相關(guān)蛋白；PTN為多效生長(zhǎng)因子；PDK1為3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1；TGF-β為轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β；KLF為Kruppel樣因子；Runx2為Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2；Cav-1為微囊蛋白1；DLK1為delta樣1同族物；PRDM16為鋅指轉(zhuǎn)錄因子PR結(jié)構(gòu)域包含蛋白16；UCP-1為解偶聯(lián)蛋白；Pde1b為磷酸二酯酶1b；Igfbp5為胰島素樣生長(zhǎng)因子結(jié)合蛋白5；RIP140為受體相互作用蛋白140；ADAM17為解聚素—金屬蛋白酶17；Hoxc8為同源框基因8；FGFR1為成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體1；Pre-ad為前體脂肪細(xì)胞；hMADS為人多能脂肪干細(xì)胞；MSC為間充質(zhì)干細(xì)胞；ADSC為脂肪干細(xì)胞。

3 miR-150研究進(jìn)展

不同物種的miR-150定位于不同的染色體位置上，常見(jiàn)的hsa-miR-150定位于人類染色體19q13，mmu-miR-150定位于鼠染色體7q上，scc-miR-150定位于豬染色體6q上，bta-miR-150定位于牛染色體18q等，這種物種特異性也決定了不同的研究?jī)r(jià)值。它最初被發(fā)現(xiàn)在T淋巴細(xì)胞、單核細(xì)胞以及巨噬細(xì)胞當(dāng)中高度表達(dá)[53]，作為重要的造血細(xì)胞特異性miRNA，它在許多造血細(xì)胞系的分化過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用，尤其是在淋巴細(xì)胞發(fā)育和功能中意義重大。隨著研究的更加深入和實(shí)際的需要，此后miR-150的研究主要集中在癌癥和細(xì)胞增殖凋亡等方面。在癌癥方面，發(fā)現(xiàn)許多miRNA與DN(糖尿病腎病)的發(fā)生或微量蛋白尿的出現(xiàn)相關(guān)，并直接靶向腎臟纖維化途徑，進(jìn)而導(dǎo)致糖尿病腎臟病理?yè)p傷[54]。許多臨床研究發(fā)現(xiàn)miR-150具有潛在的預(yù)后價(jià)值。在慢性淋巴性白血病中，miR-150顯著下調(diào)，與疾病的發(fā)生相關(guān)。在各種其他的實(shí)體腫瘤組織(肺癌、乳腺癌、卵巢癌、食道癌、結(jié)腸直腸癌、胃癌和胰腺癌)中也發(fā)現(xiàn)了miR-150的異常表達(dá)。miR-150也被證實(shí)在食管鱗狀細(xì)胞癌和原發(fā)性結(jié)直腸癌中顯著下調(diào)，預(yù)示著預(yù)后不良。在乳腺癌細(xì)胞系中，miR-150的表達(dá)量增加，促進(jìn)生長(zhǎng)和克隆形成，并減少細(xì)胞凋亡[55]。研究結(jié)果表明，生殖激素可以通過(guò)影響綿羊miR-150啟動(dòng)子活性來(lái)調(diào)控miR-150的表達(dá)，為miR-150調(diào)控卵泡發(fā)育的機(jī)制研究提供新思路[56]。

研究發(fā)現(xiàn)，miRNAs通過(guò)降解靶mRNA或阻斷其翻譯來(lái)調(diào)節(jié)與脂質(zhì)代謝相關(guān)的基因表達(dá)[57]。同時(shí)證實(shí)miR-150靶向調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞和脂肪組織中脂質(zhì)代謝和細(xì)胞因子表達(dá)的基因的mRNA表達(dá)，并且在涉及脂聯(lián)素受體2(AdipoR2)的過(guò)程中改變脂肪細(xì)胞中的膽固醇和甘油三酯(TG)積累[58]。Warth等發(fā)現(xiàn)miR-150的靶點(diǎn)之一是雷帕霉素(mTOR)的機(jī)制，其調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞中瘦素的表達(dá)[59]。由于瘦素主要作用是調(diào)節(jié)食物攝入，miR-150可能在能量平衡和體重測(cè)定中發(fā)揮作用。miR-150的另一個(gè)直接靶點(diǎn)是過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活物-1a(PGC-1a)[60]。PGC-1a調(diào)節(jié)脂肪組織中的脂質(zhì)代謝，并且可以產(chǎn)生無(wú)效循環(huán)，同時(shí)激活TG水解成游離脂肪酸(FFA)，并將FFA和甘油再酯化成TG[61]。所以，miR-150與mTOR和PGC-1α有著靶向關(guān)系。

在家畜中，也有相應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)miR-150參與成脂分化過(guò)程。Liang等在比較1個(gè)西方品種(約克夏豬種)與7個(gè)中國(guó)本地豬品種之間的表達(dá)水平，差異表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)脂肪組織和肌肉組織中分別有92和12個(gè)差異表達(dá)的miRNA，其中ssc-miR-150參與脂肪組織功能[62]。另外，有結(jié)果表明miR-150-5p可以直接靶向CYP3A4的3′UTR，有助于FFA誘導(dǎo)的脂肪變性的發(fā)展[63]。Zhang等在閹牛和公牛的基因組測(cè)序結(jié)果中使用IPA 軟件篩選,結(jié)果僅有9種DE miRNA(bta-let-7i，bta-miR-1296，bta-miR-141，bta-miR-150，bta-miR-151-3p，bta-miR-193a-3p，bta-miR-224，bta-miR-2890和bta-miR-454)和42個(gè)DE靶基因與細(xì)胞的分化和脂肪組織的代謝相關(guān)[64]，為我們后續(xù)的探究提供了基礎(chǔ)和方向。

4 展 望

近年來(lái)，人們對(duì)脂肪分化的研究取得了很大的進(jìn)展，找到了許多與脂肪分化相關(guān)的調(diào)控因子，也找到了許多表觀遺傳和miRNAs的調(diào)控方式，對(duì)于這些因子的調(diào)控方式、調(diào)控時(shí)間或參與哪些調(diào)控通路的研究也在日臻完善。在哺乳動(dòng)物模型上的研究為解決更加復(fù)雜問(wèn)題帶來(lái)了便利。從第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的與成脂調(diào)控相關(guān)的microRNA開(kāi)始，在一段時(shí)間內(nèi)成為了人們研究的熱點(diǎn)，也因?yàn)閙icroRNA自身的高保守性特點(diǎn)，為人們探究不同物種的成脂調(diào)控問(wèn)題帶來(lái)了靈感和突破點(diǎn)。miR-150在人鼠模型上已被證實(shí)與成脂調(diào)控有關(guān)，但在其他經(jīng)濟(jì)動(dòng)物體內(nèi)的研究還有待更深的探究。日后，關(guān)于白色脂肪與棕色脂肪的轉(zhuǎn)化關(guān)系以及棕色脂肪如何轉(zhuǎn)化為氧化供能脂肪等都需要更深入的研究。通過(guò)對(duì)脂肪細(xì)胞的發(fā)生、分化、各類脂肪細(xì)胞之間的轉(zhuǎn)化機(jī)制與miR-150的研究，有望為治療一些與疾病或經(jīng)濟(jì)動(dòng)物生長(zhǎng)過(guò)程提供理論支持與依據(jù)。