黃志清 陳小玲 余 冰 毛湘冰 陳代文

(四川農業(yè)大學動物營養(yǎng)研究所，教育部動物抗病營養(yǎng)重點實驗室，雅安 625014)

microRNA(miRNA)是真核生物中一類約22 bp的非編碼RNA，近年來發(fā)現(xiàn)它是基因表達重要的調節(jié)因子。對miRNA功能研究和表達分析在不同物種間已經迅速展開，miRNA成為了當前生物學領域的研究熱點。研究證實，miRNA在肌肉發(fā)育和肌細胞增殖與分化中發(fā)揮了關鍵性的調控作用[1，2]，這為復雜的肌肉生物學研究注入了新的血液。miRNA的異常表達常見于包括骨骼肌肥大和肌萎縮等肌肉疾病中[3-4]，暗示miRNA在肌肉疾病中也扮演著重要的角色。近年來研究表明，營養(yǎng)也可以調控 miRNA的表達[5-6]，這對營養(yǎng)素作用的分子機制研究提供了新的思路。本文就miRNA在骨骼肌發(fā)育中的功能及其營養(yǎng)調控作一綜述。

1 miRNA的結構和作用機制

miRNA為一長約22個核苷酸的單鏈小分子RNA，由一段具有發(fā)夾結構長為70～80個核苷酸的前體 RNA(pre-miRNA)經 Dicer酶剪切后生成[7]，它廣泛存在于各種生物中。迄今，miRNA數(shù)據(jù)庫(http://www.mirbase.org)收錄了各種生物的miRNA共15 172條，其中人1 048條，小鼠672條，大鼠408條，豬211條，牛662條，綿羊4條，雞499條。各物種新的miRNA還在不斷地被克隆和發(fā)現(xiàn)。通過比較發(fā)現(xiàn)，多數(shù)miRNA在不同物種間高度保守。正是miRNA的這種廣泛存在和進化上的高度保守，暗示著它在生命活動中發(fā)揮著關鍵的調控作用。據(jù)預測，大約1/3的人類基因受miRNA的調控。

miRNA通過與其靶mRNA的3'非翻譯區(qū)(3'-UTR)互補配對，從而在轉錄后水平發(fā)揮基因表達調控功能[8]。miRNA調控基因表達的方式主要有靶mRNA的降解和靶mRNA在細胞質中的翻譯受阻這2種，前者導致靶mRNA數(shù)量減少而后者并不改變靶mRNA豐度。動物中絕大多數(shù)的miRNA與其靶mRNA形成不完全配對并通過翻譯受阻機制發(fā)揮作用[9]，但有些miRNA也可以在不完全配對的情況下介導靶mRNA的降解[10]。

2 骨骼肌miRNA在不同動物中的表達譜

miRNA的表達具有組織和發(fā)育階段特異性，不同的組織表達不同的miRNA，不同的發(fā)育階段有不同的miRNA表達。Cardinali等[11]通過比較處于增殖階段的成肌細胞和被分化成肌管的miRNA表達譜，發(fā)現(xiàn)miR-221和 miR-222在禽類和哺乳動物成肌細胞分化過程中顯著下調，并證實了miR-221和miR-222通過其靶基因——細胞周期抑制蛋白基因(p27)的表達來調控骨骼肌細胞的分化和成熟。McDaneld等[12]研究了胎豬(妊娠第60、90和105天)、新生仔豬和肥育豬骨骼肌組織以及豬骨骼肌衛(wèi)星細胞中的miRNA表達豐度，結果表明，miR-206不存在于骨骼肌衛(wèi)星細胞，但在其他時期表達豐富;miR-1在肥育期表達量最高，而在其他時期呈中等表達水平;miR-133在肥育期中等表達，而在胚胎期和新生仔豬中低表達;miR-432在妊娠第60天時表達水平最高，隨后逐漸下降;miR-24和miR-27在骨骼肌衛(wèi)星細胞和肥育豬中表達量最高，而 miR-368、miR-376和miR-423-5p在新生仔豬中表達量最高。Zhou等[13]研究了妊娠第90天胎豬和120日齡豬背最長肌中miRNA表達譜，結果表明，妊娠第90天的胎豬中 miR-1826、miR-26a、miR-199b和 let-7的表達豐富，而 120日齡豬 中 miR-1a、miR-133a、miR-26a和miR-1826的表達豐富。

3 miRNA對骨骼肌發(fā)育的調控

骨骼肌肌生成需要許多事件相互配合，包括細胞退出細胞周期、肌肉特異性蛋白的表達、融合成多核的肌管、裝備成有收縮特性的肌纖維。miRNA被證實在骨骼肌發(fā)育和調控骨骼肌細胞增殖和分化方面發(fā)揮了關鍵性的作用。miR-1和miR-133是肌肉特異的2種miRNA，雖然它們位于染色體的相鄰位置且常同時表達，但在調控成肌細胞增值和分化過程中有著不同的功能。miR-1促進成肌細胞分化，抑制成肌細胞增殖，而miR-133則相反[14]。miR-206是另一個肌肉特異的miRNA，它通過下調DNA聚合酶α水平，導致DNA合成受抑制以及成肌細胞增殖停止，因而促進成肌細胞分化[15]。骨骼肌miRNA的表達常受肌細胞生成素(MyoD)家族和肌細胞增強子因子2(Mef2)等肌肉關鍵轉錄因子的調控[16，17]。有研究表明，miR-1和miR-133中含有這些轉錄因子的結合區(qū)域，如 Mef2和 MyoD能與 miR-1和miR-133結合，進而促進這些miRNA在骨骼肌中的特異性表達[18]。

出生后骨骼肌的正常發(fā)育和再生修復主要依賴于成體干細胞，即骨骼肌衛(wèi)星細胞。配對盒基因7(Pax7)在骨骼肌衛(wèi)星細胞存活、自我更新和增殖中發(fā)揮了重要作用。Chen等[19]研究衛(wèi)星細胞由增殖向分化轉變過程中Pax7表達變化時，發(fā)現(xiàn)miR-1和miR-206在骨骼肌衛(wèi)星細胞分化過程中顯著上調，通過熒光素酶報告基因分析實驗也證實了 Pax7是 miR-1和 miR-206的靶基因[19]。抑制miR-1和miR-206表達增強了骨骼肌衛(wèi)星細胞的增殖和增加了Pax7蛋白水平，相反，持續(xù)表達Pax7降低了miR-1和miR-206的水平并顯著抑制了骨骼肌衛(wèi)星細胞的分化[19]。這些結果揭示，miRNA與其靶基因間的相互作用，允許基因表達程序快速由增殖向分化轉變。

除肌肉特異的miRNA外，非肌肉特異表達的miRNA也參與了骨骼肌發(fā)育的調控。miR-181在小鼠成肌細胞系C2C12細胞分化過程中顯著上調[20]，提示miR-181可能參與成肌細胞分化的調節(jié)。進一步研究發(fā)現(xiàn)，miR-181通過下調其靶基因——同源異性盒家族(Hox-A11，一種成肌細胞分化阻遏物)基因的表達促進成肌細胞分化[20]。此外，miR-26a也被發(fā)現(xiàn)通過下調其靶基因——zeste基因增強子同源物基因(Ezh2)的表達促進成肌細胞分化[21]。miR-27b在分化的胚胎肌節(jié)和激活的骨骼肌衛(wèi)星細胞中均有表達。研究發(fā)現(xiàn)，在骨骼肌衛(wèi)星細胞中，miR-27b通過下調其靶基因——配對盒基因子(Pax3)的表達確保細胞正常進入成肌分化程序[22]。上述研究表明，肌肉特異的和非肌肉特異表達的miRNA在骨骼肌發(fā)育中發(fā)揮了重要的作用。

4 miRNA與骨骼肌疾病的關系

骨骼肌功能失調引發(fā)的主要疾病包括肌肉痿縮、肌肉肥大、炎性肌病和先天性肌病。這些疾病主要通過臨床和病理特征定義，但引起這些疾病的分子機制目前還不清楚。研究認為，骨骼肌疾病如肌肉痿縮可能與miRNA的表達異常有關。McCarthy等[23]研究了miRNA在小鼠骨骼肌中的表達情況，同時考察了小鼠后肢懸掛引起的肌肉痿縮能否改變這些miRNA的表達，結果發(fā)現(xiàn)，后肢懸掛2和7 d后，肌肉特異的miR-1、miR-133和miR-206的表達水平并未改變，而miR-499的表達水平顯著下調，并推測其機制可能是通過miR-499間接調控β-肌動蛋白重鏈的抑制子(Sox6)表達引起的。另有研究表明，miRNA與骨骼肌肥大存在直接的遺傳學聯(lián)系[24]。體內腹腔注射氯胺酮和甲苯噻嗪引起小鼠骨骼肌肥大，采用實時熒光定量PCR技術檢測體內miRNA的表達變化，結果發(fā)現(xiàn)骨骼肌特異的miR-1和miR-133a的表達呈現(xiàn)顯著下調[25]，表明骨骼肌特異的miRNA可能對骨骼肌肥大也起著調控作用。由此可見，miRNA可作為骨骼肌疾病治療的潛在靶標。今后研究需進一步鑒定并挖掘參與發(fā)病的miRNA以及闡明這些miRNA在骨骼肌發(fā)病機制中的作用。

5 miRNA表達的營養(yǎng)調控

近年來研究表明，營養(yǎng)不僅可以調控骨骼肌發(fā)育關鍵基因的表達，還可以調控miRNA的表達[5，6]。肌肉生長抑制素(myostatin)是負調控骨骼肌生長發(fā)育關鍵的細胞因子。Drummond等[5]研究了由8種必需氨基酸混合劑對人骨骼肌中miRNA和myostatin等表達的影響，發(fā)現(xiàn)miR-499、miR-208b、miR-23a、miR-1 和 miR-206 的表達量顯著增加，而myostatin的表達量顯著下降[5]。除必需氨基酸外，也發(fā)現(xiàn)不飽和脂肪酸能夠調控miRNA的表達[6]。盡管目前關于營養(yǎng)調控miRNA表達的研究鮮有報道，但隨著國內外營養(yǎng)學領域研究者對miRNA的關注，miRNA也將成為營養(yǎng)學研究的熱點。

6 小結

與新miRNA的頻頻發(fā)現(xiàn)相比，miRNA的功能研究相對緩慢，目前只有一小部分miRNA的生物學功能得到闡明。盡管miRNA被發(fā)現(xiàn)參與了骨骼肌發(fā)育的調控，但其作用的分子機理目前還不完全清楚。營養(yǎng)被證實可以調控miRNA及其靶基因的表達，這將為更深層次詮釋營養(yǎng)素的作用機理提供新的研究方向。

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