微小 RNA\\(microRNA\\)由 19-25 個核苷酸組成,是一類高度保守的內源性非編碼小分子 RNA,其主要功能是通過"種子序列"與特殊 mRNA 靶基因非編碼區的反向互補結合,形成 miRISC 絡合物,導致翻譯抑制或 mRNA 降解,參與轉錄后基因的表達調控[1].mRNA 在細胞的分化、發育、增殖、遷移、凋亡、形態形成及癌癥形成、脂肪代謝等許多生理過程中發揮了重要作用,而哺乳動物基因組中,30% 以上基因的 mRNA 表達受到 microRNA 的調節[2].因此,microRNA 通過 mRNA 介導調控細胞分化、增殖、脂類代謝等生物學過程.miR-143 作為動物體內廣泛表達的一類 micro-RNA,通過調控靶基因的表達參與脂肪細胞分化、脂類代謝等過程.本文綜述了 miR-143 的合成與表達、脂類代謝靶基因預測以及其靶基因的調控機制,闡述了 miR-143 在脂類代謝中的調控作用,為相關疾病的診斷、治療提供新思路.
1 miR-143的合成與表達
人類 miR-143\\(又稱為 hsa-mir-143\\)位于第 5號染色體 5q32 上,其序列是 5'-UGAGAUGAAGCAC-UGUAGCUC-3'.具體位置在 5 :148808481-148808-586.has-mir-143 在結構上與其他 microRNA 一樣,不編碼蛋白,不含開放閱讀框,具有高度的保守性.miR-143 的合成包含 3 個部分 :首先,miR-143在 RNA 聚合酶Ⅱ的作用下形成 pri-microRNA\\(包含單一的 microRNA 或 microRNA 集群\\);隨后,在與Drosha 酶有關的 DGCR8 蛋白作用下形成更小的具有\\(70 nt\\)雙鏈發夾結構的 pre-microRNA ;最后,在Exportin 5 和 GTP 依賴蛋白的作用下,由細胞核轉運到細胞質,經過 Dicer 酶的加工,形成 21 個核苷酸的成熟microRNA,它是含有反義鏈的雙鏈RNA分子.莖環結構的 miR-143 前體根據剪切位點的不同可生成 miR-143-3p\\(21 nt\\)和 miR-143-5p\\(22 nt\\).
miR-143 是 一 類 在 動 物 體 內 廣 泛 性 表 達 的microRNA,在許多組織器官中都能檢測到它的表達,但不同組織器官 miR-143 的表達豐度存在較大差異.miR-143 組織表達譜的研究顯示,其在人類心臟、腎臟、胸腺、白色脂肪組織和主動脈中表達水平比較高,而在脾臟、腦及肝臟中表達水平比較低[6].
2 miR-143調控靶基因的預測
以人類基因組為背景對 miR-143 靶基因進行預測,生物信息學預測包括 :miRanda,Targetscan和 PicTar3 種計算機輔助算法.因為 miRanda 是比較早的算法,假陽性率比較高,為了減小計算機輔助算法可能產生的大量誤差,將后兩種方法結合,可以更準確地評估 microRNA 的靶基因.張曉東等根據以上兩種算法預測出 miR-143 潛在調控靶基因 279 和 216個,取兩者 53 個交集基因進行基因功能注釋\\(GeneOntology,GO\\)富集分析[7,8].miR-143 與脂類代謝相關的靶基因,見表 1.
3 miR-143對脂肪細胞分化和脂類代謝的調控作用
3.1 miR-143促進脂肪細胞分化Esau 等[1]在前脂肪細胞中轉染 miR-143 反義寡核苷酸\\(ASOs\\),抑制了 miR-143 的表達,阻止脂肪細胞的分化,是第一個被試驗證實的對脂肪細胞分化有調控作用的 microRNA.miR-143 可能通過3 種方式參與脂肪細胞分化,分別為 :\\(1\\)miR-143可以直接與靶基因細胞外信號調節激酶 5\\(Extracel-lular-regulated kinase 5,ERK5\\)的 3'UTR\\(3' 非編碼區\\)結合 ;\\(2\\)間接的通過其他靶基因之間的相互作用調控脂肪細胞分化 ;\\(3\\)通過微效\\(或精細\\)調節酪氨酸激酶\\(MAP\\)信號通路來維持分化狀態.
miR-143 可以直接與靶基因 ERK5 的 3'UTR 結合,影響脂肪細胞分化.確切地講,miR-143 通過下調 ERK5 基因表達,抑制前脂肪細胞的分化.而有的研究認為[5],在高脂飲食飼喂小鼠的脂肪組織中,ERK5 基因表達水平僅稍稍降低\\(約 20%\\),說明其表達水平和 miR-143 的表達水平沒有顯著相關性.因此,有人認為小鼠 ERK5 可能不是 miR-143的直接靶基因,也可能 miR-143 對人類和小鼠脂肪代謝的調控作用存在著差異,但這也可能是由于miR-143 在肥胖小鼠的脂肪組織中表達水平過高造成的[5].利用體外過表達或基因敲除技術[10]研究發現,miR-143 在不同哺乳動物分化的脂肪細胞中均表達上調,可能是一個保守的調節器,調控脂肪細胞的分化進程[11,12].所以 miR-143 對靶基因的調控作用還有待進一步的研究.
miR-143 可以通過靶向作用于多種基因,對脂肪細胞的數量產生影響,所以進一步分析 miR-143在肥胖發展中的作用是十分必要的.通過在脂肪細胞中轉染反義核苷酸\\(ASO\\),抑制 miR-143 的表達,觀察 miR-143 的表達水平與脂肪細胞分化相關標志物間的關系,如過氧化物酶體增殖物激活受體γ\\(Peroxisome proliferators-activated receptors gamma,PPAR-γ\\)、 增 強 子 結 合 蛋 白 -α\\(CCAAT element-binding protein-beta,C / EBPA\\)、葡萄糖轉運蛋白4\\(Glucose transporter 4,GLUT4\\)、脂肪酸結合蛋白\\(Fatty acid binding protein,aP2\\)和成纖維細胞生長因子 7\\(Fibroblast growth factor 7,FGF7\\)等,發現 miR-143 的過表達能夠促進脂肪細胞分化標志物基因的表達,而沉默 miR-143 抑制脂肪細胞分化標志物基因的表達[5].Esau 等[1]發現,miR-143 的反義寡核苷酸\\(ASO\\)轉染誘導分化的人前脂肪細胞,10 d 后檢測脂肪細胞標志基因 GLUT4 和 FABP-4 的表達,miR-143 的 ASO 抑制脂肪細胞標志基因的表達,且與對照組相比抑制程度高達 40%.進一步研究顯示,脂肪細胞分化標志基因的表達水平與miR-143 的 ASO 抑制劑的濃度成正相關,濃度 300nmol/L 時效果最顯著;同時,Northern 印跡試驗表明,miR-143 在脂肪細胞中的表達明顯高于前脂肪細胞.
李慧霞等[13]對荷斯坦公牛的大理石紋肌肉組織中成纖維前體脂肪細胞進行體外培養時發現,成纖維前體脂肪細胞向成熟的脂肪細胞分化時,miR-143 表達水平上調.用 miR-143 的 ASO 處理該成纖維前體脂肪細胞,脂肪細胞的分化進程受到明顯的抑制,而脂滴存儲逐漸減少,重要的脂肪細胞調節基因 CCAAT / 增強子結合蛋白 -α\\(C/EBPA,CCAATelement-binding protein-beta\\)和 FABP4 基因的表達水平顯著下調.同時,轉染 miR-143 的 ASO 4 d 后,肌內脂肪細胞\\(包括前體脂肪細胞\\)的數目達到最高水平,且細胞的增殖隨著 miR-143 的 ASO 抑制劑轉染濃度的增加而增加.此研究在某種程度上證實了內源性 miR-143 刺激牛肌內脂肪細胞的分化調節基因,促進肌內脂肪細胞的分化.綜上所述,miR-143 能夠促進脂肪細胞分化標志物基因表達,促進脂肪細胞分化.
miR-143 通過微效\\(或精細\\)調節酪氨酸激酶\\(MAP\\)信號通路來維持脂肪細胞分化的狀態.MAP激酶屬于一種 Ser/Thr 蛋白激酶,在多種不同的信號轉導途徑中充當信號轉導成份,在生長因子、激素、紫外線等刺激下,誘導相關基因的表達,參與細胞的反應、分裂、生長和分化過程.miR-143 對脂肪細胞分化的調節可通過 MAP 信號通路來促進細胞生長和增殖,調節脂肪細胞增殖和分化間的平衡[1].
He 等[17]通過雙熒光素酶報告和定量 RT-PCR 法,確定成纖維細胞生長因子 7、成纖維細胞生長因子 2是 miR-143 的靶基因,它們是成纖維細胞生長因子家族的成員,這個家族的大部分成員都能通過激活受體酪氨酸激酶\\(MAP\\)信號通路來促進人前脂肪細胞的增殖和分化.成纖維細胞生長因子 7 可作為一個微調分子,平衡脂肪細胞增殖與分化間的關系,但是它在脂肪細胞分化中的確切作用還不清楚.成纖維細胞生長因子 2 在人前脂肪細胞中表達水平較高,分化誘導后明顯降低,這與細胞內可見脂滴的第一外觀一致.成纖維細胞生長因子 7 與成纖維細胞生長因子 2 的作用類似,只是前者可能更偏向于促進前脂肪細胞的分化而不是生成.
以前的研究中[1],人們在體外培養脂肪細胞,誘導分化后轉染 miR-143 的抑制劑和模擬物,使其低表達或過表達,測定 miR-143 對脂肪細胞分化的影響.但是 He 等的研究發現,直接在體外敲除miR-143 的小鼠,表型沒有發生異常的變化[14],小鼠的體重、脂肪組織的形態和脂肪細胞的大小都沒有發生改變.此外,將體外敲除 miR-143 小鼠和對照組小鼠脂肪細胞分化標志物 mRNA 的表達水平進行比較,發現體外和體內試驗中得到的結果是有一定差異的,這說明體外進行的測定試驗相對比較簡單,但有時候卻不能真實地反映生物體內復雜的自我適應機制.microRNA 的功能無論是在無脊椎動物還是脊椎動物中都是重要且高度保守[15],但是即使獨立敲除最保守的 microRNA,仍沒有導致明顯的缺陷[16],這可能是因為其他相關 microRNA 的調控功能,也可能是因為復雜調控網絡的其他緩沖機制.miR-143 可能只是充當微調分子,而不是小鼠脂肪生成調控的網絡開關,所以它在脂肪組織發育中的作用可能是微乎其微的[17].
3.2 miR-143和脂類代謝的關系Takanabe 等[5]發現,miR-143 在人類和小鼠的心臟、腎臟及胸腺中均有表達,在 ob/ob 小鼠的白色脂肪組織中表達最強烈.培養人前脂肪細胞時,發現在誘導分化 7-10 d miR-143 的表達水平不斷增加[1].同樣將誘導分化 9 d 與 5 d 小鼠 3T3-L1 細胞相比,前者 miR-143 的表達水平明顯高于后者.高脂飲食飼喂的小鼠腸系膜脂肪組織中 miR-143 的表達水明顯高于限飼小鼠,且其表達水平與小鼠的體重和腸系膜脂肪重量成正相關.這些研究結果表明miR-143 的表達主要發生在分化后期,所以它可能控制成熟脂肪細胞的功能,而不是影響細胞分化[9].
miR-143 在人類和嚙齒類動物脂肪細胞脂質代謝中發揮著重要作用,簡單地說,就是 miR-143 能促進甘油三酯的合成[8].在小鼠前脂肪細胞中 miR-143 的過表達可以加速脂滴聚集,抑制甘油及游離脂肪酸的合成,促進脂肪組織的形成[18,19].
miR-143 可以和其他 microRNA 共同作用于同一個靶基因,也可以單獨作用于不同的靶基因,以形成復雜的調控網絡,在某些信號通路的作用下,調控有機體的脂類代謝\\(圖 1\\).一般來說,miR-143通過調控 PPARγ、FABP4、ERK5 等脂肪代謝相關基因的表達,參與甘油的合成和脂質代謝.PPARγ 是脂肪細胞分化的關鍵調控因子,調控脂肪酸合成與相關轉運基因的啟動表達,影響脂肪酸的合成途徑,可使脂肪細胞數量增加并促進脂肪細胞甘油三酯合成,也是脂質活化的轉錄因子,調節脂質代謝與糖代謝、脂肪細胞分化和能量之間的平衡 ;FABP4 能夠親和不飽和與飽和長鏈脂肪酸,與脂類儲存和脂類代謝密切相關 ;ERK5 是絲裂原活化蛋白激酶\\(Mitogen-activated protein kinases,MAPK\\)家族中一個獨特的激酶,可以通過磷酸化作用和 C 端物理性結合使底物激活,活化下游因子,引起基因轉錄和表達,參與調節細胞增殖、分化、轉化、凋亡等一系列生命活動[20-22].同時三者之間也存在一定的聯系,氧化物酶體增殖物激活受體 γ 是細胞外信號調節激酶 5 的下游基因,其轉錄需要細胞外信號調節激酶 5 的激活,所以只有當通路激活后,氧化物酶體增殖物激活受體 γ 才能發生磷酸化,降低轉錄活性,抑制脂肪細胞的分化.活化的氧化物酶體增殖物激活受體 γ 可以調節其下游基因脂肪酸結合蛋白,參與脂類存貯與代謝過程[23-25].
4小結
miR-143 是一類廣泛性表達的 microRNA,在脂肪細胞細胞分化和脂類代謝中起著重要的作用.其調控作用也是十分復雜的,不僅可以和其他microRNA 共同作用,還可以作用于不同靶基因,且其靶基因的調控作用也是相互的,這樣就形成了一個復雜的調控網絡.深入探索 miR-143 在脂肪細胞分化和脂類代謝中的作用和機制,為疾病臨床診斷和預后判斷的提供分子標志,具有廣闊的應用前景.
從現在的研究成果看還有許多問題亟待解決 :\\(1\\)miR-143 與其他 microRNA 之間的關聯、靶基因間的相互調控作用需要明確.\\(2\\)miR-143 在脂質代謝中的實際應用需要進一步擴展.\\(3\\)miR-143 對靶基因復雜的網絡調控需要明確.
參 考 文 獻
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