哺乳動物冬眠調控機制中MicroRNA的作用

宋士一, 劉春燕, 姜 雯, 王 進, 張 圓

(沈陽師范大學 生命科學學院, 沈陽 110034)

哺乳動物冬眠調控機制中MicroRNA的作用

宋士一, 劉春燕, 姜 雯, 王 進, 張 圓

(沈陽師范大學 生命科學學院, 沈陽 110034)

冬眠是很多哺乳動物在低溫、食物缺乏和缺氧等極端環境下選擇的應對技巧,表現為體核溫度降低,心率、代謝率和呼吸率下降等。在不同冬眠動物的不同組織中,這一過程伴隨著生理水平和生化水平的調節變化,此外,微小非編碼核酸族(microRNA, miRNA)也起到潛在的調控作用。了解miRNA的代謝過程及主要作用機制有助于理解其作用。miRNA在冬眠動物體內調控糖酵解與糖異生、氨基酸代謝、胰島素信號通路、脂肪酸代謝和脂代謝穩態等代謝途徑中的靶物,從而潛在地調控冬眠時的能量來源從碳水化合物轉化為脂肪;miRNA能幫助保護心肌、骨骼肌、腎臟、肝臟和大腦等組織免受低溫帶來的傷害,保護機體度過惡劣環境并且在冬眠結束之后蘇醒。對不同的冬眠物種及其不同器官組織中miRNA的研究有利于加深對冬眠機制的理解。

哺乳動物; 冬眠; MicroRNA; 靶物

0 引 言

為了在低溫或缺少食物的極端環境條件中存活下來,一些哺乳動物在冬季會選擇冬眠。冬眠是指一些哺乳動物在冬季出現的非活躍狀態,此時動物的體溫和代謝率降低。冬季過后動物恢復活躍狀態,體溫和代謝率又恢復到正常水平[1]。與非冬眠期相比,哺乳動物在冬眠時,體核溫度很低 (Tb≈4 ℃),代謝速度降低到原來的1/20左右[2],冬眠時還有其他顯著的生理變化,包括血流量減少、呼吸頻率降低和心率降低等[3]。這些變化與能量消耗相關,也與相關的基因轉錄和翻譯調節有關,即冬眠時動物體內存在蛋白質轉錄水平及其表達水平的調控[4]。微小RNA (microRNA, miRNA) 是一種內源性的單鏈非編碼小RNA,具有基因轉錄后水平調控作用[5-6],研究發現,miRNA在冬眠過程中有潛在的調控作用,其在低溫、缺食或缺氧等條件下參與調控生理變化和生物化學變化[7]。本文綜述了miRNA在冬眠期調控與代謝抑制有關的糖脂代謝途徑和保護心肌等組織的研究進展,為進一步研究哺乳動物冬眠期的分子水平機制變化提供理論基礎。

1 miRNA的合成及作用機制

miRNA是短鏈(約21個核苷酸)非編碼RNA轉錄體,其在轉錄后調控多細胞動物、植物和原生動物的基因表達。Lin-4是在秀麗線蟲中發現的第1個miRNA,它可以抑制包括LIN-14在內的靶基因的表達[8]。之后在其他幾個物種中發現和描述了幾百種miRNA。由RNA聚合酶Ⅱ作用下產生的初期轉錄物稱為pri-miRNA,pri-miRNA擁有一個或者數個發夾結構,一個發卡結構通常包括長30bp的不完整單鏈RNA片段[9]。pri-miRNA在細胞核中通過與Drosha(核糖核酸酶Ⅲ酶)和迪格奧爾格綜合征關鍵區基因8結合,這個結構被識別和處理后形成前體miRNA(pre-miRNA)[10]。pre-miRNA是約70個核苷酸長度的發夾結構,從細胞核中通過輸出蛋白-5到細胞質中[11]。

在細胞質中,pre-miRNA被Dicer酶切開。Dicer酶將發卡的結合部分分開產生一個miRNA和miRNA*副本[12]。2條鏈中間的一個會與Argonaute(AGO)蛋白家族的成員和其他的蛋白結合,例如與GW182結合,之后形成miRNA-誘導沉默復合體;另一條則會降解掉[12]。miRNA與靶轉錄本的相互作用會抑制和/或啟動mRNA衰變。據估計,miRNA調控超過60%的蛋白質編碼基因[13]。另外,miRNA還能通過靶向結合另一個miRNA的初級轉錄來調控其功能[14]。miRNA的功能與靶物基因的功能有關,通過觀察靶物的功能就能理解miRNA的功能,例如脊椎動物的miR-17～ 92族的靶基因參與生長控制[15]。

2 冬眠時生理水平和生化水平受到的適應性調節

小型哺乳動物會采取一種生理和行為上的適應行為來應對威脅生存的極端條件,即在冬季(或者晚秋和早春)會出現昏睡狀態, 這一過程伴隨著體溫和代謝的降低。

關于哺乳動物冬眠的研究越來越關注生物化學機制和分子機制。研究者已經發現在冬眠時存在主要能量消耗過程的抑制現象,其中涉及到相關基因轉錄的抑制和蛋白翻譯的抑制[16]。北極黃鼠(Spermophilusparryii)的基因組學和蛋白質組學表達數據的分析顯示基因和蛋白水平的變化不一致,這說明存在轉錄后機制的參與[17]。

糖酵解、糖異生、脂肪酸代謝和氨基酸代謝等代謝途徑中有些基因在長時間低溫生存情況下存在過表達的現象[18]。蝙蝠(Myotisricketti) 冬眠時白色脂肪組織(White Adipose Tissue, WAT)中胰島素受體底物顯著上調表明葡萄糖的吸收受到抑制,5′一磷酸腺苷激活的蛋白激酶的減少可以促進糖異生,證明miRNA通過抑制葡萄糖代謝,使脂肪成為主要的能量來源[19]。蛋白可逆磷酸化會影響一些酶的活性從而降低代謝率,這一機制會明顯抑制一些參與碳水化合物分解代謝的酶的作用,進而在冬眠過程中使消耗碳水化合物轉化為消耗脂質[20]。

關于冬眠的其他翻譯后機制也有報道。哺乳動物多紋黃鼠(Ictidomystridecemlineatus)冬眠時大腦組織中的蛋白磷酸化作用是顯著增加的,這對于大腦缺血耐受有重要作用[21]。多紋黃鼠冬眠組織中的泛素共軛濃度也增加2～3倍,這在冬眠時會對蛋白質水解率有潛在的降低作用[22]。

3 miRNA在應對低溫壓力和保護機體中的作用

為了更好地理解miRNA的變化及其和mRNA的相互作用以及后續的翻譯抑制,在細胞系和動物模型等典型生物醫學系統中進行了關于miRNA合成過程中關鍵物質及其調控mRNA的研究。北極黃鼠的WAT和褐色脂肪(Brown Adipose Tissue,BAT)及蝙蝠的腦中在冬眠期調控miRNA生成過程中的Dicer酶的含量沒有明顯變化[23]。

用高通量Illumina平行測序技術、Agilent科技公司微陣列芯片和RT-PCR檢測的冬眠期北極黃鼠的肝臟中miR-320、miR-378、miR-451和miR-486的表達不同[24]。通過對它們的潛在作用進行分析,可知它們在冬眠期抑制細胞生長。多紋黃鼠冬眠期WAT中let-7a、let-7b、miR-107、miR-150、miR-222和miR-31表達降低,然而miR-143、miR-200a和miR-519d表達增加;冬眠期BAT中miR-103a、miR-107、miR-125b、miR-21、miR-221和miR-31表達降低,另一種唯一的在此期間高表達的miRNA為miR-138(高出對照組2.91±0.8倍);WAT和BAT中低表達的miRNA與絲裂原活化蛋白激酶的信號調控相聯系,而在WAT高表達的miRNA與轉化生長因子的信號作用有關,表明WAT與BAT細胞在冬眠期活躍分解以供能,但生長減少[25]。

不同表達的miRNA在代謝降低的動物模型中能夠調控脂代謝穩態、胰島素信號通路和葡萄糖代謝通路中靶轉錄本的翻譯。例如,參與脂肪酸生物合成的幾個酶就是miRNA的靶物,包括這個通路中第1步反應的酶:將乙酰-輔酶A轉換為丙二酰-輔酶A的乙酰-輔酶A羧化酶(acetyl-CoA carboxylase, ACC)。當miR-144和miR-451在小鼠主動脈血管平滑肌細胞中過表達時,它可以抑制ACC蛋白表達[26]。在關于大鼠的研究中ACC是miR-34的直接靶物[27]。在骨肉瘤中,另一個參與脂肪酸合成的關鍵蛋白脂肪酸合成酶受miR-195的調控[28]。其他與脂質穩態有關的miRNA包括miR-143,它調控脂肪前體細胞中的增強子結合蛋白α和脂肪酸結合蛋白4的表達。另外,miR-33使肉毒堿棕櫚酰轉移酶表達沉默[29]。miR-130的靶物是可以影響脂肪存儲和人類脂肪組織能量平衡的轉錄因子過氧化物酶體增殖物激活受體γ[30]。

關于miRNA調節胰島素分泌和信號的例子也有報道,miR-375具有胰島特異性,它對胰島素分泌有影響[31]。在Ⅱ型糖尿病大鼠模型的研究中,高血糖癥出現時miR-335高表達,能夠抑制參與胰島素釋放的靶mRNA突觸融合蛋白結合蛋白[32]。小鼠胰腺β細胞系中,miR-29a、miR-29b和miR-124的靶物單羧酸轉運蛋白1可以將單糖轉變成丙酮酸,說明其對胰島素釋放有潛在的作用[33]。

在對葡萄糖穩態的研究中,miR-103和miR-107增加肥胖老鼠的葡萄糖攝取[34]。在人肝癌細胞株中,miR-33可以影響葡萄糖代謝的一個重要中介去乙酰化酶6的表達[35]?？傊?通過這些研究可以看到miRNA在各種生物模型中,對調節主要代謝通路的重要性,提示miRNA在與寒冷有關的代謝降低過程中對協調類似通路存在潛在影響。

在幫助不同物種動物應對來自低溫的壓力時,miRNA起到保護心肌、骨骼肌、腎臟和肝臟的重要作用。多紋黃鼠冬眠期與產熱期的組織相比,心肌和骨骼肌中miR-24的表達降低,骨骼肌中miR-122a的表達降低,腎臟中miR-1和miR-21明顯增加[36]。miR-106b可以調控低氧誘導的轉錄因子-1α,它在冬眠的多紋黃鼠和蝙蝠的骨骼肌中表達顯著降低[37]。北極黃鼠肌肉中富集的miR-486過表達,抑制磷酸酶張力蛋白同源物和Foxo1的表達,從而減少對磷脂酰肌醇-3-激酶通路的抑制作用,表明其在冬眠條件下調節細胞周期的潛在作用[38]。冬眠期小型褐蝙蝠(Myotislucifugus)的骨骼肌中 miR-1a-1、miR-29b、miR-181b、miR-15a、miR-20a、miR-206和miR-128-1的水平增加,其相關的靶物肌肉生長抑制素水平降低,在冬眠蝙蝠體內這些miRNA可以通過調控肌肉特異性蛋白,預防肌萎縮[39]。

冬眠陣中蝙蝠大腦內miR-21、miR-29b、miR-103、miR-107、miR-124a、miR-132、miR-183和miR-501表達增加,生物信息學分析顯示這些miRNA主要參與2個過程:黏著斑作用和軸突導向,提示蝙蝠冬眠期大腦功能與miRNA對神經細胞和適應性神經保護作用的調節是有關的[40]。與活躍期相比,冬眠期多紋黃鼠大腦組織中的miR-200和miR-182家族下調,這些miRNA參與不同的泛素類蛋白修飾物及它們與其他蛋白的結合,活性降低,通過上述的ULMs增加蛋白結合,進而使細胞能更耐受氧氣/葡萄糖剝奪誘導的細胞死亡[41]。

這些研究都說明低溫條件下miRNA有潛在的作用,其表達水平與預測的轉錄靶物表達之間的關系是相反的。哺乳動物冬眠的情況展示了組蛋白轉錄后修飾(乙?；?、磷酸化)和組蛋白去乙酰酶抑制劑活性的改變,其潛在的基因沉默機制包括miRNA表達的改變能抑制mRNA的轉錄后翻譯和細胞核和細胞質中核糖體蛋白質的形成,從而在動物再次蘇醒前起到保存mRNA轉錄本的作用[42]。

4 展 望

為了應對各種環境壓力如冷暴露,代謝減退的自然模型表現出復雜的生化調控過程。miRNA可以使大量的轉錄產物沉默的特征使大量研究者趨之若鶩。但是研究的物種和組織部位都值得思考。

黃鼠作為典型的貯脂型冬眠動物,其冬眠顯示出典型的季節性,對其的研究對了解人類的肥胖及與之相關的代謝性疾病有益。它在一年里不分季節地進行多日的蟄眠,而蝙蝠家族廣泛的異溫性分類多樣性說明它是研究異溫哺乳動物進化史的好模型[43]。這些原因使得對這些冬眠物種的脂肪和大腦等的miRNA研究較多,而其他的例如花栗鼠等貯食型冬眠動物在冬眠期體內組織中miRNA的變化也是值得關注的。

對于冬眠動物來說,WAT、BAT、肝臟、骨骼肌、腎臟和大腦等組織中miRNA都會在異溫期和恒溫期發生變化,特別是大腦等神經系統的重要性是眾所周知的。在研究大腦時似乎應該更細致些,從部位上來看,確定大腦、小腦和中縫核群等部位的miRNA表達是否有差異性;從細胞分類來看,分析神經膠質細胞和神經元的miRNA表達是否有差異性。

總之,未來應該進行不同動物模型體內miRNA綜合表達的研究,從而鑒定低溫條件下miRNA的調控作用。此外,為了更好地了解低溫條件下miRNA的生化和生理功能,還應該確定miRNA的靶物。最后,miRNA作為一個冬眠調控的信號,將會是動物應對極端條件的一個有用的分子家族。

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Roles of microRNAs in regulation of hibernation

SONGShiyi,LIUChunyan,JIANGWen,WANGJin,ZHANGYuan

(College of Life Science, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

Hibernation is a strategy chose by many mammals to survive from harsh environmental stresses such as low temperatures, lack of food or anoxic, which is characterized by the changes of hypothermia, the low heart rate, metabolic rate and respiratory rate and so on. These processes are accompanied with the regulation from physiological and biochemical level in different tissues from different hibernators, in addition, microRNAs(miRNAs)have potential regulation effect on them. It is helpful to know the metabolism process and mechanism of miRNAs function. MiRNAs regulate glycolysis, gluconeogenesis, amino-acid metabolism, insulin signal path, fatty acid metabolism and hemeostasis of lipid metabolism in hibernators, thus, they regulate hibernating energy source changing from carbohydrates into fat. MiRNAs can protect hibernators’ brain, muscle, kidney, liver, brain and soon from low temperature and accompanying hurt and then wake up after hibernation potentially. At last, some humble proposals on miRNAs from the hibernation species and the organs and tissues of them in the future research are put forward.

mammal; hibernation; MicroRNAs; target

2016-12-01。

國家自然科學基金資助項目(31670425)。

宋士一(1965-),男,遼寧沈陽人,沈陽師范大學副教授,博士。

1673-5862(2017)01-0014-05

Q74; Q291

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2017.01.002