miRNA在動物毛囊發育中的研究進展

劉公言，白莉雅，李福昌，常瑩，姜文學，楊麗萍，孫海濤，高淑霞

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

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

近年來，越來越多的研究結果表明，miRNA作為有效調節因子參與生物發育和疾病發生過程，包括參與動物被毛生長發育、毛囊周期循環和皮膚角質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育中發揮重要作用。miR-203是第一個被發現的在動物皮膚及毛囊中豐富表達，且與動物皮膚及毛囊發育密切相關的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在毛囊發育中的生理功能及其調控毛囊發育作用機制等方面進行詳細闡述，旨在為深入了解miRNA調控動物毛囊的發育機制，并為今后指導毛用和皮用動物選育和提高其生產性能提供參考。

1 動物體內miRNA的生物合成

miRNA在動物體內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）的作用下轉錄生成長度約為300～1 000個堿基的初級轉錄物（pri-miRNA），再經細胞核中Drosha酶剪切產生具有莖環結構且大小約70個核苷酸的miRNA 前體（pre-miRNA）。隨后，pre-miRNA在轉運蛋白Exportin-5作用下從細胞核內轉運到細胞質，并被細胞質中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蛋白組成的蛋白復合體中，形成具有生物學功能的沉默復合體（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miRNA的生物合成過程

2 miRNA在動物毛囊發育中的功能

2.1 調節毛囊發育的時序性

唐曉惠［10］利用高通量測序技術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換具有驅動作用［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變，促進毛囊從生長期向退行期轉變，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變加快［12］。

2.2 調節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，并在毛囊形態發生、毛囊干細胞增殖分化和凋亡中發揮重要的調節作用。Yi等［14］利用小鼠皮膚組織進行免疫組化發現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異常［2］。

2.3 調節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］研究發現miR-429參與調節魚類皮膚色素沉著。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轉錄因子（microphthalmia-associated transcription factor，MITF）靶向調節色素沉著，并在MITF敲除的黑色素細胞中差異表達。Zhu等［18］認為miR-25在動物皮膚及毛發生長發育過程中發揮重要調控作用，其作用機理是顯著下調羊駝黑色素細胞中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］，但目前尚無相關數據表明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答［19］。

2.4 調控多種毛囊疾病的發生

miRNA參與人類多種疾病的發生發展過程［20-23］。Polytarchou等［22］研究發現miR-214表達與結腸癌病程發展密切相關。miR-17-92在結腸癌的發生發展過程中起重要作用，可靶向調控多個誘導腫瘤血管發生相關基因的表達［23］。Xiang等［24］應用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，發現miR-106a、miR-410、miR-221、miR-125b的表達存在顯著差異，它們與人類脫發疾病發生密切相關。

3 miRNA在動物毛囊發育中的作用機制

3.1 通過Wnt信號通路參與毛囊發育調控

Wnt家族是一類分泌型脂質修飾糖蛋白，參與調控動物毛囊發育及周期性生長過程［24，25］。Wnt蛋白配體通過與跨膜蛋白（frizzled，FZD）受體及脂蛋白受體相關蛋白5或6（lipoprotein receptor related protein 5 or 6，LRP5/6）等共受體結合來激活該途徑［26］。Wnt與FZD/LRP復合物可以誘導β-連環蛋白（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，調節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蛋白穩定性方面起著關鍵作用。大量研究表明，miRNA能夠通過Wnt信號通路相關基因調控動物皮膚毛囊發育。miR-24通過其靶基因TCF-3參與調控小鼠毛囊形態的發生［29］。miR-214通過Wnt/β-catenin信號在小鼠毛囊發育中發揮作用，其在外根鞘和毛母質細胞中表達豐富，可通過β-catenin基因靶向調控皮膚上皮細胞的分化，抑制角質細胞增殖，進而抑制毛囊生長發育［30］。Mardaryev等［31］對小鼠不同生長時期皮膚中miRNA進行研究，發現miR-31可通過Wnt信號通路和BMP信號通路調控小鼠毛囊發育及被毛生長。Dickkopf相關蛋白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相關蛋白2（dickkopf relative protein 2，DKK2）和分泌型FZD相關蛋白（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］。轉基因小鼠過表達DKK1后，表皮內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］。在毛囊發育早期，miR-205可負調控PI3K信號通路抑制因子Inppl1、Inpp4b、Frk、Phlda3等，從而調控毛囊干細胞中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育調控

骨形態發生蛋白質（bone morphogenetic protein，BMP）信號通路參與哺乳動物皮膚生長發育過程，是毛囊發育的重要信號通路之一。轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGFβ）可以抑制體外培養的角質形成細胞增殖，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，miRNAs在調節皮膚生物學形成過程中受到TGF-β信號轉導的影響。TGF-β1在毛囊生長期向退行期轉換過程中表達于內根鞘，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育和毛發品質相關［37］。Shen等［38］研究得出let-7b通過抑制轉化生長因子-β 受體1（transforming growth factor-βreceptor 1，TGF-βR1）的轉錄，促進羊駝毛生長。Noggin對BMP信號通路具有負調控作用，主要表現為生長期毛囊中BMP信號下調，Noggin表達量增加。進一步研究表明，對缺失Noggin型轉基因小鼠給予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］研究發現BMP4對miR-21起負調控作用。miR-31通過抑制成纖維細胞生長因子10（fibroblast growth factor 10，FGF10）等靶基因的表達調控動物被毛生長。另有研究認為，miR-31可以通過負向調控缺氧誘導因子1（hypoxiainducible factor-1，HIF-1）的表達來激活Notch信號通路，進而影響角質形成細胞的分化［41］。

3.3 通過細胞因子參與毛囊發育調控

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，FGF5）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變來調控動物的被毛長度，在毛囊發育中發揮重要作用。FGF5發生突變后，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′非翻譯區上存在miRlet7a的結合位點，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濟價值，而經濟價值的高低與毛囊發育密切相關，尤其是毛囊生長期的長短決定毛用動物的產毛量。miRNA作為一類內源性非編碼小分子RNA，通過作用于靶基因mRNA的非編碼區參與基因轉錄后調控，進而影響動物毛囊發育的時序性、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的成熟和普及，越來越多的與毛囊發育相關的miRNA被挖掘。因此，miRNA在毛囊發育調控過程中的功能和調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雜性和功能的多角色性等也有待后續深入研究。同時，如何通過miRNA來提高毛用動物的產毛性能、皮用動物的皮張質量等解決生產問題以及解決人類脫發等毛囊疾病等，仍然需要科研工作者的不懈努力。