MicroRNA在调控物质代谢方面的作用

　　生物体内物质代谢过程中，从细胞内物质利用方式到内分泌腺的功能，人们不断发现microRNA发挥了重要作用，其表达异常或失调控则可导致相关病变。有报道称哺乳动物体内约SO%的编码基因受microRNA调控，而这些调控机制的阐述将对代谢疾病、肿瘤的治疗具有重要意义。　　基因表达的调控可发生在转录水平和转录后水平，前者包括转录因子与DNA的结合活性，后者包括改变RNA稳定性或定位、蛋白质翻译或蛋白质半衰期。microRNA是一类长度约22个核昔酸的小分子RNA，通过结合mRNA的3'-UTR区顺式作用元件来抑制蛋白质的翻译，在转录后水平调控基因表。MicroRNA对正常组织器官发育及生理功能起重要调控作用，换言之，microRNA表达异常则对某些病理改变，如糖尿病、肿瘤、心血管疾病及炎症等的发生发展发挥重大影响。这种新的调控系统为人们认识疾病和寻求治疗方法提供了新的思路。　　1MicroRNA与葡萄糖代谢　　1.1MicroRNA与胰岛素分泌动物体内某些microRNA表现组织特异性或发育特定阶段特异性的表达，提示它们可能在很多生命进程中起特定作用。胰岛p细胞分泌胰岛素这一生命过程受到众多信号分子的精密调控，microRNA在其中所起的作用备受关注。为了筛选在胰岛素分泌过程中具有调控作用的microRNA种类，Hennessy等;通过TaqManmicroRNA芯片检测葡萄糖反应缺陷型MIN6胰岛细胞与反应型细胞间microRNA差异表达谱，发现10对microRNA基因在两种细胞中存在差异表达，研究人员采用基因敲除方法降低miR200a,miR-130。及miR一斗10在胰岛细胞中表达，发现胰岛细胞在一定葡萄糖浓度刺激下分泌胰岛素减少，而过表达miR-410则可增强胰岛素分泌水平。　　Poy等发现miR-37S在胰岛内分泌细胞中高表达，并可抑制葡萄糖诱导的胰岛素分泌，抑制内源性miR-37S则可促进胰岛素分泌。MiR-37S对胰岛素分泌的调控作用与葡萄糖水平或细胞内Cat'信号通路的作用无关，但与胰岛素的胞吐作用相关。通过生物信息学预测及实验证实，Myotrophin(Mtpn)为miR-37S的靶基因，通过RNA干扰沉默Mtpn表达，可模拟miR-37S抑制葡萄糖诱导的胰岛素分泌和胞吐分泌的作用，提示miR-37S可能调控胰岛素分泌，并认为其可能作为药物治疗糖尿病的靶点。　　Sirtl是一种NAD依赖性蛋白乙酞基转移酶，其活性依赖于NAD十水平。它调节细胞代谢使之与胞外环境的变化相适应，一般认为其与应激、炎症、衰老有关。在小鼠胚胎干细胞中，Sirtl蛋白水平显著高于分化组织。在小鼠胚胎干细胞分化过程中，microRNA在转录后水平抑制Sirtl表达，并在分化组织中维持Sirtl的低水平表达。其中，miR-18a/b,miR-9,miR-204,miR-199b及miR-135a抑制Sirtl表达的作用较为明显。抑制miR-9后可阻止Sirtl水平在干细胞分化过程中下降。新近发现Sirtl参与胰岛素分泌的调控。Ramachandran等提出miR-9可靶向调控胰岛素分泌细胞的Sirtl表达。在葡萄糖依赖性胰岛素分泌过程中，升高miR-9表达水平则导致Sirtl在胰岛p细胞中的水平降低。该结果提示胰岛p细胞中NAD依赖蛋白乙酸基转移酶和microRNA之间存在交叉作用，而miR-9和Sirtl的调控关系可能与糖尿病发病相关。　　此外，核受体FXR/SHP介导的信号通路可调控miR-34a的表达，miR-34a同样可靶向Sirtl在转录后水平抑制其表达，FXR/miR-34a/Sirtl构成正反馈通路，在代谢性疾病中表现为该通路的调控失常。　　1.2MicroRNA调控胰岛素作用敏感性胰岛素抵抗是2型糖尿病发病机制的要素之一，其实质为细胞对一定量的胰岛素作用的敏感性降低。MicroRNA与胰岛素抵抗也有某些联系，在肥胖小鼠体内miR-103/107高表达，沉默miR-103/107则可促进血糖水平稳定及提高胰岛素敏感性。深人研究发现胰岛素受体的关键调控元件Caveolin-1是miR-103/107的直接靶基因。脂肪细胞中miR-103/107表达沉默可诱导Caveolin-1表达，使胰岛素受体稳定表达，激活胰岛素信号通路，减小脂肪细胞体积，促进胰岛素刺激的葡萄糖摄取(insulin-stimulatedglucoseuptake)。此外，还发现在先天型和饮食型两种肥胖小鼠的肝脏中，miR-143/145表达上调。MiR-143的上调可破坏胰岛素刺激的AKT激活及葡萄糖代谢稳态，而miR-143/145基因敲除可防止肥胖相关胰岛素抵抗的发生。运用定量质谱法分析发现，miR-143过表达小鼠的肝脏蛋白表达谱中氧化固醇结合蛋白相关蛋白8(oxysterol-binding-protein-relatedprotein8，ORP8)的表达下调，在体外培养的肝细胞中ORP8的表达下调可抑制胰岛素刺激的AKT激活。因此，microRNA在转录后水平调控异常，使ORPS的表达下调，可能与肥胖诱导胰岛素抵抗有关。干预miR-103/107/caveolin-1或miR-143/ORP8通路将可能为肥胖相关糖尿病的治疗提供新的靶点。　　1.3MicroRNt3与葡萄糖摄取　　葡萄糖进人细胞依赖于葡萄糖转运体((glucosetransporter,GLUT。心衰患者心肌细胞内GLUT4水平降低，Horie等}9}发现外源性提高miR-133表达水平可降低GLUT4在心肌细胞的表达，减少心肌细胞在胰岛素介导下的葡萄糖摄取。生物信息学预测提示KLF15为miR-133的靶基因。实验证实，过表达的miR-133可降低KLF15的蛋白水平，并导致KLF15下游的GLUT4的表达水平降低，反之转染miR-133互补片段抑制其功能后，则发现KLF15及GLUT4表达上调。在大鼠模型中同样发现KFL15和GLUT4在左心室肥厚和充血性心功能衰竭心肌细胞内表达水平降低、提TmiR-133通过靶向KLF-15调控GLUT4，参与心肌细胞的代谢调控。　　而通过收集左心功能不全患者左心室活检组　织，进行microRNA表达谱毖片扫描发现miR-223在胰岛素抵抗患者心肌中表达上调在新生大鼠心肌细胞中，miR-223过表达可诱导心肌GLUT4蛋白表达，并导致葡萄糖摄取增加，通过RNA十扰沉默GLUT4可拮抗miR-223的这一作用提示miR-223对GLUT4有调控作用。　　1.4MicroRNA与细胞内葡萄糖代谢　　1.4.1对糖酵解途径的影响　　细胞外的葡萄糖通过GLUT介导进人细胞内，通过糖酵解途径、三梭酸循环和生物氧化生成ATP供能，这是体内葡萄糖有氧代谢的一般过程，microRNA对细胞内葡萄糖代谢的调控可显著影响细胞增殖、凋亡等表型。　　肿瘤细胞糖代谢不同于正常细胞。在有氧条件下，肿瘤细胞仍主要通过糖酵解进行葡萄糖代谢，这种现象称为有氧糖酵解，也称Warburg效应。随着对microRNA研究的深人，肿瘤细胞Warburg效应的发生机制与microRNA之间的联系也正被逐步阐明。在神经胶质瘤细胞中过表达miR-326可诱导凋亡并降低细胞代谢活性，通过生物信息学预测发现丙酮酸激酶M2(PKM2)为miR-326靶点之一。PKM2在糖酵解过程中催化丙酮酸生成，是糖酵解途径中的重要调控节点。新近研究表明:　　PKM2在很多肿瘤组织中表达升高，并被认为是介导Warburg效应发生的重要分子。通过RNA干扰技术沉默神经胶质瘤细胞PKM2表达，发现细胞生长速率、细胞侵袭性、代谢活性及ATP和谷肌甘肤水平均降低，而AMP激活蛋白激酶(AMP-activatedproteinkinase,AMPK)活性增强，但在人星形胶质细胞中却无此表现，通过Western印迹技术发现人胶质母细胞瘤中PKNI2高表达，PKM2与miR-326表达水平呈负相关，提示PKM2的表达可能受miR-326的调控[lz}　　除miR-326外，miR-378(*)也被报道具有调控糖酵解的作用。miR-378(*)基因位于PPARGC)b内，PPARGClb为PGC-1p的编码基因，PGC-1}3则是参与细胞氧化代谢的转录调控因子。Eichner等〔13〕发现:miR-378(*)的表达受ERBB2的调控，并引起乳腺癌细胞代谢改变。miR-378(*)通过抑制PGC-1}3的两个协同作用分子一一ERRy和GABPA，造成二竣酸循环内相关基因表达下调，使氧消耗减少、乳酸产量增加及细胞增殖增加。原位杂交实验回表明:miR-378少)表达与人乳腺癌细胞的恶性进展相关。提示miR-378(*)可能通过调控生物能量代谢通路，参与乳腺癌细胞的Warburg效应。　　1.4.2对细胞线粒体功能的影响　　线粒体是细胞能量代谢的重要场所，microRNA与线粒体功能的关系也是代谢研究中必然涉及的重点。Burchard等通过筛选96对肝细胞癌及癌旁组织中microRNA差异表达谱，发现miR-122在肝细胞癌中低表达，体外实验中抑制miR-122后可导致细咆线粒体代谢功能障碍，提示miR-122可能参与线粒休代谢功能调控，其表达降低可能导致肝功能的损害可能与肝细胞癌的发病和预后相关〔lad近年来microRNA对线粒体功能影响的研究渐趋深人，Chen等r)一发现:miR-210抑制线粒体功能，并诱导糖酵解代谢增强。miR-210靶向线粒体铁硫簇支架蛋白(mitochondria)ironsulfurclusterscaffoldprotein,ISCU}aISCU是三竣酸循环、电子传递和铁代谢关键酶辅助因子。缺氧环境下，ISCU水平降低是诱导活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)生成的主要原因。ISCU抑制可导致线粒体复合体1和顺乌头酸酶的活性下降，使细胞在常氧条件下的糖酵解及细胞生存能力增强。肿瘤低表达ISCU提示预后不良。肿瘤细胞表型的这些改变提示miR-210通过铁硫簇调控线粒体功能和自由基产生，介导新的缺氧适应机制。　　Puissegur等实验证实miR-210还可通过靶向电子传递链(electrontransportchain,ETC)关键元件，调控线粒体功能，继而影响细胞代谢、凋亡。miR-210在晚期非小细胞肺癌中呈高表达，在肺腺癌细胞A549中，高表达miR-210导致细胞增殖改变，并与半胧天冬酶(caspase)3/7活性相关。　　MiR-210可诱导线粒体跨膜电位降低和线粒体表型异常。高表达miR-210的细胞中电子传递链复合体I和复合体II的部分亚基转录活性增强，其中唬拍酸脱氢酶D亚基(SDHD)为miR-210作用靶点之一，SDHD基因敲除可模拟miR-210介导的线粒体功能异常。此外，miR-210靶向SDHD可激活缺氧诱导因子一1(HIF-1)，与先前报道的SDH抑制可激活HIF-1一致，因此可以认为，miR-210在细胞线粒体功能调控网络中是一个重要的节点。　　在缺氧条件下，HIF-1a与miR-210的表达水平共同升高，对肿瘤在缺氧微环境下生存具有重要意义，并提示预后不良。miR-210对线粒体功能的调控表明microRNA在细胞微环境应激、氧化磷酸化、ROS产生及铁的平衡稳态等环节之中起一定作用，并可能参与肿瘤细胞Warburg效应的产生。　　2MicroRNA在脂肪代谢中的作用　　细胞内脂类代谢也受到一系列microRNA的调控，如miR-33通过下调ABC转运体ABCA1和ABCG1的表达水平，调控胆固醇代谢及高密度脂蛋白(HDL)的生物合成〔iaooMiR-33还抑制某些参与脂肪酸p氧化的蛋白，如CPTla,CROT及HADHB等的表达，从而降低脂肪酸分解代谢效率‘9,，miR-122,miR-370，miR-335，miR-378/378*,miR-27及miR-125a-Sp也参与调控胆固醇代谢平衡、脂肪酸代谢及脂类合成等过程。　　MiR-122在人体内表达具有组织特异性，于肝脏内高水平表达，提示其可能参与调控肝脏的某些代谢调控。抑制miR-122后，某些参与肝脏内代谢的编码基因表达可出现下调或上调变化，其中包括一些参与脂肪酸合成和氧化的基因如FAS,ACC1,ACC2等。沉默高脂肪饮食小鼠体内miR-122表达可减少肝脂肪变性发生，提示miR-122有降低胆固醇合成及刺激脂肪酸氧化的作用。　　MiR-370也具有和miR-122类似的调节脂类代谢的作用靶向结合并抑制肉碱棕搁酸转移酶(Cptla)oCptla为线粒体酶，可通过使长链脂肪酸结合肉碱引导其跨膜转运，从而促进脂肪酸氧化;上调miR-370则抑制脂肪酸氧化。　　MiR-378基因位于PGCla基因序列内，过表达的miR-378/378‘可促进三磷酞甘油的累积。过表达脂肪细胞内miR-378/378’可使脂肪酸代谢基因如脂肪酸结合蛋白4(FABP封，FAS，硬脂酞辅酶A去饱和酶(stearoyl-coenzymeAdesaturase,SCD-1)表达水平升高。此外，miR-143,miR-27,miR-335也具有调节脂类代谢的作用fzzl0MiR-33是目前研究较为深人、调控机制了解较为透彻的脂类代谢调控相关的microRNAoMiR-33定位于人SREBP-2基因第16内含子序列中，后者是调控胆固醇摄取和合成的关键分子开关。　　通过改变巨噬细胞培养环境中胆固醇水平，进行microRNA芯片扫描发现miR-33a在胆固醇缺乏环境下反应性的高表达。在正常及高胆固醇血症的小鼠中，饮食中胆固醇水平可影响肝细胞和外周血巨噬细胞的miR-33表达水平。miR-33。与SREBP-2蛋白在肝细胞和巨噬细胞中共同转录，解释了在胆固醇缺失的环境中miR-33a与SREBP-2蛋白表达水平高度相关。生物信息学方法预测，miR-33a靶基因为ATP结合盒转运蛋白Al(ABCA1),ABCA1也称胆固醇流出调节蛋白，介导细胞内胆固醇及磷脂转运至细胞外，机体内ABCA1表达升高使大量胆固醇向胞外转运并结合载脂蛋白A1(apoAl)，诱导HDL的水平升高。ABCA1的3'-UTR区含有miR-33a/b的高度保守互补序列，从而在多种细胞中miR-33可显著抑制ABCA1的mRNA和蛋白水平}zs-za)Hori。等}na}证实，基因沉默miR-33导致小鼠肝细胞ABCA1表达升高，血清HDL水平可升高25%。　　3MicroRNA与氨基酸代谢　　目前一些有关microRNA与体内谷氨酸代谢的研究表明:在生命活动旺盛的细胞中谷氨酞胺代谢活跃，其在线粒体内被分解代谢最终生成ATP和乳酸，是重要的能量来源，并为生物合成提供氮源和碳源。c-Myc由MYC癌基因编码产生，作为癌基因转录因子调控人类上千个基因的表达。c-Myc可通过刺激葡萄糖和谷氨酸代谢引导细胞进人5期，还与E2F1协同调控线粒体生物合成，对细胞物质能量代谢进行精细调节。c-Myc还具有调控microRNA表达的作用。c-岭c在转录水平抑制miR-23a/b表达，在人淋巴瘤细胞P-493B和前列腺癌细胞PC3中，c-Myc抑制miR-23a/b表达，使线粒体谷氨酞胺酶表达显著升高，导致谷氨酞胺异化代谢增强。谷氨酞胺酶将谷氨酞胺转化为L一谷氨酸，后者在线粒体内氧化脱氢生成a-酮戊二酸进人三竣酸循环产生ATP，或直接作为底物用于合成谷胧甘肤。这表明在c-吻C调控通路、细胞能量及氨基酸代谢及细胞增殖过程中，microRNA均起一定的作用。　　MICYORNA发现至今，其对基因表达的调控作用正在一步步深人揭示。在体内物质代谢过程中，microRNA发挥着广泛调控作用，在进行深人机制研究的基础上，利用microRNA调控的特点，针对某些重要作用位点进行下游基因表达干预，在糖尿病、代谢类疾病及肿瘤治疗方面将具有重要价值。