microRNA与营养研究进展

满朝来,李 凤,唐高霞,甄 鑫,弭晓菊

(哈尔滨师范大学生命科学与技术学院,黑龙江 哈尔滨 150025)

 

摘 要:microRNA(miRNA)是参与转录后调控的一类非编码小RNA分子,许多营养元素能够影响和调控miRNA的表达活性,进而间接发挥生物学作用。本文简要总结miRNA的表达与功能,同时概述食物来源miRNA的生物学意义,以及营养元素对机体内源miRNA表达活性的影响,最后对营养元素影响miRNA表达活性的可能应用前景也进行简单探讨,以期为miRNA在营养学理论和实践中的深入研究和应用提供参考。

关键词:microRNA;营养;表达;肿瘤

 

microRNAs and Nutrition

 

MAN Chao-lai, LI Feng, TANG Gao-xia, ZHEN Xin, MI Xiao-ju

(College of Life Science and Technology, Harbin Normal University, Harbin 150025, China)

 

Abstract: microRNAs (miRNAs) are a family of important small non-coding RNA molecules, which participate in post-transcriptional control of gene expression. A number of nutrient elements can play biological roles by affecting and regulating the expression and activities of miRNAs. In this review, we briefly summarize the sources and functions of miRNAs. Also, we analyze the biological significances of food-derived miRNAs, and the influences of nutrient elements on endogenous miRNAs expression. Additionally, the possible applications of miRNAs expression affected by nutrient elements are also discussed. We hope that this paper can provide references for further study and applications of miRNAs in the field of nutritional science.

Key words: microRNAs; nutrition; expression; tumor

中图分类号:TS201.4 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2014)21-0322-04

doi:10.7506/spkx1002-6630-201421061

基因组含有两类遗传信息,一类是以DNA序列本身为遗传信息,指导合成生命所需的蛋白质;另一类是表观遗传学信息,即DNA序列未发生变化,而表型发生了改变,并且这种改变在胚胎发育和细胞增殖过程中能够稳定遗传。脊椎动物后天发育中的表观遗传分子修饰机制主要包括:1)DNA甲基化的修饰,即在不同的生理病理条件下,使相同的等位基因处于不同的修饰状态;2)组蛋白的修饰,即组蛋白的乙酰化、去乙酰化、磷酸化、甲基化等修饰;3)非编码RNA(包括snRNA、snoRNA和microRNA等)的调控,其中以microRNA(miRNA)尤其引人注目,miRNA可对靶基因转录后mRNA水平的翻译和稳定性进行调控;4)印记基因。这几种机制之间相互关联和影响,在机体生理和代谢中发挥着重要的调控作用。

目前,关于miRNA的调控研究已经成为近年来表观遗传学机制研究的热点之一。miRNA以其多样性、复杂性、功能广泛性和应用价值多样性等特点,成为了研究表观遗传学在农业和医学中应用的焦点。本文简要综述营养元素对动物miRNA表达调控的影响和关系,以期为营养元素作用机制的深入研究提供参考。

1 miRNA的表达与功能

miRNA是一类长度约17~25 个核苷酸,在进化上高度保守的内源性非编码RNA,广泛存在于真核生物细胞内,miRNA通过调控各类基因的表达活性,在生物的多种生命活动中发挥着重要调控作用。miRNA的生物合成及作用机制在动植物中略有差异,动物体内miRNA常以基因簇形式存在于基因组中,并且来自同一基因簇的miRNA常常具有较高的同源性;而植物miRNA只有极少数以基因簇形式存在,多数是由单一miRNA基因序列转录而来[1]。

动物miRNA基因首先在细胞核内RNA聚合酶Ⅱ的作用下转录成长链的初级转录物pri-miRNA,然后RNaseⅢ家族成员Drosha将pri-miRNA加工成为70~100nt的具有茎环结构的pre-miRNA,pre-miRNA在核转运蛋白Exportin-5的协助下运送出核,在细胞质内经另一个RNaseⅢ家族成员Dicer的作用被加工成长度为17~25 个核苷酸的双链miRNA,最后双链miRNA中的一条链结合到RISC(RNA-induced silencing complex),成为成熟的单链miRNA,而另一条链则被降解[2-5];而在植物中,转录与加工过程是偶联的,都在细胞核中进行,不存在前体miRNA从细胞核运送至细胞质的过程[6]。

miRNA在转录后水平上调节基因的表达,可以和靶mRNA序列通过碱基互补结合,抑制mRNA的翻译或使其降解。miRNA具有极高的进化保守性、表达时序性、组织特异性及分子稳定性等特点。miRNA在细胞增生分化与凋亡、免疫调节、肿瘤发生、胚胎发育和生物标记物等领域发挥着广泛的生物学作用,所以了解影响miRNA表达的营养因素,对于深入理解miRNA的调控机制和疾病的发生与防治,具有重要的理论和实践意义。

2 食物来源miRNA的意义

食物来源的miRNA可以进入动物体内,这使人们感动很是惊讶。Kosaka[7]、Weber[8] 和Zhou Qi[9]等分别在人的乳汁中发现miRNA的存在,虽然miRNA在多种体液(如血液、脑脊液、尿液、精液、唾液、羊水、胸腹水、乳汁和阴道分泌物等)中被发现,但一些miRNA是乳汁特有的,而且许多免疫相关的miRNA在乳汁中具有高度稳定性,暗示乳汁中miRNA可能通过哺乳传递给婴儿,进而在婴儿生长发育和免疫过程中发挥调控功能。令人兴奋的是,Zhang Lin等[10]研究发现饮食来源的miRNA不但可以进入动物血流和组织,并且能够参与调控动物靶基因的表达。他们发现植物来源的miR-168a进入机体后,能够靶向结合人或小鼠的低密度脂蛋白受体接头蛋白1(low-density lipoprotein receptor adapter protein 1,LDLRAP1)的mRNA,进而抑制肝脏中LDLRAP1的表达,降低血浆中的低密度脂蛋白。但是,Snow等[11]通过对人、小鼠和蜜蜂等分别喂服富含miRNA的水果、富含miR-21的动物脂肪和花粉后,均未发现明显的食物来源miRNA传递到体内的现象,所以他们认为通过饮食方式的miRNA水平传递是有限的。另Witwer等[12]利用富含miRNA的植物食物饲喂豚尾猴,然后检测饲喂前后的血液循环中miRNA的变化,结果虽然在血液中观察到了一些植物miRNA,但鉴定结果是多变的和非特异的,也未发现与饮食miRNA摄入量相匹配的结果。总之,已确定食物来源的miRNA可以传递到动物机体的循环系统,至于这些食物来源的miRNA在动物机体内的生物学作用和意义有多显著,还需要更多的后续研究。

3 营养元素对动物机体内源miRNA表达的影响

近年来,越来越多的研究证明营养元素可以调控动物机体内源miRNA的转录水平,而且能够调控miRNA转录活性的营养物质也不断被发现,包括氨基酸、葡萄糖、脂肪酸、植物素、维生素和矿物质等,有关这方面研究的文献较多,本文试举几例进行简单说明。

首先,氨基酸在动物机体的生长代谢和发育中起着基本的生物学作用,研究发现氨基酸能够对miRNA表达起调控作用。Drummond等[13]研究了8 种混合的必需氨基酸对人骨骼肌miRNA表达的影响,结果表明,这些必需氨基酸能够显著上调miR-499、miR-208b、miR-23a、miR-1和miR-206的表达量(P<0.05),进一步分析发现这些miRNA可能在调控肌肉发育相关基因表达和促进肌肉蛋白合成等方面具有重要功能。另外Chen Xiaoling等[14]研究也发现亮氨酸能够上调miR-27a的表达,有促进小鼠成肌细胞C2C12增生的作用。

其次,葡萄糖也是影响miRNA活性表达的营养元素,Druz等[15]发现葡萄糖缺乏能够诱导小鼠足状细胞(podocyte cell)miR-466h-5p表达水平的上调;Dey等[16]发现高血糖能够诱导小鼠肾细胞miR-21表达上调;
Long Jianyin等[17]也发现高糖条件会诱导小鼠肾细胞高表达miR-29c,进而参与诱导细胞凋亡,这些研究发现可能对肾性糖尿病的防治具有一定意义。

再次,脂肪酸在miRNA的表达调控中也发挥着重要作用,Davidson等[18]利用含玉米油或鱼油的食物饲喂Sprague-Dawley大鼠,同时注射氧化偶氮甲烷(azoxymethane,AOM),结果发现与对照组(注射盐类)相比,在肿瘤发展的早期阶段,食物和致癌物的相互作用能够显著影响let-7d、miR-15b、miR-107、miR-191
和miR-324-5p的表达,但饲喂鱼油的实验组miRNA的表达差异整体变化表现为最小,表明鱼油在保护结肠免受致癌物诱导的miRNA表达紊乱中具有调控功能。后续的研究进一步发现,饮食和致癌物的暴露也能够调控着许多与肿瘤信号途径相关miRNA(如miR-16、miR-19b、miR-21、miR26b、miR27b、miR-93和miR-203)的表达活性[19]。在大肠中,膳食纤维的微生物厌氧发酵所产生的短链脂肪酸(short chain fatty acid,SCFA)对肠道miRNA的调控也受到了人们的关注,Hu Shien等[20]研究发现SCFA的丁酸盐能够改变HCT-116结肠癌细胞44 种miRNA的表达,推测微生物来源的SCFA可能通过调控宿主基因和miRNA的表达,进而参与调控肠道稳态和肿瘤发生。此外,Parra等[21]也发现共轭亚油酸(conjugated linoleic acids,CLA)能够影响脂肪细胞miRNA的表达,这对调控脂肪细胞生长和代谢可能具有意义。

另外,植物化学物(phytochemicals)种类繁多,是影响动物机体miRNA表达的一类重要物质。多酚是人类饮食中最多的抗氧化物质,广泛存在于水果和饮料(如茶叶、咖啡和酒类)中,研究表明多酚能够影响机体miRNA的表达。例如,绿茶多酚中的表没食子儿茶酚没食子酸酯(epigallocatechin gallate,EGCG)被认为具有抗癌效应,Tsang等[22]利用EGCG处理人肝癌细胞HepG2,发现能够分别上调13 种和下调48 种miRNA,miR-16是其中被上调的miRNA之一,而miR-16的靶标是抗凋亡基因Bcl-2,所以EGCG具有诱导细胞凋亡的生物学效应。前列腺癌是一种受生活方式(特别是饮食)显著影响的疾病,许多种多酚类物质具有影响前列腺肿瘤的DNA甲基化、组蛋白转录后修饰和miRNA的表达方式等功能,所以富含多酚的饮食可能在前列腺癌的防治中具有重要的意义[23-25]。此外,异硫氰酸丙烯酯(allyl isothiocyanate)、辣椒素(capsaicin)、2-氰基-3,11-二氧代-18β-齐墩果烷-1,12-二烯-30-羧酸甲酯(CDODA-Me)和2-氰基-3,12-二氧代齐墩果-1,9(11)-二烯-28-酸甲酯(CDDO-Me)、姜黄素(curcumin)、并没食子鞣质(ellagitannin)、染料木黄铜(genistein)、吲哚-3-甲醇(I3C)、植物凝集素(lectin)、尼古丁(nicotine)、槲皮素(quercetin)和白藜芦醇(resveratrol)等也被发现具有调控miRNA表达的能力[26],这里不再赘述。

此外,维生素对miRNA的表达调控也不容忽视。Tang Xuelian等[27]利用罗非鱼(Oreochromis niloticus)研究发现,VE能够影响肝脏多种miRNA的表达活性,并且VE的分子作用机制部分可能是通过miRNA途径而实现的。另外,Gaedicke等[28]利用缺乏和足量VE的食物饲喂小鼠,发现缺乏VE的实验小鼠肝脏中miR-122a和miR-125b含量降低。饮食中的叶酸也具有调控miRNA表达的功能,Marsit等[29]利用不同的叶酸条件处理人淋巴细胞,发现叶酸缺乏会诱导miRNA表达水平的整体上调,其中,miR-22
在叶酸缺乏条件下会显著的过表达。Kutay等[30]利用缺乏叶酸、蛋氨酸和胆碱的食物诱导小鼠肝癌模型,与对照组比较发现,实验组小鼠肝脏中let-7a、miR-21、miR-23、
miR-130、miR-190和miR-17-92表达上调,肝脏特异性高表达的miR-122却下调,而肝脏miR-122表达下调是肝脏肿瘤发生的特异性过程,这表明miR-122不但能够作为肝癌的生物标记物,也为肝癌的饮食防治提供了靶向参考。视黄酸(retinoic acid,RA)是VA的一个活性代谢产物,Garzon等[31]利用RA处理人急性白血病细胞(human acute promyelocytic leukemia)后,结果发现有多种 miRNA(miR-15a、miR-15b、miR-16-1、let-7a-3、let-7c、let-7d、miR-223、miR-342和miR-107)表达上调,而miR-181b表达下调。Wang Xuening等[32]发现VD的活性代谢产物1, 25-dihydroxyvitamin D(3)也能够诱导白血病细胞HL60和U937的miR-181a和miR-181b的表达下调,参与细胞的分化。此外,还发现VH和辅酶Q也具有调控miRNA表达的能力[26]。

最后,矿物质也是影响miRNA表达活性一个重要因素。Maciel-Dominguez等[33]将Caco-2人结肠癌细胞在缺硒和富硒的培养基中培养72 h,然后利用微阵列技术检测miRNA的表达变化,结果发现在表达的145 种miRNA中,有12 种miRNA(miR-625、miR-492、miR-373*、miR-22、miR-532-5p、miR-106b、miR-30b、miR-185、miR-203、miR1308、miR-28-5p和miR-10b)在缺硒的环境中表达改变,并且能够影响50 种基因(其中包括GPX1、SELW、GPX3、SEPN1、SELK、SEPSH2和GPX4等)的表达活性改变。铁对许多细胞功能,包括DNA合成、ATP生成和细胞增生等都是基本的营养元素,并且铁的稳态是被高度调控的。Li Yujing等[34]研究发现细胞中的铁能够通过多聚胞嘧啶结合蛋白2(poly(C)-binding protein 2,PCBP2)来调控miRNA的活性,PCBP2与Dicer酶相关联,进而调控pre-miRNA的生成,所以铁在miRNA的生成中发挥调控作用。

值得一提的是,食物缺乏或饥饿也可以影响发育相关miRNA的表达。Gat-Yablonski[35]和Pando[36]等研究发现食物缺乏或饥饿也会减少多种miRNA的表达水平,其中包括下调软骨细胞特异的miR-140,这将导致其下游靶标Sirtuin 1(一种Ⅲ类组蛋白脱乙酰酶)的表达上调,进而影响骨骼的生长发育。

4 结 语

目前,众多文献报道均确凿地证明营养元素对动物机体miRNA表达活性具有调控作用,但大多报道仍处于研究miRNA发生活性变化的数量、种类、组织分布和功能预测等层面,加之miRNA的数量众多,以及miRNA下游靶标的多样性,无形中增加了功能研究的复杂性。此外,很多研究是采用营养元素直接处理和作用细胞,直接观察分析细胞水平的miRNA表达变化,但是这些营养元素在人或动物日常饮食中到达靶组织的含量可能会很低,所以通过饮食摄取的方式改变内源miRNA表达变化的能力可能会较小,加之食物来源的多样化也会诱导miRNA表达变化的复杂化,不同miRNA功能各异,并可能相互影响,所以营养元素介导体内miRNA表达活性改变的生物学功能还有待于深入研究。

总之,miRNA的表达与营养物质间确实存在着密切的调控关系。将miRNA的表达水平作为营养指标的生物标记物,或利用营养元素诱导特异性miRNA表达用于疾病防治,这些研究方向都可能具有潜在的巨大开发和利用价值。相信随着研究的深入,越来越多的营养物质与特定功能miRNA的表达关系被逐渐理清,人们利用miRNA来监测机体营养状况,或应用营养元素用来防治相关疾病的道路将不再遥远。

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收稿日期:2013-12-10

基金项目:黑龙江省教育厅科研项目(12511140)

作者简介:满朝来(1976—),男,副教授,博士,研究方向为分子生物学。E-mail:manchaolai@126.com