哺乳动物冬眠调控机制中MicroRNA的作用

宋士一, 刘春燕, 姜 雯, 王 进, 张 圆

(沈阳师范大学 生命科学学院, 沈阳 110034)

哺乳动物冬眠调控机制中MicroRNA的作用

宋士一, 刘春燕, 姜 雯, 王 进, 张 圆

(沈阳师范大学 生命科学学院, 沈阳 110034)

冬眠是很多哺乳动物在低温、食物缺乏和缺氧等极端环境下选择的应对技巧,表现为体核温度降低,心率、代谢率和呼吸率下降等。在不同冬眠动物的不同组织中,这一过程伴随着生理水平和生化水平的调节变化,此外,微小非编码核酸族(microRNA, miRNA)也起到潜在的调控作用。了解miRNA的代谢过程及主要作用机制有助于理解其作用。miRNA在冬眠动物体内调控糖酵解与糖异生、氨基酸代谢、胰岛素信号通路、脂肪酸代谢和脂代谢稳态等代谢途径中的靶物,从而潜在地调控冬眠时的能量来源从碳水化合物转化为脂肪;miRNA能帮助保护心肌、骨骼肌、肾脏、肝脏和大脑等组织免受低温带来的伤害,保护机体度过恶劣环境并且在冬眠结束之后苏醒。对不同的冬眠物种及其不同器官组织中miRNA的研究有利于加深对冬眠机制的理解。

哺乳动物; 冬眠; MicroRNA; 靶物

0 引 言

为了在低温或缺少食物的极端环境条件中存活下来,一些哺乳动物在冬季会选择冬眠。冬眠是指一些哺乳动物在冬季出现的非活跃状态,此时动物的体温和代谢率降低。冬季过后动物恢复活跃状态,体温和代谢率又恢复到正常水平[1]。与非冬眠期相比,哺乳动物在冬眠时,体核温度很低 (Tb≈4 ℃),代谢速度降低到原来的1/20左右[2],冬眠时还有其他显著的生理变化,包括血流量减少、呼吸频率降低和心率降低等[3]。这些变化与能量消耗相关,也与相关的基因转录和翻译调节有关,即冬眠时动物体内存在蛋白质转录水平及其表达水平的调控[4]。微小RNA (microRNA, miRNA) 是一种内源性的单链非编码小RNA,具有基因转录后水平调控作用[5-6],研究发现,miRNA在冬眠过程中有潜在的调控作用,其在低温、缺食或缺氧等条件下参与调控生理变化和生物化学变化[7]。本文综述了miRNA在冬眠期调控与代谢抑制有关的糖脂代谢途径和保护心肌等组织的研究进展,为进一步研究哺乳动物冬眠期的分子水平机制变化提供理论基础。

1 miRNA的合成及作用机制

miRNA是短链(约21个核苷酸)非编码RNA转录体,其在转录后调控多细胞动物、植物和原生动物的基因表达。Lin-4是在秀丽线虫中发现的第1个miRNA,它可以抑制包括LIN-14在内的靶基因的表达[8]。之后在其他几个物种中发现和描述了几百种miRNA。由RNA聚合酶Ⅱ作用下产生的初期转录物称为pri-miRNA,pri-miRNA拥有一个或者数个发夹结构,一个发卡结构通常包括长30bp的不完整单链RNA片段[9]。pri-miRNA在细胞核中通过与Drosha(核糖核酸酶Ⅲ酶)和迪格奥尔格综合征关键区基因8结合,这个结构被识别和处理后形成前体miRNA(pre-miRNA)[10]。pre-miRNA是约70个核苷酸长度的发夹结构,从细胞核中通过输出蛋白-5到细胞质中[11]。

在细胞质中,pre-miRNA被Dicer酶切开。Dicer酶将发卡的结合部分分开产生一个miRNA和miRNA*副本[12]。2条链中间的一个会与Argonaute(AGO)蛋白家族的成员和其他的蛋白结合,例如与GW182结合,之后形成miRNA-诱导沉默复合体;另一条则会降解掉[12]。miRNA与靶转录本的相互作用会抑制和/或启动mRNA衰变。据估计,miRNA调控超过60%的蛋白质编码基因[13]。另外,miRNA还能通过靶向结合另一个miRNA的初级转录来调控其功能[14]。miRNA的功能与靶物基因的功能有关,通过观察靶物的功能就能理解miRNA的功能,例如脊椎动物的miR-17～ 92族的靶基因参与生长控制[15]。

2 冬眠时生理水平和生化水平受到的适应性调节

小型哺乳动物会采取一种生理和行为上的适应行为来应对威胁生存的极端条件,即在冬季(或者晚秋和早春)会出现昏睡状态, 这一过程伴随着体温和代谢的降低。

关于哺乳动物冬眠的研究越来越关注生物化学机制和分子机制。研究者已经发现在冬眠时存在主要能量消耗过程的抑制现象,其中涉及到相关基因转录的抑制和蛋白翻译的抑制[16]。北极黄鼠(Spermophilusparryii)的基因组学和蛋白质组学表达数据的分析显示基因和蛋白水平的变化不一致,这说明存在转录后机制的参与[17]。

糖酵解、糖异生、脂肪酸代谢和氨基酸代谢等代谢途径中有些基因在长时间低温生存情况下存在过表达的现象[18]。蝙蝠(Myotisricketti) 冬眠时白色脂肪组织(White Adipose Tissue, WAT)中胰岛素受体底物显著上调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减少可以促进糖异生,证明miRNA通过抑制葡萄糖代谢,使脂肪成为主要的能量来源[19]。蛋白可逆磷酸化会影响一些酶的活性从而降低代谢率,这一机制会明显抑制一些参与碳水化合物分解代谢的酶的作用,进而在冬眠过程中使消耗碳水化合物转化为消耗脂质[20]。

关于冬眠的其他翻译后机制也有报道。哺乳动物多纹黄鼠(Ictidomystridecemlineatus)冬眠时大脑组织中的蛋白磷酸化作用是显著增加的,这对于大脑缺血耐受有重要作用[21]。多纹黄鼠冬眠组织中的泛素共轭浓度也增加2～3倍,这在冬眠时会对蛋白质水解率有潜在的降低作用[22]。

3 miRNA在应对低温压力和保护机体中的作用

为了更好地理解miRNA的变化及其和mRNA的相互作用以及后续的翻译抑制,在细胞系和动物模型等典型生物医学系统中进行了关于miRNA合成过程中关键物质及其调控mRNA的研究。北极黄鼠的WAT和褐色脂肪(Brown Adipose Tissue,BAT)及蝙蝠的脑中在冬眠期调控miRNA生成过程中的Dicer酶的含量没有明显变化[23]。

用高通量Illumina平行测序技术、Agilent科技公司微阵列芯片和RT-PCR检测的冬眠期北极黄鼠的肝脏中miR-320、miR-378、miR-451和miR-486的表达不同[24]。通过对它们的潜在作用进行分析,可知它们在冬眠期抑制细胞生长。多纹黄鼠冬眠期WAT中let-7a、let-7b、miR-107、miR-150、miR-222和miR-31表达降低,然而miR-143、miR-200a和miR-519d表达增加;冬眠期BAT中miR-103a、miR-107、miR-125b、miR-21、miR-221和miR-31表达降低,另一种唯一的在此期间高表达的miRNA为miR-138(高出对照组2.91±0.8倍);WAT和BAT中低表达的miRNA与丝裂原活化蛋白激酶的信号调控相联系,而在WAT高表达的miRNA与转化生长因子的信号作用有关,表明WAT与BAT细胞在冬眠期活跃分解以供能,但生长减少[25]。

不同表达的miRNA在代谢降低的动物模型中能够调控脂代谢稳态、胰岛素信号通路和葡萄糖代谢通路中靶转录本的翻译。例如,参与脂肪酸生物合成的几个酶就是miRNA的靶物,包括这个通路中第1步反应的酶:将乙酰-辅酶A转换为丙二酰-辅酶A的乙酰-辅酶A羧化酶(acetyl-CoA carboxylase, ACC)。当miR-144和miR-451在小鼠主动脉血管平滑肌细胞中过表达时,它可以抑制ACC蛋白表达[26]。在关于大鼠的研究中ACC是miR-34的直接靶物[27]。在骨肉瘤中,另一个参与脂肪酸合成的关键蛋白脂肪酸合成酶受miR-195的调控[28]。其他与脂质稳态有关的miRNA包括miR-143,它调控脂肪前体细胞中的增强子结合蛋白α和脂肪酸结合蛋白4的表达。另外,miR-33使肉毒碱棕榈酰转移酶表达沉默[29]。miR-130的靶物是可以影响脂肪存储和人类脂肪组织能量平衡的转录因子过氧化物酶体增殖物激活受体γ[30]。

关于miRNA调节胰岛素分泌和信号的例子也有报道,miR-375具有胰岛特异性,它对胰岛素分泌有影响[31]。在Ⅱ型糖尿病大鼠模型的研究中,高血糖症出现时miR-335高表达,能够抑制参与胰岛素释放的靶mRNA突触融合蛋白结合蛋白[32]。小鼠胰腺β细胞系中,miR-29a、miR-29b和miR-124的靶物单羧酸转运蛋白1可以将单糖转变成丙酮酸,说明其对胰岛素释放有潜在的作用[33]。

在对葡萄糖稳态的研究中,miR-103和miR-107增加肥胖老鼠的葡萄糖摄取[34]。在人肝癌细胞株中,miR-33可以影响葡萄糖代谢的一个重要中介去乙酰化酶6的表达[35]。总之,通过这些研究可以看到miRNA在各种生物模型中,对调节主要代谢通路的重要性,提示miRNA在与寒冷有关的代谢降低过程中对协调类似通路存在潜在影响。

在帮助不同物种动物应对来自低温的压力时,miRNA起到保护心肌、骨骼肌、肾脏和肝脏的重要作用。多纹黄鼠冬眠期与产热期的组织相比,心肌和骨骼肌中miR-24的表达降低,骨骼肌中miR-122a的表达降低,肾脏中miR-1和miR-21明显增加[36]。miR-106b可以调控低氧诱导的转录因子-1α,它在冬眠的多纹黄鼠和蝙蝠的骨骼肌中表达显著降低[37]。北极黄鼠肌肉中富集的miR-486过表达,抑制磷酸酶张力蛋白同源物和Foxo1的表达,从而减少对磷脂酰肌醇-3-激酶通路的抑制作用,表明其在冬眠条件下调节细胞周期的潜在作用[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,其相关的靶物肌肉生长抑制素水平降低,在冬眠蝙蝠体内这些miRNA可以通过调控肌肉特异性蛋白,预防肌萎缩[39]。

冬眠阵中蝙蝠大脑内miR-21、miR-29b、miR-103、miR-107、miR-124a、miR-132、miR-183和miR-501表达增加,生物信息学分析显示这些miRNA主要参与2个过程:黏着斑作用和轴突导向,提示蝙蝠冬眠期大脑功能与miRNA对神经细胞和适应性神经保护作用的调节是有关的[40]。与活跃期相比,冬眠期多纹黄鼠大脑组织中的miR-200和miR-182家族下调,这些miRNA参与不同的泛素类蛋白修饰物及它们与其他蛋白的结合,活性降低,通过上述的ULMs增加蛋白结合,进而使细胞能更耐受氧气/葡萄糖剥夺诱导的细胞死亡[41]。

这些研究都说明低温条件下miRNA有潜在的作用,其表达水平与预测的转录靶物表达之间的关系是相反的。哺乳动物冬眠的情况展示了组蛋白转录后修饰(乙酰化、磷酸化)和组蛋白去乙酰酶抑制剂活性的改变,其潜在的基因沉默机制包括miRNA表达的改变能抑制mRNA的转录后翻译和细胞核和细胞质中核糖体蛋白质的形成,从而在动物再次苏醒前起到保存mRNA转录本的作用[42]。

4 展 望

为了应对各种环境压力如冷暴露,代谢减退的自然模型表现出复杂的生化调控过程。miRNA可以使大量的转录产物沉默的特征使大量研究者趋之若鹜。但是研究的物种和组织部位都值得思考。

黄鼠作为典型的贮脂型冬眠动物,其冬眠显示出典型的季节性,对其的研究对了解人类的肥胖及与之相关的代谢性疾病有益。它在一年里不分季节地进行多日的蛰眠,而蝙蝠家族广泛的异温性分类多样性说明它是研究异温哺乳动物进化史的好模型[43]。这些原因使得对这些冬眠物种的脂肪和大脑等的miRNA研究较多,而其他的例如花栗鼠等贮食型冬眠动物在冬眠期体内组织中miRNA的变化也是值得关注的。

对于冬眠动物来说,WAT、BAT、肝脏、骨骼肌、肾脏和大脑等组织中miRNA都会在异温期和恒温期发生变化,特别是大脑等神经系统的重要性是众所周知的。在研究大脑时似乎应该更细致些,从部位上来看,确定大脑、小脑和中缝核群等部位的miRNA表达是否有差异性;从细胞分类来看,分析神经胶质细胞和神经元的miRNA表达是否有差异性。

总之,未来应该进行不同动物模型体内miRNA综合表达的研究,从而鉴定低温条件下miRNA的调控作用。此外,为了更好地了解低温条件下miRNA的生化和生理功能,还应该确定miRNA的靶物。最后,miRNA作为一个冬眠调控的信号,将会是动物应对极端条件的一个有用的分子家族。

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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。

国家自然科学基金资助项目(31670425)。

宋士一(1965-),男,辽宁沈阳人,沈阳师范大学副教授,博士。

1673-5862(2017)01-0014-05

Q74; Q291

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2017.01.002