microRNA在骨骼肌发育中的功能及其表达的营养调控

黄志清 陈小玲 余 冰 毛湘冰 陈代文

(四川农业大学动物营养研究所，教育部动物抗病营养重点实验室，雅安 625014)

microRNA(miRNA)是真核生物中一类约22 bp的非编码RNA，近年来发现它是基因表达重要的调节因子。对miRNA功能研究和表达分析在不同物种间已经迅速展开，miRNA成为了当前生物学领域的研究热点。研究证实，miRNA在肌肉发育和肌细胞增殖与分化中发挥了关键性的调控作用[1，2]，这为复杂的肌肉生物学研究注入了新的血液。miRNA的异常表达常见于包括骨骼肌肥大和肌萎缩等肌肉疾病中[3-4]，暗示miRNA在肌肉疾病中也扮演着重要的角色。近年来研究表明，营养也可以调控 miRNA的表达[5-6]，这对营养素作用的分子机制研究提供了新的思路。本文就miRNA在骨骼肌发育中的功能及其营养调控作一综述。

1 miRNA的结构和作用机制

miRNA为一长约22个核苷酸的单链小分子RNA，由一段具有发夹结构长为70～80个核苷酸的前体 RNA(pre-miRNA)经 Dicer酶剪切后生成[7]，它广泛存在于各种生物中。迄今，miRNA数据库(http://www.mirbase.org)收录了各种生物的miRNA共15 172条，其中人1 048条，小鼠672条，大鼠408条，猪211条，牛662条，绵羊4条，鸡499条。各物种新的miRNA还在不断地被克隆和发现。通过比较发现，多数miRNA在不同物种间高度保守。正是miRNA的这种广泛存在和进化上的高度保守，暗示着它在生命活动中发挥着关键的调控作用。据预测，大约1/3的人类基因受miRNA的调控。

miRNA通过与其靶mRNA的3'非翻译区(3'-UTR)互补配对，从而在转录后水平发挥基因表达调控功能[8]。miRNA调控基因表达的方式主要有靶mRNA的降解和靶mRNA在细胞质中的翻译受阻这2种，前者导致靶mRNA数量减少而后者并不改变靶mRNA丰度。动物中绝大多数的miRNA与其靶mRNA形成不完全配对并通过翻译受阻机制发挥作用[9]，但有些miRNA也可以在不完全配对的情况下介导靶mRNA的降解[10]。

2 骨骼肌miRNA在不同动物中的表达谱

miRNA的表达具有组织和发育阶段特异性，不同的组织表达不同的miRNA，不同的发育阶段有不同的miRNA表达。Cardinali等[11]通过比较处于增殖阶段的成肌细胞和被分化成肌管的miRNA表达谱，发现miR-221和 miR-222在禽类和哺乳动物成肌细胞分化过程中显著下调，并证实了miR-221和miR-222通过其靶基因——细胞周期抑制蛋白基因(p27)的表达来调控骨骼肌细胞的分化和成熟。McDaneld等[12]研究了胎猪(妊娠第60、90和105天)、新生仔猪和肥育猪骨骼肌组织以及猪骨骼肌卫星细胞中的miRNA表达丰度，结果表明，miR-206不存在于骨骼肌卫星细胞，但在其他时期表达丰富;miR-1在肥育期表达量最高，而在其他时期呈中等表达水平;miR-133在肥育期中等表达，而在胚胎期和新生仔猪中低表达;miR-432在妊娠第60天时表达水平最高，随后逐渐下降;miR-24和miR-27在骨骼肌卫星细胞和肥育猪中表达量最高，而 miR-368、miR-376和miR-423-5p在新生仔猪中表达量最高。Zhou等[13]研究了妊娠第90天胎猪和120日龄猪背最长肌中miRNA表达谱，结果表明，妊娠第90天的胎猪中 miR-1826、miR-26a、miR-199b和 let-7的表达丰富，而 120日龄猪 中 miR-1a、miR-133a、miR-26a和miR-1826的表达丰富。

3 miRNA对骨骼肌发育的调控

骨骼肌肌生成需要许多事件相互配合，包括细胞退出细胞周期、肌肉特异性蛋白的表达、融合成多核的肌管、装备成有收缩特性的肌纤维。miRNA被证实在骨骼肌发育和调控骨骼肌细胞增殖和分化方面发挥了关键性的作用。miR-1和miR-133是肌肉特异的2种miRNA，虽然它们位于染色体的相邻位置且常同时表达，但在调控成肌细胞增值和分化过程中有着不同的功能。miR-1促进成肌细胞分化，抑制成肌细胞增殖，而miR-133则相反[14]。miR-206是另一个肌肉特异的miRNA，它通过下调DNA聚合酶α水平，导致DNA合成受抑制以及成肌细胞增殖停止，因而促进成肌细胞分化[15]。骨骼肌miRNA的表达常受肌细胞生成素(MyoD)家族和肌细胞增强子因子2(Mef2)等肌肉关键转录因子的调控[16，17]。有研究表明，miR-1和miR-133中含有这些转录因子的结合区域，如 Mef2和 MyoD能与 miR-1和miR-133结合，进而促进这些miRNA在骨骼肌中的特异性表达[18]。

出生后骨骼肌的正常发育和再生修复主要依赖于成体干细胞，即骨骼肌卫星细胞。配对盒基因7(Pax7)在骨骼肌卫星细胞存活、自我更新和增殖中发挥了重要作用。Chen等[19]研究卫星细胞由增殖向分化转变过程中Pax7表达变化时，发现miR-1和miR-206在骨骼肌卫星细胞分化过程中显著上调，通过荧光素酶报告基因分析实验也证实了 Pax7是 miR-1和 miR-206的靶基因[19]。抑制miR-1和miR-206表达增强了骨骼肌卫星细胞的增殖和增加了Pax7蛋白水平，相反，持续表达Pax7降低了miR-1和miR-206的水平并显著抑制了骨骼肌卫星细胞的分化[19]。这些结果揭示，miRNA与其靶基因间的相互作用，允许基因表达程序快速由增殖向分化转变。

除肌肉特异的miRNA外，非肌肉特异表达的miRNA也参与了骨骼肌发育的调控。miR-181在小鼠成肌细胞系C2C12细胞分化过程中显著上调[20]，提示miR-181可能参与成肌细胞分化的调节。进一步研究发现，miR-181通过下调其靶基因——同源异性盒家族(Hox-A11，一种成肌细胞分化阻遏物)基因的表达促进成肌细胞分化[20]。此外，miR-26a也被发现通过下调其靶基因——zeste基因增强子同源物基因(Ezh2)的表达促进成肌细胞分化[21]。miR-27b在分化的胚胎肌节和激活的骨骼肌卫星细胞中均有表达。研究发现，在骨骼肌卫星细胞中，miR-27b通过下调其靶基因——配对盒基因子(Pax3)的表达确保细胞正常进入成肌分化程序[22]。上述研究表明，肌肉特异的和非肌肉特异表达的miRNA在骨骼肌发育中发挥了重要的作用。

4 miRNA与骨骼肌疾病的关系

骨骼肌功能失调引发的主要疾病包括肌肉痿缩、肌肉肥大、炎性肌病和先天性肌病。这些疾病主要通过临床和病理特征定义，但引起这些疾病的分子机制目前还不清楚。研究认为，骨骼肌疾病如肌肉痿缩可能与miRNA的表达异常有关。McCarthy等[23]研究了miRNA在小鼠骨骼肌中的表达情况，同时考察了小鼠后肢悬挂引起的肌肉痿缩能否改变这些miRNA的表达，结果发现，后肢悬挂2和7 d后，肌肉特异的miR-1、miR-133和miR-206的表达水平并未改变，而miR-499的表达水平显著下调，并推测其机制可能是通过miR-499间接调控β-肌动蛋白重链的抑制子(Sox6)表达引起的。另有研究表明，miRNA与骨骼肌肥大存在直接的遗传学联系[24]。体内腹腔注射氯胺酮和甲苯噻嗪引起小鼠骨骼肌肥大，采用实时荧光定量PCR技术检测体内miRNA的表达变化，结果发现骨骼肌特异的miR-1和miR-133a的表达呈现显著下调[25]，表明骨骼肌特异的miRNA可能对骨骼肌肥大也起着调控作用。由此可见，miRNA可作为骨骼肌疾病治疗的潜在靶标。今后研究需进一步鉴定并挖掘参与发病的miRNA以及阐明这些miRNA在骨骼肌发病机制中的作用。

5 miRNA表达的营养调控

近年来研究表明，营养不仅可以调控骨骼肌发育关键基因的表达，还可以调控miRNA的表达[5，6]。肌肉生长抑制素(myostatin)是负调控骨骼肌生长发育关键的细胞因子。Drummond等[5]研究了由8种必需氨基酸混合剂对人骨骼肌中miRNA和myostatin等表达的影响，发现miR-499、miR-208b、miR-23a、miR-1 和 miR-206 的表达量显著增加，而myostatin的表达量显著下降[5]。除必需氨基酸外，也发现不饱和脂肪酸能够调控miRNA的表达[6]。尽管目前关于营养调控miRNA表达的研究鲜有报道，但随着国内外营养学领域研究者对miRNA的关注，miRNA也将成为营养学研究的热点。

6 小结

与新miRNA的频频发现相比，miRNA的功能研究相对缓慢，目前只有一小部分miRNA的生物学功能得到阐明。尽管miRNA被发现参与了骨骼肌发育的调控，但其作用的分子机理目前还不完全清楚。营养被证实可以调控miRNA及其靶基因的表达，这将为更深层次诠释营养素的作用机理提供新的研究方向。

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