miRNA调控畜禽剩余采食量的研究进展

白皓, 杨宝龙, 董钊绮, 李潇凡, 江勇, 常国斌,, 陈国宏,*

(1.扬州大学农业科技发展研究院， 教育部农业与农产品安全国际合作联合实验室， 江苏 扬州 225009；2.扬州大学动物科学与技术学院， 江苏 扬州 225009)

在畜禽生产中，饲料成本占整个养殖成本的70%以上[1]，有效降低畜禽的采食量，提高饲料利用率,可以大大降低养殖成本。近年来，随着人们消费水平的提高以及对产品质量的追求，优质型畜禽产品市场需求越来越大，但优质畜禽生长速度慢、饲料利用率低，严重阻碍了产业发展。因此，针对饲料利用率性状的选育成为育种学家关注的焦点。生产中通常采用饲料转化率(feed conversion rate, FCR)来衡量饲料利用率。然而，FCR作为一个比值并不能很好地区分出用于生长需要和维持需要的采食量，并且与平均日增重(average daily gain, ADG)、出栏体重等重要经济性状呈遗传负相关。因此，在提高畜禽饲料利用率上，FCR不适合优质畜禽的选育。剩余采食量(residual feed intake, RFI)被认为是更适合于衡量畜禽饲料利用率的重要指标[2]。RFI属于中等或中上遗传力，大约在0.2～0.5之间，有很好的选择反应，有利于进行遗传选育，提高饲料利用率。目前，在牛、猪、鸡等畜禽中已采用RFI对饲料利用率进行选育，遗传进展明显。

microRNA(miRNA)是调控基因表达的重要内源性非编码小分子RNA。miRNA调控60%的蛋白编码基因的翻译过程，参与机体的细胞增殖、分化、凋亡、能量代谢和信号转导等过程[3]。已有研究表明，miRNA参与调控动物机体的采食及能量代谢。如miR-499和miR-15a可分别通过其靶基因TCF12和FOXO1介导AMPK-PGC-1α、TGF-β以及PI3K-AKT-mTOR等信号通路调控动物采食，增强机体吸收利用[4-5]。目前，关于miRNA通过靶基因调控畜禽饲料利用率的研究，特别是针对RFI性状的研究较少。本文综述了近年来畜禽RFI的研究现状，特别是miRNA在畜禽RFI中的研究进展，有助于揭示畜禽RFI性状的分子调控机理，为畜禽饲料利用率的改良与高效生产提供新思路，为优质畜禽的分子选育工作提供理论依据。

1 畜禽采食行为调控机制

畜禽采食行为的研究主要集中在从生物学角度解析采食调控机制，为采食调节和肥胖等健康问题的研究提供理论基础。下丘脑作为控制采食的核心中枢，包括弓状核(arcuate nucleus，ARC)、旁室核(paraventricular nucleus，PVN)、腹内侧核(ventromedial nucleus，VMN)、背内侧核(dorsomedial nucleus，DMN)和下丘脑外侧区(lateral hypothalamic area，LHA)5个主要核团，通过相互作用形成厌食和饱食信号来调控采食[6]，维持能量代谢平衡。下丘脑中枢神经系统主要含有两种神经元亚群：促进采食的神经肽Y/刺鼠相关蛋白(NPY/AgRP)神经元和抑制采食的阿黑皮素原/可卡因-安菲他明调节转录肽(POMC/CART)神经元。下丘脑神经元能够影响多种采食调节因子的表达或与其相应受体的结合，对胰岛素(insulin)、瘦素(leptin)、胃饥饿素(ghrelin)和胆囊收缩素(cholecystokinin)等激素做出相应调整，从而实现对采食和饲料利用率的调控。如酪酪肽(peptide tyrosine tyrosine, PYY)受其靶向结合miR-652的抑制作用，其3’-UTR的T146C突变导致靶向结合位点发生改变，最终抑制采食[7]。调节畜禽采食和能量代谢，并使其达到能量平衡、体重稳定状态是一个复杂的过程，目前尚未完全清晰。畜禽采食行为不是由单一信号传导所决定的，而是通过多种神经递质、激素和调控因子相互作用共同影响的。调控采食的各种信号传递到下丘脑，下丘脑产生的神经肽通过核团之间传递信号，在下丘脑神经细胞内得到整合及加工，引起与采食相关的中枢兴奋，最终实现对采食的调控。大量研究表明，下丘脑中的单磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)[8]和雷帕霉素靶蛋白(mTOR)[9]通过AMPK-ACC-CPT1、PI3K-AKT-mTOR等代谢途径和信号通路在调控采食和能量平衡过程中发挥着关键作用，涉及IGF-I、LEPR、FABP、TGF-β、FOXO1、GHSR、MCR等关键调控基因。采食行为调控机制的研究已经成为畜禽产业关注的热点，探明畜禽采食规律和作用机制对促进畜禽生长、提高饲料利用率、培育优质畜禽品种和提高经济效益具有重要意义。如何在现有研究的基础上确定关键调控因子，理清相关信号通路和采食调控网络是研究的难点，也是有效调控畜禽采食行为的前提和保障。

2 RFI及其研究现状

Koch等[2]于1963年首次提出剩余采食量(RFI)的概念，其本质是基于维持需要和满足生长性能需要的预期采食量和实际采食量之间的差异，也称为净采食效率。当个体RFI=0时，表示实际采食量与预期釆食量一致，当RFI为正值或负值时，则分别表示实际采食量多于或少于预期采食量。RFI是反映饲料利用率的可遗传性状，独立于生产性能、体型大小等性状，充分考虑了畜禽的平均日增重并且校正了个体的代谢体重。2007年8月，联合国粮食及农业组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO)动物遗传资源委员会专家团推荐各国采用RFI作为饲料利用率的选育指标。因此，RFI被认为是一种更适合于衡量畜禽饲料利用率的重要指标。研究表明，采食量有35%的差异可以通过RFI进行评估[10]。Herd和Arthur[11]阐述了RFI的生理基础，主要有6个生理过程：蛋白转运及组织代谢和应激(37%)、消化(10%)、活动(10%)、产热发酵(9%)、身体组成(5%)、饲养方式(2%)以及其他因素(27%)。

2.1 遗传变异对RFI性状的影响

近年来，RFI在牛、猪、鸡等畜禽上已取得了一定的进展，但其分子机制复杂多样。Sherman等[12]研究发现，有6个SNPs对牛的RFI有显著作用。Hou等[13]发现443个CNV区域与牛RFI性状相关。全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)发现，牛的6号和21号染色体上存在与RFI性状相关的QTL区域[14-15]。Fan等[16]利用SNP芯片分析发现，FTO基因和TCF7L2基因与猪RFI性状显著关联。Riquet等[17]利用SNP芯片分析发现，在猪的16号染色体上存在1个与RFI性状相关的QTL区域。Bai等[18]针对军牧1号白猪进行GWAS研究，发现12个与猪RFI性状显著关联的位点。Xu等[19]研究优质黄羽肉鸡RFI发现，位于12号染色体的显著关联区域与能量利用相关。Liu等[20]利用全基因组重测序的方法鉴定到3 746个与北京油鸡RFI性状相关的SNPs；同时鉴定到575个与科宝肉鸡RFI性状相关的SNPs。

2.2 基因表达对RFI性状的影响

与牛RFI性状相关的基因主要涉及能量代谢、转录调节、细胞周期和细胞凋亡等生物过程[21]。Weber等[22]研究发现，高低RFI安格斯牛存在633个差异表达基因。Kong等[23]研究发现，在低RFI牛上存在85个上调和37个下调基因。Byerly等[24]最早在家禽中研究RFI，对RFI性状进行选育可以有效提高鸡的饲料利用率。Sintubin等[25]研究发现，不同RFI鸡群之间，SOCS3、GHRP等基因表达差异显著。Yi等[26]利用RNA-seq技术鉴定到41个与蛋鸡RFI性状相关的基因。Liu等[27]利用RNA-seq技术鉴定到599个与肉鸡RFI性状相关的基因，主要与采食、代谢、消化功能和免疫相关。Zeng等[28]通过比较高低RFI的蛋鸭发现PLCD4、FCN2和FABP1等35个差异表达基因。金四华等[29]针对肉鸭RFI可能的候选基因PRKAA1、PRKAA2、APOA4、PRKAG2和CCKAR等开展了相关功能研究。

上述畜禽RFI性状的研究主要集中在结构变异和基因表达方面，而分子调控和表观修饰方面对畜禽RFI性状也具有重要的作用。已有研究表明，miRNA与动物机体的采食及能量代谢密切相关，参与调控牛、猪、鸡等畜禽的RFI。

3 miRNA调控畜禽RFI性状

miRNA是一类通过转录后抑制基因表达的内源性非编码单链RNAs，长度约为22 nt，是基因表达的重要调控因子。miRNA最早是在研究秀丽隐杆线虫的发育时被发现的[30]。miRNA主要通过与靶基因mRNA 3’-UTR不完全互补配对，在转录后水平抑制靶基因的作用。在互补配对过程中，miRNA 5’-UTR的2～8碱基对非常关键，被称为种子序列，这几个碱基突变对miRNA生物学功能影响很大。miRNA调控60%的蛋白编码基因的翻译过程，参与机体的细胞增殖、分化、凋亡、能量代谢和信号转导等过程[3]。因此，miRNA可通过对靶基因进行调控进而影响畜禽RFI性状发生变化。近几年，miRNA的研究已成为热点，截至目前，Pubmed数据库已经有超过十万篇关于miRNA的文章发表。

3.1 miRNA对牛RFI性状的影响

在肉牛研究方面，Al-Husseini等[31]通过对高低RFI的安格斯牛进行高通量测序，获得全面的miRNA表达谱，并鉴定了与肉牛饲料利用率相关的miRNA。鉴定到的305个miRNA中， miR-30、miR-122、miR-143、miR-378和let-7是肝脏中表达最多的，占表达量的63%以上。通过比较高低RFI牛之间的差异表达miRNA，发现miR-143在肝脏中表达最丰富，占总表达量的20%，同时还确定了10个新的牛特异性表达的miRNA。De Oliveira等[32]开展了差异miRNA表达和加权基因共表达网络分析(WGCNA)，研究miRNA与牛骨骼肌和肝脏中表达的mRNA之间的相互作用。结果显示，共鉴定到310个牛的miRNA，其中miR-7、miR-15a、miR-21、miR-29、miR-30b、miR-106b、miR-199a-3p、miR-204、miR-296和miR-486可能与RFI性状变异相关。同时，针对差异表达miRNA的靶基因和miRNA-mRNA相关模块进行功能富集分析发现，与RFI性状相关的通路涉及胰岛素、脂质、免疫系统、氧化应激和肌肉发育等信号通路。Carvalho等[33]研究表明，低RFI牛中miR-665表达较高，而高RFI的骨骼肌中miR-34a和miR-2899表达较高，同时这些miRNA相应调节蛋白在高低RFI的骨骼肌中差异显著，因此这3个miRNA可能与牛RFI变异相关。这些发现提示了miRNA对RFI性状调控的可能，为肉牛饲料利用率的分子调控机理研究提供了重要的理论依据。

3.2 miRNA对猪RFI性状的影响

在猪研究方面，Jing等[4]通过分析不同RFI的猪骨骼肌的转录组，鉴定到99个高低RFI的差异表达基因，其中下调基因主要参与调节线粒体能量代谢，而上调基因主要参与骨骼肌的增殖和分化。同时鉴定到15个差异表达的miRNA可能与猪RFI性状相关，包括miR-1、miR-10b、miR-29c、miR-30e-5p、miR-99b、miR-101、miR-136、miR-145、miR-191、miR-199a、miR-208b、miR-215、miR-365-5p、miR-486和miR-1271，涉及AMPK-PGC-1α、IGF-1/2、TGF-β等能量代谢相关的信号通路。该研究表明，通过降低肌肉中的能量代谢，特别是线粒体代谢，可促进骨骼肌的生长，提高猪的饲料利用率。廖明星[34]通过对大白猪群体高低RFI不同个体做RNA-seq和miRNA-seq，分别得到了一些差异表达的mRNA与miRNA。鉴定并初步验证了miRNA-29c可能为猪RFI性状的重要候选miRNA，并且推断此miRNA可通过靶向调控ARRDC3、CYCS以及ZFP36L1等基因来调控RFI。这些研究为猪饲料利用率的分子调控机理研究和优质地方猪种的分子选育工作提供了新的思路。

3.3 miRNA对家禽RFI性状的影响

在家禽研究方面，Luo等[35]通过RNA-seq测序技术鉴定到miR-1596与肉鸡RFI性状显著关联。后续功能验证研究表明，miRNA-1596上游95 bp处A→T的突变与RFI显著相关，其中AA基因型的肉鸡RFI更低，而miR-1596-3p表达水平更高，其遗传变异可能是通过改变成熟的microRNA(miR-1596-3p)在鸡肝脏中的表达水平来促进RFI的变化。Yuan等[5]针对808只洛岛红母鸡进行GWAS研究，鉴定到3个高度连锁的SNP位点与饲料利用率显著相关，位于miR-15a上游13.55～45.16 kb区间内。qRT-PCR的结果显示,miR-15a在髙饲料转化率组个体肝脏中的表达量显著高于中等和低饲料转化率组个体。miR-15a的其中一个靶基因FOXO1参与到AMPK信号通路中，从而影响食欲和采食行为。另外，Khatri等[36]通过比较白羽肉鸡(高饲料转化率且生长速度快)和横斑芦花鸡(低饲料转化率且生长速度慢)发现了一些关键miRNA与RFI相关，如miR-10a-5p、miR-125b-5p、miR-126-3p、miR-146b-5p、miR-146c-5p、miR-221-5p、miR-2131-5p和let-7b等在高饲料转化率的白羽肉鸡胸肌中上调，而miR-206在胸肌中下调。差异miRNA靶基因的功能网络分析表明，它们参与了钙信号传导、轴突指导信号传导和NRF2介导的氧化应激反应等信号通路，调控了胸肌的生长发育。这些研究也为家禽饲料利用率的改良提供了理论依据、新角度和新思路，为小体型优质家禽品种的分子选育工作提供了理论基础。

综上所述，miR-15a、miR-30、miR-199a、miR-486、let-7等在不同畜禽中都鉴定到的miRNA可能是参与畜禽饲料利用率调控的关键miRNA(表1)。目前，关于miRNA通过靶基因调控畜禽饲料利用率的研究仍处于起步阶段，miRNA参与RFI的分子调控网络十分复杂，各个miRNA对于RFI变异的贡献程度还需要进行更深入的研究。

表1 与畜禽RFI相关的miRNAsTable 1 miRNAs related to RFI of livestock and poultry

4 结语

RFI作为畜禽饲料利用效率性状，是一个非常复杂的数量性状，受多种生理因素影响。因此，深入挖掘畜禽RFI的生物学基础有助于进一步提高畜禽的饲料利用率，为未来饲料利用率及多性状育种方案制定提供可靠参考信息。RFI属于中等或中上遗传力，通过分子标记辅助育种可以更容易地获得RFI理想的畜禽群体，提高饲料利用率，降低养殖成本，增加经济效益。本文总结了近年来miRNA在牛、猪、家禽等畜禽RFI中的研究进展，目前主要研究方法是通过对高低RFI畜禽不同组织或器官的miRNA表达量差异分析，鉴定出与RFI性状相关的关键miRNA及其靶基因。从近5年的研究结果来看，有大量的SNP、基因和通路等通过参与能量代谢来调控RFI性状。可以明确的是，miRNA可以通过作用于靶基因参与调控畜禽的采食及能量代谢，然而miRNA介导的RFI分子调控机理目前尚不清楚。因此，需要对RFI性状进一步深入研究，找到关键miRNA及其作用的靶基因以及与性状变异相关的关键靶组织或器官，从分子、细胞和活体等多层次水平深入解析关键miRNA参与调控畜禽RFI的分子机理，不仅有助于揭示该性状的遗传本质，还有助于培育出饲料利用率高的畜禽品种，促进我国畜牧业的优质高效发展。