母 童 虎红红 冯小芳 顾亚玲 张 娟
(宁夏大学 农学院,银川 750105)
乳腺作为提供犊牛生长所需营养物质和抗体的外分泌腺体,在家畜体成熟后仍然不断进行增殖和分化[1]。乳腺组织内部汇集大量具有泌乳功能的腺泡,乳腺上皮细胞(Mammary epithelial cell, MEC)以单层而紧密的方式排列在腺泡周围,乳汁正是在MEC内由血液中的各类营养物质经过一系列复杂生化过程而形成[2]。反刍家畜乳汁中含有多种生物活性脂肪酸,如饱和脂肪酸和共轭亚油酸等。一直以来乳脂不仅是影响乳汁风味和营养价值的主要因素,也是奶牛育种的主要目标性状[3],在一定程度上对人体生长发育过程中的营养代谢具有重要作用[4]。研究表明,不同的消费群体对乳脂的含量和比例要求各异。小孩在成长过程中对奶中的乳蛋白和乳脂肪要求偏高;相反,老年人和患有糖尿病、肥胖症以及心脑血管疾病的人更有可能选择低脂奶制品或脱脂奶制品[5]。因此,乳脂合成和脂肪酸组成调控的研究仍然是一个活跃的研究领域。乳脂代谢的整个过程不仅受多基因调控,还有一系列效应较大的调控因子参与[6]。近年来越来越多的研究表明,占总RNA 98%的非编码RNA(Non-coding RNA, ncRNA)在乳脂代谢过程中同样具有非常重要的调控作用[7-8]。目前在反刍家畜乳脂代谢过程中已经发现并鉴定的microRNA有很多,而lncRNA和circRNA在这方面的研究还处于起步阶段[9]。本文综述了反刍家畜乳脂代谢相关的microRNA、lncRNA和circRNA,旨为反刍家畜乳脂调控机制研究提供有价值的理论参考,对改良奶牛生产性能,生产功能性乳制品具有重要意义。
microRNA是由较长的初级转录物(pri-microRNA)剪切形成的一类大多数具有高度序列保守性、表达时序性和组织特异性且长度约为22个核苷酸的内源性非编码小RNA分子[10]。在哺乳动物中microRNA控制大约60%蛋白编码基因的活性,基本所有的microRNA均在转录后水平调控靶向mRNA的表达[11]。在动物和细胞培养系统中,microRNA可以通过其5’端2~8个核苷酸或完全与目标基因mRNA的3’-UTR互补配对,从而导致mRNA降解或翻译抑制[12]。
lncRNA是一种长度超过200个核苷酸且含有5’-帽子和多腺苷酸的长链非编码RNA[13],其对基因的作用模式较microRNA复杂。目前研究较为成熟的调控方式为转录干扰,当某个lncRNA被转录时会干扰另一个正义或反义基因的起始转录、延伸或终止[14]。lncRNA也会特异性的与某些转录因子或microRNA配对,从而阻止其与目标基因的结合,充当类似mRNA的诱饵[15]。相反,一些lncRNA在转录过程中会对转录因子起正向促进作用,增强其活性[16];一部分lncRNA与其对应的转录因子结合后直接进入细胞质中调控转录过程[17]。少数lncRNA在基因表达过程中的功能同增强子类似,但其激活基因功能的具体机制尚未阐明[18]。
circRNA最早是由Sanger等[19]在植物类病毒中发现的一种由线性RNA的反向剪接反应产生的非编码转录本[20]。与传统的线性RNA(包含5’和3’端)相比,circRNA闭合的环状结构更稳定且对RNA外切酶不敏感[21]。circRNA含有丰富microRNA结合位点,在细胞中充当microRNA的“海绵”,基因表达过程中通过吸附microRNA从而阻止其对目的基因的抑制作用[22]。此外,一部分circRNA是在细胞核内由内含子环化而来,它们通过作用于RNA聚合酶Π来加强目的基因在细胞质中的表达[23]。一些含有开放阅读框的内源性circRNA可能会表达为相应的蛋白[24]。circRNA在形成前期与mRNA还存在竞争性剪接关系,线性剪切效率的提高会显著减少circRNA的合成数量[25]。
乳脂是影响鲜奶质量的关键因素,几乎99%的乳脂以脂滴的形式存在,其中甘油三酯(TAG)约占脂滴的98%,其余2%是单酰甘油、二酰甘油、胆固醇和游离脂肪酸[26]。乳脂代谢涉及到一个庞大、复杂的分子调控网络,受到众多激素及信号分子等调控,包括TAG的消化、吸收和转运,脂肪酸的氧化分解和生物合成,脂滴的形成和分泌等过程。脂肪酸的从头合成和从血液中摄取脂肪酸是乳脂合成的主要方式。对泌乳第一个月的奶牛而言,从血液中摄取脂肪酸占主导地位,超低密度脂蛋白受体(VLDLR)与脂蛋白脂酶(LPL)协同作用,水解血液中的TAG,并从极低密度脂蛋白(VLDL)中释放长链脂肪酸(LCFA)[27],一旦LCFA进入细胞外环境中,它们就会通过脂肪酸转位酶(CD36),脂肪酸转运蛋白(SLC27A)和乙酰基之间的协调活性而被主动吸收和激活(即添加辅酶A)。脂肪酸从头合成主要通过脂肪酸合成酶(FASN)和乙酰辅酶A羧化酶α(ACACA)完成,当脂肪酸合成后其中的一些被硬脂酰辅酶A脱饱和酶1(SCD1)去饱和,并由内质网中的二酰甘油酰基转移酶1(DGAT1)加工成TAG,期间还有线粒体3-磷酸甘油酰基转移酶(GPAM)、1-酰基甘油-3-磷酸O-酰基转移酶6(AGPAT6)和类脂1(LPIN1)的参与[28]。脂肪酸运输是利用CD36和脂肪酸结合蛋白4(FABP4)进行[29];脂滴的形成涉及到脂滴包被蛋白2(PLIN2)、脂滴包被蛋白3(PLIN3)和含脂肪甘油三酯脂酶(PNPLA2)结构域的参与[30]。另外,参与乳脂代谢相关的基因和信号转导通路还包括异柠檬酸脱氢酶1(IDH1)[31]、脂肪酸去饱和酶1(FADS1)、脂肪酸去饱和酶2(FADS2)[29]、过氧化物酶体增殖物激活受体(PPARs)[32]、转录共激活因子YAP[33]、连环蛋白β-1(CTNNB1)[34]、JAK-STAT5途径[35]、HIPPO通路[33]和Wnt/-catenin通路[36]等。随着候选基因筛选策略和比较基因组学研究方法的发展,更多的乳脂代谢相关基因及调控因子被学者发现并验证其功能,microRNA、lncRNA和circRNA是目前研究最为广泛且具有重要功能的3种调控因子。
乳脂是牛奶的主要营养成分,已成为奶牛育种的重要性状之一。近年来,越来越多的证据表明microRNA在牛乳腺乳脂代谢过程中发挥着重要作用(表1)。
脂肪酸从头合成过程中ACACA是乙酰辅酶A形成丙二酸单酰辅酶A的关键酶。Cai等[37]以2头经产奶水牛(10岁的为非泌乳期,8岁的为泌乳3个月)乳腺组织为材料构建microRNA文库,结果表明miR-103在水牛BMECs中的过表达或抑制可下调或上调泛酸激酶3(PKAN3)的表达,并显著增加转录因子类固醇调节元件结合蛋白的表达,进而促进ACACA基因mRNA的表达,加速脂肪酸的从头合成。超长链脂肪酸延伸酶(ELOVL)家族可以催化长链多不饱和脂肪酸链的延伸。Shen等[38]研究表明miR-124a能够通过直接下调反-2-烯醇基-辅酶A还原酶基因(PECR)影响下游极长链脂肪酸限速酶基因(ELOVL2)的表达,调节TAG和游离脂肪酸的含量。miR-21是在很多类型哺乳动物细胞中高度表达microRNA家族的一员,有研究发现miR-21-3p在高乳脂组中高表达,提示其可能在调节脂质代谢中发挥重要作用[39]。Li等[40]利用生物信息学方法对miR-21-3p的靶基因进行分析,阐明了miR-21-3p的表达与ELOVL5mRNA和蛋白水平呈负相关,miR-21-3p促进TAG的产生可能与靶基因ELOVL5的表达有关。在奶牛乳腺组织中与ELOVL5基因属于不同亚型的ELOVL6被报道受miR-142-5p和miR-20a-5p的调控参与乳脂代谢[41]。过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)是脂肪酸沉积中的关键调控因子,Bian等[42]研究表明,干扰miR-29 s能够引起泌乳相关PPARγ启动子的甲基化,使得牛乳腺上皮细胞(Bovine mammary epithelial cells, BMECs)分泌TAG含量减少。miR-454被广泛报道参与细胞增殖、凋亡和癌症发展[43],研究已证实miR-454与PPARγ也有直接的相互作用,miR-454通过靶向BMECs中PPARγ的 3’非编码区来调控TAG的合成[44]。Wang等[45]研究发现miR-34b模拟转染可以减少细胞内TAG的含量和脂滴的积累,同时miR-34b的过表达可抑制乳脂代谢相关基因如PPARγ、FASN、FABP4和CCAAT增强子结合蛋白α的表达;miR-27a位于牛7号染色体12 981 791~13 839 090 bp,Tang等[46]利用荧光素酶分析证实PPARγ是miR-27a的直接靶标,且miR-27a可以靶向PPARγ来控制BMECs中脂滴的形成和TAG的积累。
乳脂分解代谢方面,长链脂酰辅酶A合成酶(ACSL1)负责在体内催化合成酯酰辅酶A,是哺乳动物利用脂肪酸的第一步反应。Lian等[47]利用TargetScan和PicTar软件进行生物信息学分析表明ACSL1是miR-181a的潜在靶基因,进一步功能验证发现miR-181a可能通过靶向ACSL1参与乳腺细胞脂质合成的负调控。UCP3(Uncoupling protein 3)是脂肪代谢的候选基因之一,占主导地位时,使得乙酰辅酶A羧化酶浓度降低,进而降低骨骼肌丙二酸单酰辅酶 A 的浓度,从抑制状态释放肉毒碱辅酶A转移酶,促进脂肪酸的β氧化[48]。Shen等[5]研究表明,miR-152可以靶向UCP3影响细胞内TAG的含量。酰基辅酶A脱氢酶(ACADM)是线粒体脂肪酸氧化的关键酶,特异性地分解短链酰基辅酶A底物的脂肪酸β氧化反应中的第一个限速酶[49]。Shen等[50]通过生物信息学分析初步预测酰基辅酶A脱氢酶基因(ACADM)是miR-224的靶基因,功能验证发现miR-224可以下调ACADM的表达,且miR-224过表达后,BMECs内TAG产量减少,细胞凋亡率增加。
表1 参与反刍家畜乳脂代谢相关的microRNAsTable 1 MicroRNAs related to milk fat metabolism in ruminants
ATP结合盒转运蛋白Al(ABCAl)是一种重要的胆固醇流出调节蛋白,能介导细胞内胆固醇逆向转运到细胞外,使之与载脂蛋白A-Ⅰ结合并包装形成高密度脂蛋白(HDL)的膜转运蛋白,Chen等[4]研究发现miR-106b能够结合ABCA1基因的3’-UTR,且miR-106b在牛乳腺上皮细胞中过表达导致TAG和胆固醇含量下降,抑制miR-106b后TAG和胆固醇含量升高。肿瘤抑制基因(LATS1)作为Hippo信号通路主要成员之一,参与多种器官组织的发育调控,主要表现在调控心脏体积大小和心肌发育[51]。近期研究发现miR-16a可通过LATS1调节与TAG、胆固醇和不饱和脂肪酸合成相关的生物过程[52],进一步丰富了LATS1基因的生物学功能。
目前对于牛而言,研究人员已经针对不同牛的品种、同一品种牛不同的泌乳时期和高低乳脂率筛选出很多与乳脂合成相关的差异microRNA,并证实了microRNA在牛乳腺乳脂合成和分解代谢过程中具有重要的调控作用。乳脂合成过程中PPARγ是至关重要的调控因子,miR-29s、miR-454、miR-34b 和miR-27a均与其有不同的结合位点,分别在启动子区和3’-UTR等位置发挥重要作用,进而影响BMECs分泌TAG的含量,这些microRNA在今后乳脂调控机制研究中应重点关注。
日常饮食中羊肉和其乳制品是不可缺少的营养品。羊奶中含量较高的癸酸、辛酸、中链脂肪酸和较小的颗粒提高了羊奶的消化率,具有抗氧化和降脂功能,这对促进人身体健康具有一定积极效果,深入了解泌乳期间羊乳腺中脂肪代谢相关基因及调控因子是必要的[53]。
脂肪酸合成过程中FASN基因起着至关重要的作用,miR-15b被干扰后可通过提高FASN的表达,进而增加山羊乳腺上皮细胞(Goat mammary epithelial cells, GMECs)的脂质含量[54]。在非反刍动物中,已经证明miR-24参与前脂肪细胞的分化、肝脏脂肪和血浆TAG的合成[55],Wang等[56]测定了泌乳早期(产后15 d)、泌乳高峰期(产后60 d)、泌乳中期(产后120 d)和干乳期(产前60 d)山羊乳腺组织中miR-24的表达情况,发现泌乳高峰期的miR-24表达量最高,荧光素酶报告实验证实FASN是miR-24的靶点,且过表达miR-24能够增加不饱和脂肪酸的浓度。在脂肪酸沉积和脂肪细胞分化过程中PPARγ具有关键作用,Lin等[57]研究表明在山羊乳腺系统中过表达miR-27a可以有效抑制PPARγ蛋白水平,从而降低了与TAG合成相关的基因mRNA的表达。miR-26家族靶基因属于PI3K-Akt信号通路、MAPK信号通路和脂肪酸生物合成通路,主要参与人类脂肪细胞的发育以及和棕色脂肪细胞特性相关[58]。Wang等[59]研究表明在GMECs中miR-26a/b及其宿主基因的下调降低了与脂肪酸合成相关的基因(PPARγ、FASN、ACACA、GPAM、LPIN1、DGAT1和SCD1等)、TAG积累和不饱和脂肪酸合成。过氧化物酶体增殖物激活受体辅活化子-1α(PGC1α)是PPARγ的转录辅助活化因子,Chen等分别以泌乳早期(产后15 d)和泌乳高峰期(产后60 d)[60]、泌乳早期和干乳期[61]的山羊乳腺组织为试验材料,利用S-Poly(T)和高通量测序来评估microRNA和mRNA的表达,泌乳早期和泌乳高峰期测序结果中PGC1α被证明是miR-130b的潜在靶点。有趣的是,miR-130b可以靶向PGC1α基因 mRNA编码区和3’非翻译区,有效抑制了PGC1α的表达;同时在泌乳早期和干乳期发现PGC1α也是miR-17-5p的作用靶点。过氧化物酶体增殖性激活受体γ辅活化子1β(PGC1β)同样是脂类的关键调控因子,在山羊体内被证明是miR-25的直接靶点,miR-25在PGC1β 3’-UTR内存在3个特异性位点,过表达miR-25后显著抑制TAG合成和脂滴积累[53]。
脂肪酸氧化过程中PPARα是重要的调节因子,Chen等[61]研究表明miR-17-5p通过抑制GMECs中的PPARα来调节脂肪酸代谢。3-羟-3甲基戊二酰辅酶A(HMG-CoA)还原酶是胆固醇合成的限速酶,胰岛素诱导基因1(INSIG1)主要通过调控固醇调控元件结合蛋白(SREBP)和3-羟-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶(HMGR)来影响脂质代谢。Wang等[62]研究表明INSIG1基因是miR-145的直接靶点,且过表达miR-145增加了与乳脂合成相关的基因的转录,促使脂滴形成和TAG积累,增加不饱和脂肪酸的比例,同时miR-26a/b也可以靶向调控INSIG1[63]。Chen等[33]筛选了山羊泌乳高峰期和干乳期相关差异microRNA,发现在泌乳高峰期高表达的miR-30e-5p和miR-15a过表达后促进脂肪代谢,敲除后则抑制脂肪代谢;同时证实了低密度脂蛋白受体相关蛋白6(LRP6)和YAP1基因是miR-30e-5p和miR-15a的靶基因。
Chen等[64]研究证实具有抑制GMECs成脂作用的miR-181b通过调节Hippo通路中的LATS1基因和靶向胰岛素受体底物2(IRS2)来抑制山羊乳脂代谢。进一步研究发现miR-183含量与山羊乳中脂肪酸含量呈高度正相关,同样靶向调控 Hippo通路的主要元件之一的哺乳动物不育系20样激酶1(MST1)来抑制乳脂代谢[65]。miR-142与泌乳牛乳腺中的乳脂代谢密切相关[41],而在山羊体内miR-142-5p可通过抑制CTNNB1的表达来促进乳脂代谢[34]。
迄今为止,microRNA在羊乳腺乳脂合成中的研究基本都以山羊为研究对象,对于山羊乳脂合成相关microRNA研究报道已有很多(表1),尽管如此,仍有很多microRNA有待挖掘和进一步深入验证其功能。其次,研究证实的众多调控山羊乳脂代谢的microRNA,其靶基因很多都来自过氧化物酶体增殖物激活受体家族,提示该家族对山羊乳脂合成和分解代谢起着关键调控作用。值得关注的是,miR-27a目前在反刍家畜牛和羊中均已被鉴定出通过调控PPARγ来抑制TAG的合成及相关成脂基因的表达。因此,microRNA 对山羊乳脂代谢相关靶基因具有重要的调控作用,而且存在协同调控机制,但调控网络极其复杂,深入解析microRNA参与的乳脂代谢调控网络是改善乳品质非常重要的理论基础。
哺乳动物中的功能研究发现,lncRNA通过在表观遗传、转录和转录后水平调控基因表达,在各种生物学过程中起着关键调节作用[66]。
Ji等[67]研究表明,参与刺激反应、多生物过程、发育、生殖过程和生长的lncRNA与山羊乳腺发育和泌乳密切相关。Yu等[68]测定了泌乳早期(5 d)和成熟期(30 d)山羊乳腺组织中mRNA和lncRNA的序列,发现lncRNAs-00055666、Tcon-00144689和Tcon-00108242在泌乳成熟期的表达趋势(上调)与富集在EMC-受体相互作用、PI3K-Akt信号通路和MAPK信号通路中的凝血酶敏感蛋白1(THBS1)、成纤维细胞生长因子受体2(FGFR2)、L型钙离子通道α1C亚基(CACNA1C)、层粘连蛋白α2(LAMA2)和胶原蛋白Ⅳ型α5链(COL4A5)相反,而lncRNAs TCONS-00144434、TCONS-00148514和TCONS-00055666在泌乳成熟期表达趋势(上调)与具有脂肪酸生物合成、甾醇生物合成和胆固醇储存作用的FASN、LPL、GPAM和甲基固醇单加氧酶1(MSMO1)基因相同,然而具体的调控机制还有待深入研究。
在牛上Tong等[69]研究发现TCONS_00162862的靶基因涉及脂质转运蛋白活性、连接酶活性和脂肪酸转运,主要富集于MAPK信号通路、PI3K-Akt信号通路和胰岛素信号通路等。Zheng等[70]对荷斯坦奶牛泌乳高峰期和泌乳后期的4个乳腺组织进行转录组测序,发现差异表达LNC-XLOC_274111的靶基因是牛乳腺中能够编码脂肪酸结合蛋白的FABP3和FABP4;XLOC_000752的靶基因在PPAR、AMPK和胰岛素信号通路以及甘油脂代谢通路中显著富集;LNC-XLOC_274111可能参与了奶牛泌乳过程中的乳脂代谢和乳腺功能,然而该假设还需要进一步功能验证。Yang等[71]从荷斯坦奶牛的干乳期乳腺和泌乳乳腺中共鉴定出3 746个差异lncRNA和2 890个差异基因,且差异表达lncRNA的靶基因参与了乳脂合成相关信号通路(JAK-STAT和PI3K-Akt)。Ibeagha-awemu等[72]探究lncRNA在牛乳腺中的表达特征中发现涉及脂质代谢作用的STARD13基因是XLOC_007663的潜在顺势靶基因。
目前有关lncRNA在反刍家畜乳脂方面的研究已有报道,很多被筛选出的lncRNA在脂肪酸代谢相关通路显著富集,研究人员已对部分与乳脂代谢相关的lncRNA进行了潜在靶基因预测,但都处于生物信息学预测阶段,相关机制方面的研究报道非常少,因此还有较大的研究空间。
circRNA是40年前发现的一种具有闭环结构的内源性非编码RNA[73]。多项研究已经证明,circRNA在恶性肿瘤以及细胞生长和侵袭过程中都具有调控作用[74-75]。在现阶段,有研究报道circRNA可以充当“microRNA海绵”,结合蛋白质影响多种生物过程[22]。miR-574-5p是细胞迁移和增殖的一个非常重要的调节因子,Liu等[76]研究表明miR-574-5p可以靶向促分裂原活化蛋白激酶9(MAP3K9)并通过PI3K/AKT-mTOR通路减少山羊乳腺上皮细胞分泌β-酪蛋白和TAG,通过生物信息学预测CIRC-016910作为miR-574-5p的海绵,并阻断了其在GMECs中承担生物学效应的相关行为。Zhang等[77]检测了miR-574-5p与CircRNA-006258之间的靶向关系,结果证实CIRCCRNA-006258也可通过海绵吸附miR-574-5p从而调控GMECs中TAG的产生。Hao等[78]利用RNA-Seq技术探究泌乳高峰期小尾寒羊和甘肃高山细毛羊乳腺组织中circRNAs的表达谱,对筛选出具有表达差异的 CIRC-001091进行目标microRNA预测,结果发现miR-432、miR-200b和miR-29是CIRC-001091的靶microRNA,其中miR-29已被证明调控奶牛乳腺上皮细胞中乳蛋白、TAG和乳糖的分泌[42]。
Wang等[79]探讨热应激对奶牛乳腺组织中circRNA表达水平的影响,结果发现与乳脂代谢相关的差异基因CD36和14个不同的circRNA的表达呈显著正相关,差异基因SLC27A6与8个circRNA的表达呈显著正相关;并构建了circRNA-microRNA-CD36调控网络。
综上所述,生物体内circRNA在microRNA行使功能的过程中具有重要的调控作用,对基因的表达具有积极的效应。然而目前有关circRNA在反刍家畜乳脂调控方面的研究还相对较少,具体作用机制还有待更深入的研究和探索。
乳脂代谢是一个非常复杂的生物学过程,需要各种转录因子共同参与才能够精确完成。ncRNA更是如此,对于microRNA而言,在反刍家畜乳脂代谢过程中,多个microRNA可直接或间接作用于同一个基因,如PPARγ基因受miR-29 s、miR-454和miR-27a调控,INSIG1受miR-145和miR-26a/b调控,FASN基因受miR-15b和miR-24调控,PGC1α受miR-130b和miR-17-5p调控,并且在乳脂代谢过程中microRNA靶基因很多来自过氧化物酶体增殖物激活受体家族,其中PPARγ是miR-27a在牛和山羊中共同的靶基因,提示该家族对反刍家畜乳脂代谢起着关键作用;然目前还没有发现同一个microRNA调控多个乳脂相关基因的研究报道,这可能是研究人员关注的焦点。
microRNA在反刍家畜乳脂代谢方面的研究目前多集中于脂肪酸从头合成过程,研究并鉴定出microRNA的靶基因主要有ACACA、FASN和ELOVL家族、PPARγ及其受体活化因子,脂肪酸氧化方面的研究相对较少,这也从侧面体现出研究内容与生产实际紧密结合。随着microRNA对反刍家畜乳脂代谢的调控研究越来越透彻,大量的microRNA被鉴定,但仍处于细胞验证阶段,对生产上乳脂真正意义上的提高还有待更深入的研究。
lncRNA和circRNA在乳脂合成方面目前还处于生物信息学预测阶段,功能机制方面的研究报道较少,缺乏试验验证材料的积累,然而可以明确的是lncRNA和circRNA对乳脂的调控更多的是通过microRNA间接作用于成脂基因(CIRC-016910-miR-574-5p-MAP3K9),对基因的表达具有积极的效应,在调控乳脂代谢过程中具有重要生物学意义。
目前,lncRNA、circRNA和microRNA在乳脂代谢调控方面的研究空间还很大,具体的作用机制还有待更深入的研究和探索,从而进一步为反刍家畜乳脂合成机理的揭示提供新的解释。其次,乳脂含量不仅受ncRNA的表观遗传调控,同时日粮营养品质对其影响也较大,因此,通过改变反刍家畜的日粮水平,将营养供给和ncRNA结合到一起,找出其中的必然联系,这将对实际生产中乳脂真正意义上的改善具有重要意义。