徐小蛟 陳小玲 陳代文 余 冰 何 軍 黃志清

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動物營養(yǎng)研究所，動物抗病營養(yǎng)教育部重點實驗室，成都 611130)

脂肪的沉積取決于脂肪代謝，涉及機體對脂肪的合成和分解利用過程，以及參與機體能量代謝、脂溶性營養(yǎng)物質(zhì)運輸和激素合成等生理過程。正常的脂肪代謝對維持機體內(nèi)穩(wěn)態(tài)具有重要作用，而脂肪代謝異常除了引起血脂異常、心血管疾病等外，還影響脂肪在體內(nèi)的沉積，脂肪沉積過少或過多將引起機體干瘦或肥胖，增加患病風(fēng)險。同時，脂肪沉積在畜禽方面直接影響肉品質(zhì)。近年來的一系列研究發(fā)現(xiàn)長鏈非編碼RNA(long noncoding RNA,lncRNA)對脂肪沉積有著至關(guān)重要的作用。本文綜述了lncRNA對脂肪沉積的影響及其作用機制，并對其在畜禽肉品質(zhì)中的潛在作用進行了展望。

1 lncRNA概述

生物體基因表達過程產(chǎn)生的RNA轉(zhuǎn)錄本中，除了少數(shù)具有編碼蛋白質(zhì)功能的mRNA外，還產(chǎn)生大量核苷酸片段較小的非編碼RNA，包括微小RNA(microRNA)、Piwi相互作用RNA(piRNA)以及近些年發(fā)現(xiàn)的lncRNA等，研究發(fā)現(xiàn)這些小片段RNA可在基因印記、轉(zhuǎn)錄水平、翻譯過程上調(diào)控基因的表達[1]。lncRNA是一類長度大于200 bp的非編碼蛋白質(zhì)RNA，具有很弱或沒有編碼蛋白質(zhì)的功能，根據(jù)在基因組中與編碼基因的位置將lncRNA分為以下幾種：1)基因間lncRNA(long intergenic noncoding RNA,lincRNA)，即lncRNA由2個基因中間區(qū)域的序列轉(zhuǎn)錄而來；2)內(nèi)含子lncRNA(intronic lncRNA)，即由另一轉(zhuǎn)錄本的某一個內(nèi)含子區(qū)域序列轉(zhuǎn)錄而來的lncRNA；3)反義lncRNA，即能在反義鏈上與另一編碼基因的外顯子重合的lncRNA；4)正義lncRNA，即能在正義鏈上與另一編碼基因的外顯子重合的lncRNA；5)雙向lncRNA，即其表達起始位點與其相反鏈上向兩邊編碼蛋白質(zhì)基因的轉(zhuǎn)錄起始位點非常接近，但方向相反[2]。lncRNA發(fā)現(xiàn)之初并未引起研究者的關(guān)注，其功能飽受爭議，甚至被認(rèn)為是基因組的轉(zhuǎn)錄“垃圾”[3]。近年來，lncRNA備受研究者關(guān)注，隨著大量研究的報道，lncRNA被證實與其他非編碼RNA類似，能通過基因印記[4]、表觀遺傳、轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后對基因表達進行調(diào)控[5]，尤其在人類醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，許多研究報道lncRNA在腫瘤[6-7]、心血管疾病形成[8-13]、調(diào)節(jié)脂類代謝[14-18]以及細胞發(fā)育調(diào)控[19-24]等方面具有重要作用。因此，研究lncRNA對解決癌癥、心血管疾病、糖尿病、肥胖癥以及改善畜禽肉品質(zhì)均具有很大潛力。

2 正向調(diào)控脂肪沉積的lncRNA及其機制

2.1 類固醇受體RNA活化因子(steroid receptor RNA activator，SRA)

SRA最初作為一種促進類固醇核受體依賴基因表達的lncRNA被發(fā)現(xiàn)[25]。隨后，Xu等[18]和Liu等[26]證明SRA可通過與過氧化物酶體增殖物激活受體(PPAR)γ結(jié)合，激活PPARγ依賴受體基因的轉(zhuǎn)錄活性，抑制脂肪細胞相關(guān)炎癥基因的表達，促進胰島素受體表達從而促進脂肪前體細胞分化，在脂肪細胞中增加葡萄糖攝入和胰島素刺激時蛋白激酶B(Akt)、叉頭盒蛋白O1(forkhead box protein O1，F(xiàn)oxO1)的磷酸化作用，提高脂肪細胞對胰島素的敏感性。另外，Liu等[27]通過敲除鼠SRA基因，發(fā)現(xiàn)SRA基因敲除[SRA(-/-)]小鼠可顯著抑制高脂飲食引起的肥胖，降低脂肪的沉積，增加瘦肉的含量，同時增加胰島素敏感性，使得血糖降低。同時，還發(fā)現(xiàn)SRA(-/-)小鼠在高脂飲食后其肝臟中沒有出現(xiàn)脂肪沉積的現(xiàn)象，甘油三酯含量降低，肝臟中脂肪相關(guān)基因表達也相應(yīng)降低，這也首次闡明了SRA對機體脂肪沉積和葡萄糖穩(wěn)態(tài)的重要作用[27]。Chen等[28]在對比SRA(-/-)小鼠與正常小鼠在正常飲食和高脂飲食下相關(guān)基因的表達發(fā)現(xiàn)，SRA基因敲除可直接引起小鼠肝臟細胞中脂肪甘油三酯脂肪酶(adipose triglyceride lipase，ATGL)表達增加，從而使游離脂肪酸β-氧化增加，另外還發(fā)現(xiàn)，SRA還可通過抑制叉頭基因FoxO1對ATGL啟動子的誘導(dǎo)效應(yīng)，從而抑制ATGL表達。該研究還發(fā)現(xiàn)SRA可通過抑制PPARγ及其配體羅格列酮激活A(yù)TGL啟動子活性，從而降低ATGL水平，抑制游離脂肪酸β-氧化，增加肝臟脂肪沉積。除了SRA通過上述2種方式調(diào)控ATGL水平，胰島素也可通過Akt/磷脂酰肌醇-3-羥激酶(PI3K)信號通路調(diào)控FoxO1作用，直接調(diào)節(jié)ATGL的表達[29]，其機制則與SRA以FoxO1為中間物質(zhì)調(diào)節(jié)ATGL的機制有所不同，SRA的作用機制如圖1所示。

SRA：類固醇受體RNA活化因子 steroid receptor RNA activator；Akt：蛋白激酶B protein kinase B；FoxO1：叉頭盒蛋白O1 forkhead box protein O1；PPARγ ：過氧化物酶體增殖物激活受體γ peroxisome proliferators activate receptor γ；ATGL：甘油三酯脂肪酶 adipose triglyceride lipase；P-Akt：磷酸化蛋白激酶B phosphorylated protein kinase B;P-FoxO1：磷酸化叉頭盒蛋白O1 phosphorylated forkhead box protein O1;PI3K:磷脂酰肌醇-3-羥激酶 phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase；AdipoR1：脂聯(lián)素受體1 adiponectin receptor 1；AdipoR1：脂聯(lián)素受體2 adiponectin receptor 2；GluT1：葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1 glucose transporter 1；GluT4：葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白4 glucose transporter 4。
圖1SRA的作用機制
Fig.1 The mechanism of SRA[18,26-29]

2.2 肺腺癌代謝轉(zhuǎn)錄本1(metastasis associated in lung adenocarcinoma transcript 1，MALAT1)

在MALAT1中最初發(fā)現(xiàn)與某些疾病如癌癥有關(guān)的一種高度保守的lncRNA。最近有研究報道MALAT1不僅參與糖尿病相關(guān)疾病的形成過程[30-32]，還參與調(diào)節(jié)肝臟的脂質(zhì)沉積[33]。有研究發(fā)現(xiàn)，高脂飲食和禁食狀態(tài)的小鼠肝臟脂質(zhì)代謝均處于高峰期，細胞內(nèi)甘油三酯和膽固醇水平顯著增高，均具有引起肝臟脂肪沉積的潛力；研究還發(fā)現(xiàn)，此時肝細胞中MALAT1和固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1c(sterol regulatory element-binding protein 1c，SREBP-1c)表達水平也均顯著增高，而SREBP-1c是脂肪肝和血脂異常的關(guān)鍵調(diào)控因子[34]，是MALAT1引起肝細胞脂肪沉積所必需的中間物質(zhì)[33]，通過MALAT1小干擾RNA(siRNA)沉默MALAT1后發(fā)現(xiàn)高脂飲食引起的甘油三酯以及膽固醇水平提高現(xiàn)象得到了逆轉(zhuǎn)，使得二者表達水平顯著降低，顯著降低了肝細胞細胞核SREBP-1c蛋白表達水平和轉(zhuǎn)錄活性，同時還降低羥甲基戊二酰輔酶A(hydroxy-methyl-glutaryl coenzyme A，HMGCoA)還原酶和糖異生相關(guān)基因表達。HMGCoA還原酶是肝細胞合成膽固醇過程中的限速酶，抑制HMGCoA還原酶能夠阻礙肝細胞中膽固醇合成[33]。以上結(jié)果均說明了lncRNA MALAT1可通過轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控SREBP-1c蛋白及其靶基因的表達引起肝臟脂肪沉積，提高胰島素耐受性，這為促進體內(nèi)脂肪代謝利用，治療肝臟異常脂肪沉積及糖尿病并發(fā)癥等疾病的研究提供了新的思路。

2.3 PU.1 AS

在機體中，脂肪前體細胞可經(jīng)誘導(dǎo)分化為成熟的脂肪細胞，在這個過程中，細胞形態(tài)由成纖維細胞樣逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轭悎A形或圓形，細胞體積逐漸增大，胞質(zhì)中脂滴開始出現(xiàn)，脂肪沉積開始形成。有研究發(fā)現(xiàn)脂肪前體細胞中轉(zhuǎn)錄因子PU.1過表達將抑制其分化過程[35]，因此，過表達脂肪前體細胞中PU.1 mRNA，促進其翻譯為蛋白質(zhì)可有效減少脂肪沉積量。Ebralidze等[36]發(fā)現(xiàn)PU.1 AS lncRNA作為PU.1基因的反義鏈轉(zhuǎn)錄本，能夠調(diào)控PU.1蛋白質(zhì)的表達。Pang等[37]利用PU.1 AS siRNA敲除PU.1ASlncRNA后發(fā)現(xiàn)脂肪前體細胞中PU.1蛋白質(zhì)水平提高，脂肪生成得到抑制，這與Wei等[38]在PU.1 AS短發(fā)夾RNA(shRNA)處理試驗中得到的結(jié)果保持一致。另外，Wei等[38]還發(fā)現(xiàn)與脂肪沉積正相關(guān)的PPARγ、脂肪酸合成酶在敲除PU.1處理中上調(diào)，在敲除PU.1ASlncRNA處理中表現(xiàn)下調(diào)，而與脂肪分解正相關(guān)的ATGL和激素敏感脂肪分解酶(HSL)出現(xiàn)下調(diào)。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)抑制PU.1 mRNA表達后，PU.1ASlncRNA表達并未受到影響，抑制PU.1 AS lncRNA后，PU.1 mRNA表達也未下降，而蛋白質(zhì)免疫印跡反應(yīng)實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)PU.1蛋白表達量顯著增加。由此表明PU.1 AS lncRNA是通過與PU.1 mRNA形成mRNA/AS lncRNA復(fù)合物，阻礙mRNA翻譯過程，從轉(zhuǎn)錄后水平抑制PU.1蛋白的合成，從而促進脂肪沉積[37-38]。

2.4 uc.417

2015年，榮燦等[39]通過采用lncRNA芯片技術(shù)篩選出在哺乳動物分化成熟的棕色脂肪細胞和褐色脂肪前體細胞中高度差異表達一種lncRNA uc.417，進一步進行生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)該lncRNA普遍存在于各類物種中，包括哺乳類、兩棲類和鳥類等，在哺乳動物中具有高度同源性，尤其在人類和小鼠之間lncRNA uc.417同源性最高，這種超級保守性決定了其在動物生命過程中具有重要的功能。該研究初步驗證了lncRNA uc.417隨著棕色脂肪細胞成脂分化其表達逐漸增加，說明lncRNA uc.417對棕色脂肪細胞的生成有著極其重要的作用。機體內(nèi)脂肪組織主要以白色脂肪為主，棕色脂肪組織僅占機體脂肪組織的2%，在脂肪分解過程中，白色脂肪組織轉(zhuǎn)化為棕色脂肪組織，另外，在某些誘導(dǎo)因素作用如寒冷刺激下棕色脂肪含量及活性也會增加，氧化脂肪酸產(chǎn)生熱量[40]。Cui等[41]研究解釋了lncRNA uc.417在調(diào)控棕色脂肪細胞分化方面的作用機制，在體內(nèi)，棕色脂肪組織隨著年齡的增加而減少，研究人員發(fā)現(xiàn)這可能與lncRNAuc.417的異常表達有關(guān)，隨著機體年齡的增加，lncRNAuc.417表達量也增加，這損害了棕色脂肪組織的生熱效應(yīng)。p38分裂原激活蛋白激酶(MAPK)信號通路是刺激解偶聯(lián)蛋白1基因表達的關(guān)鍵通路，而uc.417表達降低了p38 MAPK磷酸化卻沒有影響p38 MAPK蛋白量，故阻礙了p38 MAPK的正向信號通路，這說明隨著年齡增加導(dǎo)致棕色脂肪組織產(chǎn)熱效應(yīng)降低，脂肪沉積增加是由于lncRNAuc.417表達量增加導(dǎo)致的。這為治療肥胖等相關(guān)代謝疾病提供了一條新思路。

2.5 GM15290

最近，Liu等[42]通過對比分析肥胖小鼠與正常小鼠白色脂肪細胞lncRNA表達譜發(fā)現(xiàn)2 246種lncRNA表達差異顯著，并使用基因本體論GO和KEGG生物學(xué)通路分析其中最上調(diào)和最下調(diào)的5種lncRNA功能，發(fā)現(xiàn)最上調(diào)的lncRNA GM15290與代謝過程、細胞生物合成相關(guān)，并且參與了胰島素、PPAR信號通路。該研究發(fā)現(xiàn)在小鼠前脂肪細胞中轉(zhuǎn)染含GM15290片段的載體可顯著促進脂肪生成相關(guān)基因表達，如PPARγ，以及前期脂肪生成標(biāo)記基因——轉(zhuǎn)錄因子CCAAT/增強子結(jié)合蛋白(C/EBP)α和后期脂肪生成標(biāo)記基因脂肪細胞因子2(adiponectin 2，AP2)。油紅O染色也發(fā)現(xiàn)過表達GM15290可增加脂肪沉積，而通過siRNA特異性抑制GM15290后得到了相反的結(jié)果，另外，在體內(nèi)注射GM15290特異性siRNA可顯著降低高脂飲食引起的肥胖，同時降低體內(nèi)白色脂肪沉積。因此，lncRNA GM15290對脂肪生成及肥胖發(fā)育過程中起正向調(diào)控作用[42]。該研究發(fā)現(xiàn)GM15290與PPARγ的靶基因miR-27b具有7個相匹配的連續(xù)堿基，且其自由能最低，表明GM15290可能與miR-27b相結(jié)合，從而實現(xiàn)對脂肪生成的調(diào)控目的[42]。通過皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)肥胖小鼠白色脂肪組織中GM15290表達水平與miR-27b呈負(fù)相關(guān)(r2=0.963 5)，且過表達miR-27b抑制GM15290表達且對GM15290突變體表達無影響，高脂飲食的小鼠白色脂肪組織中miR-27b表達降低，以上結(jié)果均表明，白色脂肪細胞前體中，GM15290作為PPARγ的競爭性RNA與miR-27b相結(jié)合，降低了miR-27b對PPARγ的沉默作用，從而使得PPARγ表達增加，促進脂肪生成[42]。因此，GM15290對脂肪沉積調(diào)控機制的發(fā)現(xiàn)為肌內(nèi)脂肪沉積調(diào)控及治療肥胖提供了新的靶點。

2.6 HOTAIR

腹部肥胖，又稱為中心型肥胖，腹部肥胖患者比臀部肥胖者患心臟病、脂肪肝、Ⅱ型糖尿病等疾病的風(fēng)險更大，因此，局部肥胖治療也成為近年來研究熱點。Divoux等[43]研究發(fā)現(xiàn)將僅在臀部脂肪組織中表達的lncRNA HOTAIR轉(zhuǎn)染進腹部皮下脂肪細胞前體后，脂肪生成相關(guān)基因如：PPARγ、脂肪酸結(jié)合蛋白4(FABP4)、脂肪細胞因子等顯著表達，最終促進腹部脂肪細胞前體分化為成熟脂肪細胞。該研究表明lncRNA HOTAIR在調(diào)控脂肪沉積分布上起重要作用，是造成局部脂肪組織的關(guān)鍵因子，也為將來研究HOTAIR或其他lncRNA作為降低內(nèi)臟脂肪及治療局部肥胖的靶基因提供理論基礎(chǔ)。

3 負(fù)向調(diào)控脂肪沉積的lncRNA及其機制

3.1 脂肪分化相關(guān)長鏈非編碼RNA(adipocyte differentiation-associated long noncoding RNA，ADNCR)

2013年，Li等[44]通過對體外培養(yǎng)的牛脂肪前體細胞和分化的細胞進行轉(zhuǎn)錄組圖譜分析發(fā)現(xiàn)了16條lncRNA在脂肪細胞分化期間差異表達，其中，ADNCR下調(diào)幅度最大，并探究了其作用機制發(fā)現(xiàn)，在脂肪前體細胞中，ADNCR可作為miR-204的競爭性內(nèi)源RNA，阻礙miR-204對其靶基因沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶1(silent information regulator factor 2 related enzyme 1，SIRT1)的沉默作用，使得靶基因SIRT1表達增加，而SIRT1可與核受體共抑制因子(nuclear receptor corepressor，NCoR)和類視黃醇和甲狀腺激素受體的靜息介體(silencing mediator of retinoid and thyroid hormone receptor，SMRT)對接，抑制脂肪細胞分化和脂肪生成相關(guān)基因PPARγ活性，這也首次提出了lncRNA發(fā)揮調(diào)解作用的一種新的模式，即lncRNA-microRNA交互作用。

3.2 U90926

最近有研究者利用cDNA微矩陣基因芯片技術(shù)，探究lncRNA U90926在3T3-L1脂肪前體細胞，分化的脂肪細胞以及小鼠脂肪組織中的表達及其作用機制，發(fā)現(xiàn)lncRNA U90926主要分布在脂肪組織中，且在肥胖小鼠的皮下和內(nèi)臟脂肪組織中具有較瘦鼠更低的lncRNAU90926表達量[45]。通過過表達lncRNA U90926發(fā)現(xiàn)脂肪前體細胞的分化得到顯著性抑制，從而抑制了脂肪的沉積，這就表明lncRNA U90926與脂肪前體細胞的分化有著密不可分的聯(lián)系，表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)[45]。隨后，該研究者對lncRNA U90926的作用機制進行試驗分析，發(fā)現(xiàn)過表達lncRNAU90926使得與脂肪生成相關(guān)的基因PPARγ2、FABP4和脂聯(lián)素Q(AdipoQ)等的mRNA和蛋白質(zhì)水平顯著降低，而敲除lncRNA U90926則表現(xiàn)出相反的效果，即PPARγ2、FABP4、C/EBPα和AdipoQ的表達顯著增加[45]。這就表明lncRNA U90926抑制3T3-L1脂肪前體細胞分化和脂肪沉積是通過抑制PPARγ2或PPARγ的轉(zhuǎn)錄來實現(xiàn)的。

3.3 GM13133

脂肪燃燒可減少機體脂肪沉積，棕色脂肪和米色脂肪則是機體中燃燒產(chǎn)熱的重要組織，因此，增加產(chǎn)熱脂肪組織、白色脂肪棕色化成為減少脂肪沉積和預(yù)防肥胖的新思路[46-48]。近年來，隨著lncRNA的調(diào)控作用成為研究熱點，其在脂肪沉積方面的調(diào)控作用亦成為研究的焦點。You等[49]通過運用lncRNA芯片在小鼠的多個組織中發(fā)現(xiàn)lncRNAGM13133的特異性表達，其中，脂肪組織中尤其顯著，進一步分析發(fā)現(xiàn)GM13133在棕色脂肪組織中表達是白色脂肪組織的2倍，寒冷、β3腎上腺素和環(huán)腺苷酸(cAMP)刺激使得白色脂肪組織中GM13133表達增加。由此暗示GM13133與機體脂肪沉積相關(guān)，尤其與機體產(chǎn)熱以及白色脂肪發(fā)生棕色化過程有聯(lián)系。寒冷刺激通過β3腎上腺素信號通路使得白色脂肪組織細胞中cAMP表達量增加[50]，在此過程中，GM13133表達增加并通過調(diào)控其中的某一個或多個元素，最終實現(xiàn)誘導(dǎo)白色脂肪組織棕色化及其細胞內(nèi)線粒體產(chǎn)熱基因解偶聯(lián)蛋白1(uncoupling protein 1,UCP1)表達的目的，另外，增加的GM13133增加了細胞內(nèi)PPARγ輔助激活因子1α(PGC1α)、UCP1和PPARα等產(chǎn)熱功能相關(guān)分子表達，增加耗氧率(oxygen consumption rate，OCR)，促進并維持產(chǎn)熱效應(yīng)[49]。該研究過表達GM13131發(fā)現(xiàn)白色脂肪前體細胞增殖并無負(fù)調(diào)控作用，但能從抑制白色脂肪細胞的分化過程及PPARγ、C/EBPβ、FABP4和葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白4(glucose transporter 4，GLUT4)等與脂肪生成相關(guān)基因的表達；油紅O染色檢測過表達GM13131對脂肪沉積的影響發(fā)現(xiàn)，脂滴累積量顯著降低，同時，甘油三酯生成也得到顯著抑制。另外，白色脂肪細胞過表達GM13131增加細胞內(nèi)線粒體數(shù)量，促進細胞色素c、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein 7，BMP7)等與白色脂肪向棕色脂肪轉(zhuǎn)化相關(guān)分子表達[49]。由此說明，lncRNA GM13131一方面通過增加線粒體生物合成，維持棕色脂肪組織的產(chǎn)熱效應(yīng)；另一方面抑制白色脂肪細胞分化，并通過cAMP信號通路，促進棕色脂肪細胞特異性標(biāo)記物的表達，誘導(dǎo)白色脂肪細胞發(fā)生棕色化，從而降低脂肪沉積，這一研究發(fā)現(xiàn)對減少動物皮下脂肪沉積具有重大意義。

4 小 結(jié)

近年來，lncRNA對脂肪沉積的調(diào)控及相關(guān)機制是臨床上治療肥胖等疾病的研究熱點，本文總結(jié)了lncRNA可以通過不同的機制調(diào)控脂肪細胞編碼基因的表達，參與脂肪代謝相關(guān)信號通路，從而對脂肪沉積有重要作用。然而，lncRNA在臨床上的應(yīng)用面臨著極大的挑戰(zhàn)且存在不足，如：通過RNA干擾技術(shù)對lncRNA表達進行干擾，有時可能會因為lncRNA的二級結(jié)構(gòu)或其胞內(nèi)定位導(dǎo)致抑制效果不理想或與lncRNA結(jié)合不穩(wěn)定，出現(xiàn)脫靶現(xiàn)象。目前來看，lncRNA對脂肪沉積的作用及機制研究雖然仍處于試驗動物基礎(chǔ)研究階段，但這對在畜禽生產(chǎn)中改善肉品質(zhì)的研究具有借鑒意義，因此，亟待開展lncRNA在畜禽脂肪沉積方面的研究。