鄒 昊，王占黎，丁海濤，王 銳

(1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)疾病相關(guān)生物標(biāo)志物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)科)

在人體皮膚表面和體腔內(nèi)，存在著大量相互作用的微生物，包括細(xì)菌、真菌、古細(xì)菌、噬菌體和真核病毒等[1]。其中絕大多數(shù)微生物都棲息于腸道內(nèi)，被統(tǒng)稱為腸道微生物群，它們的協(xié)同作用對(duì)人體健康和人類生活至關(guān)重要。早期針對(duì)人體腸道微生物來(lái)源的研究證實(shí)，腸道微生物最初是由母親體內(nèi)的微生物構(gòu)建雛形，并隨著出生、進(jìn)食、與外界環(huán)境的接觸而不斷發(fā)展變化[2]。在3～4歲時(shí)接近成年?duì)顟B(tài)，這在哺乳動(dòng)物中來(lái)說(shuō)，發(fā)展是相對(duì)快而穩(wěn)定的[3]。腸道微生物群的多樣性和豐富度在個(gè)體之間存在明顯差異[4]。Ravvls等[5]在無(wú)菌斑馬魚(yú)和小鼠受體移植實(shí)驗(yàn)中也證明了這一點(diǎn)，并發(fā)現(xiàn)種群之間和個(gè)體之間的差異是由于每個(gè)宿主腸道環(huán)境中不同的選擇性壓力造成的，即腸道微生物群的結(jié)構(gòu)和豐富度受到各種內(nèi)源性因素(宿主遺傳、免疫、疾病等)和外源性因素(飲食、壓力、藥物、環(huán)境因素等)的影響[6]。腸道微生物群利用基因、蛋白質(zhì)和代謝物來(lái)參與宿主免疫反應(yīng)、代謝、自噬等生理過(guò)程，調(diào)節(jié)生理能量穩(wěn)態(tài)。例如微生物產(chǎn)生的丁酸鹽可以向結(jié)腸細(xì)胞提供能量，阻止結(jié)腸中的自噬[7]；由腸道微生物群產(chǎn)生的短鏈脂肪酸(SCFA)和脂磷壁酸(LTA)都會(huì)促進(jìn)宿主的炎癥；細(xì)菌脂多糖(LPS)進(jìn)入體循環(huán)后對(duì)正常血糖功能產(chǎn)生抑制作用[8]等等。因此，腸道微生物與人體生理健康和各種疾病(包括肥胖、糖尿病、自身免疫、過(guò)敏、炎癥性腸病和癌癥等)密切相關(guān)[9]。所以研究宿主與腸道微生物群的相互作用的分子機(jī)制十分重要。

miRNAs(miRNAs)是一類長(zhǎng)度為19～25個(gè)核苷酸的非編碼RNA，通過(guò)與靶mRNA結(jié)合或引起靶mRNA的降解來(lái)調(diào)節(jié)動(dòng)物和植物的基因表達(dá)[10]。研究表明，miRNAs經(jīng)多種途徑產(chǎn)生，最常見(jiàn)的是典型的Drosha/Dicer途徑[11]。初級(jí)miRNAs(pri-miRNA)最初在細(xì)胞核中轉(zhuǎn)錄，然后被Drosha酶切割成前體miRNAs(pre-miRNA)，隨后pre-miRNA被運(yùn)送到細(xì)胞質(zhì)中，并被Dicer酶分解成成熟的長(zhǎng)度，接著miRNAs與某些蛋白家族組裝成RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合物(RISC)。miRNA通過(guò)7～8個(gè)堿基與靶mRNA 3’非翻譯區(qū)(3’UTR)互補(bǔ)結(jié)合，在蛋白質(zhì)翻譯水平抑制靶基因表達(dá)，或引起靶mRNA降解并發(fā)揮其基因表達(dá)的調(diào)控作用。事實(shí)上，miRNAs已被證實(shí)參與廣泛的生物過(guò)程，包括發(fā)育、細(xì)胞分化、增殖、凋亡、代謝和免疫反應(yīng)[13]。近年來(lái)疾病相關(guān)細(xì)胞和組織中miRNAs的表達(dá)譜得到廣泛研究，揭示miRNAs表達(dá)的改變與疾病發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[14]。研究表明，miRNAs還參與宿主與腸道微生物群的相互作用，并且在不同病原體(包括病毒、寄生蟲(chóng)和細(xì)菌等)的感染過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用[15]。

1 宿主通過(guò)miRNAs塑造腸道菌群結(jié)構(gòu)

宿主和腸道微生物群的交流需要一個(gè)復(fù)雜而精細(xì)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，miRNAs已經(jīng)成為這種交流的重要媒介。近年來(lái)，許多研究小組已經(jīng)廣泛研究了胃腸道免疫細(xì)胞和腸上皮細(xì)胞中miRNAs的功能，揭示了miRNAs在許多疾病中對(duì)腸道微生物的影響。例如，宿主通過(guò)上調(diào)miR-21，可抑制有核乳桿菌對(duì)小鼠結(jié)直腸癌細(xì)胞增殖和腫瘤生長(zhǎng)的促進(jìn)作用[16]；miR18a和miR-20a-5p表達(dá)上調(diào)也可以促進(jìn)大腸桿菌的生長(zhǎng)進(jìn)而影響結(jié)直腸癌細(xì)胞的自噬途徑[17]。宿主-腸道菌群相互作用的重要性已得到人們的關(guān)注。

針對(duì)糞便miRNAs的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，宿主通過(guò)差異表達(dá)miRNAs來(lái)塑造腸道菌群[18]。研究人員首先將人類和小鼠糞便中的miRNAs分離，發(fā)現(xiàn)不同物種間糞便中的miRNAs豐富度不同，而且同一個(gè)體腸腔不同部位的miRNAs含量存在明顯差異。研究人員通過(guò)敲除小鼠腸上皮細(xì)胞中的Dicer1酶基因，使其不能正常合成miRNAs，結(jié)果顯示，小鼠糞便中的miRNAs豐富度和含量均明顯下降，提示糞便中的miRNAs主要來(lái)自腸上皮細(xì)胞，進(jìn)一步證實(shí)是由腸上皮細(xì)胞通過(guò)外泌體的形式特異性分泌到腸腔，而不是來(lái)源于脫落的上皮細(xì)胞。最后，研究人員通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，miR-515-5p促進(jìn)體外培養(yǎng)的梭桿菌的生長(zhǎng)。而miR-1226-5p促進(jìn)大腸桿菌的生長(zhǎng)，在體內(nèi)某些miRNAs(miR-515-5p和miR-1226-5p)也促進(jìn)大腸桿菌生長(zhǎng)；小鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，miR-515-5p和miR-1226-5p 還促進(jìn)小鼠腸道中大腸桿菌的生長(zhǎng)；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，miRNAs是通過(guò)進(jìn)入細(xì)菌線粒體并調(diào)節(jié)其線粒體基因表達(dá)的方式來(lái)影響細(xì)菌生長(zhǎng)，且該調(diào)節(jié)方式具有序列特異性。研究人員通過(guò)包裹在植物來(lái)源外泌體納米顆粒(ELNs)中的miRNAs進(jìn)入細(xì)菌并特異性調(diào)控細(xì)菌基因表達(dá)的實(shí)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)[19]。

近年來(lái)，miRNAs在疾病發(fā)生發(fā)展中對(duì)腸道菌群組成的影響已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。臨床研究表明，結(jié)直腸癌患者糞便樣本中miR-21和miR-92a等miRNAs表達(dá)水平顯著上調(diào)，這一發(fā)現(xiàn)提示，miRNAs在宿主與腸道菌群相互作用中具有潛在作用，該研究還有助于開(kāi)發(fā)一種非侵入性的結(jié)直腸癌篩查方法[20]。同時(shí)，研究人員通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)鑒定了76種在結(jié)直腸癌腫瘤組織中差異表達(dá)的miRNAs，包括miR-182、miR-503和mir-1792簇等，這些miRNAs與腸道細(xì)菌的相對(duì)豐富度密切相關(guān)，包括厚壁菌門(mén)、擬桿菌門(mén)和變形菌門(mén)等[20]。這些發(fā)現(xiàn)不僅揭示了miRNAs在人體中通過(guò)調(diào)節(jié)腸道微生物群來(lái)影響疾病進(jìn)程的作用，還為未來(lái)miRNAs靶向治療腫瘤等疾病提供了新的方向。

2 病原微生物影響宿主miRNAs表達(dá)

miRNAs不僅影響宿主腸道細(xì)菌的生長(zhǎng)，也在不同病原體的感染過(guò)程中發(fā)揮重要作用，包括病毒、寄生蟲(chóng)等。早期一項(xiàng)關(guān)于miRNAs表達(dá)譜的研究表明，幾種DNA病毒(皰疹病毒、多瘤病毒和腺病毒)在感染細(xì)胞中存在多種差異表達(dá)miRNAs，這些差異表達(dá)miRNAs通過(guò)調(diào)節(jié)病毒和細(xì)胞基因表達(dá)，從而影響病毒復(fù)制和感染[21]。研究還發(fā)現(xiàn)，丁香假單胞菌感染植物擬南芥后，誘導(dǎo)miR-393a高表達(dá)，進(jìn)而抑制激素生長(zhǎng)素受體的表達(dá)。已知生長(zhǎng)素是植物防御的負(fù)調(diào)節(jié)因子。該研究結(jié)果提示，miR-393a表達(dá)上調(diào)有助于植物對(duì)細(xì)菌病原體的抗性[22]。因此，miRNAs不僅在宿主塑造腸道菌群結(jié)構(gòu)中發(fā)揮作用，也是宿主應(yīng)對(duì)外來(lái)病原微生物感染的重要手段。近年來(lái)，研究人員開(kāi)始逐漸關(guān)注miRNAs對(duì)宿主與病原微生物相互作用的影響和機(jī)制，尤其是與腸道感染相關(guān)的病原微生物。而且，RNA測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，為研究miRNAs對(duì)宿主-病原微生物互相作用的影響，提供了嶄新的思路和廣闊的空間。

2.1李斯特氏菌 是一種兼性的細(xì)胞內(nèi)革蘭氏陽(yáng)性病原體，屬厚壁菌門(mén)，可在健康個(gè)體中引起胃腸炎，并在免疫缺陷個(gè)體和孕婦中引起嚴(yán)重疾病[22]。該菌感染小鼠后，取小鼠骨髓來(lái)源巨噬細(xì)胞進(jìn)行miRNAs表達(dá)譜分析，發(fā)現(xiàn)miR-155、miR-146a、miR-125a3p/5p和miR-149等免疫相關(guān)miRNAs表達(dá)顯著上調(diào)，而miR-29、miR-145的表達(dá)顯著下調(diào)。進(jìn)一步研究表明，這些差異表達(dá)miRNAs通過(guò)調(diào)節(jié)IFN-β、IFN-γ、促炎細(xì)胞因子IL-5和IL-13等的表達(dá)來(lái)抑制炎癥反應(yīng)，其中，IFN-β作為一種具有抗炎特性的細(xì)胞因子已被證實(shí)對(duì)李斯特氏菌的感染有益，進(jìn)而證實(shí)病原微生物在影響宿主miRNAs表達(dá)的同時(shí)，宿主也可通過(guò)miRNAs應(yīng)對(duì)病原微生物的感染[22]。

2.2鼠傷寒沙門(mén)氏菌 一種被廣泛研究的革蘭氏陰性兼性細(xì)胞內(nèi)病原體，也是人類胃腸炎最常見(jiàn)的原因之一[23]。沙門(mén)氏菌感染對(duì)宿主miRNAs的影響首次在小鼠巨噬細(xì)胞中被描述，研究發(fā)現(xiàn)上調(diào)的miRNAs主要有四種，其中miR-155、miR-146a/b、miR-21依賴NF-κβ通道來(lái)發(fā)揮作用。而miR-29a是以(CAV 2)為靶點(diǎn)抑制cdc42酶進(jìn)而抑制沙門(mén)氏菌對(duì)上皮細(xì)胞的入侵，下降的micRNA有兩種：傳統(tǒng)研究中的let家族(通過(guò)調(diào)節(jié)IL-6、IL-10)發(fā)揮作用，以及最新研究中的miR-15，是通過(guò)抑制周期蛋白D1來(lái)抑制沙門(mén)氏菌[24]。

2.3幽門(mén)螺桿菌 是一種革蘭氏陰性桿菌，是胃炎、消化性潰瘍和胃癌的主要病因[25]。據(jù)估計(jì)，全球大約一半人口感染了幽門(mén)螺桿菌。眾多研究證實(shí)，與幽門(mén)螺桿菌感染密切相關(guān)的，例如miR-21和miR-222靶向腫瘤轉(zhuǎn)移抑制基因RECK，miR-584和miR-1290靶向FOXA1發(fā)揮作用，miR-155和let-7家族主要通過(guò)NF-κβ信號(hào)通路參與調(diào)控，miR30b則靶向ATG12和BECN-1，而miR-370和miR-320分別作用于FoxM1和抗凋亡基因MCL1。上述miRNAs通過(guò)影響細(xì)胞增殖、自噬等途徑影響幽門(mén)螺桿菌的生長(zhǎng)[24]。

2.4其他病原微生物 金黃色葡萄球菌感染后誘導(dǎo)miR-155高表達(dá)，引起IFN的分泌和炎癥反應(yīng)；奶牛乳腺感染大腸桿菌后，miR-144、miR-451、miR-7863表達(dá)顯著異常，參與調(diào)控大腸桿菌感染引起的炎癥反應(yīng)[26]；羊種布魯氏菌(一種兼性胞內(nèi)的革蘭氏陰性細(xì)菌)感染會(huì)導(dǎo)致let7b、miR-92a、miR-93、miR-181b和miR-1981等的表達(dá)發(fā)生變化[24, 27]，并參與宿主細(xì)胞的凋亡、自噬和免疫反應(yīng)。

以上研究表明，入侵人體的病原微生物為了確保它們的生存和復(fù)制，通過(guò)將效應(yīng)蛋白傳遞到宿主細(xì)胞來(lái)達(dá)到操縱宿主細(xì)胞的目的。因此miRNA的差異表達(dá)是細(xì)菌控制宿主細(xì)胞通路新的分子策略，同時(shí)也是宿主在病原菌感染時(shí)感染應(yīng)答的重要組成部分。

3 腸道微生物調(diào)控宿主miRNAs表達(dá)

腸道微生物不僅受到宿主的調(diào)控，還會(huì)通過(guò)特定方式影響宿主和其他微生物，來(lái)為自身的生長(zhǎng)營(yíng)造更好的環(huán)境。研究表明，幽門(mén)螺桿菌通過(guò)上調(diào)miR-1289抑制HKα(H+ / K+ATP酶的一個(gè)亞單位)，進(jìn)而減少胃酸化，促進(jìn)其自身在胃上皮的定殖[24]；分枝桿菌通過(guò)誘導(dǎo)miR-33上調(diào)來(lái)抑制自噬和脂肪酸氧化的整合途徑，以逃避溶酶體的傳遞和促進(jìn)脂質(zhì)體的積累，進(jìn)而在巨噬細(xì)胞中存活[28]。關(guān)于微生物誘導(dǎo)miRNAs表達(dá)變化的機(jī)制尚未完全闡明，有觀點(diǎn)認(rèn)為，細(xì)菌效應(yīng)蛋白分泌到宿主細(xì)胞中，作為RNA沉默抑制因子/激活因子直接或間接調(diào)節(jié)宿主miRNAs途徑；也有觀點(diǎn)認(rèn)為，病毒RNA可直接介導(dǎo)特定宿主miRNAs的降解。目前，研究人員正在積極尋找腸道微生物調(diào)控宿主miRNAs表達(dá)的確切機(jī)制。

4 總結(jié)

RNA測(cè)序技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，使宿主腸道微生物環(huán)境發(fā)生改變時(shí)miRNAs變化的系統(tǒng)分析成為可能，使得宿主miRNAs對(duì)腸道微生物環(huán)境作用的研究得到突破性發(fā)展。但上述研究暴露了一個(gè)共同的問(wèn)題，即miRNA表達(dá)的變化高度依賴于細(xì)胞環(huán)境，不同的細(xì)胞類型對(duì)同一種類型的腸道微生物反應(yīng)不同，且上述絕大多數(shù)細(xì)菌誘導(dǎo)的miRNA表達(dá)變化背后的機(jī)制尚不完全清楚。而miRNAs作為聯(lián)系宿主與腸道微生物的媒介，在宿主及腸道菌群基因表達(dá)調(diào)控中發(fā)揮重要作用，與人體生理及病理狀態(tài)息息相關(guān)。因此在未來(lái)，隨著宿主與腸道菌群相互作用分子機(jī)制的深入闡明miRNAs調(diào)控宿主與腸道微生物的研究將為疾病診斷及靶向治療等領(lǐng)域開(kāi)辟新的方向， 具有廣泛的研究前景。