microRNA與營養研究進展

滿朝來，李 鳳，唐高霞，甄 鑫，弭曉菊

（哈爾濱師范大學生命科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150025）

microRNA與營養研究進展

滿朝來，李 鳳，唐高霞，甄 鑫，弭曉菊

（哈爾濱師范大學生命科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150025）

microRNA（miRNA）是參與轉錄后調控的一類非編碼小RNA分子，許多營養元素能夠影響和調控miRNA的表達活性，進而間接發揮生物學作用。本文簡要總結miRNA的表達與功能，同時概述食物來源miRNA的生物學意義，以及營養元素對機體內源miRNA表達活性的影響，最后對營養元素影響miRNA表達活性的可能應用前景也進行簡單探討，以期為miRNA在營養學理論和實踐中的深入研究和應用提供參考。

microRNA；營養；表達；腫瘤

基因組含有兩類遺傳信息，一類是以DNA序列本身為遺傳信息，指導合成生命所需的蛋白質；另一類是表觀遺傳學信息，即DNA序列未發生變化，而表型發生了改變，并且這種改變在胚胎發育和細胞增殖過程中能夠穩定遺傳。脊椎動物后天發育中的表觀遺傳分子修飾機制主要包括：1）DNA甲基化的修飾，即在不同的生理病理條件下，使相同的等位基因處于不同的修飾狀態；2）組蛋白的修飾，即組蛋白的乙酰化、去乙酰化、磷酸化、甲基化等修飾；3）非編碼RNA（包括snRNA、snoRNA和microRNA等）的調控，其中以microRNA（miRNA）尤其引人注目，miRNA可對靶基因轉錄后mRNA水平的翻譯和穩定性進行調控；4）印記基因。這幾種機制之間相互關聯和影響，在機體生理和代謝中發揮著重要的調控作用。

目前，關于miRNA的調控研究已經成為近年來表觀遺傳學機制研究的熱點之一。miRNA以其多樣性、復雜性、功能廣泛性和應用價值多樣性等特點，成為了研究表觀遺傳學在農業和醫學中應用的焦點。本文簡要綜述營養元素對動物miRNA表達調控的影響和關系，以期為營養元素作用機制的深入研究提供參考。

1 miRNA的表達與功能

miRNA是一類長度約17～25 個核苷酸，在進化上高度保守的內源性非編碼RNA，廣泛存在于真核生物細胞內，miRNA通過調控各類基因的表達活性，在生物的多種生命活動中發揮著重要調控作用。miRNA的生物合成及作用機制在動植物中略有差異，動物體內miRNA常以基因簇形式存在于基因組中，并且來自同一基因簇的miRNA常常具有較高的同源性；而植物miRNA只有極少數以基因簇形式存在，多數是由單一miRNA基因序列轉錄而來[1]。

動物miRNA基因首先在細胞核內RNA聚合酶Ⅱ的作用下轉錄成長鏈的初級轉錄物pri-miRNA，然后RNaseⅢ家族成員Drosha將pri-miRNA加工成為70～100 nt的具有莖環結構的pre-miRNA，pre-miRNA在核轉運蛋白Exportin-5的協助下運送出核，在細胞質內經另一個RNaseⅢ家族成員Dicer的作用被加工成長度為17～25 個核苷酸的雙鏈miRNA，最后雙鏈miRNA中的一條鏈結合到RISC（RNA-induced silencing complex），成為成熟的單鏈miRNA，而另一條鏈則被降解[2-5]；而在植物中，轉錄與加工過程是偶聯的，都在細胞核中進行，不存在前體miRNA從細胞核運送至細胞質的過程[6]。

miRNA在轉錄后水平上調節基因的表達，可以和靶mRNA序列通過堿基互補結合，抑制mRNA的翻譯或使其降解。miRNA具有極高的進化保守性、表達時序性、組織特異性及分子穩定性等特點。miRNA在細胞增生分化與凋亡、免疫調節、腫瘤發生、胚胎發育和生物標記物等領域發揮著廣泛的生物學作用，所以了解影響miRNA表達的營養因素，對于深入理解miRNA的調控機制和疾病的發生與防治，具有重要的理論和實踐意義。

2 食物來源miRNA的意義

食物來源的miRNA可以進入動物體內，這使人們感動很是驚訝。Kosaka[7]、Weber[8]和Zhou Qi[9]等分別在人的乳汁中發現miRNA的存在，雖然miRNA在多種體液（如血液、腦脊液、尿液、精液、唾液、羊水、胸腹水、乳汁和陰道分泌物等）中被發現，但一些miRNA是乳汁特有的，而且許多免疫相關的miRNA在乳汁中具有高度穩定性，暗示乳汁中miRNA可能通過哺乳傳遞給嬰兒，進而在嬰兒生長發育和免疫過程中發揮調控功能。令人興奮的是，Zhang Lin等[10]研究發現飲食來源的miRNA不但可以進入動物血流和組織，并且能夠參與調控動物靶基因的表達。他們發現植物來源的miR-168a進入機體后，能夠靶向結合人或小鼠的低密度脂蛋白受體接頭蛋白1（low-density lipoprotein receptor adapter protein 1，LDLRAP1）的mRNA，進而抑制肝臟中LDLRAP1的表達，降低血漿中的低密度脂蛋白。但是，Snow等[11]通過對人、小鼠和蜜蜂等分別喂服富含miRNA的水果、富含miR-21的動物脂肪和花粉后，均未發現明顯的食物來源miRNA傳遞到體內的現象，所以他們認為通過飲食方式的miRNA水平傳遞是有限的。另Witwer等[12]利用富含miRNA的植物食物飼喂豚尾猴，然后檢測飼喂前后的血液循環中miRNA的變化，結果雖然在血液中觀察到了一些植物miRNA，但鑒定結果是多變的和非特異的，也未發現與飲食miRNA攝入量相匹配的結果。總之，已確定食物來源的miRNA可以傳遞到動物機體的循環系統，至于這些食物來源的miRNA在動物機體內的生物學作用和意義有多顯著，還需要更多的后續研究。

3 營養元素對動物機體內源miRNA表達的影響

近年來，越來越多的研究證明營養元素可以調控動物機體內源miRNA的轉錄水平，而且能夠調控miRNA轉錄活性的營養物質也不斷被發現，包括氨基酸、葡萄糖、脂肪酸、植物素、維生素和礦物質等，有關這方面研究的文獻較多，本文試舉幾例進行簡單說明。

首先，氨基酸在動物機體的生長代謝和發育中起著基本的生物學作用，研究發現氨基酸能夠對miRNA表達起調控作用。Drummond等[13]研究了8 種混合的必需氨基酸對人骨骼肌miRNA表達的影響，結果表明，這些必需氨基酸能夠顯著上調miR-499、miR-208b、miR-23a、miR-1和miR-206的表達量（P＜0.05），進一步分析發現這些miRNA可能在調控肌肉發育相關基因表達和促進肌肉蛋白合成等方面具有重要功能。另外Chen Xiaoling等[14]研究也發現亮氨酸能夠上調miR-27a的表達，有促進小鼠成肌細胞C2C12增生的作用。

其次，葡萄糖也是影響miRNA活性表達的營養元素，Druz等[15]發現葡萄糖缺乏能夠誘導小鼠足狀細胞（podocyte cell）miR-466h-5p表達水平的上調；Dey等[16]發現高血糖能夠誘導小鼠腎細胞miR-21表達上調；Long Jianyin等[17]也發現高糖條件會誘導小鼠腎細胞高表達miR-29c，進而參與誘導細胞凋亡，這些研究發現可能對腎性糖尿病的防治具有一定意義。

再次，脂肪酸在miRNA的表達調控中也發揮著重要作用，Davidson等[18]利用含玉米油或魚油的食物飼喂Sprague-Dawley大鼠，同時注射氧化偶氮甲烷（azoxymethane，AOM），結果發現與對照組（注射鹽類）相比，在腫瘤發展的早期階段，食物和致癌物的相互作用能夠顯著影響let-7d、miR-15b、miR-107、miR-191和miR-324-5p的表達，但飼喂魚油的實驗組miRNA的表達差異整體變化表現為最小，表明魚油在保護結腸免受致癌物誘導的miRNA表達紊亂中具有調控功能。后續的研究進一步發現，飲食和致癌物的暴露也能夠調控著許多與腫瘤信號途徑相關miRNA（如miR-16、miR-19b、miR-21、miR26b、miR27b、miR-93和miR-203）的表達活性[19]。在大腸中，膳食纖維的微生物厭氧發酵所產生的短鏈脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA）對腸道miRNA的調控也受到了人們的關注，Hu Shien等[20]研究發現SCFA的丁酸鹽能夠改變HCT-116結腸癌細胞44 種miRNA的表達，推測微生物來源的SCFA可能通過調控宿主基因和miRNA的表達，進而參與調控腸道穩態和腫瘤發生。此外，Parra等[21]也發現共軛亞油酸（conjugated linoleic acids，CLA）能夠影響脂肪細胞miRNA的表達，這對調控脂肪細胞生長和代謝可能具有意義。

另外，植物化學物（phytochemicals）種類繁多，是影響動物機體miRNA表達的一類重要物質。多酚是人類飲食中最多的抗氧化物質，廣泛存在于水果和飲料（如茶葉、咖啡和酒類）中，研究表明多酚能夠影響機體miRNA的表達。例如，綠茶多酚中的表沒食子兒茶酚沒食子酸酯（epigallocatechin gallate，EGCG）被認為具有抗癌效應，Tsang等[22]利用EGCG處理人肝癌細胞HepG2，發現能夠分別上調13 種和下調48 種miRNA，miR-16是其中被上調的miRNA之一，而miR-16的靶標是抗凋亡基因Bcl-2，所以EGCG具有誘導細胞凋亡的生物學效應。前列腺癌是一種受生活方式（特別是飲食）顯著影響的疾病，許多種多酚類物質具有影響前列腺腫瘤的DNA甲基化、組蛋白轉錄后修飾和miRNA的表達方式等功能，所以富含多酚的飲食可能在前列腺癌的防治中具有重要的意義[23-25]。此外，異硫氰酸丙烯酯（allyl isothiocyanate）、辣椒素（capsaicin）、2-氰基-3,11-二氧代-18β-齊墩果烷-1,12-二烯-30-羧酸甲酯（CDODA-Me）和2-氰基-3,12-二氧代齊墩果-1,9（11）-二烯-28-酸甲酯（CDDO-Me）、姜黃素（curcumin）、并沒食子鞣質（ellagitannin）、染料木黃銅（genistein）、吲哚-3-甲醇（I3C）、植物凝集素（lectin）、尼古丁（nicotine）、槲皮素（quercetin）和白藜蘆醇（resveratrol）等也被發現具有調控miRNA表達的能力[26]，這里不再贅述。

此外，維生素對miRNA的表達調控也不容忽視。Tang Xuelian等[27]利用羅非魚（Oreochromis niloticus）研究發現，VE能夠影響肝臟多種miRNA的表達活性，并且VE的分子作用機制部分可能是通過miRNA途徑而實現的。另外，Gaedicke等[28]利用缺乏和足量VE的食物飼喂小鼠，發現缺乏VE的實驗小鼠肝臟中miR-122a和miR-125b含量降低。飲食中的葉酸也具有調控miRNA表達的功能，Marsit等[29]利用不同的葉酸條件處理人淋巴細胞，發現葉酸缺乏會誘導miRNA表達水平的整體上調，其中，miR-22在葉酸缺乏條件下會顯著的過表達。Kutay等[30]利用缺乏葉酸、蛋氨酸和膽堿的食物誘導小鼠肝癌模型，與對照組比較發現，實驗組小鼠肝臟中let-7a、miR-21、miR-23、miR-130、miR-190和miR-17-92表達上調，肝臟特異性高表達的miR-122卻下調，而肝臟miR-122表達下調是肝臟腫瘤發生的特異性過程，這表明miR-122不但能夠作為肝癌的生物標記物，也為肝癌的飲食防治提供了靶向參考。視黃酸（retinoic acid，RA）是VA的一個活性代謝產物，Garzon等[31]利用RA處理人急性白血病細胞（human acute promyelocytic leukemia）后，結果發現有多種 miRNA（miR-15a、miR-15b、miR-16-1、let-7a-3、let-7c、let-7d、miR-223、miR-342和miR-107）表達上調，而miR-181b表達下調。Wang Xuening等[32]發現VD的活性代謝產物1, 25-dihydroxyvitamin D（3）也能夠誘導白血病細胞HL60和U937的miR-181a和miR-181b的表達下調，參與細胞的分化。此外，還發現VH和輔酶Q也具有調控miRNA表達的能力[26]。

最后，礦物質也是影響miRNA表達活性一個重要因素。Maciel-Dominguez等[33]將Caco-2人結腸癌細胞在缺硒和富硒的培養基中培養72 h，然后利用微陣列技術檢測miRNA的表達變化，結果發現在表達的145 種miRNA中，有12 種miRNA（miR-625、miR-492、miR-373*、miR-22、miR-532-5p、miR-106b、miR-30b、miR-185、miR-203、miR1308、miR-28-5p和miR-10b）在缺硒的環境中表達改變，并且能夠影響50 種基因（其中包括GPX1、SELW、GPX3、SEPN1、SELK、SEPSH2和GPX4等）的表達活性改變。鐵對許多細胞功能，包括DNA合成、ATP生成和細胞增生等都是基本的營養元素，并且鐵的穩態是被高度調控的。Li Yujing等[34]研究發現細胞中的鐵能夠通過多聚胞嘧啶結合蛋白2（poly（C）-binding protein 2，PCBP2）來調控miRNA的活性，PCBP2與Dicer酶相關聯，進而調控pre-miRNA的生成，所以鐵在miRNA的生成中發揮調控作用。

值得一提的是，食物缺乏或饑餓也可以影響發育相關miRNA的表達。Gat-Yablonski[35]和Pando[36]等研究發現食物缺乏或饑餓也會減少多種miRNA的表達水平，其中包括下調軟骨細胞特異的miR-140，這將導致其下游靶標Sirtuin 1（一種Ⅲ類組蛋白脫乙酰酶）的表達上調，進而影響骨骼的生長發育。

4 結 語

目前，眾多文獻報道均確鑿地證明營養元素對動物機體miRNA表達活性具有調控作用，但大多報道仍處于研究miRNA發生活性變化的數量、種類、組織分布和功能預測等層面，加之miRNA的數量眾多，以及miRNA下游靶標的多樣性，無形中增加了功能研究的復雜性。此外，很多研究是采用營養元素直接處理和作用細胞，直接觀察分析細胞水平的miRNA表達變化，但是這些營養元素在人或動物日常飲食中到達靶組織的含量可能會很低，所以通過飲食攝取的方式改變內源miRNA表達變化的能力可能會較小，加之食物來源的多樣化也會誘導miRNA表達變化的復雜化，不同miRNA功能各異，并可能相互影響，所以營養元素介導體內miRNA表達活性改變的生物學功能還有待于深入研究。

總之，miRNA的表達與營養物質間確實存在著密切的調控關系。將miRNA的表達水平作為營養指標的生物標記物，或利用營養元素誘導特異性miRNA表達用于疾病防治，這些研究方向都可能具有潛在的巨大開發和利用價值。相信隨著研究的深入，越來越多的營養物質與特定功能miRNA的表達關系被逐漸理清，人們利用miRNA來監測機體營養狀況，或應用營養元素用來防治相關疾病的道路將不再遙遠。

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microRNAs and Nutrition

MAN Chao-lai, LI Feng, TANG Gao-xia, ZHEN Xin, MI Xiao-ju
(College of Life Science and Technology, Harbin Normal University, Harbin 150025, China)

microRNAs (miRNAs) are a family of important small non-coding RNA molecules, which participate in posttranscriptional control of gene expression. A number of nutrient elements can play biological roles by affecting and regulating the expression and activities of miRNAs. In this review, we briefly summarize the sources and functions of miRNAs. Also, we analyze the biological significances of food-derived miRNAs, and the influences of nutrient elements on endogenous miRNAs expression. Additionally, the possible applicati ons of miRNAs expression affected by nutrient elements are also discussed. We hope that this paper can provide references for further study and applications of miRNAs in the field of nutritional science.

microRNAs; nutrition; expression; tumor

TS201.4

A

1002-6630（2014）21-0322-04

10.7506/spkx1002-6630-201421061

2013-12-10

黑龍江省教育廳科研項目（12511140）

滿朝來（1976—），男，副教授，博士，研究方向為分子生物學。E-mail：manchaolai@126.com