長鏈非編碼RNA調控動物脂肪沉積研究進展與趨勢

張 愨，蔡 瑞，龐衛軍

(西北農林科技大學 動物脂肪沉積與肌肉發育實驗室 陜西省動物遺傳育種與繁殖重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

脂肪組織作為動物胴體組成的重要部分，其含量多少決定著肉用家畜肉產量高低和肉品質的優劣，并與生產效益緊密相關[1]。動物脂肪組織根據在軀體部位的分布主要可以分為皮下脂肪組織和內臟脂肪組織兩種類型，皮下組織是體內脂肪最大的儲存場所。根據其功能皮下脂肪組織又可分為白色脂肪組織和棕色脂肪組織，白色脂肪組織主要用于動物儲存能量，以供機體在需要的時候利用，是體內脂肪的主要儲存形式，而棕色脂肪組織因其內部充滿著大量的線粒體，主要負責能量的消耗與產熱，維持機體能量平衡[2]。脂肪細胞是脂肪組織的主要組成單位，其成熟過程大致分為兩個階段，一是從間充質干細胞定向分化為前體脂肪細胞，二是由前體脂肪細胞終末分化為成熟的脂肪細胞[3]。lncRNA是一類調控眾多生物學過程的非編碼RNA分子，在脂肪細胞分化的整個過程中都發揮著重要的調控作用[4]。本文總結近年來該領域的研究進展并結合本團隊取得的研究成果，綜述lncRNA在動物脂肪沉積過程中的調控作用，以期進一步完善lncRNA的分子調控網絡，為家畜肉品質改良提供新的靶點和理論基礎。

1 lncRNA概述

lncRNA是一類長度大于200 個核苷酸，主要由RNA聚合酶II轉錄的不具備蛋白編碼潛能的RNA分子[5]。LncRNA作用機制多樣，功能廣泛，分類方式也有多種多樣，與mRNA不同的是，lncRNA在不同組織、細胞、發育階段具有較強的特異性和較差的物種間序列保守性[6]。目前，lncRNA根據來源于基因組的位置可將其分為正義的(sense)、反義的(antisense，AS)、雙向的(bidirectional)、內含子的(intronic)和基因間的(intergenic) lncRNA[7]；根據其在細胞中的定位分為細胞核lncRNA、細胞質lncRNA以及外泌體中的lncRNA[8]；根據其作用方式是否作用于同一染色體上基因的表達，又可分為順式調控lncRNA(cis-lncRNA)和反式調控lncRNA(tran-lncRNA)[9]；而根據其所發揮的功能，則可將lncRNA分為誘餌分子、信號分子和誘導分子等[10]；根據其物種間的序列保守性又可分為不保守lncRNA和超級保守(ultraconserved lncRNA, ucRNA)[11-13]等。近年來研究發現少數lncRNA存在開放式閱讀框可以編碼微肽，因編碼微肽區域在各物種間具有較高的保守性，起初被人們認為不具備調控基因表達的功能，但最新的研究表明,lncRNA編碼的微肽可以調控基因表達[14]。

機體轉錄的lncRNA數量遠遠多于功能基因mRNA的數量，其功能又較廣泛。因此，lncRNA對動物脂肪沉積領域的作用機制研究值得關注。

2 lncRNA調控動物白色脂肪沉積

長期以來人們認為動物白色脂肪脂肪組織僅是一種能量儲存器官，當脂肪細胞分泌的一些細胞因子被發現之后，才認識到脂肪組織還是一個重要的內分泌器官，它可參與調控動物激素合成、繁殖潛能、能量平衡及免疫等多種生理現象。而研究脂肪細胞的成脂分化對以上過程的調控特別是家畜肉質改善具有重要意義[15]。lncRNA不具備編碼蛋白能力，而是以RNA的形式在多種層面上調控基因的表達水平，下面將從轉錄、轉錄后和表觀遺傳水平三方面探討lncRNA調控動物白色脂肪沉積的研究進展。

2.1 轉錄水平

轉錄水平調控是基因表達調控的重要方式，lncRNA可以通過順式或反式作用從轉錄水平調控鄰近基因(同一染色體)及非鄰近基因(不在同一染色體)的表達水平[16]。類固醇受體RNA激活因子(steroid receptor RNA activator，SRA)是一種轉錄共調節因子, 在調控基因轉錄的分子機制上以lncRNA不同轉錄本形式發揮作用，可以增強類固醇受體、非類固醇受體以及其他轉錄因子活性[17]。有研究通過構建SRA敲除鼠，發現SRA可以募集成脂關鍵轉錄因子過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferators-activated receptor γ, PPAR γ)，增強其轉錄活性，促進脂肪細胞分化并影響胰島素相關信號通路轉導[18-19]。有人對小鼠脂肪細胞進行RNA測序，鑒定了調控成脂的一系列lncRNA, lnc-RAP-n, 這些lncRNA啟動子區域存在成脂關鍵轉錄因子PPAR γ、CCAAT增強子結合蛋白(CCAAT/enhancer binding protein α，CEBP α)的結合位點，能夠參與調控脂肪細胞成脂分化過程，其中lnc-RAP-1，可以與核內不均一核糖核蛋白(heterogeneous ribonucleo protein U, hnRNPU)結合從而轉錄水平調控成脂標志基因表達[20]。增強子lncRNA(enhancer lncRNA, eRNA)是一類最新發現的lncRNA類型，在染色質構象改變和轉錄水平調控方面有關鍵作用[21-22]。lnc-leptin是在leptin上游增強子區域轉錄的增強子lncRNA，敲低lnc-leptin能減弱leptin表達并抑制脂肪細胞分化，通過染色質構象捕獲技術發現lnc-leptin通過改變染色質構象縮短其與leptin啟動子的距離，促進二者之間結合轉錄調控leptin表達[23]。

增強子lncRNA作為lncRNA轉錄調控的重要方式[24]，在真核生物的發育過程中通過結合轉錄因子、輔因子以及染色質復合物作用于啟動子，激活或促進細胞分化過程中基因的轉錄，其對動物脂肪沉積領域的調控機制還有待于進一步深入研究。

2.2 轉錄后水平

研究表明，lncRNA能參與復雜的基因轉錄后水平調控，包括調節mRNA前體剪接、穩定性、降解、翻譯以及蛋白質活性等過程[25-26]。機制研究較為清楚的是lncRNA能作為內源性競爭RNA(competitive endogenous RNA, ceRNA)直接競爭結合miRNAs的結合位點來增加其靶基因穩定性，削弱miRNA對靶基因的抑制作用[27-32]。本團隊前期研究發現PU.1 AS lncRNA能夠與其 mRNA結合形成內源性RNA二聚體，抑制PU.1 mRNA 的翻譯，下調PU.1 表達水平從而抑制豬前體脂肪細胞生脂[33]； Adiponectin AS RNA通過核質轉移與其mRNA形成內源性二聚體削弱脂聯素的翻譯，過表達Adiponectin AS RNA能夠抑制脂肪沉積[34]。牛脂肪細胞中差異表達的lncRNA-ADNCR，可以通過競爭性結合miR-204，促進其靶基因SIRT1表達，從而降低成脂標志基因表達，抑制脂肪細胞分化[35]。此外，lncRNA也可以在轉錄后水平調控蛋白質活性，在脂肪細胞分化過程中lncRNA NEAT1通過增加SRP40蛋白的磷酸化水平來調節PPAR γ2的可變剪切，促進脂肪細胞分化[36]。

ceRNA假說是目前lncRNA在轉錄后水平調控基因表達的最常見方式，相比單獨的mRNA與miRNA調控網絡，ceRNA調控網絡更為精細和復雜，涉及更多的RNA分子，它為更全面、深入地解釋一些生物學現象提供了依據。

2.3 表觀遺傳水平

研究表明，大多數lncRNA是屬于細胞核lncRNA，而細胞核lncRNA的功能都與染色質相關，這類lncRNA被稱為染色質富集RNA(chromatin-enriched RNAs, cheRNAs)[37-38]。cheRNAs通過調節組蛋白和DNA甲基化、組蛋白乙?；蚐UMO化等表觀遺傳修飾，對染色質構象進行重塑從而調控大量基因表達[39-40]。研究表明，lncRNA Xist以順式作用或反式作用形式結合多梳家族蛋白復合物2 (polycomb-group proteins 2, PRC2)，調節基因轉錄水平表達[41]。間充質干細胞成脂分化中差異表達的lncRNA ADINR，可以特異性結合PA1并募集組蛋白甲基化轉移酶復合物3/4 (methylates lysine, MLL3/4)增加C/EBPα啟動子組蛋白3第4位賴氨酸的甲基化修飾(histone H3 lysine4 Methylation, H3K4)，降低組蛋白3第27位賴氨酸的甲基化修飾(histone H3 lysine27 Methylation, H3K27)甲基化水平，順式調控C/EBPα轉錄活性，正向調控成脂。

3 lncRNA調控棕色脂肪能量消耗

白色脂肪組織主要以甘油三酯形式貯存能量，參與內分泌信號和代謝免疫交互。棕色脂肪組織含有豐富的線粒體和高表達的解偶聯蛋白1(uncoupling protein 1, ucp1)，通過解偶聯呼吸作用促進能量消耗來抵抗飲食誘導的肥胖[42]。近年來，有關lncRNA調控棕色脂肪產熱以及白脂棕色化的研究報道越來越多[43-45]。有研究通過棕色脂肪組織和棕色脂肪細胞轉錄組測序，鑒別了31423個lncRNA，其中21個lncRNA富集在棕色脂肪組織，Blnc1(Brown fat lncRNA 1)與轉錄因子EBF2形成核糖核蛋白復合物構成反饋環驅動產熱相關程序，調控產熱和成脂[46-47]。為研究lncRNA對棕色脂肪產熱及其作用機制，對小鼠棕色脂肪、腹股溝脂肪、附睪脂肪轉錄組測序，發現lnc-BATE1特異性直接結合不均一核糖核蛋白hnRNP U形成核糖核蛋白復合物，反式作用調控成脂，來維持棕脂活性和激活產熱[48]。冷刺激等條件可刺激交感神經產生去甲腎上腺素(norepinephrine, NE)，其與β3腎上腺素素受體結合，激活下游的cAMP /PKA (cyclic-AMP dependent protein kinase A)信號通路，進而促進脂解、激活棕色脂肪與米色脂肪的產熱基因，是經典的白色脂肪棕色化誘導劑促進動物發生白色脂肪棕色化[49-51]。研究發現在冷刺激條件下，超保守lncRNA uc.417的表達顯著下調，對其功能機制研究發現，過表達lncRNA uc.417通過抑制p38-MAPK信號通路的磷酸化水平抑制線粒體產熱基因表達和氧化呼吸[52]。相反，AK079912和GM13133在冷刺激條件下表達上調，并促進白色脂肪棕色化[53-54]。

4 問題與展望

隨著高通量測序技術的快速發展與廣泛應用以及lncRNA研究手段的不斷成熟，越來越多的lncRNA正在被發現和挖掘出來，大量的lncRNA能參與調控動物脂肪沉積過程(圖1)，LncRNA可以決定多能干細胞的成脂分化命運。成熟的白色脂肪細胞將甘油三酯儲存在單個大脂滴中，而棕色脂肪細胞則具有豐富的小脂滴并且富含線粒體，但其多樣的作用機制和復雜的調控機理還有待進一步闡釋。

圖1 lncRNA參與調控白色脂肪細胞和棕色脂肪細胞的生成

4.1 超保守lncRNA調控動物脂肪沉積

超保守lncRNA是一類新發現的在人、鼠和大鼠等多物種間高度保守的非編碼RNA，一直以來認為超保守lncRNA僅在物種進化過程中扮演著重要角色，最新的研究密集指出超保守lncRNA也能調控動物生產性狀[55-58]，未來超保守lncRNA對動物脂肪沉積的作用及機制可能是潛在的研究熱點。

4.2 lncRNA作為動物育種的生物標記

在生物醫學領域，lncRNA作為某些疾病的生物標記[59-61]?；趌ncRNA與動物生產性狀緊密相關[62-63]，推測lncRNA很可能成為動物脂肪沉積新的生物標記，將用于動物脂肪性狀的選育和人類脂肪疾病的檢測。