李莉莎綜述，胡瓊英，熊大遷審校

0 引 言

腸道菌群是人體腸胃中一個極其多樣化的微生物生態(tài)系統(tǒng)，參與構(gòu)成腸道黏膜屏障并發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，控制營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝，其組成和豐度的變化與多種疾病的發(fā)生相關(guān)。許多因素可造成腸道菌群的變化，包括抗生素的使用、病原體的感染、飲食或休息的不規(guī)律等，此外還發(fā)現(xiàn)，微小RNA（microRNAs，miRNAs）的調(diào)控作用也可能促使腸道菌群發(fā)生改變，腸道菌群與宿主之區(qū)間的部分通訊由miRNAs媒介而發(fā)生［1］。在過去的幾十年中，研究人員在研究理解miRNA編碼基因的結(jié)構(gòu)、miRNA如何抑制蛋白質(zhì)翻譯過程方面取得了巨大的進展，發(fā)現(xiàn)miRNA幾乎能夠直接或間接影響機體所有的生物學(xué)進程。腸道菌群能與miRNA彼此相互調(diào)控，在維持腸道屏障正常功能等人體健康方面共同發(fā)揮作用，這一過程主要涉及miRNA調(diào)控宿主基因的表達、腸道菌群對宿主miRNA表達的影響以及宿主miRNA的表達對腸道菌群的塑造。對前期腸道菌群和miRNA在機體中的單獨調(diào)控作用進行綜合性研究，其結(jié)果不僅是兩者實驗結(jié)果的疊加，還能發(fā)現(xiàn)相關(guān)病理變化時所涉及的更多、更明確的生物信號分子和具體通路，為糖尿病等相關(guān)代謝性疾病的早期診斷、新型靶向治療藥物的研發(fā)提供新的思路和策略。

1 腸道菌群及miRNA

人類腸道菌群編碼基因超過500萬個，其DNA數(shù)量比人類多 150～500倍［2］，數(shù)量與宿主自身細胞數(shù)相當(dāng)［3］。腸道菌群參與構(gòu)成腸道黏膜屏障并發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，控制營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝，與機體的炎癥和免疫能力等相關(guān)［4］。腸道菌群的組成隨著時間的推移趨于相對穩(wěn)定，其對機體的危害或有益取決于其組成、多樣性及代謝上的改變，這些改變與許多病理過程及人類常見疾病有關(guān)，如免疫炎癥反應(yīng)、自身免疫性疾病、糖尿病、冠心病和腫瘤等［5-8］。其直接或間接的致病方式包括主導(dǎo)的TMA/TMAO代謝途徑，短鏈脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA）途徑，初級和次級膽汁酸途徑，以及過分泌脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）和肽聚糖（peptidoglycan，PGN）等［9-10］。

miRNA是人體內(nèi)一類內(nèi)源性、非編碼、大小約為20～22個核苷酸的單鏈RNA。miRNA最后7～8個堿基能夠通過與多種mRNA的3’非翻譯區(qū)的部分互補結(jié)合，在43S核糖體掃描過程中抑制早期翻譯過程［11］，從而對靶基因進行負調(diào)控，抑制相應(yīng)靶蛋白的合成。miRNA能從多個層面調(diào)控基因的表達，與廣泛的生物生理學(xué)和病理學(xué)過程密切相關(guān)，涉及細胞的增殖與凋亡、器官的發(fā)育、炎癥免疫反應(yīng)、腫瘤的發(fā)生等［12］。由于miRNA的變化早于靶基因的變化，復(fù)雜性相比蛋白質(zhì)要低得多；且miRNA在血液中不以游離的形式存在，而是大部分包裹于細胞外囊泡中，或是以大分子蛋白如高密度脂蛋白為載體進行轉(zhuǎn)運，因此在細胞外核糖核酸酶（Ribonuclease，RNase）活性較高的情況下仍非常穩(wěn)定［13-14］。以上特點使得將特異性miRNA作為預(yù)測和早期診斷相關(guān)疾病的生物標(biāo)志物具有相當(dāng)大的價值。

2 腸道菌群及miRNA的相互調(diào)控作用

最近的研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群和宿主之間的通訊可能部分由miRNA介導(dǎo)［1］，某些特異性的miRNA能被腸道菌群吸收，當(dāng)其進入菌體后，可調(diào)節(jié)細菌基因的表達，造成腸道菌群相關(guān)代謝途徑的改變，從而實現(xiàn)對機體的生物學(xué)過程的調(diào)控；另外，腸道細菌在致病過程中能通過某些免疫信號途徑誘導(dǎo)miRNA表達水平的改變，提示腸道菌群也能對miRNA的表達水平進行調(diào)控，從而實現(xiàn)對宿主基因表達的調(diào)節(jié)。

2.1 miRNA能夠調(diào)節(jié)腸道菌群眾所周知，miRNA在對抗細菌感染過程中至關(guān)重要，但對于miRNA如何調(diào)控腸道細菌進而影響宿主生理病理變化方面知之甚少。深究機制，Liu等［15］發(fā)現(xiàn)宿主細胞的miRNA可特異性地調(diào)節(jié)腸道菌群基因的表達，在維持宿主腸道菌群平衡中發(fā)揮著重要作用。該研究顯示，糞便miRNA主要來自于小腸上皮細胞和Hopx陽性細胞［15］，miRNA基因的初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物最初在細胞核中經(jīng)RNase的Drosha酶切割成前體miRNA，隨后進入細胞質(zhì)，在胞質(zhì)中經(jīng)Dicer酶進一步切割成為miRNA［16］。由于宿主miRNA在胞外不受RNase酶降解的影響［14］，具有部分穩(wěn)定性，所以能夠進入細菌，如具核梭桿菌和大腸埃希菌，通過與特定的細菌基因形成堿基對，改變細菌相應(yīng)基因的表達。Du等［17］研究中，通過對miR-146a基因缺陷小鼠與野生型小鼠腸道菌群16S rRNA V4區(qū)序列差異的分析，并利用腸道菌群的傳播特性，研究了2組小鼠共住是否能增加小鼠對單核細胞因子感染的易感性，由此證明miR-146a的能夠通過對腸道菌群的調(diào)節(jié)加劇產(chǎn)單核細胞李斯特菌對機體的感染，miR-146a的缺乏有助于維持腸道菌群的健康組成。此外，還發(fā)現(xiàn)宿主腸道中miRNA能夠通過對腸道菌群產(chǎn)物轉(zhuǎn)運的控制，抑制腸道的炎癥免疫反應(yīng)［18］。在這一過程中，炎癥結(jié)腸組織中的miR-193a-3p和肽轉(zhuǎn)運蛋白1（peptide transporter 1，PepT1）呈負相關(guān)，miR-193a-3p水平的升高可降低靶基因PepT1的轉(zhuǎn)運活性，使腸道菌群產(chǎn)物細菌肽轉(zhuǎn)運到結(jié)腸上皮細胞的量減少，進而通過抑制核因子κB（nuclear factor κB，NF-κB）通路，減輕腸道受損程度。

miRNA能夠進入細菌體，通過塑造腸道菌群進而實現(xiàn)對宿主的調(diào)控，可很好的解釋腸道菌群為何能在機體正常生理情況下維持長期穩(wěn)定。也反映出腸道菌群可間接從基因?qū)用鎱⑴c宿主的調(diào)控，使之針對個體腸道菌群的靶向治療更具現(xiàn)實意義。

2.2 腸道菌群能夠影響miRNA的表達為確定腸道菌群是否調(diào)節(jié)miRNA在宿主中的表達，在Vikram等［19］的實驗中，用加入廣譜抗生素的飲用水喂養(yǎng)無病原體（specific pathogen free，SPF）小鼠，6周后發(fā)現(xiàn)小鼠主動脈血管壁中的miRNA-204表達水平有所下降，表明抗生素通過改變腸道菌群的組成，調(diào)整了腸道菌群的代謝途徑，導(dǎo)致腸道相關(guān)miRNA的表達水平產(chǎn)生變化。Dalmasso等［20］將無菌（germ-free，GF）小鼠與SPF小鼠的腸道菌群進行定植，觀察到與之前的GF和SPF小鼠相比，定植后小鼠miRNA的表達表現(xiàn)出差異，最終發(fā)現(xiàn)腸道菌群可能通過下調(diào)MMU-miR-665來上調(diào)多藥耐藥相關(guān)蛋白基因的表達。此外，還發(fā)現(xiàn)腸道共有細菌能夠過分泌細胞壁成分LPS及 PGN，通 過 Toll樣 受 體 2/4（Toll-like receptor，TLR2/4）信號途徑，包括髓樣分化因子88（myeloid differentiation facter 88，MyD88）依賴途徑與MyD88非依賴途徑兩條信號通路，誘導(dǎo)小腸上皮細胞中miR-21-5p 的 表 達［21］。miR-21-5p 的 靶 基 因 包 括PTEN，PDCD4和Sprouty（SPRY）1/2，分 別 能對PI3K-Akt、JNK-AP和Erk信號通路進行負調(diào)控，miR-21-5p能下調(diào)PTEN和PDCD4，通過Akt和JNK途徑誘導(dǎo)ADP核糖基化因子4表達，減少細胞膜上緊密連接蛋白以及降低腸道的通透性，激活免疫系統(tǒng)和炎癥通路，從而造成腸道屏障功能的紊亂。

綜上，分析了miRNA表達水平的變化和腸道菌群組成變化之間的雙向關(guān)系，顯示miRNA可通過腸道菌群抵抗病原體的侵襲；腸道菌群也能調(diào)控某些miRNA的表達，參與腸道的炎癥反應(yīng)和免疫應(yīng)答，維持或破壞腸道內(nèi)屏障穩(wěn)態(tài)。腸道菌群與miRNA的相互調(diào)控作用在機體病理生理過程中發(fā)揮著重要作用，雖然之前對于兩者的相互調(diào)控作用對宿主的調(diào)節(jié)有一定的研究基礎(chǔ)，但在誘發(fā)疾病時的相關(guān)代謝通路尚不清楚，距離腸道菌群和miRNA真正成為人類有效干預(yù)相關(guān)疾病的新靶點尚有一段距離。

3 腸道菌群-miRNA與糖尿病

隨著現(xiàn)代生活方式的改變，代謝性疾病如肥胖癥、糖尿病、冠心病等的發(fā)生率呈顯著上升趨勢，起病復(fù)雜、病程長且難以治愈，病理過程涉及表觀遺傳學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)等生命活動所有領(lǐng)域。miRNA幾乎可從基因?qū)用嫔险{(diào)控機體所有的生物學(xué)進程，代謝組學(xué)研究也表明腸道菌群能夠干預(yù)機體的代謝途徑，所以不難推測，兩者與糖尿病等代謝性疾病的發(fā)生有極大的關(guān)聯(lián)，而這一預(yù)測也得到了越來越多研究的支持?，F(xiàn)有研究提示，兩者的相互調(diào)控作用在控制宿主機體代謝方面起著不可替代的作用，其關(guān)系的失衡很可能會導(dǎo)致相關(guān)代謝性疾病的發(fā)生，進一步的深入分析可為糖尿病等代謝性疾病的早期預(yù)測及確定未來個性化靶向治療提供重要指標(biāo)。

糖尿病是一種常見的代謝紊亂性臨床綜合征，是遺傳和環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，其包括胰腺β細胞功能障礙，導(dǎo)致胰島素絕對不足的1型糖尿?。═ype 1 Diabetes，T1DM）；以及β細胞產(chǎn)胰島素能力未完全喪失，而使胰島素相對不足或抵抗的T2DM。miRNA被認為是胰腺β細胞功能完整性的重要決定因素，其既能夠調(diào)控β-細胞的發(fā)育以及導(dǎo)致功能障礙，還能通過調(diào)節(jié)外周靶組織（如脂肪組織）中的胰島素信號控制葡萄糖穩(wěn)態(tài)［22］，與β細胞的增殖與凋亡、胰島素生物合成和分泌等相關(guān)［23］。迄今為止，發(fā)現(xiàn)了大量與糖尿病相關(guān)的miRNA，包括miR-21、miR-23a-3p、miR-23b-3p、miR-149-5p 等［24-25］。Sims等［24］的試驗中，觀察到T1DM動物模型的胰島β細胞中miR-21的水平顯著升高，而miR-21的升高能夠抑制抗凋亡蛋白B細胞淋巴瘤2（B-cell lymphoma，Bcl-2）基因的表達，減少Bcl-2蛋白的合成，同時使細胞凋亡蛋白半胱氨酸蛋白酶-3增加，從而誘導(dǎo)β細胞的凋亡，使胰島素分泌減少和血糖升高。另外，miR-21的過表達也被證明會導(dǎo)致非酒精性脂肪肝的肝損傷及肝纖維化［26］，而非酒精性脂肪肝與T2DM相互預(yù)測了彼此的發(fā)生，且互為促進因素。在T2DM中，多種miRNA也表現(xiàn)出差異表達，最近發(fā)現(xiàn)miR-424-5p能與人肝癌細胞株中胰島素受體（insulin receptor，INSR）的mRNA 3’UTR序列的直接相互作用，使得INSR和胰島素受體底物1的表達減少，抑制了脂肪細胞中的胰島素基因的表達及特異性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，從而導(dǎo)致代謝綜合征期間脂肪細胞的胰島素抵抗［27］。

與此同時，越來越多的研究表明，在miRNA導(dǎo)致糖尿病的過程中腸道菌群也扮演著重要的角色［28-29］，在T1DM和T2DM患者中，腸道菌群的豐度及多樣性均發(fā)生了不同程度的改變［30-31］。Qin等［31］對345名中國T2DM患者進行了Meta分析，發(fā)現(xiàn)T2DM患者產(chǎn)丁酸的腸道細菌如梭桿菌屬、丁酸桿菌屬等的數(shù)量減少，而機會致病菌豐度增加。腸道菌群能協(xié)助宿主對攝入膳食進行代謝分解，將食物中的難消化多糖分解為SCFA。腸道菌群的SCFA途徑不僅能為宿主生命活動提供能量，還可通過激活其受體G蛋白偶聯(lián)受體41/43，維持組織中非結(jié)合脂類和葡萄糖的代謝平衡，干擾脂肪細胞中胰島素信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)，使脂肪組織脂肪積累減少［32-33］。SCFA包括丁酸、乙酸、丙酸等，其中丁酸被認為具有抗氧化、抑制糖尿病相關(guān)自身免疫反應(yīng)的作用［34］。有研究證實，丁酸與miR-106a的表達呈負相關(guān)，miR-106a的減少能使細胞周期抑制蛋白p21表達增加，部分抑制了腫瘤細胞的增殖［35］。此外，上文中提到的miR-21除能直接作用于靶基因Bcl-2，導(dǎo)致胰β細胞凋亡以外［24］，在誘發(fā)糖尿病的過程中也被認為受到了腸道菌群的控制。且學(xué)者以肥胖癥和糖尿病等代謝性疾病為研究背景，在構(gòu)建的高脂飲食的小鼠代謝適應(yīng)模型中，發(fā)現(xiàn)肝代謝過程中三酰甘油含量與腸道菌群和肝miRNA的表達有關(guān)，表示腸道菌群與肝miR-21表達之間的關(guān)聯(lián)可能腸道微生物通過調(diào)節(jié)miR-21的靶基因而產(chǎn)生代謝效應(yīng)［36］。研究顯示:無菌小鼠肝中三酰甘油含量低于其他所有模型，miR-181a、miR-666和miR-21在原代野生型小鼠肝細胞中均受大腸桿菌血清型O55:b5所釋放的具有促炎作用的LPS依賴性控制；肝三酰甘油含量與厚壁菌門相對豐度呈正相關(guān)，與肝miR-21表達及變形菌門和擬桿菌門相對豐度呈負相關(guān)，而導(dǎo)致這一過程的病理機制很可能與之前所提到的腸道菌群對miR-21-5p表達的調(diào)節(jié)類似。即腸道菌群能通過以過分泌LPS及PGN的形式，經(jīng)TLR2/4相關(guān)途徑，對miR-21-5p進行高度特異性的調(diào)節(jié)，從而促進抗原提呈細胞中促炎細胞因子和氮氧化物的表達，誘導(dǎo)NF-κB活化和上調(diào)γ干擾素，引起炎癥免疫反應(yīng)［21］。在持續(xù)炎癥的環(huán)境下，巨噬細胞能通過釋放腫瘤壞死因子α、白細胞介素（interleukin，IL）1β以及IL-18干擾胰島素信號在肝、脂肪等靶組織間的傳導(dǎo)，最終使得肝細胞非正常凋亡，導(dǎo)致非酒精性脂肪肝、胰島素抵抗以及代謝性內(nèi)毒素血癥［36-38］。所以腸道菌群本身的組成結(jié)構(gòu)及其代謝特點決定了其在糖尿病發(fā)生時的關(guān)鍵作用，在某些靶點阻斷腸道菌群的代謝產(chǎn)物對特異性miRNA調(diào)控信號的傳輸，對于預(yù)防或延緩糖尿病等相關(guān)并發(fā)癥及其他代謝類疾病具有重大意義。

通過對腸道菌群及miRNA在導(dǎo)致糖尿病時相互作用關(guān)系的深入研究，能為相關(guān)代謝性疾病的診斷和防治提供參考，使得我們可無論是單獨的從腸道菌群或者miRNA上進行控制，還是從腸道菌群-miRNA通訊中對某一過程給予干擾，均能對代謝性疾病的靶向治療帶來前所未有的積極作用。

4 結(jié) 語

在過去的幾十年里，人類腸道宏基因組計劃的提出、高通量測序和動物模型等技術(shù)的進步，為研究人員在理解腸道菌群和miRNA各自的特征提供了充分的研究條件。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了腸道菌群和miRNA在調(diào)節(jié)機體生物學(xué)過程中的各種機制。相關(guān)的研究表明，miRNA在腸道菌群維持人體健康或是腸道菌群的失調(diào)從而引起相應(yīng)疾病時充當(dāng)媒介，對腸道菌群具有廣泛的調(diào)節(jié)作用；而腸道菌群也可反過來影響miRNA的表達，從而實現(xiàn)對相關(guān)基因的調(diào)控。腸道菌群和miRNA的相互作用對機體產(chǎn)生了廣泛的影響，涉及炎癥、免疫和應(yīng)激反應(yīng)等過程，與某些代謝性疾病發(fā)生密切相關(guān)。然而，由于miRNA分泌方式的不同［39］，在不同種族、不同性別、不同體液及糞便中組成和含量的差異［40］；以及影響腸道菌群穩(wěn)定性的因素眾多，這可能導(dǎo)致相同疾病背景下不同實驗個體間miRNA的表達以及腸道菌群豐度的巨大差異。所以在研究兩者相互作用和宿主病理改變關(guān)系時應(yīng)該綜合考慮以上因素，結(jié)合開展大規(guī)模、多中心的臨床實驗，從理論證明到進一步明確miRNA與腸道菌群的相互調(diào)控關(guān)系，為腸道菌群或miRNA能否成為代謝性疾病標(biāo)志物提供大量證據(jù)，以達到防治、診斷和監(jiān)測疾病的目的，也期為新型靶向藥物的研發(fā)提供理論依據(jù)。