帮助古人度过饥荒的miRNA在当今诱发代谢性疾病

来源：BioArt

生物体在长期进化中产生了多种多样的遗传变异，环境变化时，有利变异提高了群体的适合度，从而被固定并成为主流，极大促进了生物体适应环境的能力。正选择是生物适应性进化的重要基础，是进化过程中特定等位基因由于含有有利突变而被固定下来的效应。随着高通量测序和全基因组关联研究等手段的普及，正选择位点的检测和分析也为揭示重要基因座（locus）的进化历史和遗传动力提供了关键信息。

欧洲人群体中2号染色体2q21.3基因座的进化是正选择的一个经典案例【1】。在过去几千年中，2q21.3基因座发生变异的人口比例在欧洲人群体中由于具有生存优势而逐渐上升，如面对远古时期频发的长期饥荒这一强烈的选择压力，该基因座上乳糖酶编码基因的变异提高了成年人对牛奶中乳糖的代谢能力，促进了人类的生存，因而在进化过程中受到了正选择而固定下来【2】。除乳糖酶编码基因外，2q21.3基因座还与肥胖及2型糖尿病的发生密切相关【3】，因此位于该基因座上的基因及其他遗传因子可能通过促进能量储存提高了人类在面对饥荒时的适应性，但在现代社会反而会造成受正选择的种群易发生代谢疾病。然而，2q21.3基因座与肥胖及2型糖尿病等代谢性疾病间的遗传和调控关系目前仍不清楚。

2020年10月14日，哈佛大学医学院和麻省总医院的科学家王立峰研究员（ 现任职于强生）和 Anders Näär 教授（ 现为伯克利大学代谢系主任）在Cell杂志发表了题为 A MicroRNA Linking Human Positive Selection and Metabolic Disorders的研究长文，作者鉴定到2q21.3基因座上的microRNA ——miR-128-1受到正选择并且是哺乳动物关键的能量和代谢调节因子，在高脂饮食处理或瘦素编码基因突变所诱导小鼠肥胖模型中，抑制miR-128-1表达会增加能量消耗，改善高脂饮食诱导的肥胖，并显著提高糖耐受性及胰岛素响应。在人类进化的历史长河中，miR-128-1的代谢调节功能是一把潜在的“双刃剑”，虽然通过抑制能量消耗帮助人类捱过了远古时期的饥荒，但也由于诱导胰岛素抵抗等导致了当代社会日益普遍的代谢性疾病。

作者首先对欧洲人群体中2q21.3基因座的单倍型结构进行了分析，发现该单倍型受到了强烈的正选择效应，且该正选择信号以R3HDM1基因为中心（图1 A）。作者在之前研究中发现R3HDM1基因所包含的miR-128-1能够调节机体的脂类代谢，暗示了2q21.3与代谢调控的相关性【4】。对狗和牛2q21.3选择压力分析同样发现该基因座在进化过程中受到了强烈的正选择效应且与代谢表型密切相关（图1 B）。对欧洲人群体的表型组相关分析表明2q21.3变异水平与多种体-脂相关性状（如体脂含量等）间存在关联（图1 C）。

对古代欧洲不同群体的遗传信息分析发现，各个欧洲人群体的2q21.3基因座都受到了正选择，该正选择事件起始于约4000年前的草原祖先（Steppe ancestry）（ 图1 D）。进一步分析表明，欧洲人2q21.3单倍型与基因座范围内的染色质开放程度增加有关，染色质的开放导致了miR-128-1及其共表达基因表达水平的上调。因此，2q21.3单倍型通过影响miR-128-1等遗传因子的表达调节了哺乳动物的代谢特征。

图1 2q21.3基因座在哺乳动物进化过程中受到了正选择

随后，作者研究了miR-128-1在能量和代谢稳态中的调节作用。在高脂饮食诱导的小鼠肥胖模型中抑制miR-128-1表达会导致肥胖小鼠摄食量上升，但体重减轻，体内循环的胆固醇及甘油三酯量降低，内脏脂肪和皮下脂肪储存减少，但棕色脂肪组织（BAT，brown adipose tissue）增多（图2）。miR-128-1敲低后BAT的基因表达分析发现miR-128-1靶基因中一些能够促进BAT细胞命运决定、诱导线粒体生物合成及脂肪酸氧化的基因表达上调。

此外，抑制miR-128-1表达会抑制白色脂肪组织（WAT，white adipose tissue）及肝脏内的脂肪储存及炎症反应，诱导与细胞能量循环相关基因的表达，并促进机体能量消耗。因此，miR-128-1能在多种能量和脂肪代谢活跃的组织中控制代谢基因的表达模式和机体的能量消耗水平。葡萄糖和胰岛素耐受性测试发现，抑制miR-128-1会缓解肥胖小鼠的高血糖及胰岛素抵抗症状，表明miR-128-1能够控制机体的糖代谢稳态，这也符合miR-128-1所处的基因座与2型糖尿病有关这一之前的发现。

图2 肥胖小鼠模型中抑制miR-128-1表达能够改善小鼠的代谢紊乱表型

为进一步确定上述发现，作者利用瘦素缺陷诱导的遗传学上的小鼠肥胖模型（ob/ob小鼠）探究了miR-128-1在代谢异常状态下的作用，发现抑制miR-128-1表达会导致ob/ob小鼠体重和体脂含量降低，肝脏和内脏WAT体积变小，并伴随着能量消耗的增加，BAT功能的增强，炎症反应得到了明显改善。此外，抑制miR-128-1表达会导致ob/ob小鼠的葡萄糖耐受性提高，胰岛素敏感性增强。因此，食物诱导的小鼠肥胖模型及遗传学方法诱导的小鼠肥胖模型均证明了miR-128-1能够改善肥胖小鼠的代谢状态，缓解胰岛素抵抗和炎症等病理反应。

为直接确定miR-128-1的功能，作者构建了miR-128-1敲除（KO）的突变体小鼠，高脂饮食饲喂下miR-128-1 KO小鼠的体重增加程度及WAT体积明显小于对照，且miR-128-1 KO小鼠的能量消耗更高，也更加耐寒，BAT功能、糖代谢稳态及胰岛素响应水平也显著优于对照小鼠（图3 A-I）。因此，miR-128-1是一种“节俭型”miRNA，能通过降低能量消耗水平及促进脂肪储存调节哺乳动物的系统性代谢。

图3 miR-128-1缺陷（KO）会缓解小鼠在高脂饮食处理下的能量和代谢异常

最后，作者研究了miR-128-1调节细胞代谢的分子机制。在WAT细胞分化过程中，过量的miR-128-1处理会抑制来源于WAT的初级脂肪细胞的分化水平，并降低WAT分化过程中关键调节因子的表达水平，而抑制miR-128-1表达能够诱导初级脂肪细胞的分化。

此外，miR-128-1能够直接或间接调节瘦素和脂连蛋白的表达，并能抑制WAT来源的脂肪细胞中的脂肪酸氧化水平。而在BAT细胞分化过程中，miR-128-1的缺失会诱导BAT来源的初级脂肪细胞分化为成熟的BAT细胞并促进BAT细胞的能量消耗，miR-128-1 KO小鼠成熟BAT细胞中与脂肪细胞命运决定、控制脂类代谢及能量消耗相关基因的表达水平上调。小鼠C2C12肌肉前体细胞能分化为BAT细胞，抑制miR-128-1的表达会促进C2C12细胞的脂肪酸氧化及能量消耗，并提高C2C12细胞分化产生BAT细胞的能力。因此，miR-128-1能通过细胞自主性方式抑制前体细胞分化产生BAT细胞的能力，并抑制BAT细胞的能量代谢。

之前研究普遍认为欧洲人2号染色体上2q21.3单倍型受到正选择主要是由于乳糖酶编码基因上存在的较强正选择效应所导致的，但这一说法无法解释该单倍型与肥胖及2型糖尿病等代谢异常高度相关这一现象。

本研究中，作者将基因组水平上的分子进化分析与代谢分析相结合，并利用多种小鼠代谢异常模型及突变体模型，揭示了miR-128-1在哺乳动物能量消耗与储存这一代谢转换中的关键作用，以及miR-128-1基因座的正选择效应和异常代谢之间的联系，证明了2q21.3基因座受到正选择并不仅仅是由于乳糖酶编码基因受正选择而导致的（图4）。从进化角度上讲，miR-128-1表达水平的改变对于远古人类抵抗饥荒大有裨益，但在物质营养极大丰富的现代社会，这种变化反而会造成人类代谢适应性下降，甚至导致肥胖和2型糖尿病等代谢疾病。随着基础和临床研究的深入，miR-128-1有望成为肥胖和2型糖尿病等代谢性疾病的治疗靶点。

图4. miR-128-1在长期进化中受到了正选择并参与了代谢稳态的调节