microRNA與DNA甲基化在糖尿病性心肌病中的作用

郭 鑫 楊 俊

(三峽大學(xué)心血管病研究所 三峽大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，湖北 宜昌 443003)

糖尿病心肌病(DCM)是糖尿病患者不依賴缺血性心肌病、高血壓、心臟瓣膜病等心血管疾病的獨(dú)立心臟并發(fā)癥之一，可引起心臟收縮〔1〕/舒張功能障礙、射血分?jǐn)?shù)降低、心肌代謝紊亂、心肌纖維化、微血管病變、間質(zhì)炎癥、氧化應(yīng)激及胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)異常，并最終導(dǎo)致左心室功能障礙〔2〕。近年來(lái)，針對(duì)DCM的發(fā)病機(jī)制進(jìn)行了廣泛深入的研究。目前的研究認(rèn)為，DCM也伴隨著基因表達(dá)改變。事實(shí)上，基因表達(dá)失調(diào)參與了DCM發(fā)病過(guò)程〔3〕，針對(duì)這些基因的調(diào)控機(jī)制研究也愈發(fā)深入。其中，microRNA(miRNA)與DNA甲基化的發(fā)現(xiàn)使DCM基因調(diào)控的機(jī)制更為復(fù)雜。因此，針對(duì)miRNA和DNA甲基化的研究必將加深DCM發(fā)病機(jī)制的理解。

1 miRNA與DNA甲基化

1.1miRNA miRNA是約22個(gè)核苷酸組成的內(nèi)源性非編碼單鏈RNA，可識(shí)別靶基因mRNA的3′UTR相應(yīng)序列〔4〕，于轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控基因表達(dá)。miRNA通常由RNA聚合酶Ⅱ(polⅡ)轉(zhuǎn)錄為具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)的單鏈初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物(pri-miRNA)，再由Drosha剪切成pre-miRNA，轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)被Dicer裂解并最終形成成熟miRNA〔5〕。其中，Dicer和Drosha都是成熟miRNA形成過(guò)程中的重要酶。

miRNA合成過(guò)程失調(diào)可引起miRNA成熟及功能異常，引起多種疾病。最近的報(bào)道認(rèn)為：Dicer酶表達(dá)改變可影響心臟功能〔6〕。Dicer酶是參與miRNA成熟的主要酶，其表達(dá)改變必然引起miRNA表達(dá)異常。最近的研究認(rèn)為，miRNA表達(dá)的調(diào)節(jié)異常與多種心血管疾病的發(fā)生相關(guān)，如糖尿病性心肌病〔7，8〕。

1.2DNA甲基化 DNA甲基化是哺乳動(dòng)物表觀遺傳修飾的重要組分。DNA甲基化主要發(fā)生于CpG島，其在甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMTs)催化下將甲基基團(tuán)轉(zhuǎn)移至胞嘧啶堿基上，從而改變DNA空間構(gòu)象。這些富含雙核苷酸CpG島廣泛分布于人類整個(gè)基因組中，在正常細(xì)胞中呈甲基化狀態(tài)，而啟動(dòng)子CpG島內(nèi)的CpG雙核苷酸內(nèi)則是典型未甲基化狀態(tài)。然而，在細(xì)胞分化、遺傳印記和X染色體失活等特殊情況下的從頭甲基化，啟動(dòng)子CpG島內(nèi)的CpG雙核苷酸也能夠甲基化。DNA甲基化是在轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控基因表達(dá)，在不同組織中，基因組各CpG位點(diǎn)甲基化狀態(tài)的差異構(gòu)成了人類基因組DNA的甲基化模式〔9〕。

1.3miRNA與DNA甲基化 大量研究表明：miRNA與DNA甲基化在調(diào)節(jié)基因表達(dá)過(guò)程中有著密切聯(lián)系。epi-miRNA(一種miRNA亞組)可作用于表觀遺傳化合物，從而實(shí)現(xiàn)高反饋調(diào)控。 miRNA-29可作用于DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶DNMT3a和DNMT3b。值得注意的是，miRNA-29在腫瘤細(xì)胞和急性髓細(xì)胞性白血病細(xì)胞中的再表達(dá)可重新激活腫瘤抑制基因，從而促進(jìn)這些細(xì)胞凋亡。其中，miRNA-29通過(guò)甲基化Mcl-1基因促進(jìn)細(xì)胞凋亡〔10〕。該發(fā)現(xiàn)的重要意義還在其發(fā)現(xiàn)了一種未知的調(diào)控機(jī)制，即miRNA可直接調(diào)控DNA甲基化表觀遺傳修飾。

由于DNA甲基化在心肌病和正常心臟組織中的表現(xiàn)具有差異性〔11〕，因此評(píng)估DCM患者miRNA與DNA甲基化之間的聯(lián)系則具有重要意義。我們可以推測(cè)：通過(guò)miRNA抑制劑調(diào)控其表達(dá)水平可能恢復(fù)心肌病患者基因表達(dá)，并為糖尿病患者治療提供新思路。

2 miRNA與DCM病

2.1miRNA與心肌肥厚 心肌肥厚是DCM等多種心血管疾病的共同表現(xiàn)，這種病態(tài)肥厚常導(dǎo)致心臟衰竭，是引起患者死亡的決定因素。研究發(fā)現(xiàn)：肥厚心臟的小鼠模型體內(nèi)miRNA表達(dá)譜發(fā)生變化〔12〕。

2.1.1miRNA-1 miRNA-1家族成員包括miRNA-206、miRNA-1-1 和 miRNA-1-2，其中前者在心肌中不表達(dá)而后兩者顯著表達(dá)〔13〕。miRNA-1-1 占整個(gè)心肌miRNA 表達(dá)量的40%。最近的研究發(fā)現(xiàn)：miRNA-1-1與DCM直接相關(guān)。此外，在1型糖尿病模型小鼠中發(fā)現(xiàn)：miRNA可下調(diào)Pim-1的表達(dá)，Pim-1在維持心肌細(xì)胞功能中發(fā)揮至關(guān)重要的作用〔14〕。

2.1.2miRNA-133 miRNA-133在心臟病理生理中的作用僅次于miRNA-1，其在心肌細(xì)胞中顯著表達(dá)，在心肌肥厚過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)：miRNA-133在糖尿病模型兔的心臟組織中過(guò)度表達(dá)，并與血清反應(yīng)因子(SRF)表達(dá)增加相關(guān)〔15〕，SRF在維持心臟功能中發(fā)揮重要作用。因此，miRNA-133表達(dá)增加可促進(jìn)SRF表達(dá)從而引發(fā)DCM。

在DCM晚期階段，除了心肌發(fā)生病理性肥厚，心肌細(xì)胞外基質(zhì)也會(huì)重塑纖維化。其中，結(jié)締組織生長(zhǎng)因子(CTGF)發(fā)揮關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)，miRNA-133可在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控CTGF表達(dá)〔16〕。因此，miRNA-133功能失調(diào)也可誘導(dǎo)心肌纖維化，而心肌纖維化是DCM的主要病理改變之一。

2.2miRNA與心臟電活動(dòng) 由于調(diào)節(jié)心臟電活動(dòng)的離子通道表達(dá)或功能缺失，心臟肥厚的形態(tài)重塑常常伴隨著特定電生理改變。miRNA在調(diào)節(jié)離子通道基因表達(dá)過(guò)程中具有重要作用。miRNA表達(dá)異?？赡苡绊戨x子通道表達(dá)，從而導(dǎo)致電活動(dòng)缺失，最終引起心律失常等DCM并發(fā)癥。在DCM動(dòng)物模型中研究發(fā)現(xiàn)：miRNA-133表達(dá)上調(diào)與ERG鉀通道表達(dá)下調(diào)有關(guān)，并導(dǎo)致心律失?！?5〕。

3 DNA甲基化與DCM

研究發(fā)現(xiàn)，DNA甲基化改變與糖尿病性心衰相關(guān)的基因表達(dá)異常具有直接相關(guān)性〔11〕。心衰的嚴(yán)重程度與促炎性腫瘤壞死因子α(TNF-α)基因表達(dá)水平正相關(guān)。已報(bào)道：TNF-α通過(guò)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶誘導(dǎo)的啟動(dòng)子甲基化減少SERCA2 (sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase)的表達(dá)〔17〕，SERCA2將細(xì)胞內(nèi)的Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)至肌漿網(wǎng)內(nèi)從而介導(dǎo)心臟舒張。

此外，在鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠心肌細(xì)胞中，學(xué)者研究了p53反應(yīng)元件啟動(dòng)子區(qū)(p21WAF1/CIP1與cyclin D1)的表觀遺傳變化〔18〕。p21和cyclin D1基因調(diào)節(jié)細(xì)胞周期，p21在以上實(shí)驗(yàn)中的表達(dá)上調(diào)而cyclin D1表達(dá)則下降。P21基因完全去甲基化并激活，而cyclin D1基因完全甲基化從而失活。這種甲基化方式的差異可能源于p53依賴性的與DNA損傷相關(guān)的細(xì)胞周期阻滯，而非糖尿病直接引起的DNA甲基化。以上研究表明：DNA甲基化在DCM中發(fā)揮重要作用。

4 小結(jié)與展望

大量研究證實(shí)，糖尿病可引起心臟結(jié)構(gòu)、功能以及心肌細(xì)胞損傷〔19〕，導(dǎo)致心肌形態(tài)學(xué)、電生理以及生化指標(biāo)的異常〔20〕，削弱糖尿病患者心臟代償能力。近年來(lái)，針對(duì)miRNA和DNA甲基化表觀遺傳修飾的深入研究擴(kuò)寬了我們對(duì)DCM發(fā)病機(jī)制的認(rèn)識(shí)。二者在調(diào)控DCM基因異常表達(dá)過(guò)程中發(fā)揮重要作用，功能密切聯(lián)系。然而，miRNA和DNA甲基化在DCM病理生理中的研究尚待深入和完善，從而為DCM基因調(diào)控和治療提供新思路〔21〕。

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