MicroRNAs 與老年竇房結(jié)功能減退研究現(xiàn)狀

邵延翔 綜述 范潔 審校

(昆明理工大學(xué)第一附屬醫(yī)院 云南省第一人民醫(yī)院心內(nèi)科，云南 昆明 650032)

竇房結(jié)是心臟的正常起搏點(diǎn)，竇房結(jié)細(xì)胞自動(dòng)除極產(chǎn)生興奮性動(dòng)作電位，控制著人類心臟的跳動(dòng)節(jié)律。近年來，世界人口老齡化日趨嚴(yán)重，伴隨年齡增加產(chǎn)生竇房結(jié)相關(guān)疾病的患者數(shù)量逐年增長，這些患者中很多是由竇房結(jié)功能減退造成，其主要的臨床表現(xiàn)為頭暈、頭痛、心悸、暈厥，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)致命性心律失常，誘發(fā)猝死。因此，探明這種與年齡相關(guān)的功能減退機(jī)制，為疾病的診療提供新思路，成了目前的研究熱點(diǎn)。

1 microRNA

人類基因組計(jì)劃完成標(biāo)志著人類基因的研究進(jìn)入了后基因組時(shí)代。真核生物基因分為編碼區(qū)與非編碼區(qū)，非編碼區(qū)的非編碼RNA 基因占人類整個(gè)基因組近98%。非編碼RNA 中研究最多的當(dāng)屬micro-RNAs(miRNAs)，成熟的miRNAs 是一種機(jī)體內(nèi)源性表達(dá)的大小在19～25 個(gè)堿基之間高度保守的非編碼RNA。這些高度保守與沉默相關(guān)的miRNAs 通過與靶mRNAs 的3'非翻譯區(qū)結(jié)合，促進(jìn)mRNAs 的降解，引起蛋白質(zhì)翻譯抑制，這種作用機(jī)制是miRNAs 調(diào)節(jié)基因表達(dá)的最主要機(jī)制［1］。在之后的研究中，越來越多的miRNAs 被發(fā)現(xiàn)，與miRNAs 相關(guān)的一系列研究表明，其在不同的病理生理過程中發(fā)揮不同的生物功能［2-3］。最近研究表明，miRNAs 在一系列如細(xì)胞代謝、細(xì)胞分化發(fā)育、細(xì)胞間通信等細(xì)胞生物學(xué)行為中起著關(guān)鍵作用［4-7］。細(xì)胞凋亡、心臟壓力負(fù)荷、DNA 氧化損傷和致癌作用等生物學(xué)過程也與miRNAs 有關(guān)［1，8-10］。近年的研究證明:miRNAs 與年齡相關(guān)的表達(dá)譜變化，可能在基因表達(dá)調(diào)節(jié)過程中發(fā)揮重要作用;更有趣的研究發(fā)現(xiàn)，心臟有65種miRNAs 隨著年齡的增長表達(dá)譜發(fā)生變化，其中55%的miRNAs 表達(dá)上調(diào)，45%的miRNAs 表達(dá)下調(diào)［11］。

2 年齡與竇房結(jié)功能減退

隨著年齡增長，竇房結(jié)功能減退表現(xiàn)為固有心率下降，竇房結(jié)傳導(dǎo)時(shí)間延長，其可能機(jī)制是離子通道基因表達(dá)異常、細(xì)胞間縫隙連接蛋白基因表達(dá)異常及竇房結(jié)內(nèi)的細(xì)胞周期相關(guān)基因異常。為了探索其可能的原因，Huang 等［12］利用激光捕獲顯微切割技術(shù)獲取不同年齡大鼠竇房結(jié)并進(jìn)行超級(jí)化激活環(huán)核苷酸門控陽離子通道(hyperpolarization activated cyclic nucleotide-gated channel，HCN)基因表達(dá)水平的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，竇房結(jié)功能增齡性減退與HCN 的兩個(gè)重要亞型HCN2 和HCN4 的表達(dá)逐漸下調(diào)密切相關(guān)，在老年大鼠(相當(dāng)于人年齡70歲)HCN2 和HCN4 下調(diào)最顯著;Jones 等［13-14］對(duì)不同年齡幾內(nèi)亞豬竇房結(jié)的研究也表明，幾內(nèi)亞豬竇房結(jié)中心CACNB1［Ca(v)1.2］和縫隙連接蛋白(connexin，Cx)43 缺失面積隨著年齡的增加而增加，這種CACNB1 和Cx43 缺失面積的增加可能使心臟固有心率下降和竇房結(jié)傳導(dǎo)減慢;Yanni等［15］在兔和貓的竇房結(jié)中發(fā)現(xiàn)，INa離子電流在竇房結(jié)中心是缺失的，它僅在竇房結(jié)外周組織出現(xiàn)，竇房結(jié)外周組織動(dòng)作電位上升速率隨著年齡增加下降趨向竇房結(jié)中心組織的水平，這提示竇房結(jié)外周組織Na+通道蛋白存在年齡依賴的下調(diào)。然而，Yanni 等在總結(jié)前人研究結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，卻得出與之相反的結(jié)論，即年齡依賴性的心率下降并不是由INa與If電流缺失所導(dǎo)致，而是與竇房結(jié)結(jié)構(gòu)的重構(gòu)相關(guān)，主要體現(xiàn)在:竇房結(jié)組織增大，即細(xì)胞體積增大與細(xì)胞外基質(zhì)重構(gòu)［16］。有趣的是，Na(v)1.5 基因缺陷小鼠表現(xiàn)出顯著的心動(dòng)過緩［17］。最近，Tellez 等［18］發(fā)現(xiàn)，Cx45 的表達(dá)在大鼠竇房結(jié)也出現(xiàn)了增齡性的減少?？傊?，上述眾多與年齡相關(guān)的研究表明，隨著年齡增加，竇房結(jié)內(nèi)各種離子通道蛋白發(fā)生了重塑和表達(dá)減少，其結(jié)果導(dǎo)致起搏電流譜的異常而導(dǎo)致竇房結(jié)功能減退;其次竇房結(jié)組織重構(gòu)導(dǎo)致動(dòng)作電位形成與傳導(dǎo)異常致使竇房結(jié)功能減退。

3 miRNAs 與竇房結(jié)

3.1 miRNAs 與竇房結(jié)解剖的關(guān)系

竇房結(jié)多位于右心房界嵴與腔靜脈的連接處，幾十年的研究發(fā)現(xiàn)竇房結(jié)是心臟的起搏點(diǎn)，而最近的研究證明竇房結(jié)是位于界嵴附近，具有特殊電生理功能與特異結(jié)構(gòu)性能的組織［19］。竇房結(jié)是心臟節(jié)律的控制中心，其不受心臟壓力及竇房結(jié)外潛在起搏位點(diǎn)干擾的原因是竇房結(jié)存在一些重要保護(hù)機(jī)制:在人、豬等物種的研究中發(fā)現(xiàn)，竇房結(jié)與心內(nèi)膜之間存在獨(dú)特的心肌組織與連接結(jié)構(gòu)，這些獨(dú)特的心肌組織與連接結(jié)構(gòu)一直被認(rèn)為是保護(hù)竇房結(jié)遠(yuǎn)離心臟高壓影響的重要組織結(jié)構(gòu)［20］。盡管存在物種間差異，這些重要組織結(jié)構(gòu)主要是膠原蛋白與成纖維細(xì)胞，當(dāng)miRNA-125這種與炎癥相關(guān)的因素刺激竇房結(jié)邊緣組織產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，破壞這種細(xì)胞結(jié)合結(jié)構(gòu)，將使竇房結(jié)內(nèi)外興奮的傳導(dǎo)紊亂，引起致命性心律失常［21-22］。此外，竇房結(jié)中心至心房肌細(xì)胞的細(xì)胞形式存在逐步過渡，這種過渡直至普通心房肌細(xì)胞，細(xì)胞形式逐步發(fā)生變化，越來越趨向心肌細(xì)胞，即竇房結(jié)與心肌組織間沒有明確的界限，推測竇房結(jié)信號(hào)傳導(dǎo)可能通過這些細(xì)胞實(shí)現(xiàn);之后數(shù)字模型分析竇房結(jié)細(xì)胞電活動(dòng)存在差異性等級(jí)分布，這種差異性等級(jí)分布可能是另一個(gè)重要的保護(hù)竇房結(jié)功能遠(yuǎn)離心肌影響的結(jié)構(gòu)特征［20］。

3.2 miRNAs 與竇房結(jié)功能的關(guān)系

通過miRNAs 調(diào)節(jié)竇房結(jié)起搏功能研究，Yang等［23］證實(shí)miRNAs 主要通過調(diào)控竇房結(jié)離子通道基因、Cx 基因、與凋亡相關(guān)的基因，影響竇房結(jié)細(xì)胞興奮產(chǎn)生、興奮傳導(dǎo)、凋亡周期，進(jìn)而發(fā)生臨床可見的各種心律失常，而竇房結(jié)起搏功能的維持依賴三個(gè)基本要素:(1)自律性——即竇房結(jié)細(xì)胞自發(fā)產(chǎn)生興奮性動(dòng)作電位的特性，這種動(dòng)作電位是心臟自律性形成的基礎(chǔ)，自發(fā)興奮性動(dòng)作電位的產(chǎn)生即心臟自律性的產(chǎn)生取決于細(xì)胞膜表面離子通道蛋白的表達(dá)，miRNAs 可調(diào)節(jié)離子通道蛋白基因表達(dá);(2)完整心臟傳導(dǎo)通路——心臟興奮傳導(dǎo)，取決于細(xì)胞、細(xì)胞間縫隙連接的完整性，Cx 表達(dá)變化將嚴(yán)重影響興奮的傳導(dǎo)，mi-RNAs可調(diào)控Cx 基因;(3)膜復(fù)極化——膜復(fù)極化速率控制動(dòng)作電位時(shí)程與有效不應(yīng)期的長短，避免強(qiáng)直收縮的產(chǎn)生，有效保護(hù)心臟。研究發(fā)現(xiàn)，竇房結(jié)及其周圍組織主要表達(dá)的相關(guān)基因:超級(jí)化激活HCN(編碼HCN 離子通道蛋白并產(chǎn)生內(nèi)向If電流)、L型鈣通道基因CACNB1［編碼Ca(v)1.2 離子通道蛋白并產(chǎn)生內(nèi)向ICa-L電流］、KCNJ12 基因(編碼延遲整流K 離子通道蛋白并產(chǎn)生外向IK電流)、GJC1 基因(編碼Cx45)、GJA1 基因(編碼Cx43)、Na(v)1.5 基因(編碼Na+通道蛋白并產(chǎn)生內(nèi)向INa電流)及PUNTS 基因(調(diào)控細(xì)胞周期進(jìn)展、DNA 修復(fù)和細(xì)胞凋亡)［24-26］。目前認(rèn)為，竇房結(jié)細(xì)胞4 期自動(dòng)除極的機(jī)制是兩種內(nèi)向電流(If電流、ICa-L電流)的增加和外向IK電流的衰減導(dǎo)致凈內(nèi)向電流增加而引發(fā)的自律性活動(dòng)，與之相關(guān)的離子通道是If通道、ICa.L通道、IK通道，這些通道蛋白基因的表達(dá)受miRNAs 的調(diào)控［23］;另外，Cx43 和內(nèi)向INa電流對(duì)竇房結(jié)起搏電流向外周的傳導(dǎo)亦起十分關(guān)鍵的作用［24-25］，這兩種因素也被miRNAs 調(diào)節(jié)［23］。因此，生理情況下，上述多種起搏相關(guān)基因在miRNAs 的調(diào)控下于竇房結(jié)適當(dāng)表達(dá)，影響竇房結(jié)沖動(dòng)的產(chǎn)生和傳導(dǎo)。心臟正常節(jié)律的維持依賴竇房結(jié)功能正常，保持竇房結(jié)正常功能需要竇房結(jié)組織結(jié)構(gòu)的完整性與離子通道基因的正確表達(dá)。miRNA-1 與miRNA-133 調(diào)節(jié)的HCN 基因家族在心臟特異表達(dá)，其中HCN2 與HCN4 轉(zhuǎn)錄表達(dá)的If通道蛋白與Cx43 在心臟竇房結(jié)表達(dá)量較心室與心房及其他組織高出10 倍［23］。研究證明，miRNA-1、Tbx3(T-box3 基因)與NRSF(含有鋅指結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子)可能共同調(diào)節(jié)HCN4 mRNA 的轉(zhuǎn)錄與蛋白表達(dá)，隨之導(dǎo)致起搏電流密度的減少［27］。因此，正常狀態(tài)下miRNA 的表達(dá)量必須精確調(diào)控，其表達(dá)量的增加或減少均能引發(fā)嚴(yán)重的病理后果。許多病理情況如炎癥、心肌肥厚及心力衰竭時(shí)，miRNA-125的表達(dá)水平異常增高，提示miRNA-125 在功能上可能參與心肌細(xì)胞與炎癥細(xì)胞的增殖、分化及凋亡等多種心血管病理過程［23，28］，老年性竇房結(jié)功能減退的病理過程和上述病理過程十分相似，表現(xiàn)為竇房結(jié)及其周圍組織的纖維化增生，以及起搏細(xì)胞和各種過渡細(xì)胞的凋亡和減少;因此，miRNA-125 表達(dá)水平異常增高很可能也參與了老年性竇房結(jié)功能減退的病理過程。

3.3 miRNAs 與竇房結(jié)細(xì)胞間連接的關(guān)系

哺乳動(dòng)物細(xì)胞表面Cx 分布廣泛，迄今為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)人有21種Cx，在心臟表達(dá)的主要為Cx40、Cx43 與Cx45［29］。Cx 在心臟的分布存在明顯的差異性。Cx40主要在竇房結(jié)、心房肌、房室結(jié)與普肯耶纖維網(wǎng)傳導(dǎo)系統(tǒng)表達(dá);Cx43 只在心室與心房肌表達(dá);而Cx45 主要在竇房結(jié)、房室結(jié)與普肯耶纖維傳導(dǎo)系統(tǒng)中表達(dá)［30］。心臟發(fā)育過程中Cx 基因的突變可能導(dǎo)致嚴(yán)重的心臟畸形，但是在引起心臟畸形中所發(fā)揮的作用目前仍然不是很明確［31］。這些Cx 是細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo)的重要結(jié)構(gòu)，其表達(dá)上調(diào)或下調(diào)可影響心臟竇房結(jié)起搏信號(hào)的傳導(dǎo)［20］。以上研究充分證明了Cx 對(duì)竇房結(jié)功能的穩(wěn)定具有重要意義。Yang 等［23］通過LUCIFERASE 技術(shù)與蛋白質(zhì)凝膠電泳分析技術(shù)，成功地預(yù)測了miRNA-1 與miRNA-133 的靶基因中包括Cx 基因，進(jìn)一步闡明mi-RNAs在竇房結(jié)功能異常中所發(fā)揮的重要功能。

4 討論

盡管miRNA 調(diào)控老年竇房結(jié)功能減退的機(jī)制目前尚不十分明確，存在多種因素相互交織共同作用，并且不同個(gè)體發(fā)病機(jī)制不盡相同使竇房結(jié)功能減退導(dǎo)致心律失常表現(xiàn)形式多樣化。目前眾多研究表明，隨著年齡增加，miRNAs 的轉(zhuǎn)錄異常，調(diào)控竇房結(jié)的各種通道蛋白基因與Cx 基因發(fā)生了重塑和表達(dá)減少，誘發(fā)與炎癥相關(guān)的細(xì)胞填補(bǔ)組織缺損，以及竇房結(jié)細(xì)胞體積增大，使得竇房結(jié)組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其結(jié)果導(dǎo)致起搏電流譜異常與傳導(dǎo)異常，進(jìn)而導(dǎo)致竇房結(jié)功能減退。由于竇房結(jié)組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，竇房結(jié)細(xì)胞的純化培養(yǎng)也沒有形成完整的體系，使得miRNAs 對(duì)老年竇房結(jié)功能減退的機(jī)制研究并沒有深入到細(xì)胞分子生物學(xué)水平。如若能夠在純化竇房結(jié)細(xì)胞的研究中取得進(jìn)展，將為其細(xì)胞分子生物學(xué)研究提供便利，為生物起搏技術(shù)的研發(fā)與臨床應(yīng)用鋪平道路。因此，充分了解老年竇房結(jié)功能減退的發(fā)病機(jī)制，對(duì)其診療具有重要的指導(dǎo)意義。

［1］Pan ZW，Lu YJ，Yang BF.MicroRNAs:a novel class of potential therapeutic targets for cardiovascular diseases［J］.Acta Pharmacol Sin，2010，31(1):1-9.

［2］Chua JH，Armugam A，Jeyaseelan K.MicroRNAs:biogenesis，function and applications［J］.Curr Opin Mol Ther，2009，11(2):189-199.

［3］Li M，Marin-Muller C，Bharadwaj U，et al.MicroRNAs:control and loss of control in human physiology and disease［J］.World J Surg，2009，33(4):667-684.

［4］Giraldez AJ，Cinalli RM，Glasner ME，et al.MicroRNAs regulate brain morphogenesis in zebrafish［J］.Science，2005，308(5723):833-838.

［5］Johnston RJ，Hobert O.A microRNA controlling left/right neuronal asymmetry in Caenorhabditis elegans［J］.Nature，2003，426(6968):845-849.

［6］Baehrecke EH.MiRNAs:micro managers of programmed cell death［J］.Curr Biol，2003，13(12):473-485.

［7］van Rooij E，Sutherland LB，Qi X，et al.Control of stress-dependent cardiac growth and gene expression by a microRNA［J］.Science，2007，316(5824):575-579.

［8］Chang TC，Wentzel EA，Kent OA，et al.Transactivation of miR-34a by p53 broadly influences gene expression and promotes apoptosis［J］.Mol Cell，2007，26(5):745-752.

［9］Raver-Shapira N，Marciano E，Meiri E，et al.Transcriptional activation of miR-34a contributes to p53-mediated apoptosis［J］.Mol Cell，2007，26(5):731-743.

［10］Xiao J，Luo X，Lin H，et al.MicroRNA miR-133 represses HERGK channel expression contributing to QT prolongation in diabetic hearts［J］.Biol Chem，2007，282(17):12363-12367.

［11］Zhang X，Azhar G，Wei JY.The expression of microRNA and microRNA clusters in the aging heart［J］.PLoS One，2012，7(4):34688-34700.

［12］Huang X，Yang P，Du Y，et al.Age-related down-regulation of HCN channels in rat sinoatrial node［J］.Basic Res Cardiol，2007，102(5):429-435.

［13］Jones SA，Boyett MR，Lancaster MK.Declining into failure the age-dependent loss of the L-type calcium channel within the sinoatrial node［J］.Circulation，2007，115(10):1183-1190.

［14］Jones SA，Lancaster MK，Boyett MR.Ageing-related changes of connexins and conduction within the sinoatrial node［J］.J Physiol，2004，560(2):429-437.

［15］Yanni J，Tellez JO，Sutyagin PV，et al.Structural remodelling of the sinoatrial node in obese old rats［J］.J Mol Cell Cardiol，2010，48:653-662.

［16］Adan V，Crown LA.Diagnosis and treatment of sick sinus syndrome［J］.Am Fam Physician，2003，67(8):1725-1732.

［17］Hao X，Zhang Y，Zhang X，et al.TGF-β1 mediated fibrosis and ion channel remodeling are key mechanisms in producing the sinus node dysfunction associated with SCN5A deficiency and aging［J］.Circ Arrhythm Electrophysiol，2011，4(3):397-406.

［18］Tellez JO，Maczewski M，Yanni J，et al.Ageing-dependent remodelling of ion channel and Ca2+clock genes underlying sino-atrial node pacemaking［J］.Exp Physiol，2011，96(11):1163-1178.

［19］Unudurthi SD，Wolf RM，Hund TJ.Role of sinoatrial node architecture in maintaining a balanced source-sink relationship and synchronous cardiac pacemaking［J］.Front Physiol，2014，5:446-453.

［20］Boyett MR，Honjo H，Kodama I.The sinoatrial node，a heterogeneous pacemaker structure［J］.Cardiovasc Res，2000，47(4):658-687.

［21］de Mazière AM，van Ginneken AC，Wilders R，et al.Spatial and functional relationship between myocytes and fibroblasts in the rabbit sinoatrial node［J］.J Mol Cell Cardiol，1992，24(6):567-578.

［22］Tatsuguchi M，Seok HY，Callis TE，et al.Expression of microRNAs is dynamically regulated during cardiomyocyte hypertrophy［J］.J Mol Cell Cardiol，2007，42(6):1137-1141.

［23］Yang B，Lu Y，Wang Z.Control of cardiac excitability by microRNAs［J］.Cardiovasc Res，2008，79(4):571-580.

［24］Mangoni ME，Nargeot J.Genesis and regulation of the heart automaticity［J］.Physiol Rev，2008，88(3):919-982.

［25］Chandler NJ，Greener ID，Tellez JO，et al.Molecular architecture of the human sinus node:insights into the function of the cardiac pacemaker［J］.Circulation，2009，119(2):1562-1575.

［26］Boon RA，Iekushi K，Lechner S，et al.MicroRNA-34 a regulates cardiac ageing and function［J］.Nature，2013，495(7439):107-110.

［27］D'Souzal A，Bucchi A，Johnsen AB，et al.Exercise training reduces resting heart rate via downregulation of the funny channel HCN4［J］.Nat Commun，2014，5:3775-3785.

［28］Thum T，Galuppo P，Wolf C，et al.MicroRNAs in the human heart:a clue to fetal gene reprogramming in heart failure［J］.Circulation，2007，116(3):258-267.

［29］Molica F，Meens MJ，Morel S，et al.Mutations in cardiovascular connexin genes［J］.Biol Cell，2014，106(9):269-293.

［30］Saez JC，Berthoud VM，Branes MC，et al.Plasma membrane channels formed by connexins:their regulation and functions［J］.Physiol Rev，2003，83(4):1359-1400.

［31］Salameh A，Blanke K，Daehnert I.Role of connexins in human congenital heart disease:the chicken and egg problem［J］.Front Pharmacol，2013，4:70-80.