MicroRNA在糖尿病并發(fā)癥中的研究進展

謝麗莉

綜述

MicroRNA在糖尿病并發(fā)癥中的研究進展

謝麗莉

作者單位：300192天津市，天津市第一中心醫(yī)院檢驗科

糖尿病及其并發(fā)癥嚴重威脅著人類健康，具體的發(fā)病機制尚不明確，其發(fā)生可能涉及到多重復(fù)雜因素。微小RNA（microRNA，miRNA）是一組長約22個核苷酸，非編碼的小RNA，他們參與調(diào)節(jié)細胞的生長發(fā)育、分化、增殖和凋亡等。最近，越來越多研究表明，miRNA在糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)病機制中起著重要作用，本文就miRNA的發(fā)現(xiàn)、生物學(xué)特性、合成及其作用機制、以及在糖尿病并發(fā)癥中的研究進展進行綜述。

微小RNA；糖尿病；糖尿病并發(fā)癥；糖尿病腎?。惶悄虿⌒呐K?。惶悄虿∫暰W(wǎng)膜病變

doi：10.3969/j.issn.1674-7151.2015.01.013

目前，糖尿病已經(jīng)成為繼腫瘤、心腦血管疾病之后影響全球性公共健康的第三大慢性非傳染性疾病。糖尿病并發(fā)癥是糖尿病患者死亡的主要原因，因其進展緩慢，起病隱匿，一旦發(fā)生，病變很難逆轉(zhuǎn)，故糖尿病并發(fā)癥的早期診斷和治療較為困難。近年來，一些研究表明微小RNA（microRNA，miRNA）在糖尿病，尤其是糖尿病并發(fā)癥如糖尿病心臟?。╠iabetic cardiomyopathy，DC）、糖尿病腎病（diabetic nephropathy，DN）、糖尿病視網(wǎng)膜病變（diabetic retinopathy，DR）等的發(fā)生發(fā)展過程中起重要作用。本文主要就miRNA及其在糖尿病并發(fā)癥中的研究進展做一綜述。

1　miRNA的發(fā)現(xiàn)

1993年，Lee等［1］首先在線蟲中發(fā)現(xiàn)了 miRNA，命名為RNA：lin-4。但是，該發(fā)現(xiàn)并沒有得到應(yīng)有的重視，直到2000年，Reinhart等［2］才發(fā)現(xiàn)了另一個類似的具有轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)功能的小分子RNA：let-7。2001年《Science》雜志報道了研究者從線蟲、果蠅和人體克隆中發(fā)現(xiàn)的幾十個類似lin-4的小分子RNA基因，被命名為microRNA。這時，miRNA才逐漸被人們所認知并迅速成為研究的熱點。

2　miRNA的生物學(xué)特性

miRNA是一組廣泛存在于真核生物中的非編碼小RNA，長度約為19～25個核苷酸，其通過與靶基因序列特異性相互作用，在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)信使RNA的表達，在生物體的各種生命活動過程中發(fā)揮著重要作用。miRNA廣泛存在于多種真核生物中，從低等生物到人類都有其存在的痕跡，參與許多生物學(xué)現(xiàn)象與生理過程。其生物學(xué)特性主要表現(xiàn)為：分布廣泛性、高度保守性、時序表達特異性、組織表達特異性和結(jié)構(gòu)特異性。

3　miRNA的合成及其作用機制

miRNA的合成及其作用機制是一個十分復(fù)雜的過程：首先，細胞核內(nèi)的miRNA基因轉(zhuǎn)錄成初級miRNA（pri-miRNA），然后由細胞核內(nèi)的酶 DroshaRNase將其剪切成前體miRNA（pre-miRNA），核內(nèi)的轉(zhuǎn)運蛋白將pre-miRNA轉(zhuǎn)運到細胞質(zhì)中。在細胞質(zhì)中的Dicer酶把pre-miRNA剪切成雙鏈miRNA。成熟的miRNA與其互補鏈結(jié)合成雙螺旋結(jié)構(gòu)，接下來，雙螺旋打開，其中的1條會與RNA誘導(dǎo)的基因沉默復(fù)合物 （RNA-induced silencing complex，RISC）形成非對稱的RISC復(fù)合物。該非對稱RISC復(fù)合物能夠與目標(biāo)靶mRNA相結(jié)合，發(fā)揮其調(diào)控基因的作用。其作用機制有兩種：（1）復(fù)合物中的單鏈miRNA與靶mRNA的3＇UTR完全互補，造成mRNA被RISC降解。（2）復(fù)合物中的單鏈miRNA與靶mRNA的3＇UTR不完全互補配對，從而阻斷該基因的翻譯過程。在植物中，miRNA多以第1種方式起作用；而在動物中，miRNA則多以第2種方式起作用［3，4］。也有研究表明，miRNA不僅可以和靶分子mRNA的3＇UTR結(jié)合，還可以和編碼區(qū)及5＇UTR結(jié)合。Wang等［5］的研究顯示，miRNA通過與靶分子mRNA的編碼區(qū)結(jié)合，調(diào)節(jié)胚胎干細胞的分化。研究［6］發(fā)現(xiàn)，不同組織或細胞在不同階段表達著不同的miRNA譜。一個miRNA可調(diào)節(jié)數(shù)百個靶基因，包括細胞因子、轉(zhuǎn)錄因子等，miRNA與靶基因組成了復(fù)雜的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。相對于蛋白水平的調(diào)節(jié)，miRNA水平的調(diào)節(jié)顯得更加節(jié)省能量，效率更高而且可逆，大多數(shù)miRNA對靶基因起著微調(diào)作用，少數(shù)miRNA調(diào)節(jié)也可引起很明顯的表型改變。

4　miRNA與DC

DC以心肌肥厚和收縮障礙為主要特征，這與持續(xù)高血糖（hyperglycemia，HG）狀態(tài)引起miRNA的改變密切相關(guān)［7］。miR-133是在DC中第一個被發(fā)現(xiàn)發(fā)生改變的miRNA。心臟中miR-133水平的改變最終會導(dǎo)致兩種結(jié)果：（1）QT間期延長綜合征（long qt syndrome，LQTS）。QT間期是心電圖中從Q波開始到T波結(jié)束的時間段。LQTS是一種威脅人類生命的疾病，其影響心臟系統(tǒng)并有可能導(dǎo)致暈厥、心跳停止和猝死。與LQTS相關(guān)的基因是HERG基因，HERG基因主要負責(zé)編碼心肌中K+通道相關(guān)的蛋白，而在DC中HERG基因表達是被下調(diào)的，其下調(diào)主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄后水平。在糖尿病患者心臟中，HERG蛋白下降了60%而mRNA水平無改變。目前已經(jīng)證實miR-133對HERG表達具有抑制作用。研究［8］顯示，miR-133在糖尿病家兔和db/db小鼠的心臟中表達顯著提高。高濃度的miR-133抑制HERG基因表達，進而導(dǎo)致快鉀通道相關(guān)蛋白合成減少。在糖尿病患者心臟中降低快鉀通道會導(dǎo)致QT延長，最終導(dǎo)致LQTS的發(fā)生而引起心律失常。（2）心肌肥大。miR-133對心肌肥大的作用與在LQTS中完全相反。miR-133過表達導(dǎo)致LQTS，而下調(diào)miR-133水平導(dǎo)致心肌肥大。Shen等［9］在以心肌肥大為特征的DC鼠模型中發(fā)現(xiàn)，絲裂原活化蛋白激酶 （mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號通路富集于心臟。該信號通路包括ERK1/2、JNK 和p38三個主要部分。研究者將乳鼠心肌細胞暴露于HG中并用miR-373轉(zhuǎn)染，發(fā)現(xiàn)心肌細胞體積縮小，靶基因肌細胞增強因子2C水平降低，而miR-373的表達依靠p38的調(diào)控，因此，miR-373參與MAPK信號通路對心肌肥厚調(diào)控。另外，F(xiàn)eng等［10］在 T1DM心臟病小鼠的肥厚心肌組織及HG環(huán)境下培養(yǎng)的鼠新生心肌細胞中發(fā)現(xiàn)miR-133a表達顯著上調(diào)。提示miR-133a在糖尿病患者心肌組織中開始上調(diào)可能是心肌肥厚的信號。

心肌損傷或能量代謝異常致心肌收縮障礙與miRNA調(diào)控相關(guān)。在體內(nèi)外，分別用HG刺激心肌細胞，出現(xiàn)miR-1/ 206表達顯著上調(diào)，隨后對熱休克蛋白60（heat shock protein 60，Hsp60）轉(zhuǎn)錄后調(diào)控使Hsp60水平降低［11］。Hsp60是糖尿病心肌損傷防御機制的重要組分，其下調(diào)將加速心肌細胞凋亡，導(dǎo)致心肌損傷。

5　miRNA與DN

DN是一種由糖尿病導(dǎo)致的腎臟疾病，與Kimmelstiel-Wilson綜合征和毛細管間腎小球性腎炎相似，DN最終導(dǎo)致糖尿病患者發(fā)生腎衰。近年來有關(guān)miRNAs在DN發(fā)病過程中的作用已經(jīng)引起研究人員的廣泛關(guān)注。Wang等［12］將體外培養(yǎng)的人及小鼠腎小球系膜細胞，暴露在HG和轉(zhuǎn)化生長因子-β1的刺激下，相比較于正常對照組，發(fā)現(xiàn)其與體內(nèi)實驗中糖尿病小鼠模型的系膜細胞一樣均出現(xiàn)miR-373表達水平明顯升高。miR-373通過減少p21活化激酶、超氧化物歧化酶和其他靶點的mRNA的表達，抑制相應(yīng)蛋白合成，間接作用于細胞外基質(zhì)蛋白-纖連蛋白，使其表達增加及氧化應(yīng)激敏感性增強，從而在DN系膜改變的發(fā)生發(fā)展過程中起了重要作用。Fu等［13］報道氧化應(yīng)激在DN發(fā)病機制中扮演重要角色。DN中還原型輔酶II（NADPH）氧化酶源性超氧與HG誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激較密切，而NADPH氧化酶的表達受到miRNA調(diào)控。miR-25作為內(nèi)源性基因沉默因子，在DN中調(diào)控NOX4（HG狀態(tài)下NADPH氧化酶主要催化亞基）的功能與表達。他們發(fā)現(xiàn)miR-25在糖尿病鼠的腎臟和HG處理的系膜細胞中降低顯著，而NOX4表達水平升高。在體外研究中miR-25的抑制物顯著提高了NOX4的mRNA和蛋白的水平，證實miR-25可能與NOX4的mRNA穩(wěn)定性表達相關(guān)。Kato等［14］提出miR-216是導(dǎo)致DN的另一個潛在因素，即在腎小球系膜細胞中，TGF-β1刺激能上調(diào)miR-216的表達，導(dǎo)致Ⅰ型膠原α2的表達量增加，這牽涉到Ⅰ型膠原α2基因啟動子上E-box序列和一系列分子復(fù)合物之間的關(guān)系，其中之一是受RNA結(jié)合蛋白Y-box結(jié)合蛋白-1的調(diào)節(jié)，他們提出假設(shè)即上調(diào)miR-216可通過Y-box結(jié)合蛋白-1介導(dǎo)對Ⅰ型膠原α2的調(diào)節(jié)，因此，TGF-β1刺激下通過miR-216抑制YB-1的表達可極大地促進纖維化的發(fā)展。

龐琦等［15］用12只HG且24 h尿白蛋白顯著增高的先天性肥胖性2型糖尿病小鼠（db/db）作為早期DN組，db/m作為正常對照組，建立db/db小鼠早期DN miRNA的差異表達譜，用miRNA芯片技術(shù)和RT-PCR進行檢測。通過對早期db/db小鼠的miRNA初步篩查顯示，miR-196a、miR-98和miR-29c在DN組表達明顯上調(diào)，miR-21、miR-451、miR-709 和miR-187在DN組表達明顯下調(diào)，說明部分miRNA在DN和正常對照小鼠腎臟組織中存在差異表達，可能參與了DN發(fā)生的分子機制。Zhang等［16］同時發(fā)現(xiàn)在糖尿病db/db小鼠體內(nèi)異位表達miR-21對DN組腎小球系膜增殖起著一定的調(diào)控作用，PTEN是miR-21的靶基因并受其負調(diào)控，miR-21的下調(diào)將導(dǎo)致腎臟纖維化。

6　miRNA與DR

DR是糖尿病最常見和最嚴重的微血管并發(fā)癥之一，其主要的特征是視網(wǎng)膜微血管功能障礙，最嚴重的后果是導(dǎo)致失明，已成為大多數(shù)發(fā)達國家工作年齡人群致盲的首要原因。Kovacs等［17］采用鏈脲佐菌素誘導(dǎo)建立糖尿病大鼠模型，通過與對照組對比分析，發(fā)現(xiàn)在兩組大鼠視網(wǎng)膜中有350種miRNA，其中86種miRNA表達有差異；視網(wǎng)膜內(nèi)皮細胞中檢測出220種miRNA，其中120種miRNA表達有差異。通過基因功能注釋分析發(fā)現(xiàn)，miRNA-146通過作用于白細胞介素-1受體相關(guān)激酶1和腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6，抑制了核轉(zhuǎn)錄因子-κB的活化。與血管內(nèi)皮生長因子誘導(dǎo)有關(guān)的miRNA-17-5p、miRNA-18a、miRNA-20a、miRNA-21、miRNA-31和miRNA-155等的表達都有增加。與p53相作用的miRNA-34家族在糖尿病組的表達上調(diào)，表明p53依賴的miRNA-34介導(dǎo)的細胞凋亡可能在早期DR中起重要作用。

目前，已有較多miRNA作用于視網(wǎng)膜新生血管機制方面的研究報道。Silva等［18］在對miR-29b及其潛在靶點促凋亡RNA依賴的蛋白激酶相關(guān)蛋白X進行定位和表達的研究中發(fā)現(xiàn)miR-29b和RAX定位和表達于正常小鼠和糖尿病小鼠的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞和視網(wǎng)膜內(nèi)層核細胞中，且二者之間存在間接調(diào)控關(guān)系。因此，miR-29b的表達變化可盡早預(yù)測視網(wǎng)膜神經(jīng)細胞的凋亡。另外，視網(wǎng)膜周細胞凋亡在DR早期發(fā)病機制中起重要作用，而NF-κB參與視網(wǎng)膜周細胞促凋亡程序的觸發(fā)。McArthur等［19］利用基因芯片技術(shù)，對已經(jīng)出現(xiàn)DR的大鼠視網(wǎng)膜和HG刺激下的人視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細胞進行對比篩查，發(fā)現(xiàn)miRNA-200b的表達顯著增高，同時血管內(nèi)皮生長因子的mRNA和蛋白表達也增高。在視網(wǎng)膜中，miRNA-200b定位于神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)細胞和血管內(nèi)皮細胞。通過基因干擾技術(shù)阻斷miRNA-200b的表達，可明顯降低血管內(nèi)皮生長因子mRNA和蛋白的表達水平；同時也阻礙了糖尿病引起的視網(wǎng)膜血管通透性的增加和新生血管的生成。因此，針對miRNA的研究可能成為未來DR治療的新靶點。

7　問題與展望

miRNA是目前生命科學(xué)領(lǐng)域研究的一大熱點，雖然人類主要miRNA已經(jīng)逐步被認識，但確定和破譯每個miRNA的作用靶點和作用途徑及其調(diào)節(jié)仍是目前極為重要的工作。糖尿病并發(fā)癥發(fā)病機制十分復(fù)雜，目前已發(fā)現(xiàn)多種miRNA在其發(fā)病過程中起著重要作用。根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果可推測，針對miRNA的進一步研究將有望發(fā)現(xiàn)早期診斷糖尿病并發(fā)癥生物標(biāo)志物及防治的新靶點，對糖尿病并發(fā)癥的干預(yù)治療提供新的突破口，有著廣闊的臨床應(yīng)用前景和價值。

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（本文編輯：李霦）

（2014-11-17）