MicroRNA-21在心血管疾病中的研究

楊文鋼 薛松

綜 述

MicroRNA-21在心血管疾病中的研究

楊文鋼 薛松

MicroRNA-21； 心血管疾病

MicroRNAs（miRNAs）是一類(lèi)高度保守的 18～22個(gè)堿基長(zhǎng)度的非編碼小RNA；它們通過(guò)誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄抑制或轉(zhuǎn)錄降解對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行負(fù)調(diào)控[1]。最初人們只認(rèn)識(shí)到RNA聚合酶Ⅲ是驅(qū)動(dòng)miRNAs轉(zhuǎn)錄的主要因素；然而部分前體長(zhǎng)鏈miRNA（pri-miRNA）轉(zhuǎn)錄子長(zhǎng)達(dá)數(shù)千個(gè)堿基對(duì)，包含4個(gè)或更多的尿嘧啶，這會(huì)導(dǎo)致聚合酶Ⅲ轉(zhuǎn)錄介導(dǎo)作用的終止[2]。MiRNA-21是第一個(gè)被確認(rèn)由RNA聚合酶Ⅱ調(diào)控轉(zhuǎn)錄的miRNA，這已被確認(rèn)為miRNAs轉(zhuǎn)錄的主要驅(qū)動(dòng)方式。在過(guò)去幾年里，對(duì)很多miRNAs包括miR-21的生物學(xué)功能進(jìn)行了研究[3,4]。MiR-21由單一的基因編碼，在眾多的脊椎動(dòng)物物種基因表型中表現(xiàn)出極強(qiáng)的進(jìn)化保護(hù)性。人類(lèi)miR-21基因定位于染色體17q23.2，它與蛋白質(zhì)編碼基因vmp1（或tmem49）重疊在一個(gè)位點(diǎn)。然而，包含miR-21的初級(jí)轉(zhuǎn)錄物（即pri-mir-21）是從一個(gè)保守的啟動(dòng)子開(kāi)始獨(dú)立轉(zhuǎn)錄的，這個(gè)啟動(dòng)子位于重疊的蛋白編碼基因的內(nèi)含子中[5,6]。MiR-21在哺乳動(dòng)物的器官如心臟、脾臟、小腸和結(jié)腸都有表達(dá)[7]。有關(guān)腫瘤學(xué)研究中，miR-21表現(xiàn)出諸多的生物學(xué)作用[4,5]，miR-21在許多腫瘤組織標(biāo)本中都有高表達(dá)；最近對(duì)miR-21的許多功能研究揭示，miR-21具有致癌活性。同時(shí)，miR-21在心血管疾病中的生物學(xué)作用已得到廣泛的關(guān)注[8]。MiR-21在所有主要類(lèi)型的心血管細(xì)胞包括血管平滑肌細(xì)胞（VSMC）、內(nèi)皮細(xì)胞、心肌細(xì)胞和心臟成纖維細(xì)胞[9]中都有穩(wěn)定的高表達(dá)；在許多心血管疾病中，miR-21出現(xiàn)異常表達(dá)[8]；并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)miR-21在心血管疾病的發(fā)生發(fā)展中，是通過(guò)其功能的喪失或者功能的增強(qiáng)發(fā)揮重要作用的。此外，參與影響心血管效應(yīng)的miR-21介導(dǎo)的靶基因已經(jīng)被確認(rèn)。本文總結(jié)了miR-21在心血管疾病中的研究進(jìn)展。

1 MicroRNA-21與發(fā)育

卵子受精后，胚胎發(fā)育需要依賴(lài)于母體mRNAs轉(zhuǎn)錄，直到自身的轉(zhuǎn)錄機(jī)制起作用為止；從胚胎基因組被激活開(kāi)始，母體mRNAs降解。MiRNAs在胚胎早期發(fā)育階段的表達(dá)在母體mRNAs的降解過(guò)程中起了重要作用[10]。在對(duì)斑馬魚(yú)的研究中發(fā)現(xiàn)，在胚胎發(fā)育的早期階段就檢測(cè)到miR-21的表達(dá)。陳及其同事在斑馬魚(yú)的早期胚胎組織來(lái)源成纖維細(xì)胞中檢測(cè)到miR-21的表達(dá)，并且占成纖維細(xì)胞中所有miRNAs的40%之多[11]。在另一項(xiàng)對(duì)虹鱒胚胎發(fā)育的研究中，發(fā)現(xiàn)miR-21和STAT3的高表達(dá)水平。STAT3是調(diào)控miR-21的一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，具有顯著提高胚胎基因的激活作用[12]。MiR-21可能通過(guò)未知的機(jī)制在母系遺傳基因的mRNAs降解中發(fā)揮重要作用。

2 MicroRNA-21與心肌缺血損傷

心肌梗死是導(dǎo)致衰弱和死亡的最常見(jiàn)原因之一。心肌梗死中心肌組織的損傷屬于心肌組織的缺血事件，組織損傷主要由其缺血持續(xù)時(shí)間決定，隨后再由心肌再灌注損傷引起心肌的再損傷。在缺血過(guò)程中，由于無(wú)氧呼吸和乳酸積累，細(xì)胞內(nèi)的ATP水平下降，細(xì)胞內(nèi)的pH值降低。反過(guò)來(lái)又導(dǎo)致Na+/K+-ATP酶功能障礙和隨之而來(lái)的細(xì)胞內(nèi)鈉積聚，導(dǎo)致Na+/Ca2+逆向反轉(zhuǎn)、胞漿和線粒體鈣含量增加。雖然在缺血再灌注初始階段，缺血心肌組織得到再灌注，氧的水平也再恢復(fù)；但是，呼吸鏈反應(yīng)復(fù)合物還處在衰減狀態(tài)，并有大量活性氧出現(xiàn)。所有這些不良事件導(dǎo)致細(xì)胞線粒體通透性加大，線粒體崩解，導(dǎo)致細(xì)胞死亡[13]。線粒體不斷進(jìn)行融合和裂變，這也是維持細(xì)胞器的保真度所必需的；異常線粒體裂變參與細(xì)胞凋亡的發(fā)生，這就需要Drp1的參與。Drp1是一種GTP酶，導(dǎo)致線粒體外膜斷裂，線粒體小管分裂成碎片[14]。凋亡信號(hào)可以介導(dǎo)神經(jīng)鈣蛋白、絲氨酸和蘇氨酸蛋白磷酸酶去磷酸化促進(jìn)凋亡因子，分別導(dǎo)致其激活或失活。近年來(lái)，大量的研究已經(jīng)表明，通過(guò)上調(diào)或下調(diào)的miRNAs改變關(guān)鍵信號(hào)元件的表達(dá)導(dǎo)致心肌損傷和對(duì)心肌進(jìn)行保護(hù)，這些miRNAs成為潛在的治療靶點(diǎn)[15]。

MiRNA-21在抑制心臟細(xì)胞凋亡中起到非常重要的作用，是一個(gè)非常好的靶點(diǎn)。MiRNA-21通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞程序性死亡4和多個(gè)心肌保護(hù)介質(zhì)，包括激活蛋白-1的蛋白、內(nèi)皮型一氧化氮合酶、熱休克蛋白70、熱休克轉(zhuǎn)錄因子-1等起到心肌保護(hù)作用[16]。上調(diào)miR-21促進(jìn)細(xì)胞生存是通過(guò)抑制PTEN（彈力蛋白同源十號(hào)染色體缺失的磷酸酶）起作用的。PTEN蛋白可降解3，4，5-三磷酸-磷酸脫脂酶。3，4，5-三磷酸-磷酸脫脂酶由磷脂酰肌醇3激酶構(gòu)成，在激活產(chǎn)生的促存活A(yù)KT激酶通路中起到至關(guān)重要的作用。MiRNA-21抑制PTEN在心臟成纖維細(xì)胞中的表達(dá)增加，而miR-21寡核苷酸抑制它的表達(dá)[9]。MiRNA-21也通過(guò)PTEN途徑控制基質(zhì)金屬蛋白酶-2的表達(dá)，說(shuō)明miRNA-21在治療心臟衰竭和減輕炎癥反應(yīng)上具有潛在作用。在缺血預(yù)適應(yīng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，miRNA-21在缺血損傷區(qū)域出現(xiàn)表達(dá)下調(diào)，而在缺血梗死區(qū)的邊緣出現(xiàn)miRNA-21的表達(dá)上調(diào)[16]。Xu等[17]在H9C2細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)miR-21與HSP60和HSP70的轉(zhuǎn)錄后抑制相關(guān)，實(shí)驗(yàn)中也觀察到HSP70合成水平的上調(diào)[17]。MiRNA-21是Akt效應(yīng)通路的一個(gè)下游因子，通過(guò)下調(diào)Fas和caspase-8配體的表達(dá)介導(dǎo)的抗凋亡作用[18]，并且通過(guò)磷脂酶C（PC）促使Akt的磷酸化和通過(guò)抑制細(xì)胞凋亡來(lái)保護(hù)心臟。在心臟中，通過(guò)miRNA-21抑制PTEN表達(dá)與PC激活后PTEN活性的缺失是一致的[19]。

3 MicroRNA-21與心臟保護(hù)

在溫度升高的條件下，細(xì)胞誘導(dǎo)表達(dá)出現(xiàn)的蛋白質(zhì)稱(chēng)為熱休克或應(yīng)激蛋白。這個(gè)過(guò)程提高了細(xì)胞克服進(jìn)一步損傷的能力。事實(shí)上，輕微的熱休克已被證實(shí)，在延續(xù)的缺血再灌注損傷后具有改善心肌存活的作用。熱休克蛋白的合成、抗氧化防御系統(tǒng)、增強(qiáng)線粒體的呼吸、線粒體KATP通道開(kāi)放、抗線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的開(kāi)放和抑制細(xì)胞凋亡被認(rèn)為是熱休克對(duì)缺血再灌注損傷的保護(hù)機(jī)制。而且，注射外源性合成的miRNA-21可減少心肌梗死面積大小的64%[15]。小鼠使用miRNA-21拮抗劑后，由miRNA-21形成的保護(hù)作用完全消失。通過(guò)基因芯片技術(shù)分析確定由miRNAs干預(yù)引起多種凋亡相關(guān)基因的變化，尤其是在使用miRNA干預(yù)后的熱休克小鼠，caspase家族成員中1、2、8和14的表達(dá)被抑制。除了bnip-3，大部分的促凋亡基因，包括BID（與Bcl-2同源的3域相互作用的死亡受體激動(dòng)劑）、bcl-10（B 細(xì)胞淋巴瘤/白血病 10）、脂肪組織腫瘤（細(xì)胞死亡誘導(dǎo)DNA斷裂因子，亞基類(lèi)似效應(yīng)）、LTBR（淋巴毒素 B 受體）、Trp53（轉(zhuǎn)化相關(guān)蛋白53）、Fas（腫瘤壞死因子受體超家族成員）相關(guān)基因FasL（Fas配體，腫瘤壞死因子超家族，成員6）等是被抑制的。另一方面，抗凋亡基因bag-3（Bcl-2相關(guān)抗凋亡蛋白）和prdx2（過(guò)氧化物酶2）是增加的[15]。這些研究結(jié)果進(jìn)一步支持了這一觀點(diǎn)，即通過(guò)操縱內(nèi)源性miRNA-21對(duì)心血管疾病進(jìn)行治療是一個(gè)很有前途的治療方法。

4 MicroRNA-21與心血管疾病

MiRNA-21不僅在癌組織中表達(dá)，同樣在心血管系統(tǒng)中也有表達(dá)。MiRNA-21在癌癥的進(jìn)展中起到了主要作用；但是，其在心血管系統(tǒng)中的功能顯得更為復(fù)雜。關(guān)于miRNA-21在心血管系統(tǒng)中的作用研究表明，miRNA-21在應(yīng)激小鼠心臟中表達(dá)上調(diào)，如胸主動(dòng)脈縮窄導(dǎo)致左心室壓力負(fù)荷過(guò)重或通過(guò)去氧腎上腺素（PE）治療干預(yù)的小鼠[20,21]。在miRNA-21對(duì)心肌細(xì)胞的大小和（或）肥大的影響作用存在不同的觀點(diǎn)，程等在利用PE和血管緊張素Ⅱ（AngⅡ）刺激造成心肌細(xì)胞應(yīng)激的模型中抑制miRNA-21的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)心肌細(xì)胞顯著減小。然而Tatsuguchi等[20]采用反義探針抑制miRNA-21表達(dá)，導(dǎo)致乳鼠心肌細(xì)胞增多和心肌細(xì)胞肥大，miRNA-21的過(guò)表達(dá)導(dǎo)致心肌細(xì)胞略有減小。Thum等[22]在體外和體內(nèi)使用心肌特異性的miRNA-21反譯基因?qū)π募〖?xì)胞進(jìn)行干預(yù)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)miRNA-21對(duì)心肌細(xì)胞大小的直接影響。體外使用H2O2對(duì)心臟進(jìn)行應(yīng)激實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)乳鼠心肌細(xì)胞大小對(duì)內(nèi)源性miRNA-21表達(dá)上調(diào)存在時(shí)間和濃度依賴(lài)性[23]。Sayed等[24]在miRNA-21調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞的出芽和生長(zhǎng)方面進(jìn)行了更進(jìn)一步的研究，在生長(zhǎng)因子存在的條件下，miRNA-21的過(guò)表達(dá)不影響心肌細(xì)胞肥大和生長(zhǎng)，但是增加細(xì)胞的出芽，表明miRNA-21的表達(dá)上調(diào)通過(guò)重建細(xì)胞-細(xì)胞間連接或者縫隙連接參與心肌肥厚形成的過(guò)程。在受損傷的小鼠和人的心肌中發(fā)現(xiàn)miRNA-21表達(dá)上調(diào)；尤其是在心肌梗死或心臟衰竭后的心臟成纖維細(xì)胞中，miRNA-21的表達(dá)增加更明顯[9,22]。同時(shí)，在體內(nèi)使用miRNA-21抑制劑，miRNA-21的表達(dá)水平與心肌纖維化發(fā)展呈正相關(guān)[22]。缺血再灌注損傷7 d后，小鼠心臟梗死區(qū)出現(xiàn)miRNA-21表達(dá)增加。利用激光捕獲顯微切割技術(shù)從感興趣的區(qū)域獲得的組織樣本中，發(fā)現(xiàn)在心肌梗死區(qū)的心臟成纖維細(xì)胞中有miRNA-21高表達(dá)，而在正常的心肌組織中卻存在低表達(dá)[9]。對(duì)急性缺血/再灌注的心臟模型進(jìn)行miRNA-21的表達(dá)時(shí)空分布觀察，在缺血/再灌注后6 h，miRNA-21在梗死邊界區(qū)高表達(dá)，在心肌梗死區(qū)表達(dá)下調(diào)。進(jìn)一步的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，在大鼠心肌梗死面積明顯減少時(shí)，心臟miRNA-21出現(xiàn)過(guò)表達(dá)。在體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，miR-21在接受實(shí)驗(yàn)缺氧/復(fù)氧損傷和急性心肌梗死后，miRNA-21抑制細(xì)胞凋亡率，增強(qiáng)心肌細(xì)胞的抗凋亡作用。在未來(lái)應(yīng)用miRNA-21作為靶點(diǎn)治療心血管疾病時(shí)，應(yīng)考慮到不同時(shí)機(jī)、細(xì)胞特異性和疾病的差異性[25,26]。目前關(guān)于miRNA-21在內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞等其他細(xì)胞中的作用和功能知之甚少。選擇性敲除體外培養(yǎng)的血管平滑肌細(xì)胞（VSMC）的miRNA-21，可減少細(xì)胞增殖和增加凋亡。在體內(nèi)使用miRNA-21抑制劑，大鼠頸總動(dòng)脈損傷后加快損傷細(xì)胞的凋亡，同時(shí)降低細(xì)胞的增殖。這些結(jié)果提示，miRNA-21對(duì)血管增殖性疾病如動(dòng)脈粥樣硬化、腦卒中的治療可能同樣有效。觀察經(jīng)過(guò)氧化氫處理后的血管平滑肌細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，miRNA-21的表達(dá)增加。在體外進(jìn)行miRNA-21的敲除和過(guò)表達(dá)實(shí)驗(yàn)表明miRNA-21介導(dǎo)細(xì)胞損傷、細(xì)胞凋亡和細(xì)胞死亡的保護(hù)作用[27]。總之，在心血管系統(tǒng)中miRNA-21的表達(dá)和功能的調(diào)節(jié)是非常復(fù)雜的，有待更進(jìn)一步的研究。

5 展望

MiRNA-21的作用研究已取得重大進(jìn)展。MiRNA-21與其他大多數(shù)miRNAs一樣應(yīng)該有多個(gè)靶基因，通過(guò)與多種靶mRNA完全或不完全互補(bǔ)配對(duì)，調(diào)控多種蛋白的表達(dá)，從而發(fā)揮巨大的生理調(diào)控作用。目前發(fā)現(xiàn)miRNA-21影響心血管疾病的靶基因主要有程序性死亡基因4（programmed cell death 4，PDCD4）、彈力蛋白同源十號(hào)染色體缺失的磷酸酶（phosphatase and tensin homology deleted from chromosome 10，PTEN）、 出 芽 蛋 白 因 子 1（sprouty1，SPRY1） 和出芽蛋白因子 2（sprouty2，SPRY2）這四種。更進(jìn)一步靶基因的發(fā)現(xiàn)有待研究。借助miRNA mimics和antagomirs技術(shù)，miRNA-21用于治療多種心血管疾病有望實(shí)現(xiàn)，如治療心律失常、肥厚性心肌病、心肌纖維化、動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病及缺血性心臟病、血管形成后再狹窄等。MiRNA-21的臨床前景十分可觀。

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The study of microRNA-21 in cardiovascular disease

MicroRNA-21； Cardiovascular disease

上海交通大學(xué)?；穑?xiàng)目編號(hào)：13XJ10014）

200127 上海市，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院心血管外科

薛松，E-mail：xuesong64@163.com

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R54

A

1672-5301（2016）06-0485-04

2016-01-13）