陳超一,趙菁菁,劉廣忠,李為民
(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院 心內(nèi)科, 黑龍江 哈爾濱 150001)
綜 述
MicroRNA與代謝異常相關(guān)心血管疾病的研究進(jìn)展
陳超一,趙菁菁,劉廣忠,李為民
(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院 心內(nèi)科, 黑龍江 哈爾濱 150001)
MicroRNA(miRNA)是一類廣泛存在于真核生物中的非編碼單鏈小RNA,通過影響多個(gè)靶基因的表達(dá)構(gòu)建復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),參與細(xì)胞增殖、分化、凋亡及代謝調(diào)控等過程從而影響機(jī)體發(fā)育及多種疾病的發(fā)生發(fā)展。心臟正常生理功能的維持依賴于心肌能量代謝平衡,多種心血管疾病與代謝紊亂密切相關(guān)。目前,多項(xiàng)研究已證實(shí)microRNA調(diào)控糖代謝、脂代謝及線粒體功能等。諸多代謝關(guān)鍵靶點(diǎn)受不同microRNA的調(diào)控,參與心血管疾病的發(fā)生發(fā)展過程。本文主要介紹microRNA調(diào)控物質(zhì)代謝及與代謝異常心血管疾病的相關(guān)研究進(jìn)展。
microRNA;糖代謝;脂代謝;線粒體;心血管疾病
心血管疾病在現(xiàn)代人群中發(fā)病率及死亡率高,嚴(yán)重危害人類健康。多年以來(lái),關(guān)于心血管系統(tǒng)生理功能及疾病發(fā)生機(jī)制的研究不斷深入,但具體機(jī)制仍不清楚。心臟是人體重要器官,具有高活動(dòng)、高能耗的特點(diǎn),無(wú)論是心肌收縮或舒張過程均與心臟代謝密切相關(guān)。心臟代謝途徑受復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)支配,多種代謝酶參與底物利用及氧化磷酸化等過程生成ATP供能,心肌能量代謝平衡對(duì)維持心臟功能至關(guān)重要?,F(xiàn)已證實(shí),參與心臟代謝供能的多種底物中,脂肪酸氧化占心臟能量消耗的70%,葡萄糖代謝供能占10%~30%,乳酸、酮體、氨基酸等物質(zhì)代謝僅占心臟能耗的極小部分。當(dāng)心臟代謝過程發(fā)生異常時(shí),心功能隨之惡化。
隨著研究不斷深入,發(fā)現(xiàn)microRNA(miRNA)可通過特異性序列調(diào)控基因表達(dá),參與機(jī)體多種物質(zhì)代謝過程,在維持機(jī)體功能穩(wěn)態(tài)的過程中扮演重要角色,其中多種microRNA與心臟正常生理功能的執(zhí)行及心血管疾病的發(fā)生密切相關(guān)。本文就microRNA與物質(zhì)代謝及心血管疾病的關(guān)系進(jìn)行綜述,有助于進(jìn)一步了解microRNA在心血管系統(tǒng)中的作用,為心血管疾病的診治提供新思路。
microRNA(miRNA)是一段長(zhǎng)約22個(gè)核苷酸的單鏈小RNA,由非編碼區(qū)轉(zhuǎn)錄而成,主要存在于細(xì)胞及血漿中且保持高度穩(wěn)定性,近年研究發(fā)現(xiàn),miRNA還出現(xiàn)在多種生物體液中,如:尿液、唾液、淚液及羊水等[1-2]。絕大多數(shù)miRNA與靶mRNA的3'端非編碼區(qū)靶點(diǎn)序列(3′-UTR區(qū))特異性配對(duì)結(jié)合,經(jīng)轉(zhuǎn)錄后水平降解靶mRNA或抑制其翻譯,調(diào)控基因表達(dá)從而發(fā)揮參與細(xì)胞增殖、分化、凋亡及代謝調(diào)控等作用[3]。目前,人類基因庫(kù)中已發(fā)現(xiàn)約2 000種miRNA,至少調(diào)控人體半數(shù)以上mRNA,其中大多數(shù)miRNA的表達(dá)在機(jī)體病理狀態(tài)下出現(xiàn)異常,與人體多種疾病的發(fā)病機(jī)制及病理過程密切相關(guān),如:miR-101a可通過抑制心肌成纖維細(xì)胞TGFβRI的表達(dá)發(fā)揮抗心肌纖維化的作用[4]。此外,研究發(fā)現(xiàn)miR-7過表達(dá)可明顯抑制人肺癌細(xì)胞體外及體內(nèi)的轉(zhuǎn)移能力,提示其參與肺癌轉(zhuǎn)移過程[5]。
早前研究證實(shí),心肌細(xì)胞中存在著某些特異性高表達(dá)的miRNA,作用于心血管疾病的多個(gè)病理生理過程,如:妊娠期高血壓、冠心病及支架再狹窄等[6-9]。此外,miRNA被認(rèn)為在調(diào)節(jié)機(jī)體代謝過程中發(fā)揮重要作用,是代謝靶基因的關(guān)鍵調(diào)控者,如:胰島素分泌、葡萄糖攝取及氧化代謝、脂類及氨基酸代謝等過程[10]。同時(shí),miRNA還參與不同疾病的代謝過程,當(dāng)其表達(dá)異?;蚴フ{(diào)控能力時(shí)可導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生[11]。
2.1 調(diào)控葡萄糖代謝 葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞依賴于葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體 (Glucose transporter,GLUT),葡萄糖通過GLUT介導(dǎo)進(jìn)入細(xì)胞后,經(jīng)三羧酸循環(huán)、糖酵解途徑及有氧氧化過程供能,是機(jī)體最基本的糖代謝過程。目前已發(fā)現(xiàn)多種GLUT,其中GLUT4負(fù)責(zé)在高胰島素條件下迅速提高葡萄糖攝入量,在機(jī)體的葡萄糖利用過程中發(fā)揮重要作用。Lu[12]等通過對(duì)155種microRNA的表達(dá)進(jìn)行定量分析發(fā)現(xiàn),miR-223在發(fā)生胰島素抵抗的心肌中表達(dá)上調(diào)。同時(shí),新生大鼠心肌中miR-223過表達(dá)可上調(diào)GLUT4 水平,增加葡萄糖攝取,此項(xiàng)研究提示miR-223對(duì)心肌細(xì)胞葡萄糖攝取的調(diào)控作用。研究證實(shí),miR-93同樣以GLUT4為靶點(diǎn),通過下調(diào)GLUT4的表達(dá),抑制葡萄糖攝取作用[13]。el Azzouzi等[14]發(fā)現(xiàn),miR-199a/214簇有效地抑制過氧化物酶體增生物激活受體-δ(Peroxisome proliferator-activated receptor δ,PPAR-δ)的表達(dá),促進(jìn)心肌代謝由脂肪酸氧化向葡萄糖代謝轉(zhuǎn)化。當(dāng)拮抗小鼠miR-199a及miR-214表達(dá)時(shí),小鼠心臟功能得以改善,線粒體脂肪酸氧化增加。Cao等[15]證實(shí),miR-290可通過上調(diào)丙酮酸激酶M2亞型(Pyruvate kinase isoenzyme M2,PKM2)與乳酸脫氫酶A((Lactate Dehydrogenase-A,LDH-A)的表達(dá),促進(jìn)細(xì)胞糖酵解過程。
此外,microRNA還可經(jīng)其他方式調(diào)控葡萄糖代謝過程。中介體復(fù)合物(Mediator complex,MED)是真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄調(diào)控器,MED13是中介體復(fù)合物的一個(gè)亞基,可以通過作用于甲狀腺激素及其他核激素受體調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄過程參與機(jī)體代謝。miR-208對(duì)MED13起負(fù)性調(diào)控的作用,當(dāng)MED13過表達(dá)或抑制小鼠miR-208表達(dá)時(shí),機(jī)體胰島素敏感性和葡萄糖耐受性升高,提示miR-208對(duì)葡萄糖代謝的調(diào)控作用[16]。研究證實(shí),miR-1調(diào)控多種代謝相關(guān)酶,如:葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(Glucose-6-phosphate dehydrogenase,G6PD)、6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶(6-phosphaogluconate dehydrogenase,6PGD)、轉(zhuǎn)酮醇酶(Transketolase,TKT)等經(jīng)磷酸戊糖途徑調(diào)控葡萄糖代謝[17]。綜上,microRNA可以通過多種方式作用于不同靶點(diǎn)調(diào)控機(jī)體葡萄糖代謝過程。
2.2 調(diào)控脂肪酸及脂類代謝 維持脂類代謝平衡是機(jī)體執(zhí)行正常生理功能的關(guān)鍵,miR-33是調(diào)控機(jī)體脂代謝的重要基因之一,是目前研究較為深入的代謝相關(guān)miRNA。甾醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白(Sterol regulatory element-binding protein ,SREBPs)與脂質(zhì)合成相關(guān),SREBP-1基因位于人第十七號(hào)染色體,miR-33b定位于SREBP-1基因第17內(nèi)含子序列中;SREBP-2基因位于人第二十二號(hào)染色體,miR-33 a定位于SREBP-2基因第16內(nèi)含子序列中。miR-33(包括miR-33a和miR-33b)作為內(nèi)含子miRNA協(xié)同上調(diào)靶基因SREBP2和SREBP1表達(dá),促進(jìn)細(xì)胞脂質(zhì)合成。多項(xiàng)研究證實(shí),miR-33還負(fù)性調(diào)控脂肪酸氧化代謝靶基因(如:HADHB、CPT1和PRKAA1)和膽固醇外流靶基因(如:ABCA1、ABCG1和NPC1)表達(dá)。
miR-122是最早被發(fā)現(xiàn)的調(diào)控脂類代謝的miRNA。miR-122表達(dá)下調(diào)可引起循環(huán)血液中的膽固醇水平下降25%~35%,減少脂類合成和刺激脂肪酸氧化過程。最新研究發(fā)現(xiàn),給予miR-122基因敲除小鼠持續(xù)高脂飲食3個(gè)月后,小鼠體重下降,血漿中游離膽固醇、甘油三酯和空腹血糖降低,且導(dǎo)致小鼠胰島素抵抗增強(qiáng)和葡萄糖耐受不良[18],進(jìn)一步證實(shí)miR-122對(duì)脂代謝過程的調(diào)控作用。研究證實(shí),miR-223調(diào)控機(jī)體膽固醇代謝,通過抑制3-羥基-3-甲基戊二酰-輔酶A合酶1減少膽固醇合成。miR-223還可以通過調(diào)控ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白A1(ATP binding cassette transport protein A1,ABCA1)的表達(dá)促進(jìn)膽固醇外流。同時(shí),miR-223的表達(dá)受到膽固醇水平的影響,在低膽固醇條件下,miR-223的表達(dá)受抑制[19]。此外,Varrone[20]等研究證實(shí),心型脂肪酸結(jié)合蛋白-3(Heart-type fatty acid-binding protein-3,FABP3)是miR-1的直接作用靶點(diǎn),心肌細(xì)胞中的miR-1通過負(fù)性調(diào)節(jié)FABP3的表達(dá),與心肌細(xì)胞的脂肪酸吸收過程密切相關(guān)。
2.3 調(diào)控線粒體代謝 線粒體是心肌細(xì)胞完成能量代謝的關(guān)鍵場(chǎng)所,通過生成ATP以維持機(jī)體正常生命活動(dòng)。多種microRNA參與線粒體代謝,如:miR-181a和miR-183均作用于異檸檬酸脫氫酶(Isocitrate dehydrogenase,IDH)從而調(diào)節(jié)三羧酸循環(huán)[21-22],提示其與線粒體代謝的相關(guān)性。研究證實(shí),巨噬細(xì)胞膽固醇外流過程受線粒體ATP生成影響,當(dāng)抑制線粒體ATP合酶表達(dá)時(shí),巨噬細(xì)胞膽固醇外流明顯減少。抑制miR-33表達(dá)可促進(jìn)線粒體呼吸作用及ATP生成過程,增加巨噬細(xì)胞膽固醇外流[23]。此外,Sun[24]等發(fā)現(xiàn),miR-15a通過下調(diào)偶聯(lián)蛋白2(UCP-2)的表達(dá)使細(xì)胞耗氧增加及線粒體中ATP生成減少。以上研究提示,microRNA參與調(diào)控細(xì)胞線粒體代謝過程。
值得一提的是,多項(xiàng)研究證實(shí)microRNA 與機(jī)體代謝的關(guān)系呈雙向性,二者相互影響。關(guān)于持續(xù)高脂飲食小鼠的研究表明,肝臟內(nèi)的miR-378 和miR-378*表達(dá)上調(diào)[25],當(dāng)細(xì)胞處于高葡萄糖環(huán)境時(shí),某些microRNA的表達(dá)顯著降低,這都說(shuō)明microRNA的表達(dá)受多重環(huán)境刺激的影響,其與機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的聯(lián)系甚為復(fù)雜[26]。
3.1 高脂血癥 高脂血癥是引起心血管系統(tǒng)代謝紊亂的一個(gè)重要原因。研究發(fā)現(xiàn),微粒體甘油三酯轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Microsomal triglyceride transfer protein,MTP)表達(dá)增多可以引起脂蛋白產(chǎn)生過剩而導(dǎo)致高脂血癥。研究證實(shí),miR-30c通過與MTP mRNA的3’非編碼區(qū)特異性結(jié)合誘導(dǎo)其發(fā)生降解,使得載脂蛋白B表達(dá)下調(diào),減少高脂血癥的發(fā)生。同時(shí),miR-30c可通過抑制脂類合成和脂蛋白分泌,減少動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生[27]。
發(fā)生高脂血癥,包括氧化型低密度脂蛋白(oxLDL)含量的升高均參與心血管疾病的進(jìn)展過程。研究發(fā)現(xiàn),oxLDL可以抑制miR-210啟動(dòng)子的甲基化,上調(diào)miR-210的表達(dá),動(dòng)脈粥樣硬化患者的miR-210啟動(dòng)子甲基化就呈明顯下降趨勢(shì)。SPREDs(Sprouty related with EVH1 domain)是近年發(fā)現(xiàn)的一類與Sprouty相關(guān)的細(xì)胞膜蛋白,miR-210可以抑制SPRED2的表達(dá),高脂飲食小鼠的主動(dòng)脈中miR-210表達(dá)增加、SPRED2表達(dá)減少[28]。綜上,研究者認(rèn)為oxLDL可能通過調(diào)控miR-210表達(dá)成為多種心血管疾病發(fā)生的共同危險(xiǎn)因素,microRNA確實(shí)在高血脂癥的發(fā)生機(jī)制中起作用。
3.2 動(dòng)脈粥樣硬化 動(dòng)脈粥樣硬化 (atherosclerosis,AS) 是動(dòng)脈硬化的一種,表現(xiàn)為大、中動(dòng)脈內(nèi)膜出現(xiàn)含膽固醇、類脂肪等的黃色物質(zhì),常導(dǎo)致血栓形成、供血障礙等,機(jī)體血脂代謝紊亂與動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生關(guān)系甚密。早前研究發(fā)現(xiàn),動(dòng)脈粥樣硬化患者會(huì)出現(xiàn)多個(gè)microRNA的表達(dá)異常。microRNA可通過高密度脂蛋白(HDL)和低密度脂蛋白(LDL)在血漿中轉(zhuǎn)運(yùn),如miR-223主要經(jīng)HDL運(yùn)輸,心肌細(xì)胞中的miR-223可以通過下調(diào)高密度脂蛋白受體SR-BI的表達(dá)影響高密度脂蛋白代謝,導(dǎo)致HDL吸收減少[29]?,F(xiàn)已證實(shí),巨噬細(xì)胞吞噬oxLDL后引起血管炎癥反應(yīng)是發(fā)生動(dòng)脈粥樣硬化的病理變化基礎(chǔ)。miR-155是一種促炎性microRNA,在低密度脂蛋白(LDL)中儲(chǔ)存并運(yùn)輸,Chen[30]等發(fā)現(xiàn)oxLDL刺激的巨噬細(xì)胞中,miR-155表達(dá)上調(diào),預(yù)示著其與動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生相關(guān)。
動(dòng)脈粥樣硬化病變的典型特征是巨噬細(xì)胞吞噬大量脂質(zhì)后形成泡沫細(xì)胞。ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白A1(ABCA1)可與ATP結(jié)合,為物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)提供能量。ABCA1在膽固醇逆向轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮重要作用,通過生物信息學(xué)等方法證實(shí),ABCA1是miR-144-3p的一個(gè)作用靶點(diǎn)。miR-144-3p的過表達(dá)通過影響THP-1泡沫細(xì)胞抑制膽固醇外流,降低HDL-C循環(huán)量和破壞膽固醇逆向轉(zhuǎn)運(yùn),加速小鼠動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生及進(jìn)展過程[31]。此外,研究證實(shí)miR-33同樣通過調(diào)控ABCA1表達(dá)發(fā)揮作用。當(dāng)抑制miR-33基因時(shí)ABCA1表達(dá)上調(diào),促進(jìn)膽固醇外流,減少動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生[23]。
3.3 心力衰竭 心力衰竭是一種復(fù)雜的臨床綜合征,以肺循環(huán)和(或)體循環(huán)淤血及組織、器官血液灌注不足為臨床表現(xiàn),是多種心血管疾病的終末期結(jié)局。心臟執(zhí)行正常生理功能時(shí)主要由脂肪酸氧化供能,在心肌缺血及其他有害條件下衰竭心肌細(xì)胞發(fā)生代謝紊亂,多種microRNA 的表達(dá)發(fā)生改變。microRNA在調(diào)節(jié)心力衰竭代謝過程中發(fā)揮重要作用,通過作用于不同代謝靶點(diǎn),使心衰細(xì)胞能量代謝由脂肪酸氧化向葡萄糖代謝轉(zhuǎn)變。研究證實(shí),發(fā)生心肌缺血性損害時(shí)miR-199a的表達(dá)迅速降低,使糖酵解途徑關(guān)鍵酶的表達(dá)增高,加快糖酵解,說(shuō)明miR-199a促進(jìn)心力衰竭時(shí)糖代謝過程[32]。miRNA-320以磷酸果糖激酶(Phosphofructokinase,PFK)為調(diào)控靶點(diǎn),當(dāng)心肌缺血或再灌注損傷導(dǎo)致心衰時(shí)miR-320表達(dá)下降,使心肌細(xì)胞中PFK的表達(dá)升高從而促進(jìn)糖酵解過程[33]。
過氧化物酶體增殖物激活受體-γ(Peroxisome proliferator-activated receptor γ,PPAR-γ)上調(diào)脂肪酸氧化代謝基因的表達(dá),當(dāng)發(fā)生心力衰竭時(shí),miRNA-27a和miRNA-27b均以PPAR-γ為靶點(diǎn)調(diào)控心肌細(xì)胞脂肪酸代謝。此外,過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子-1(Peroxisome proliferator activated receptorγcoactivator 1,PGC 1)亦是重要的代謝調(diào)控靶點(diǎn),是PPAR-γ的轉(zhuǎn)錄協(xié)同刺激因子,當(dāng)心衰發(fā)生時(shí)miRNA-696通過下調(diào)PGC-1表達(dá),參與調(diào)控心衰細(xì)胞脂代謝。研究發(fā)現(xiàn),miR-24通過調(diào)控脂肪酸結(jié)合蛋白4(FABP4)的表達(dá),抑制心衰時(shí)細(xì)胞脂肪酸合成過程[32]。綜上,microRNA參與調(diào)控心衰的代謝異常過程將成為心衰發(fā)病機(jī)制研究中不可忽視的一部分。
3.4 擴(kuò)張型心肌病 擴(kuò)張型心肌病是一類以左心室或雙心室擴(kuò)大伴收縮功能障礙為特征的心肌病,臨床表現(xiàn)為心臟擴(kuò)大、心力衰竭、心律失常、血栓栓塞及猝死,預(yù)后差。miRNA-30c于心肌細(xì)胞中特異性表達(dá),Wijnen等對(duì)miRNA-30c過表達(dá)轉(zhuǎn)基因小鼠觀察發(fā)現(xiàn),在起初的6周時(shí)間內(nèi)小鼠心臟無(wú)明顯異常,但隨后出現(xiàn)了嚴(yán)重的擴(kuò)張性心肌病。經(jīng)進(jìn)一步研究證實(shí)這是由于miR-30c過表達(dá)造成心肌細(xì)胞線粒體氧化磷酸化復(fù)合物III和IV減少,線粒體功能被干擾所致[34],此項(xiàng)研究提示,microRNA-30c通過調(diào)控代謝參與擴(kuò)張性心肌病的發(fā)生。
綜上所述,多項(xiàng)研究已證實(shí)microRNA確實(shí)參與了多種心血管疾病的代謝異常過程,并且其作用方式及靶點(diǎn)不盡相同,microRNA調(diào)控物質(zhì)代謝通過甚為多樣及復(fù)雜的途徑影響心血管疾病的發(fā)生發(fā)展。
關(guān)于microRNA與心血管疾病的研究逐步深入,大量研究表明多種microRNA參與調(diào)控物質(zhì)代謝與心血管疾病的發(fā)生存在密切聯(lián)系。目前已證實(shí)不同microRNA參與調(diào)控機(jī)體能量代謝穩(wěn)態(tài),進(jìn)一步探究microRNA與心血管疾病代謝過程的關(guān)系,可幫助我們不斷加深對(duì)心血管疾病的發(fā)生及進(jìn)展過程的認(rèn)識(shí),并為其診治提供新的思路。近年來(lái),研究者發(fā)現(xiàn)microRNA可能作為心肌細(xì)胞的損害標(biāo)志物,輔助急性心肌梗死和心衰等疾病的診斷。同時(shí),關(guān)于microRNA靶向治療疾病的研究不斷深入,新近研究中就有關(guān)于miRNA合成拮抗劑用于治療慢性丙型肝炎的臨床試驗(yàn)[35]。鑒于microRNA參與調(diào)控心臟多個(gè)代謝過程,針對(duì)某些重要代謝靶點(diǎn)進(jìn)行microRNA靶向治療是否能在心血管領(lǐng)域中應(yīng)用,仍有待更加深入及全面的研究。
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[收稿2016-10-11;修回2016-11-17]
(編輯:譚秀榮)
Development of microRNAs and cardiovascular diseases associated with metabolic abnormality
ChenChaoyi,ZhaoJingjing,LiuGuangzhong,LiWeimin
(Department of Cardiology,F(xiàn)irst Affiliated Hospital,Harbin Medical University,Harbin Heilongjiang 150001,China)
MicroRNAs (miRNAs) are small non-coding single-stranded RNAs,which are widely distributed in eukaryotes.MicroRNAs have been identified as novel regulators of target gene expression in cell proliferation,differentiation,apoptosis and metabolism,which affect embryonic development and pathogenesis of many diseases.The maintenance of cardiac function should rely on the balance of myocardial energy metabolism.Recent studies have demonstrated that microRNAs can influence the function of mitochondria and the metabolism of glucose and lipid.MicroRNAs are also closely related to the metabolic abnormalities in cardiovascular diseases.This article is aimed to review the current development of microRNAs in metabolism regulation and metabolism-related cardiovascular diseases.
MicroRNA;glycometabolism;lipid metabolism;mitochondrion;cardiovascular disease
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(NO:81270252)。
李為民,男,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向:心臟能量代謝重構(gòu),E-mail:liweimin_2009@163.com。
R541.8
A
1000-2715(2017)01-0105-05