Micro-RNA在缺氧誘導(dǎo)心肌糖代謝中的調(diào)節(jié)作用※

賈晨陽 綜述 任 明審校

(青海大學(xué)，西寧 810016)

Micro-RNA(miRNA)作為一種快速且可逆的轉(zhuǎn)錄后主要調(diào)節(jié)因子，涉及人體約60%的蛋白表達(dá)和近乎所有細(xì)胞的生物學(xué)功能，尤其micro-RNA在缺氧誘導(dǎo)心肌糖代謝中的調(diào)節(jié)作用日益受到學(xué)界關(guān)注，并由此生發(fā)出許多新的觀點和認(rèn)識，部分觀點和認(rèn)識還存在差異。本文就此做一簡要綜述。

1.miRNA概述

miRNA是一類由內(nèi)源基因編碼的長度約22～26個核苷酸的單鏈非編碼RNA分子(non-coding RNA，ncRNA)，通過結(jié)合Argonaute(AGO)蛋白形成miRNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合體(miRNA-induced silencing complex，miRISC)作用于靶基因，從而在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平發(fā)揮調(diào)控作用[1]。 自從1993年在秀麗隱桿線蟲上被發(fā)現(xiàn)以來，有關(guān)miRNA的生物發(fā)生、作用機制及生物學(xué)作用的研究報道逐年上升。目前，miRBase數(shù)據(jù)庫已經(jīng)收錄超過2 500種人類成熟miRNA信息[2]，經(jīng)檢測它們在人類基因組中保守的靶基因位點>45 000個，且超過60%的編碼基因都能與miRNA結(jié)合，這足以證明miRNA調(diào)控的廣泛性[3]。此后，研究表明miRNA作為機體的重要調(diào)控分子，幾乎參與所有細(xì)胞的生物學(xué)功能；在許多疾病狀態(tài)下，特別是在肝腎疾病和心血管疾病中觀察到了miRNA的異常表達(dá)[4～6]。因此，研究調(diào)節(jié)miRNA功能分子機制及靶基因?qū)Ω鞣N疾病的治療和預(yù)防有著至關(guān)重要的作用。

2.缺氧誘導(dǎo)的心肌糖代謝調(diào)節(jié)特點

早期研究證實，心肌缺氧時，脂肪酸、丙酮酸等有氧氧化代謝明顯受到抑制，心臟主要靠增加葡萄糖的攝取來提供能量。近年來，越來越多的研究表明，缺氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia-inducible factor，HIF-1α)在心肌糖代謝異常形成中起著重要作用。Okamoto等人[7]發(fā)現(xiàn)，HIF-1α在缺氧條件下會增加糖酵解并抑制線粒體氧化代謝；Valvona等人[8]發(fā)現(xiàn)，HIF-1α能夠調(diào)節(jié)糖酵解的棕色脂肪細(xì)胞的生成，HIF-1α的激活可導(dǎo)致葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1、糖酵解酶(包括己糖激酶2、丙酮酸脫氫酶和乳酸脫氫酶)的上調(diào)，使無氧糖酵解能力增強、氧化磷酸化途徑受到抑制。還有文獻(xiàn)報道，HIF-1α在機體缺氧時還會優(yōu)先促進參與糖酵解途徑的編碼酶基因的表達(dá)，如磷酸甘油酸激酶(PGK)和乳酸脫氫酶A(LDHA)[9]，以保護心肌細(xì)胞免受缺氧所致的損傷。MORIYAMA等人[10]研究發(fā)現(xiàn)，Notch信號通過增強HIF-1α的轉(zhuǎn)錄活性刺激糖酵解，在常氧和缺氧條件下敲除HIF-1α基因可以減弱NICD1上調(diào)的糖酵解基因的表達(dá)。Sung[11]等人通過建立體外大鼠心肌缺氧模型發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機體處于缺氧環(huán)境下可激活A(yù)MPK，AMPK間接地將隔離的GLUT1和GLUT4轉(zhuǎn)移到線粒體膜上，同時通過磷酸化和激活磷酸果糖激酶2加速糖酵解。對缺氧環(huán)境下心肌糖代謝調(diào)節(jié)途徑的研究結(jié)果顯示，HIF-1α基因相對表達(dá)水平與糖酵解酶基因相對表達(dá)水平呈正相關(guān)，與三羧酸循環(huán)酶基因表達(dá)水平呈負(fù)相關(guān)。HIF-1α在介導(dǎo)缺氧誘導(dǎo)的心肌糖代謝調(diào)節(jié)信號通路中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

Valvona[8]等研究者還發(fā)現(xiàn)，糖酵解限速酶、己糖激酶2和低密度脂蛋白表達(dá)在短時間(3天)缺氧分離的大鼠心肌細(xì)胞中上調(diào)，長時間(14天)時則受到抑制，表明短時間缺氧會誘導(dǎo)心肌細(xì)胞糖酵解，而長時間則會抑制糖酵解。缺氧條件下糖酵解的適應(yīng)性上調(diào)可能有助于改善急性缺氧時心肌細(xì)胞的功能，但在長期缺氧條件下，糖酵解的降低反而會損害心肌細(xì)胞的活力。因此，缺氧時心肌糖代謝會根據(jù)病理生理條件進行動態(tài)改變，其主要受底物濃度、激素水平、冠狀動脈血流量、缺氧時間和心臟負(fù)荷的調(diào)節(jié)。這種代謝靈活性使心臟在不同的生理條件下能夠維持ATP的產(chǎn)生，保護心肌細(xì)胞免受缺氧損傷。

3.miRNA在缺氧誘導(dǎo)心肌糖代謝中的調(diào)節(jié)作用

3.1 miRNA-34a

近年來，miRNA-34a已被證明可以調(diào)節(jié)多種靶向蛋白，調(diào)控細(xì)胞周期和凋亡等，尤其是在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程起著重要作用[12]。有證據(jù)顯示，miRNA-34a的表達(dá)下調(diào)可促進乳腺癌細(xì)胞的增殖和凋亡，而miRNA-34a的過表達(dá)可抑制乳腺癌的發(fā)生[13]。但在心肌缺氧的情況下，miRNA-34a對心肌細(xì)胞的作用和具體機制目前尚未明確。Li 等[14]發(fā)現(xiàn)，在心、腦、肺和腎四種臟器中，miRNA-34a在心臟組織中高度表達(dá)。在ZHANG等[15]的研究中發(fā)現(xiàn)，在低糖供應(yīng)下、大鼠的心肌細(xì)胞受到缺氧影響時，miRNA-34a會在短時間內(nèi)誘導(dǎo)攝取葡萄糖和產(chǎn)生乳酸，但長期缺氧會導(dǎo)致miRNA-34a適應(yīng)性上調(diào)，從而抑制心肌細(xì)胞的糖酵解。Courtnay 等人[16]發(fā)現(xiàn)，在急性缺氧環(huán)境中，miRNA-34a負(fù)性調(diào)節(jié)HIF-1α的表達(dá)，HIF-1α及其下游靶基因GLUT1可被激活，導(dǎo)致葡萄糖攝取增加以維持能量需求。還有研究發(fā)現(xiàn)，乳酸脫氫酶A(LDHA)是miRNA-34a的直接靶標(biāo)，心肌細(xì)胞中LDHA 與miRNA的3-UTR區(qū)域結(jié)合，通過糖酵解的恢復(fù)抑制miRNA-34a來改善缺氧誘導(dǎo)心肌細(xì)胞的功能障礙[17]。由此可見，miRNA-34a可通過調(diào)控靶基因的表達(dá)進而維持心肌細(xì)胞糖代謝的穩(wěn)態(tài)，在缺氧誘導(dǎo)心肌細(xì)胞功能障礙中起重要作用，是治療I/R損傷的可能靶點。

3.2 miRNA-150

以往的研究表明，在急性心肌梗死[18]小鼠模型中，miRNA-150通過抑制單核細(xì)胞的積累和細(xì)胞死亡來保護心臟免受損傷。然而，miRNA-150在缺氧誘導(dǎo)心肌細(xì)胞糖代謝中的具體作用機制尚不清楚。有文獻(xiàn)報道，miRNA-150在心肌細(xì)胞缺氧損傷中起保護作用，通過抑制GRP94的表達(dá)。葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白94(Glucose Regulation Protein 94，GRP94)是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)中含量最豐富的糖蛋白，它通過保護細(xì)胞免受缺氧引起的應(yīng)激而參與、維持細(xì)胞存活[19]。分子研究機制表明，GRP94是哺乳動物miRNA-150的潛在靶點，miRNA-150作為一種新型的抗缺氧小RNA，可以通過靶向GRP94的3′-UTR來負(fù)調(diào)控GRP94的表達(dá)[20]，從而抑制了缺氧誘導(dǎo)的心肌糖酵解受損所致的心肌細(xì)胞凋亡，這有助于理解糖代謝和心血管疾病之間的關(guān)系。

3.3 miRNA-199a-5p

在缺氧環(huán)境下，miRNA-199a-5p對心肌細(xì)胞的保護作用已被公認(rèn)。先前的研究發(fā)現(xiàn)，在不同的細(xì)胞中，miRNA-199a-5p可以負(fù)性調(diào)節(jié)未折疊蛋白的相關(guān)基因，包括葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白、激活轉(zhuǎn)錄因子和肌醇需要酶[21]。最新研究表明，中度缺氧可以降低心肌細(xì)胞中的miRNA-199a-5p，隨后上調(diào)其葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白靶基因的表達(dá)水平，避免了細(xì)胞凋亡的發(fā)生[22]；慢性缺氧可通過激活Stat3通路下調(diào)miRNA-199a-5p水平，促進葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白和激活轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，從而起到保護心肌細(xì)胞的作用[23]。miRNA作為一種重要的轉(zhuǎn)錄因子，除miRNA-199a-5p外，缺氧時Stat3信號的激活對其他miRNA或編碼基因的表達(dá)也具有正/負(fù)調(diào)節(jié)作用，如miRNA-17和miRNA-146[24]。此外，miRNA-199a-5p調(diào)控的靶基因數(shù)量較多，HIF-1α也是miRNA-199a-5p的重要靶基因之一，目前還沒有關(guān)于HIF-1α能直接調(diào)控葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白表達(dá)的相關(guān)研究。缺氧條件下miRNA-199a-5p的下調(diào)可以通過增加多種基因的表達(dá)對心臟起到保護作用，但目前尚不清楚是哪種機制導(dǎo)致缺氧心肌細(xì)胞中miRNA-199a-5p的降低。

3.4 miRNA-370-3p

目前的研究表明，miRNA-370-3p是心肌細(xì)胞中Circ0010729的下游靶點，Circ0010729是心肌細(xì)胞中表達(dá)的環(huán)狀RNA(CircRNA)。CircRNA在心血管疾病中經(jīng)常被報道，其通過調(diào)節(jié)細(xì)胞生物學(xué)過程在心血管疾病中發(fā)揮重要作用[25]。Chen[26]等人發(fā)現(xiàn)，經(jīng)缺氧處理的心肌細(xì)胞中表達(dá)Circ0010729，當(dāng)Circ0010729表達(dá)下調(diào)時，缺氧誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞糖酵解抑制被減弱，可通過改善缺氧誘發(fā)的心肌細(xì)胞功能障礙起到保護心臟的作用。在機制上，CircRNA被廣泛報道為具有基因調(diào)控潛力的有效miRNA“海綿”[27]，miRNA-370-3p作為心肌細(xì)胞中Circ0010729的下游靶點，其過度表達(dá)可對抗缺氧誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞糖酵解抑制。此外，Qiu等人[28]發(fā)現(xiàn)，miRNA-370-3p通過調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化應(yīng)激反應(yīng)及存活率對缺氧誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞損傷發(fā)揮保護作用，這可能是心肌梗死的新治療靶點。然而，目前miRNA-370-3p在心肌梗死中的作用和機制尚不清楚。

3.5 miRNA-let-7家族

目前，miRNA被認(rèn)為對心血管生物學(xué)的許多重要方面發(fā)揮調(diào)控作用，包括對缺氧應(yīng)激反應(yīng)和心肌細(xì)胞生長、分化、代謝的反應(yīng)[29]。在第一批被鑒定的miRNA中就包含了miRNA-let-7家族成員[30]。在其他類型的細(xì)胞中，miRNA-let-7已被證明可調(diào)節(jié)參與糖代謝、糖酵解和炎癥的基因[31]。研究表明，心肌組織中miRNA-let-7表達(dá)的下降，與心肌細(xì)胞需要通過糖酵解生成ATP的快速適應(yīng)缺氧應(yīng)激期相一致。miRNA-let-7通過靶向調(diào)節(jié)胰島素信號和糖代謝途徑中的多個基因發(fā)揮阻遏作用，被公認(rèn)為葡萄糖利用的阻遏因子[32]。因此，缺氧心肌細(xì)胞中的miRNA-let-7通過促進葡萄糖攝取發(fā)揮心肌細(xì)胞免受缺氧損害作用。

miRNA-let-7i-5p(let-7i-5p)也是let-7家族的成員之一，在心血管系統(tǒng)中高度表達(dá)，已被證明是一種心臟保護性miRNA[33]。研究表明，let-7i-5p的強制性高表達(dá)可改善缺氧心肌細(xì)胞的線粒體能量代謝功能障礙，抑制乳酸脫氫酶和乳酸生成以及促進ATP的產(chǎn)生和葡萄糖的攝取。Zhang等人[33]指出，受缺氧刺激的心肌細(xì)胞H9C2細(xì)胞可誘導(dǎo)外泌體分泌，以傳遞包括let-7i-5p在內(nèi)的心臟保護性miRNA，從而減輕心肌細(xì)胞凋亡。Hu等人[34]發(fā)現(xiàn)，let-7i-5p在體內(nèi)心肌梗死后對心肌細(xì)胞具有保護作用，當(dāng)let-7i-5p沉默時，增加了心肌細(xì)胞糖酵解水平，促進了心功能恢復(fù)。因此，miRNA-let-7家族在心肌梗死和心力衰竭等中發(fā)揮了作用[35]。

盡管miRNA-let-7家族參與各種心血管代謝過程的調(diào)節(jié)，但尚不清楚miRNA-let-7家族是如何發(fā)揮具體作用的，也不清楚它在心臟中是如何調(diào)節(jié)的。因此，進一步研究miRNA-let-7家族在缺氧誘導(dǎo)心肌細(xì)胞增殖、凋亡和糖代謝中的表達(dá)和作用，以及信號通路顯得尤為重要。

3.6 其他miRNA

Zeng[36]等學(xué)者認(rèn)為，無論是糖酵解還是糖異生因子都能通過上調(diào)糖異生酶(G6PC3)和醛酸來增加葡萄糖利用率，以維持ATP生成。Zhou[23]等證實下調(diào)miRNA-122在缺氧狀態(tài)下的表達(dá)，并通過上調(diào)G6PC3和醛酸來刺激細(xì)胞對葡萄糖的攝取，還通過上調(diào)醛酸來提高葡萄糖利用率，以維持ATP生成。

對暴露于低氧環(huán)境中的離體小鼠心臟內(nèi)皮細(xì)胞進行研究時發(fā)現(xiàn)，miRNA-21在心臟成纖維細(xì)胞中顯著表達(dá)，是保持心肌糖酵解能力的關(guān)鍵，其參與了急性心肌梗死中心肌細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)過程，并影響了急性心肌梗死的預(yù)后[37]。Lin[38]等人研究表明，缺氧誘導(dǎo)的miRNA-27和miRNA-195是維持心肌細(xì)胞體外代謝狀態(tài)、代謝轉(zhuǎn)錄途徑、氧化代謝過程和存活率所必需的因子。這些關(guān)于miRNA的研究結(jié)果支持了缺氧時將線粒體脂肪酸氧化產(chǎn)生的ATP轉(zhuǎn)化為糖酵解誘導(dǎo)心肌細(xì)胞適應(yīng)缺氧消耗的觀點，證明了miRNA在心肌細(xì)胞代謝中的分子作用。在缺氧期間，這種miRNA的表達(dá)方式在細(xì)胞對缺氧的反應(yīng)中越來越明顯，其miRNA-24、miRNA-22、miRNAr-26b、miRNA-214等似乎也在心臟功能的不同方面有重要作用[39]。

如上所述，不同的miRNA在缺氧心肌細(xì)胞中所對應(yīng)的靶基因類型及數(shù)量不同，決定了其調(diào)節(jié)通路的不同。目前，miRNA在缺氧誘導(dǎo)的心肌糖代謝中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用的具體機制未完全闡明。

4.展望

由于miRNA在不同心血管疾病中具有特異的表達(dá)模式，我們可將miRNA作為心血管疾病的新型生物標(biāo)記物或診斷指標(biāo)；miRNA特異性靶基因的發(fā)現(xiàn)將有助于揭示復(fù)雜心血管疾病中心肌能量代謝的分子機制，促進新的治療方法的產(chǎn)生。當(dāng)然，miRNA在心血管疾病方面的研究仍處于早期階段，對其具體的作用機制認(rèn)識仍然較淺，還有兩個問題有待深入探討：miRNA在心血管疾病發(fā)生發(fā)展過程中的機制；不同miRNA調(diào)控數(shù)個不同的靶基因是否會引起脫靶效應(yīng)。