RNA在慢性高原病中的研究進(jìn)展

馮思維綜述 康龍麗*審校

(1.西藏民族大學(xué)醫(yī)學(xué)部高原相關(guān)疾病分子遺傳機(jī)制與干預(yù)研究省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 咸陽 712082；2.西藏民族大學(xué)醫(yī)學(xué)部環(huán)境與疾病相關(guān)基因研究高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 咸陽 712082)

慢性高原病(Chronic Mountain Sickness，CMS)包括高原紅細(xì)胞增多癥(High Altitude Polycythemia，HAPC)、高原肺動(dòng)脈高壓(High Altitude Pulmonary Hypertension，HAPH)等。近年來的研究顯示，CMS是眾多基因以及基因與高原低氧環(huán)境相互作用的結(jié)果，但其基本病理生理機(jī)制尚未完全闡明，成為目前該學(xué)科的研究熱點(diǎn)。

轉(zhuǎn)錄組測(cè)序(transcriptome sequencing)產(chǎn)生的基因表達(dá)數(shù)據(jù)，為研究復(fù)雜表型的分子基礎(chǔ)提供了重要的參考信息，揭示mRNA剪接和非編碼RNAs、增強(qiáng)子RNAs[1]調(diào)控基因表達(dá)的機(jī)制，是研究復(fù)雜表型分子機(jī)制的重要研究手段。在回顧多種RNA的作用中我們發(fā)現(xiàn)，本專題研究結(jié)果多樣、繁雜，且部分學(xué)術(shù)觀點(diǎn)存在爭(zhēng)議性，本文將重點(diǎn)圍繞與CMS有關(guān)的RNA及其發(fā)生機(jī)制進(jìn)行綜述。

1.RNA的分類及作用

RNA分為編碼RNA(coding RNA)和非編碼RNA(non-coding RNA)。其豐度隨外界環(huán)境和細(xì)胞形態(tài)功能發(fā)生改變，在基因表達(dá)過程中發(fā)揮重要的調(diào)控作用。生理?xiàng)l件下，非編碼RNA可以通過正向和(或)負(fù)向調(diào)控基因的表達(dá)，如miRNAs作用于靶mRNAs，通過加速其去烯基化和降解負(fù)向調(diào)節(jié)基因的表達(dá)；而作為調(diào)控蛋白復(fù)合物支架的lncRNAs，通過定位到基因組DNA或改變基因組結(jié)構(gòu)來順式或反式調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。RNA在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄(lncRNAs或SnRNA)、剪接(snRNAs)和翻譯(rRNAs、tRNAs和miRNAs)水平上扮演著非常重要的角色[2-4]。

2.CMS中差異表達(dá)的RNA

在較高海拔下生活的群體的基因與高原低氧環(huán)境的相互作用使基因的表達(dá)發(fā)生變化，而基因表達(dá)變化是轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究的核心內(nèi)容。

2.1 高原紅細(xì)胞增多癥

2.1.1 代謝方式的改變

CMS以紅細(xì)胞增多為其典型的臨床表現(xiàn)，在低氧條件下，機(jī)體的代謝方式逐漸轉(zhuǎn)化為無氧酵解，繼而發(fā)生高原紅細(xì)胞增多癥。利用紅細(xì)胞內(nèi)的血紅蛋白代償性增多來增加血液對(duì)機(jī)體氧氣的運(yùn)輸能力，線粒體三磷酸腺苷酶抑制因子-1(Atpif1)與分化紅細(xì)胞中血紅素合成有關(guān)，可以調(diào)節(jié)血紅蛋白的合成，幫助機(jī)體適應(yīng)低氧環(huán)境。Luo等人[5]在低氧環(huán)境下通過實(shí)時(shí)熒光定量PCR(Quantitative Real-time PCR，qRT-PCR)觀察到Atpif1 mRNA表達(dá)上調(diào)、血紅蛋白合成增加，提示機(jī)體抗缺氧能力的增強(qiáng)可能與Atpif1基因的表達(dá)改變有關(guān)。

2.1.2 性激素水平的改變

近年來，多項(xiàng)研究表明HAPC的發(fā)病與參與激素的表達(dá)水平密切相關(guān)。人體內(nèi)雄激素的水平取決于雄激素受體(androgen receptor，AR)結(jié)合雄激素的量，二者結(jié)合才能發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)。Li等人[6]研究發(fā)現(xiàn)HAPC患者外周血中單個(gè)核細(xì)胞AR mRNA的表達(dá)顯著升高，由于低氧環(huán)境使得AR表達(dá)顯著增多，破環(huán)了雄激素和AR之間的負(fù)反饋平衡，使得組織細(xì)胞缺氧情況加重，引起低氧血癥和高原紅細(xì)胞增多癥。HAPC患病率在男性和女性之間差異很大，女性少見但絕經(jīng)后女性HAPC的發(fā)病率急劇增加，可能與雌激素水平的改變有關(guān)。雌激素可以顯著改變GATA1的表達(dá)水平和下游活性。Azad等[7]研究顯示，雌激素可以顯著降低GATA1及其靶基因的mRNA和蛋白水平，導(dǎo)致紅系細(xì)胞凋亡明顯增加。同時(shí)，雌激素還可以通過雌激素β信號(hào)調(diào)節(jié)紅細(xì)胞生成，顯著增加低氧誘導(dǎo)因子1(Hypoxia Inducible Factor-1，HIF-1)、血管內(nèi)皮生長因子(Vascular Endothelial Growth Factor，VEGF)和GATA1的mRNA水平，進(jìn)而減弱雌激素的影響。

2.1.3 造血情況的改變

低氧環(huán)境成為機(jī)體調(diào)控紅系造血的重要因素。Feng[8]等人研究發(fā)現(xiàn)高原低氧會(huì)影響血漿中miR-144的表達(dá)量。在低氧條件下，miR-144-3p、miR-144-5p的表達(dá)會(huì)隨低氧時(shí)間增加而增高，且與血紅蛋白和紅細(xì)胞計(jì)數(shù)呈正相關(guān)，提示二者可能在因高原低氧所導(dǎo)致的紅細(xì)胞過度增多中起正性調(diào)節(jié)作用，推測(cè)miR-144的高表達(dá)可通過促進(jìn)紅細(xì)胞成熟和增殖致HAPC。有研究表明[9]，HAPC患者骨髓CD71+細(xì)胞凋亡減少，Akt、Bcl-xl的mRNA和蛋白表達(dá)較高，caspase-9降低，提示HAPC骨髓CD71+細(xì)胞存在 PI3K/Akt信號(hào)通路的激活和凋亡的減低。因此基于HAPC與PI3K/Akt、NF-κB信號(hào)通路的相關(guān)性，以及對(duì)腫瘤壞死因子-β(tumor necrosis factor-β，TNF-β)既往的生物學(xué)作用和在信號(hào)傳導(dǎo)方面的研究，推測(cè)TNF-β可能在HAPC造血調(diào)控中尤其是紅系造血中發(fā)揮著一定作用[10]。其他研究也顯示出造血情況發(fā)生改變，Xie等人的研究顯示[11]，GATA1 mRNA和蛋白水平顯著增加是通過HIF-1α介導(dǎo)的，在促進(jìn)轉(zhuǎn)錄因子GATA1表達(dá)的同時(shí)促進(jìn)紅細(xì)胞生成。由此提示CMS患者的發(fā)病原因可能是低氧促進(jìn)HIF-1α的表達(dá)并影響GATA1來加快紅系細(xì)胞的分化成熟。此外還發(fā)現(xiàn)在CMS患者中FOG1 mRNA表達(dá)水平上升，體外K562細(xì)胞過表達(dá)HIF-1α，出現(xiàn)FOG1 mRNA的上調(diào)[12]。同樣的情況也發(fā)生在高海拔地區(qū)的動(dòng)物上。miR-6606-5p在藏雞中顯著上調(diào)[13]，其靶基因(ACTC1、NCS1、and KCNMB4)存在差異表達(dá)，通過刺激HIF-1的活性促進(jìn)血管生成和血液循環(huán)使藏雞維持低氧適應(yīng)。除miR-6606-5p外，其他差異表達(dá)的miRNAs包括miR-155、miR-302a、miR-302B-3p、miR-302B-5p、miR-302C-3p、miR-460b-3p和miR-460b-5p，也在缺氧條件下的血管生成中發(fā)揮重要作用。當(dāng)長時(shí)間缺氧時(shí)，MiR-155促進(jìn)缺氧誘導(dǎo)因子-1α的活性，并介導(dǎo)PI3K/AKT通路[14]。先前的研究表明miR-302家族(miR-302a/b/c/d)通過靶向VEGFA抑制血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、遷移和血管生成[15-17]。

2.1.4 細(xì)胞凋亡的改變

低氧與細(xì)胞凋亡有著密切關(guān)系。近期的研究結(jié)果顯示[18]，CMS患者抗凋亡基因Bcl2的mRNA和蛋白表達(dá)水平明顯升高，而促凋亡基因Bax、caspase-3表達(dá)降低。機(jī)體凋亡機(jī)制受到影響后，體內(nèi)紅細(xì)胞凋亡減少，剩余紅細(xì)胞逐漸增多，引發(fā)HAPC。HIF是缺氧反應(yīng)和轉(zhuǎn)錄的主要調(diào)節(jié)劑，在缺氧期間穩(wěn)定并協(xié)調(diào)各種基因的轉(zhuǎn)錄，這些基因?qū)MS患者在低氧條件下的生存至關(guān)重要。HIF-1α通過降低Bax表達(dá)和增加Bcl2表達(dá)來保護(hù)缺氧條件下的細(xì)胞凋亡[19]。此外EPO具有抗細(xì)胞凋亡作用，先前的研究顯示[20]，CMS患者EPO的蛋白和mRNA表達(dá)水平增加，同樣觀察到Bcl2家族的表達(dá)上調(diào)。因此，在缺氧環(huán)境下不同的發(fā)生機(jī)制均顯示紅細(xì)胞的固有凋亡途徑存在下調(diào)情況，導(dǎo)致紅細(xì)胞過度積累，說明CMS患者紅細(xì)胞凋亡減少可能與內(nèi)源性而非外源性凋亡途徑的抑制有關(guān)。

2.2 高原肺動(dòng)脈高壓癥

2.2.1 肺動(dòng)脈壓力的改變

多種非編碼RNA作為基因表達(dá)的靶點(diǎn)，參與并調(diào)控某些缺氧代謝的基因。Blissenbach等人的研究顯示[21]，進(jìn)行性低壓低氧使得miR-17、miR-190的水平發(fā)生了顯著變化，二者出現(xiàn)的差異表達(dá)與肺動(dòng)脈收縮壓(SPAP)的增加顯著相關(guān)，為表觀遺傳的調(diào)節(jié)提供了證據(jù)。miR-190作為動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞中Ca2+流入的正調(diào)節(jié)劑[22]，在缺氧條件下影響肺血管收縮[23]。miR-29a-3p可降低缺氧誘導(dǎo)的肺動(dòng)脈高壓，并抑制肺血管外膜成纖維細(xì)胞的激活[24]。在缺氧性肺動(dòng)脈高壓動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)miR-460b-3p、miR460b-5p參與HIF-1α的調(diào)節(jié)[25，26]。

2.2.2 心肌組織的改變

高原肺動(dòng)脈高壓曾用名高原心臟病(High Altitude Heart Disease，HAHD)，由長期慢性缺氧所致。Zhou等人的近期研究[27]顯示，缺氧時(shí)心肌細(xì)胞會(huì)啟動(dòng)自適應(yīng)保護(hù)機(jī)制中的一個(gè)重要途徑，使得心肌細(xì)胞中的STAT3信號(hào)激活，導(dǎo)致miR-199a-5p的下調(diào)和許多下游靶基因的表達(dá)。Chouvarine等人的研究[28]也顯示長期缺氧可導(dǎo)致RRAF6 mRNA表達(dá)增加達(dá)3倍之多，而miR-146b受到抑制，調(diào)控抑制TRAF6并誘導(dǎo)促炎因子IL-6、CCL2(MCP1)的表達(dá)。這種缺氧誘導(dǎo)的miR-146b-TRAF6-IL-6/CCL2(MCP1)軸可能驅(qū)動(dòng)心臟纖維化，導(dǎo)致心力衰竭。與心臟有關(guān)的miRNA在缺氧條件下發(fā)生顯著改變，MiR-126[29]、miR-139[30，31]、miR-208[32]已被證明對(duì)缺氧/缺血或缺氧/復(fù)氧誘導(dǎo)的人心肌組織損傷有特別的保護(hù)作用。

3.結(jié)語

CMS是高原低氧的環(huán)境因素和許多微效致病基因共同作用的結(jié)果，其中誘導(dǎo)其形成的基因產(chǎn)物在CMS患者和高原習(xí)服人群之間的表達(dá)存在顯著性差異。從目前的研究來看，CMS和(或)HAPC患者的基因表達(dá)受到多種基因和環(huán)境因素的影響，其中RNA的差異表達(dá)可能在慢性高原病發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮著重要的作用。雖然目前從基因及其表達(dá)水平探索CMS的發(fā)病機(jī)制并不詳盡，但是篩選相關(guān)的RNA及闡明其調(diào)控機(jī)制可為慢性高原病的防治提供重要依據(jù)，期待未來可以從分子層面詳細(xì)地揭示CMS的病理生理學(xué)機(jī)制。