微小RNA 參與運動介導心血管保護的研究進展

張越琳，葉紅華

(1.寧波大學醫(yī)學院，浙江 寧波 315000；2.中國科學院大學寧波華美醫(yī)院，浙江 寧波 315000；3.中國科學院大學寧波生命與健康產業(yè)研究院，浙江 寧波 315000)

0 引言

心血管疾病(cardiovascular diseases，CVDs) 仍是我國人群首要的死亡原因，發(fā)病率仍持續(xù)上升，死亡率居高不下，肥胖、高血脂、糖尿病、煙草、酒精等構成了心血管疾病發(fā)病的危險因素[1]。體育鍛煉可降低并控制血壓、調節(jié)血糖血脂水平和增加胰島素敏感性，從而起到心臟保護的作用[2]，是最有效、最便利也最易獲得以及培養(yǎng)的治療方法。微小RNA(microRNA，miRNA，miR)在細胞生長、增殖與遷移，組織分化和胚胎發(fā)育中發(fā)揮著重要的作用，可從表觀遺傳學、轉錄和轉錄后調控等多方面調節(jié)基因表達[3]，從而成為參與CVDs發(fā)生發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)。本文就miRNA 參與運動介導的心血管保護作用做一綜述。

1 微小RNA 的生物學特征

微小RNA 是一類長度為18-22 個核苷酸的非編碼RNA，其高度保守，廣泛存在于真核生物中，可在轉錄后水平調控基因表達[4]，被譽為“21 世紀極具前途的生物標志物”。MiRNA基因在聚合酶II 作用下被轉錄成為初始miRNA，后被RNase III Drosha 酶切割形成前體miRNA，與轉運蛋白exportin-5結合被送入細胞質中，在RNase III Dicer 酶切割下成為成熟的miRNA，進一步與Argonaute 蛋白等形成miRNA 誘導的沉默復合物，與目標mRNA 分子進行堿基配對后，miRNA 可通過切割mRNA，阻斷翻譯或調節(jié)mRNA 轉換過程以降低翻譯速率，從而負性調控靶基因[5]。大多數(shù)miRNA 存在于真核生物細胞中，近年來在生物體液中也檢測到了穩(wěn)定存在的miRNA。在細胞外空間，其附著于蛋白質或脂蛋白上，抑或裝載在細胞外囊泡中，可免受外界各類因子降解從而完成多項生物學功能并反映出起源組織的病理生理狀態(tài)[6]。目前已在人體基因中鑒定出2000 多個miRNA，其中大約150—200個存在于心臟中，且與心血管疾病的發(fā)生發(fā)展息息相關[7]。MiR-1 是心臟中表達最豐富的miRNA 之一，可影響線粒體鈣離子吸收負性調控心肌肥大[8]。miR-15、miR-133a 和miR-499 則已成為心肌細胞纖維化、壞死凋亡病理過程中的重要調控介質[9]。隨著高通量測序方法的飛速進展，miRNA 的研究領域也得到了極大的擴展，它們在調控心肌細胞分化增殖、血管生成、心室重構等發(fā)生發(fā)展中起到的重要作用表明其在CVDs 的治療中具有良好的前景。

2 運動與心臟保護作用

運動鍛煉作為積極的生理調節(jié)劑，對心血管系統(tǒng)保護起著重要的作用。目前認為氧化應激損傷是多種疾病發(fā)生發(fā)展的過程。高水平活性氧不利于心臟鈣離子的利用并且與內皮細胞功能障礙相關，在血管生成、壞死和凋亡方面起著分子信號的作用[10]。運動作為氧化應激的重要介質，對氧化還原系統(tǒng)具有雙向作用。短期且適量的體育鍛煉產生的自由基與骨骼肌運動性適應的形成密切相關，而劇烈且長期的運動則會阻礙骨骼肌收縮，損害運動能力和身體健康[11]。此外，細胞線粒體能量代謝障礙和葡萄糖穩(wěn)態(tài)改變可導致氧化應激障礙和功能紊亂，已成為心臟肥厚性重塑、代謝性心肌病甚至心力衰竭發(fā)生發(fā)展的重要因素[12]。有氧運動可提高骨骼肌和棕色脂肪中線粒體生物發(fā)生和氧化代謝的表達增加ATP 含量，改善線粒體功能和減少代謝紊亂以有效改善內皮和心臟功能[13]。規(guī)律且適量的運動鍛煉還可通過免疫細胞浸潤和功能調節(jié)以減弱機體炎性內環(huán)境，調控免疫應答間接影響癌癥、哮喘、CVDs 等慢性病的發(fā)生發(fā)展[14]。

3 miRNA 參與運動介導心血管保護的機制

運動可通過誘導氧化應激改變、能量代謝調節(jié)及免疫系統(tǒng)反應等過程多方面調控miRNA 表達以參與心肌細胞凋亡、心肌肥大、心肌纖維化、心臟電重構等病理過程從而產生多項功能性反應。

3.1 心肌細胞生長與增殖

長久的耐力訓練可增厚肌原纖維、增加線粒體數(shù)目、擴展肌漿網(wǎng)以增加心功能儲備，誘導心臟生理性肥大以有效預防病理性心臟重塑。CCAAT 增強子結合蛋白β(CCAAT enhancer binding proteins，CEBPβ)是C/EBPs 家族的重要成員之一，其在耐力運動早期階段表達降低，并負性調控CITED4基因參與細胞分化與增殖，從而改善心室重構[15]。MiR-222靶 向homeodomain-interacting protein kinase 1(HIPK1)，同 時也是CITED4 的上游調控因子，但進一步的研究發(fā)現(xiàn)敲除HIPK1 基因的小鼠并沒有顯著改變CITED4 表達，表明這些因子之間或許存在著復雜的調控通路[15]。MiR-17-3p 直接靶向并負性調節(jié)組織金屬蛋白酶抑制因子3(metallopeptidase inhibitor 3，TIMP3)，間接調節(jié)PTEN 基因及表皮生長因子受體-c-Jun 氨基末端激酶信號通路，參與運動誘導的心臟細胞肥大、增殖與存活[16]。為期21 天游泳訓練可使小鼠血漿中miR-17-3p 顯著增加以刺激生理性肥大[16]。此外，血漿miR-532 水平與胰島素樣生長因子-1 負性相關，它可激活Akt 信號通路促進細胞生長增殖及氧化還原平衡，以增強對抗阻運動的適應[17]。而在經歷連續(xù)8 周的跑步訓練后，miR-1在小鼠心肌細胞中表達下降，作為其預測靶標的線粒體鈣單向轉運體(mitochondrial calcium uniporter，MCU)表達升高[18]。因此，受β 腎上腺素能受體系統(tǒng)調控的miR-1/MCU 軸可能影響線粒體Ca2+的吸收，成為心肌細胞生理性肥大動態(tài)適應的相關因素之一[18]。

3.2 血管內皮細胞生長與血管生成

血管內皮細胞生成是一個有序的機理過程，磷脂酰肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase，PI3K)/Akt 信號通路參與細胞分化、增殖，也是血管生成的重要環(huán)節(jié)，PTEN 基因可負性調節(jié)PI3K/Akt 信號傳導[19]。運動被證實可上調miR-20 并抑制PTEN 基因表達，有助于激活PI3K/Akt 信號通路以促進內皮細胞生長與增殖[20]。作為內皮特異性miRNA 家族之一的miR-126 靶向sprouty 相關蛋白1 和PI3KR2，激活ERK 和Akt 途徑以增強血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)，從而促進血管生成[21]。MiR-210 則是一類低氧特異性miRNA，通過下調靶基因ephrin A3 刺激VEGF 介導的血管形成通路[22]。多項關于糖尿病動物的研究發(fā)現(xiàn)糖尿病會導致早期內皮祖細胞功能受損，使miR-126 和血管生成在糖尿病大鼠中減低并上調miR-210 表達，運動可使上述miRNAs 表達水平標準化并有效預防冠心病進展和心功能不全[22,23]。另一項研究則表明高強度間歇訓練(high-intensity interval training，HIIT)可降低miR-16 并上調miR-21 表達[24]。通過靶向VEGFR2 和成纖維細胞生長因子受體1，miR-16 過表達會減少內皮細胞增殖、遷移[25]；miR-21 則促進缺氧誘導因子-1 和VEGF 表達間接參與了血管生成[26]。此外，低一氧化氮(nitric oxide，NO)含量與內皮功能障礙息息相關[27]，miR-34a 可抑制沉默信息調節(jié)因子1(sirtuin-1，SIRT1)促進內皮祖細胞衰老[21]，SIRT1 調節(jié)內皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)/NO 系統(tǒng)使內皮依賴性血管舒張[28]，因此在細胞衰老過程中表現(xiàn)出極大的保護作用。

3.3 抗心肌纖維化

定期運動訓練可有效抑制氧化應激、炎癥反應以及細胞凋亡，從而有效預防心肌細胞損傷和纖維化形成[29]。通過靶向轉化生長因子β1(TGFβ-1)及其信號轉導蛋白Smad 2/3，運動后上調的miR-29a 和miR-101a 可抑制COL1A1 和COL3A1 基因，減輕隨之而來的心肌纖維化，最終保護心肌細胞并防止瘢痕組織形成[30]。在肥胖大鼠病理性肥大的心肌細胞中，miR-1 與Ca2+因子NCX1 呈負相關，并且miR-29c 表達水平降低對心臟膠原容積分數(shù)的提升具有積極作用[31]，而有氧運動則可促進NCX1 吸收并使miR-29c 和miR-1 表達水平標準化，最終降低膠原蛋白表達、改善病理性心臟重構及功能障礙[32]。

3.4 抗心肌細胞凋亡

細胞凋亡對維持機體的動態(tài)平衡起著至關重要的作用。程序性細胞死亡因子4(programmed cell death protein 4，PDCD4)被認為是凋亡的關鍵調節(jié)劑，通過抑制真核細胞起始因子4A 解旋酶活性或直接與mRNA 結合以干擾蛋白質翻譯，以實現(xiàn)細胞增殖、遷移與凋亡[33]。作為PDCD4 上游調控因子，miR-21 減弱了氧化應激誘導的心肌細胞凋亡以實現(xiàn)心血管保護作用[34]。

4 運動誘導的miRNA 改變與心血管疾病的發(fā)生發(fā)展

4.1 冠狀動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化是一種涉及脂質代謝障礙的慢性血管性疾病，與腦梗死、冠心病甚至心肌梗死等密切相關。心肌梗死時病變的冠狀動脈急性且持續(xù)缺血缺氧會導致心肌細胞壞死和病理性心臟重塑[35]。近年來已發(fā)現(xiàn)多個miRNAs 在冠心病甚至心肌梗死中發(fā)揮著巨大作用。心外膜脂肪組織厚度目前是冠心病發(fā)生發(fā)展的最高危因素，miR-20 與脂肪形成密切相關。游泳訓練被證實可提升冠心病小鼠miR-20 表達，并且一系列ATH 相關性細胞因子例如內皮素1、血管緊張素II 以及血栓烷A2 被下調，反之，一氧化氮合酶、前列環(huán)素和VEGF則升高[20]。如前所述，間歇性有氧運動負性調控心肌梗死患者miR-29a 和miR-101a 表達最終減輕心肌間質纖維化[30]。Liao 等[36]通過對TGFβ 上游調控網(wǎng)絡的分析證實早期適度中等量運動可能通過上調miR-150-5p 和miR-223-3p 可抑制白細胞激活及遷移，減輕心梗后病理性炎癥反應。以上多項發(fā)現(xiàn)可能可以成為心?；颊邼撛诘男呐K康復策略。

4.2 心肌缺血再灌注損傷(ischemia-Reperfusion Injury,IRI)

再灌注是治療缺血性心臟病的重要手段之一，但也會產生過量的自由基以修飾細胞信號蛋白導致組織氧化損傷，介導一系列病理生理過程。游泳訓練可增加miR-21 水平并間接降低PDCD4 表達，從而抑制缺血再灌注期間心肌細胞壞死與凋亡[37]。Shi 等[16]證明miR-17-3p 在假手術組和IRI 組小鼠的心肌細胞中均表達升高，可促進心肌細胞增殖有效預防IRI 后心臟不良重塑。長期運動訓練還可增強循環(huán)外泌體miR-342-5p 表達水平，靶向Caspase 9 和Jnk2 基因抑制缺氧/復氧誘導的心肌細胞損傷，發(fā)揮持續(xù)的心臟保護作用[38]。

4.3 高血壓

高血壓是最常見的慢性病，也是心腦血管疾病的最高危險因素之一，有效控制血壓可以顯著減少心腦血管事件并提高患者壽命。等長訓練可以增加抗氧化劑活性，從而增加NO的生物利用度和抗氧化反應降低患者血壓[27]。與久坐組相比，接受運動訓練的大鼠主動脈中miR-34a 和miR-181a 含量及高血壓發(fā)病率降低[21]。血管平滑肌細胞的異常增殖是高血壓血管重塑和血管增生性疾病發(fā)展的主要病理基礎。作為正常動脈壁尤其是血管平滑肌表達最豐富的miRNAs 之一，miR-145 在自發(fā)性高血壓大鼠中表達低下，體育鍛煉可強化其表達并靶向胰島素受體底物1 增強Akt 通路磷酸化水平[39]。

4.4 心力衰竭

心力衰竭(心衰)是心血管疾病發(fā)生發(fā)展的終末性階段，具有極高的發(fā)病率和死亡率。氧化自由基產生過多會引起收縮功能障礙和結構破壞，導致心肌功能障礙。MiRNA 關于心衰發(fā)生發(fā)展的分子學機制仍在進一步探索中。敲除CITED4基因的小鼠在運動后出現(xiàn)中度心臟功能障礙，并且接受主動脈縮窄術后更是出現(xiàn)了左心室擴大及嚴重的心衰，同時伴有miR-30d 和mTOR 活性降低以適應病理性心臟重塑帶來的細胞凋亡、自噬及線粒體障礙[40]。新近研究發(fā)現(xiàn)高強度運動降低了心肌梗死后大鼠miR-214-3p、miR-497-5p 和miR-31a-5p 表達水平，作者推測上述miRNAs 可能通過激活PI3K/AKT 信號通路以調節(jié)肌漿網(wǎng)鈣離子穩(wěn)態(tài)影響細胞電生理活動改善心功能不全[41]。

4.5 糖尿病性心肌病

2 型糖尿病(Type 2 diabetes mellitus，T2DM)可導致進行性心臟功能障礙，已成為CVDs 的獨立危險因素之一[42]。有氧運動可有效保護心臟免受ROS 的積累，并可能對糖尿病性心肌病產生治療效用[13]。力量訓練提升了T2DM 患者血漿miR-146a 含量并降低血糖水平[43]。通過抑制TNF 受體相關因子6，miR-146a 在核因子-kB 途徑中充當了激活劑的角色，它不僅調控了炎癥基因表達水平，同時也限制了從“氧化磷酸化到糖酵解代謝”的演變[43]。Lew 等[23]發(fā)現(xiàn)中等強度及高強度的運動訓練能預防早期糖尿病患者心臟保護性miR-126、miR-133 和miR-15 下降及微血管功能障礙；而在糖尿病性心肌病發(fā)展的晚期階段，僅高強度運動才能有效逆轉miRNAs失調。作者在文中具體論證了如前文所述的miR-126 的血管生成途徑，標志著其可作為評估或預測運動對改善糖尿病引起的心血管并發(fā)癥的有效性的有效生物標志物。

5 結語與展望

在這篇綜述中，我們探討了在miRNA 層面運動鍛煉之于CVDs 的保護作用以及其中可能存在的相關機制。MiRNA 表達穩(wěn)定，通過細胞外泌體轉移并釋放入循環(huán)血以完成多種生物學功能，是一類可用于診斷和治療CVDs 的極具前途的生物標志物。運動所帶來的氧化應激效應、能量代謝調節(jié)及免疫反應是心臟改變及CVDs 發(fā)生發(fā)展重要因素，非編碼RNA尤其是miRNA 通過運動可減輕心肌細胞凋亡與纖維化，促進生理性心肌肥厚并抑制病理性心臟重塑從而發(fā)揮心臟保護作用。雖然現(xiàn)領域仍處于早期階段，將分子層面研究成果應用于臨床試驗應用仍具有多重挑戰(zhàn)，但這些初步研究為基于非編碼RNA 的心臟康復治療方法提供了樂觀的前景。