轉(zhuǎn)錄組在心血管疾病發(fā)生發(fā)展中的研究進展

周玉菡綜述，徐明國審校

0 引 言

心血管疾病(cardiovascular disease，CVDS)是如今世界范圍內(nèi)非傳染性疾病中主要的疾病和死亡原因，已成為危害人類健康的主要病因，給社會和家庭都帶來了沉重的經(jīng)濟和精神負擔[1]。如能早期診斷及治療，CVDS的預后會有明顯的改善，可減少經(jīng)濟支出、提高生存質(zhì)量和降低死亡率。雖然目前已有一些在腎素血管緊張素途徑和交感神經(jīng)系統(tǒng)中的診斷標記物和治療方法，但更明確的、具有特異性的生物標記物和基于特定靶點的分子治療仍在探索之中。隨著測序技術(shù)的發(fā)展，對疾病的認識達到前所未有的分辨率，為深入研究疾病病因及精準治療提供更多的機會。

轉(zhuǎn)錄組(transcriptome)廣義上指在某種生理或病理條件下，細胞內(nèi)全部轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的集合，包括信使核糖核酸(messenger ribonucleic acid，mRNA)、轉(zhuǎn)運核糖核酸(transfer ribonucleic acid，tRNA)、核糖體核糖核酸(ribosome ribonucleic acid，rRNA)及其他非編碼核糖核酸(noncoding ribonucleic acid，ncRNA)，狹義上卻是指所有mRNA的集合。轉(zhuǎn)錄組是連接基因組遺傳信息與蛋白質(zhì)組生物功能之間的必然紐帶，是研究基因表達的主要手段。轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控是生物體最重要的調(diào)控方式，也目前研究最多的調(diào)控方式。轉(zhuǎn)錄組是細胞信息的重要組成部分，了解基因組范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)錄組，分析所有編碼和非編碼的細胞轉(zhuǎn)錄本，非常適合于揭示在特定環(huán)境中的細胞狀態(tài)[2]。本文旨在介紹轉(zhuǎn)錄組及其在CVDS的研究進展，為研究CVDS新的診斷方法和靶向治療提供理論依據(jù)。

1 轉(zhuǎn)錄組的分類與調(diào)控

1.1 信使核糖核酸(messenger ribonucleic acid，mRNA)轉(zhuǎn)錄組主要研究的是mRNA?，F(xiàn)在已經(jīng)證實，mRNA作為“信使”分子，在蛋白分子合成過程中起到基因組DNA遺傳信息與蛋白質(zhì)分子之間的橋梁作用。通過數(shù)千項研究已經(jīng)證明，從一群細胞中獲得全基因組的mRNA表達信息并進行分析是可行和有用的。通過分析的結(jié)果，可以了解細胞所處狀態(tài)及基因調(diào)控的重要信息，主要用于在分子水平研究疾病的發(fā)病機制，同時試圖發(fā)現(xiàn)新的生物標志物及治療靶點。研究mRNA的方法主要是通過RNA測序，測序技術(shù)的飛速發(fā)展，能為轉(zhuǎn)錄水平的一系列研究提供更多的機會，這對研究細胞反應非常有利。

1.2非編碼核糖核酸(noncoding ribonucleic acid，ncRNA)ncRNA是指從基因組轉(zhuǎn)錄而來但不翻譯成蛋白質(zhì)的核糖核酸，其中包括轉(zhuǎn)運核糖核酸(transfer ribonucleic acid，tRNA)、核糖體核糖核酸(ribosome ribonucleic acid，rRNA)、長鏈非編碼核糖核酸(long noncoding ribonucleic acid，lncRNA)、環(huán)狀核糖核酸(circular ribonucleic acid，circRNA)、核內(nèi)小核糖核酸(small nuclear ribonucleic acid，snRNA) 和微小核糖核酸(micro ribonucleic acid，microRNA，miRNA，miR)等多種已知功能的RNA，還包括其他未知功能的RNA。有研究表明，蛋白質(zhì)編碼基因在人類基因組中所占的比例不到2%，但基因組中80%以上的區(qū)域可能被轉(zhuǎn)錄，且許多基因組基因座會產(chǎn)生多個轉(zhuǎn)錄本，這極大地改變了我們對轉(zhuǎn)錄組所發(fā)揮功能的看法。ncRNAs無明顯的蛋白編碼作用，以前認為ncRNAs可能為背景噪音，但在科學家的認知中，機體產(chǎn)生如此大量的信息應該有其特殊的作用。雖然不編碼蛋白質(zhì)，但ncRNAs仍有生物學功能，許多研究證實，ncRNAs通過調(diào)節(jié)細胞分化、增殖、凋亡、壞死和自噬等參與了多種CVDS的發(fā)展?，F(xiàn)在已經(jīng)證實，lncRNA、circRNA和microRNA與CVDS(如心臟重塑、心力衰竭、心肌損傷、心律失常和心肌梗死)的發(fā)生密切相關(guān)，但其分子機制尚未闡明[3-4]。同時，隨著下一代測序技術(shù)的出現(xiàn)，RNA在基因轉(zhuǎn)錄中的調(diào)控作用逐漸被理解，microRNA、lncRNA和circRNA等ncRNA也被認為是包括CVDS在內(nèi)的多種疾病新的生物標記物和潛在的治療靶點[5]。

1.3lncRNA/circRNA-microRNA-mRNA軸從發(fā)現(xiàn)ncRNAs有生物學功能的開始，許多研究致力于發(fā)現(xiàn)編碼mRNAs和ncRNAs之間影響及作用，隨著lncRNA/circRNA-microRNA-mRNA軸的提出，它們之間的作用路徑更加清晰。lncRNA和circRNA最有意義的一點，是它們都可以作為microRNA海綿，通過對microRNA的影響進一步調(diào)節(jié)下游mRNA，所有這些都涉及到各種疾病的病理機制[6]。近年來，新的研究表明，lncRNA/circRNA、microRNAs和mRNAs之間相互影響的新調(diào)控機制在CVDS的應激反應中及其他病理生理過程中起著至關(guān)重要的作用。這種通過共享microRNAs來調(diào)控基因的新方法就是競爭內(nèi)源性核糖核酸(competing endogenous ribonucleic acid，ceRNA)，越來越多的研究試圖在ceRNAs水平上揭示CVDS與其他疾病的機制[7]。

2 轉(zhuǎn)錄組與CVDS的相關(guān)性研究

2.1 轉(zhuǎn)錄組與動脈粥樣硬化(atherosclerosis,AS)AS是一種多因素引起的動脈血管慢性炎癥性疾病，可引起腦卒中、冠狀動脈粥樣硬化性心臟病(coronary heart disease，CHD)、心肌梗死(myocardial infarction，MI)及周圍血管疾病等AS相關(guān)性疾病[8]。與其他CVDS一樣，早期診斷及治療，可能會延緩并發(fā)癥的發(fā)生及改善預后。與以往的生化指標和炎癥因子相比，轉(zhuǎn)錄組水平的新的生物標記物可能使診斷時間提前，并且特異性更高。大量研究表明，ncRNAs特別是lncRNAs、microRNAs和circRNAs是AS相關(guān)性疾病進展過程中的重要中介分子，在疾病的診斷及治療上具有很大的潛力。研究發(fā)現(xiàn)，lncRNA與AS、CHD的發(fā)病機制密切相關(guān)，lncRNAs中的MIAT、 H19、LOC285194有誘導和促進AS的作用，microRNAs中的miR-19a、miR-92a、miR-143、miR-145、miR-365也可促進炎癥和AS的發(fā)生，而lncRNAs中的RNCR3及circRNA具有保護AS的作用[9-18]。還有研究認為，miR-31、miR-181 a、miR-16和miR-145以及由9個circRNAs組成的ceRNA-miRNA-mRNA反應網(wǎng)絡、異常表達的circRNAs有可能參與了CHD的病理過程。一些ncRNAs可以作為新的生物標志物，如lncRNAs中的CoroMarker、HOTAIR、LIPCAR、UCA1、microRNAs中miRNA 221和miRNA 222、circRNAs中的circ0003204等[19-22]。也有ncRNAs可預測AS相關(guān)性疾病的風險及預后，如lncRNA THRIL、IncRNA CHAST、miR-130a、miR-122-5p/miR-133b比值、circRNA MICRA等[23-27]。

在治療方面，抗炎干預及降低低密度脂蛋白是治療AS相關(guān)性疾病的主要目標。在轉(zhuǎn)錄組水平上對參與炎癥反應的mRNA進行穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，從而減少CVDS中導致心血管損傷的炎癥刺激，有抗炎和減少AS的作用，可能成為新的治療策略。lncRNA中的Gas5、 ZFAS1、MALAT1、ILF3-AS1，microRNAs中miR-31、miR-126，circRNAs中的CyclcFndc3b、Cdr1as、circ-Ttc3等均有可能是治療AS、MI的有效途徑，并有可能成為潛在治療靶點[28-36]。

2.2轉(zhuǎn)錄組與高血壓高血壓是一種多因素引起的復雜的疾病，可能由多種危險因素、環(huán)境因素及個體差異因素共同作用，其病因和發(fā)病機制尚未完全明確，仍然是科學家研究的熱門目標，但缺乏特定的生物標志物仍然是巨大的挑戰(zhàn)。lncRNA AK 098656被證明有促進高血壓的作用[37]。lncRNA NONRATT 011842被證實有調(diào)節(jié)高血壓的血管平滑肌細胞的功能，可作為診斷和預防高血壓的生物標志物[38]。Wang等[39]的研究證明lncRNA Gas5是高血壓的重要調(diào)節(jié)因子，顯示了開發(fā)成為治療高血壓藥物的潛力。有研究對內(nèi)皮細胞的中的內(nèi)源性microRNAs進行檢測分析，豐富了與高血壓相關(guān)的microRNA靶對數(shù)量，同時證明了內(nèi)皮細胞microRNAs對高血壓相關(guān)基因編碼的mRNAs有廣泛而強大的調(diào)控作用，為研究microRNAs在高血壓中的作用提供了新的、獨特的依據(jù)[40]。還有研究表明，microRNAs可以作為高血壓患者內(nèi)皮功能障礙的診斷性生物標志物和治療靶點。microRNAs中miR-29家族(miR-29a、miR-29b和miR-29c)可能是原發(fā)性高血壓和高血壓靶器官損害的潛在無創(chuàng)標志物[41]。同時miR-21、miR-510、miRNA let-7也可作為高血壓的一種新的診斷標志物和新的治療靶點[42-44]。circRNAs中 hsa_circ_0037909是高血壓的影響因素，hsa_circ_0126991的高表達也是高血壓的風險因素，均可作為重要的生物學指標[45-46]。

2.3轉(zhuǎn)錄組與心力衰竭(heart failure，HF)HF是主要的公共衛(wèi)生問題之一，在發(fā)達國家的成年人中，估計發(fā)病率為1%～2%，有較高的死亡率，而其預后與死亡率相關(guān)，因此有必要發(fā)現(xiàn)新的生物標記物，可以早期識別死亡風險較高的病例，提早干預。Greco等[47]發(fā)現(xiàn)了14個在非終末期HF患者中調(diào)控異常的lncRNAs，支持了lncRNAs參與HF的發(fā)病機制，有成為新的診斷標志物的潛力。lncRNA Heat2在HF患者血液中表達升高，可能參與炎癥調(diào)節(jié)及控制細胞功能[48]。lncRNA LUCAT1與慢性HF患者預后不良有關(guān)，并且通過miR-612/HOXA13通路促進細胞凋亡，可作為一種很有前途的預后指標和潛在的治療靶點[49]。Gao等[50]的研究發(fā)現(xiàn)了缺血性HF中大量的上調(diào)和下調(diào)的lncRNAs和mRNAs，這些都有可能參與缺血性HF的發(fā)病機制，為更好地理解缺血性HF的分子基礎(chǔ)提供了新的視角。Vegter等[51]研究發(fā)現(xiàn)循環(huán)中較低水平的miRNAs與HF及AS都有密切關(guān)系。miR-126的下調(diào)被發(fā)現(xiàn)可能是導致肺動脈高壓患者發(fā)生右心室HF的原因之一[52]。Lai等[53]研究發(fā)現(xiàn)心力衰竭患者miRNAs (miR-1、 -21、 -23、 -29、 -30、 -130, -133、 -195、 -199、 -208和-320)和mRNAs(casp3、collⅠ、collⅢ和TGF)均有明顯上調(diào)，表明特異性的miRNAs和mRNAs可作為HF早期的生物標記物，也可能是未來治療的靶點。在單心室心臟病患者中，miR-150-5p可作為獨立的HF預測指標，評估患者風險[54]。持續(xù)心肌肥厚伴心臟重塑是導致HF的早期原因，因此心肌肥厚被認為是HF的治療靶點，circRNA Hsa_circ_0097435可能通過海綿化多個miRNAs在HF中發(fā)揮作用，可作為HF生物標志物[55]。

2.4轉(zhuǎn)錄組與心肌肥厚心肌肥厚是對血流動力學的適應性反應，若出現(xiàn)長期病理性肥厚可能會導致HF或猝死，因此早期診斷及干預非常重要。IncRNA Chast對心肌肥厚有潛在的影響，可能成為預防心臟重構(gòu)及心肌肥厚的潛在靶點[56]。IncRNA MIAT通過miR-150-5p/P300軸參與心肌肥厚的正調(diào)節(jié)，并參與心肌的病理發(fā)展[57-58]。miR-181a、miR-182也參與了心肌肥厚的調(diào)節(jié)，miR-155可能通過下調(diào)血管緊張素Ⅱ受體亞型改善心肌肥厚[59-61]。Wang等[62]通過研究發(fā)現(xiàn)一種與心臟相關(guān)的circRNA，通過對miR-223的海綿作用參與心肌肥厚的調(diào)節(jié)，為治療心肌肥厚及HF提供新的治療靶點。

2.5轉(zhuǎn)錄組與其他CVDS先天性心臟病是最常見的出生缺陷，發(fā)生率為0.6%～0.9%，起源于胚胎心臟發(fā)育過程中的錯誤。因此，了解基因調(diào)控和發(fā)育過程中的模式是理解先天性心臟病病因和診斷的關(guān)鍵。Wang等[63]的研究發(fā)現(xiàn)了lncRNA HA 117與法洛四聯(lián)癥的危險因素，并且可能導致法洛四聯(lián)癥患者的短期不良結(jié)果。Gu等[64]的研究發(fā)現(xiàn)孕婦血漿中異常表達的特異性lncRNAs可能在先天性心臟病的發(fā)生發(fā)展中起關(guān)鍵作用，可作為胎兒先天性心臟病產(chǎn)前診斷的新的生物標志物。lncRNA NR_045363通過與miR-216a相互作用促進心肌細胞增殖，表明NR_045363對心肌細胞的增殖具有重要的調(diào)節(jié)作用[65]。動脈閉塞后適應性新生血管是心血管疾病的一種重要的代償機制，但miR-155有抑制血管生成的作用[66]。Fu等[67]的研究發(fā)現(xiàn)缺血再灌注后，心肌組織中miR-34a的過表達會增加凋亡和梗死面積、降低左室功能從而加重心肌損傷，因此，抑制miR-34a可能是心肌缺血再灌注損傷的新的治療途徑。

3 總結(jié)與展望

轉(zhuǎn)錄組可以反映機體的調(diào)控，無論是編碼RNA還是非編碼RNA，均是信息傳遞的重要參與者。從轉(zhuǎn)錄組水平研究CVDS將會帶來全新的局面，RNA調(diào)節(jié)通路可以為CVDS提供新的特異性的診斷標志物，同時也是治療的潛在靶點，符合精準醫(yī)療的發(fā)展。目前對CVDS的診斷主要依靠臨床癥狀及形態(tài)學改變，隨著研究技術(shù)的發(fā)展，分子水平的微觀調(diào)控路徑將會越來越清晰，可能在不久的將來對CVDS的診斷及治療時機將會大大提前，這對改善患者預后及生存質(zhì)量意義非凡。轉(zhuǎn)錄組水平的治療主要是控制基因表達，相對于常規(guī)基因治療，RNA可以以更多樣化的方式控制蛋白質(zhì)的相關(guān)活動，更具有優(yōu)勢。假設當機體對病因出現(xiàn)應激或免疫反應的早期，檢測方法能從基因調(diào)控水平上分析出“預警信息”，阻止或逆轉(zhuǎn)機體可能造成的病理改變，這是我們對未來醫(yī)學的期望。