缺氧誘導(dǎo)因子-1α與miR-210在心肌缺血再灌注損傷中作用機制的研究進展

卓 云,雷 遷,黃曉波

心肌缺血再灌注損傷(myocardial ischemia-reperfusion injury,IRI)與嚴重的臨床表現(xiàn)有關(guān),主要包括心肌冬眠、急性心力衰竭、腦功能障礙、胃腸道功能障礙、全身炎癥反應(yīng)綜合征和多器官功能障礙綜合征.目前認為心肌IRI的機制是在缺血缺氧狀態(tài)下誘導(dǎo)厭氧代謝,導(dǎo)致ATP產(chǎn)生降低和離子交換通道失效。離子交換通道的失效進一步導(dǎo)致細胞質(zhì)中的酶活性受損和細胞腫脹,再灌注狀態(tài)下的線粒體損傷和電解質(zhì)失衡促進氧化應(yīng)激導(dǎo)致細胞損傷及細胞死亡[1～4]。在心肌IRI的發(fā)病機制中缺氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia inducible factor-1,HIF-1α)HIF-1α/miR-210能夠在抗氧化應(yīng)激,促進血管生成,改善線粒體功能方面發(fā)揮著重要作用,因此,深入探索HIF-1α/miR-210信號通路的作用機制,可以為IRI提供新的治療策略和理論依據(jù)。

1 HIF-1α與缺血再灌注損傷的關(guān)系

1.1 HIF-1α的分子結(jié)構(gòu)HIF是一種異二聚體轉(zhuǎn)錄因子,具有能促使需氧生物適應(yīng)缺氧的作用。研究表明,HIF由兩個亞基構(gòu)成,由氧敏感的HIF-α亞基和氧不依賴性的HIF-β亞基組成,后者也被稱為芳烴受體核易位器, 更明確地說,氧含量的水平可以影響HIF-α亞基的蛋白質(zhì)穩(wěn)定性,而HIF-β亞基在細胞核中組成型表達,其活性不受缺氧的影響。目前哺乳動物中的HIF-α蛋白主要分為三種,分別為HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α。其中HIF-1α是于1991年在研究促紅細胞生成素中最初確定的氧感應(yīng)途徑中的關(guān)鍵因子,在氧穩(wěn)態(tài)中具有高度特異性的調(diào)節(jié)作用。細胞內(nèi)氧濃度可以調(diào)節(jié)HIF-1α的蛋白質(zhì)穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)錄活性。氧傳感脯氨酰羥化酶結(jié)構(gòu)域酶(PHD)可控制其蛋白質(zhì)穩(wěn)定性,而天冬酰胺基羥化酶(FIH)可調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)錄活性。在常氧條件下,HIF-1α不斷合成,羥基化和降級,HIF-1α在常氧的半衰期<5分鐘,PHD可將 HIF-α 亞基在特定脯氨酰殘基上羥基化。羥基化的HIF-α亞基被von-Hippel Lindau(VHL)腫瘤抑制因子E3連接酶識別,通過泛素-蛋白酶體途徑降解[5], 此外,因子抑制HIF(FIH)羥基化的HIF-1α,導(dǎo)致其轉(zhuǎn)錄活性降低。在缺氧條件下,PHD和FIH因缺乏底氧化氧而導(dǎo)致活性降低不能羥基化HIF-1α,因此HIF-1α能夠避免泛素-蛋白酶體途徑降解并且能夠轉(zhuǎn)移到細胞核中,在那里與芳烴受體核易位器(HIF-β)結(jié)合形成異二聚體復(fù)合物存在[6,7]。

1.2 HIF-1α與IRI

HIF-1α可以保護心肌細胞免于凋亡,許多研究也證實HIF-1α可預(yù)防心肌IRI并具有心臟保護作用[8]。

1.2.1改善線粒體的功能 線粒體是有氧呼吸的主要部位,也是缺血性損傷的主要靶點。線粒體功能障礙在心肌IRI中扮演著重要的作用。在IRI時,一方面缺氧會破壞線粒體電子傳遞鏈,導(dǎo)致活性氧(ROS)增加,另一方面,缺氧會導(dǎo)致線粒體中的鈣離子的濃度增加,出現(xiàn)鈣過載[9],鈣過載和氧化應(yīng)激可能導(dǎo)致線粒體功能障礙,進而誘發(fā)心肌細胞凋亡或壞死。在IRI期間,一方面,心肌細胞內(nèi)氧含量的降低可以抑制PHD和IFH來促進HIF-1α的增加,另一方面,HIF-1α能調(diào)節(jié)線粒體特異性基因的表達水平,改善線粒體在IRI期間的功能。HIF-1α-frataxin信號可調(diào)節(jié)共濟蛋白的水平以達到減輕線粒體鐵過載和隨后的ROS產(chǎn)生,從而保護線粒體的功能和改善心肌細胞的活性,對IRI期間的心臟起保護作用。此外,在缺氧條件下,HIF-1α通過驅(qū)動BCL2 /腺病毒E1B 19 kDa蛋白相互作用蛋白3線粒體自噬從而促進IRI后心肌細胞的存活,但是這只在心肌IRI的早期能夠起到保護作用,長時間的缺血會導(dǎo)致心肌細胞的死亡[10]。目前也有研究表明,通過打開線粒體ATP敏感鉀通道激活HIF-1 / HRE通路來改善缺血再灌注損傷損傷[11]。

1.2.2改善氧化應(yīng)激 ROS通常被認為是有氧代謝的有毒副產(chǎn)物,ROS的產(chǎn)生在缺血期間開始,并且在再灌注過程中產(chǎn)生大量的ROS。ROS大量積累是IRI的重要原因之一[12,13]。減輕氧化應(yīng)激或減少ROS的積累能夠減少心肌細胞的死亡以達到改善心肌IRI的作用。在缺氧條件下,HIF-1α能夠調(diào)節(jié)心肌細胞中ROS的產(chǎn)生以達到對在IRI期間對心肌細胞的保護作用。HIF-1α也可以調(diào)節(jié)Nrf2,然后通過增強內(nèi)在ROS清除率來激活抗氧化酶增強心肌細胞抗氧化能力以保護心肌細胞。HIF-1α還可以通過調(diào)節(jié)細胞中抗氧化劑谷胱甘肽水平,從而保護這些細胞免受ROS介導(dǎo)的細胞死亡。目前許多研究都認為HIF-1α對維持細胞氧化還原平衡的有著積極的作用[14],但是也有研究認為在缺血再灌注損傷期間通過多元醇途徑增加了胞質(zhì)NADH / NAD+比率,從而激活HIF-1α并加劇了增加脂質(zhì)過氧化的氧化損傷[15]。

1.2.3促進血管生成及改善血管張力 缺血缺氧條件下, HIF-1α 表達上調(diào),可激動靶基因 VEGF 的轉(zhuǎn)錄調(diào)控,HIF-1α 可通過上調(diào)VEGF表達促進內(nèi)皮細胞增殖和遷移以達到增加血管生成可以有效改善病變中的缺氧,從而保護心臟。HIF-1α也可以通過抑制NF-κB通路并誘導(dǎo)血紅素加氧酶-1,從而減弱促炎細胞因子的產(chǎn)生,抑制組織炎癥并降低缺血再灌注損傷的程度[16]。

2 miR-210與心肌IRI的關(guān)系

2.1 miR-210分子特性MicroRNA是一種單鏈非編碼RNA,長度從 20-24個核苷酸不et al,在所有物種中普遍表達。第一個miRNA于1993年在秀麗隱桿線蟲中發(fā)現(xiàn)。MiRNA通過充當信使RNA(mRNA)基因表達中發(fā)揮重要作用,通過與其結(jié)合使其靶mRNA的偽互補序列不穩(wěn)定從而抑制其翻譯。這種機制在細胞代謝、分裂、凋亡和自噬方面有著重要作用。miR-210是miRNA的一種,miR-210的缺氧調(diào)控于2007年首次通過miRNA微陣列芯片鑒定,miR-210是低氧條件下反應(yīng)變化最為顯著的 miRNA 之一[17],在心肌的缺血再灌注損傷中發(fā)揮著重要作用。

2.2 miR-210與心肌IRImiR-210是所有已發(fā)表的研究中唯一在正常和轉(zhuǎn)化缺氧細胞中持續(xù)上調(diào)的miRNA。也被普遍認為是一個強大的HIF-1α靶標[18],在心肌IRI中發(fā)揮著抗細胞凋亡,促進血管生成以及脫氧核糖核酸的修復(fù)中發(fā)揮著重要作用。

2.3 抗凋亡作用miR-210通過下調(diào)其靶目標蛋白酪氨酸磷酸酶-1B(PTP1b),PTP1b是半胱天冬酶-8和半胱天冬酶-3的激活劑,從而抑制心肌細胞凋亡[19,20]。miR-210在心肌細胞中的過表達抑制了ROS的產(chǎn)生,從而抑制了氧化應(yīng)激導(dǎo)致的細胞凋亡。miR-210還可以通過調(diào)節(jié)Bcl-2腺病毒E1B 19kDa相互作用蛋白3減輕氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的心肌細胞凋亡。目前主流的觀點認為miR-210在心肌IRI起到積極作用,但也有研究認為miR-210在心肌IRI中有相反的作用,當miR-210被抑制時,缺氧誘導(dǎo)的心肌細胞損傷得到有利緩解[21],因此miR-210在抗凋亡方面的機制需進一步明確。

2.4 促進血管生成與脫氧核糖核酸的修復(fù)miR-210通過靶向受體酪氨酸激酶配體Ephrin-A3(EFNA3),增強人臍靜脈內(nèi)皮細胞的分化,在缺氧下進入毛細血管樣結(jié)構(gòu),并使VEGF促進血管生成,研究者通過將迷你圓圈載體注射到梗死小鼠的心臟中的動物研究表明miR-210能夠促進心肌細胞存活和新生血管的形成有著重要的作用[22],這表明在miR-210在有可能通過促進血管生成在心肌的IRI中發(fā)揮重要的作用。缺氧條件下,MiR-210能夠抑制同源重組修復(fù)的關(guān)鍵基因RAD52的蛋白質(zhì)翻譯,但不抑制基因轉(zhuǎn)錄,這為缺氧下調(diào)細胞DNA損傷修復(fù)機制提供了一種新的機制,但目前這種機制尚不明確[18]。最近的一項研究表明,缺血性預(yù)處理提供的細胞保護可能是由miR-210的誘導(dǎo)介導(dǎo)的,miR-210通過阻斷半胱天冬酶-8相關(guān)蛋白-2來促進間充質(zhì)干細胞存活以達到保護細胞的作用[23]。

3 HIF-1α/miR-210在心肌IRI發(fā)揮的作用

HIF-1αmiR-210與關(guān)系密切,雖然miR-210似乎是HIF-1α特異性調(diào)節(jié)的目標,但也有報道m(xù)iR-210受到HIF-2α依賴性調(diào)節(jié)。miR-210能由HIF-1α所調(diào)控, HIF-1α在接近 miR-210 啟動子處直接與轉(zhuǎn)錄起始位點上游大約 400 bp 的乏氧反應(yīng)元件結(jié)合,從而促進miR-210的表達[24],目前有研究認為HIF-1α/ miR-210信號通路與甘油-3-磷酸脫氫酶1(GPD1L)有關(guān),在缺氧條件下,HIF-1α誘導(dǎo)miR-210會導(dǎo)致GPD1L蛋白表達降低,進而導(dǎo)致HIF-1α穩(wěn)定性增加。在正常生理條件下,GPD1L的作用是PHD的活性,從而確保HIF-1α脯氨酸羥基化,導(dǎo)致HIF-1α被泛素-蛋白酶體降解。由于 miR-210 靶向 GPD1L mRNA 3′ UTR,通過miR-210 靶向 GPD1L mRNA 3′ UTR 導(dǎo)致 GPD1L 蛋白表達降低,導(dǎo)致缺氧期間HIF-1α積累增加。簡單來說,在常氧條件下,當HIF-1α蛋白表達低時,miR-210的水平也較低,因此GPD1L表達上調(diào)。在缺氧時,HIF-1α蛋白和轉(zhuǎn)錄活性增加,導(dǎo)致miR-210的積累,GPD1L的表達下調(diào),PHD失活,導(dǎo)致HIF-1α蛋白增加。該機制包括一個正反饋回路[25-28],表明miR-210也能夠誘導(dǎo)并維持HIF-1α蛋白水平。在體內(nèi),miR-210水平與缺氧的基因表達特征相關(guān),稱為缺氧亞基因[29]。miR-210的表達似乎是體內(nèi)HIF-1α活性的準確讀數(shù)[30]。目前主流觀點認為HIF-1α及miR-210在心肌IRI中發(fā)揮著積極的作用。在缺血缺氧條件下,一方面HIF-1α能夠通過自身的大量表達,達到在心肌IRI中改善線粒體功能,降低細胞氧化應(yīng)激,促進血管生成以保護心肌細胞的作用,另一方面,通過調(diào)控miR-210的產(chǎn)生,miR-210也能夠在心肌IRI中發(fā)揮到促進細胞分裂分化,抗細胞凋亡及促進血管生成的保護心肌細胞的作用。但HIF-1α及miR-210各自的機制尚不能確證,因此需要進一步研究HIF-1α/miR-210在心肌IRI中發(fā)揮的作用。

4 展望

在生物醫(yī)學(xué)研究快速發(fā)展的今天,心肌IRI的機制得到了廣泛的研究。目前已證實心肌IRI有多種因素介導(dǎo)。在眾多參與IRI 的保護因子中[31]。HIF-1α及miR-210在IRI 中都扮演著積極的作用[23,32],且miR-210能夠受到HIF-1α的調(diào)控,我們有理由相信HIF-1α/miR-210信號通路在IRI 中發(fā)揮著重要的作用,但目前的研究尚不能完全明確其機制。因此,進一步研究HIF-1α/miR-210在IRI 中的病理生理學(xué)中的作用及其潛在機制至關(guān)重要。