微RNA调节心脏重构的病理生理机制研究进展

韩克丽,赵国安,2,3,朱 丽,陈志刚,2,3,林 飞,2,3

(1.新乡医学院心脏病诊疗中心， 河南 卫辉 453100；2.河南省心脏线粒体生物医学工程研究中心，河南 卫辉 453100；3.河南省心血管损伤与修复国际联合实验室，河南 卫辉 453100)

心力衰竭(heart failure，HF)是各类心血管疾病(cardiovascular diseases，CVD)共同的最终结局，具有较高的致残率和病死率，是世界上最常见的死亡原因之一，已成为临床医生面临的一大挑战[1-3]。心脏重构是HF的病理生理学基础，即在HF发展过程中，心脏发生重量、几何形状、心肌结构及其细胞和间质成分的改变。心脏重构主要包括心脏结构、形态重构和能量代谢重构。从病理基础上讲，心脏重构一方面指心肌细胞肥大、凋亡，另一方面指细胞外基质胶原沉积和纤维化，心肌细胞及细胞外基质比例失衡，心功能由代偿转向失代偿，最终导致HF[4-5]。如何预防或逆转心脏重构，改善心功能，已成为临床防治HF、降低HF病死率的关键。近年来，多项研究已经证明血浆中循环微RNA (microRNA，miRNA)可通过多种途径参与调节心脏重构及心力衰竭的整个生理病理学过程。鉴于此，本文就miRNA调节心脏重构的病理生理机制研究进展进行综述，以期为寻找逆转心力衰竭的生物标志物及治疗靶点提供思路与方法。

1 miRNA

1.1 miRNA的产生和生物学特性miRNA是在多种真核细胞及病毒中发现的长度为21～25 nt的短序列[6]。绝大多数miRNA是通过RNA聚合酶转录而来，仅少数通过RNA聚合酶Ⅲ转录而来。基因组非编码区在RNA聚合酶Ⅱ或Ⅲ作用下首先合成一段发卡结构的初级miRNA；初级miRNA在细胞核经Drosha酶切割成前体miRNA；前体miRNA通过Exportin-5进入细胞质，随后进入由Dicer酶、TAR核糖核酸结合蛋白(TAR RNA-binding protein，TRBP)和Argonaute2蛋白(argonaute protein 2，Ago2)酶组成的RNA诱导沉默复合体(RNA-induced silencing complex，RISC)。Dicer酶水解前体miRNA的环状结构产生1个miRNA二倍体后，Ago2酶水解其中的1条链，最终生成成熟miRNA[7]。最先发现的miRNA是线虫中控制发育时序的lin-4和let-7基因，现已发现miRNA广泛存在于哺乳动物、线虫、果蝇和植物等生物中。同一物种内相同或极相近似的miRNA可以使用相同的数字，在数字之后加数字或字母作为后缀以区别，其基因在序列上有微小的差别[8]。

miRNA的生物学特性主要表现为高度保守性、时序表达特异性和组织表达特异性[9]。miRNA的序列结构在各个物种间具有高度的进化保守性，表明在不同的生物发育过程中，miRNA具有相同的调控机制，为生物早期进化同源性提供了可靠依据。一些miRNA的表达呈时间发育特异性，在不同组织、不同发育阶段中，miRNA的表达水平有显著差异，这是物种间差别最主要的原因。一些miRNA表达具有细胞和组织特异性，对miRNA的调控功能有重要意义。

1.2 miRNA的作用机制miRNA基因不编码蛋白质，在进化上具有高度保守性。成熟的miRNA与其互补链结合成双螺旋结构，双螺旋结构打开，其中1条与RNA诱导的基因沉默复合物形成非对称的RISC复合物。该复合物能够通过与靶信使RNA(messenger RNA，mRNA)特异性的碱基互补配对，引起靶mRNA降解或者抑制其翻译，从而对基因进行转录后的表达调控[10]。miRNA可以在转录后调控数千个基因的表达。单个miRNA能够平行地调控多个靶基因，这些基因在功能上不一定重叠。单个mRNA可以包含不同miRNA的多个结合位点，从而形成一个复杂的miRNA-mRNA相互作用网络，进而发挥生物学作用[11-12]。单个miRNA通过其多个靶基因来调节多个生物过程和信号通路，形成多靶点、多环节的功能特点，一旦出现失常，将引起疾病的发生[13]。

1.3 miRNA与CVDmiRNA在胚胎发生、增殖、血管生成、凋亡、细胞生长分化和肿瘤发生等多种病理生理过程中起着重要作用，在血管生成、心肌收缩、脂质代谢、能量代谢、炎症反应、氧化应激、斑块形成、心律排列和心肌细胞生长等过程中发挥潜在的作用[14-15]。异常的miRNA表达可能导致不同的CVD，如冠状动脉性心脏病、高血压病、心律失常、急性心肌梗死、再狭窄、心脏瓣膜病、肺动脉高压、糖尿病伴血管并发症以及冠状动脉和外周动脉疾病等。HF被定义为一种临床综合征，冠状动脉性心脏病、高血压、瓣膜性心脏病、心律失常、病毒性感染(如心肌炎、心肌病)等一些CVD是HF的常见病因[16-18]。大量研究报道，循环miRNA主要从心脏结构、形态重构和能量代谢重构方面来调节心肌细胞肥大、凋亡及细胞外基质胶原沉积和纤维化，从而参与HF的病理过程[19-21]。

2 miRNA参与调节心脏结构、形态重构

2.1 miRNA与心肌肥大心肌肥大是指心肌细胞体积增大、直径增宽或长度增加和肌节数量增多。

有学者在主动脉弓缩窄(coarctation of aorta，TAC)导致的心功能障碍小鼠模型中调控miR-217的表达，在体内压力超负荷心肌肥大小鼠模型中调控miR-20b的表达，结果发现，miR-217、miR-20b可通过抑制第10号染色体上磷酸酶和张力蛋白同源缺失基因(phosphate and tension homology deleted on chromsome ten，PTEN)在心肌细胞、成纤维细胞和内皮细胞中的表达来激活蛋白激酶B (protein kinase B，Akt)通路，进而增大心肌细胞体积，减弱心肌收缩力，加重心肌肥厚和功能障碍[19-20]。miR-1通过其3′未翻译区域内高度保守的靶位点抑制钙调蛋白编码mRNA的翻译，通过钙调神经磷酸酶下调钙调蛋白信号(心肌细胞生长和功能的中枢调节因子)的转导，抑制Mef2a和Gata4(钙依赖性基因表达变化的关键转录因子)，调节心肌细胞的生长反应[21]。有研究发现，异丙肾上腺素和醛固酮诱发心肌细胞肥大时，miR-23a表达上调，其表达受钙神经素-激活T细胞核因子通路所调节，通过下调肌肉特殊指环蛋白1发挥调节心肌细胞肥大的作用[22]。PlScr 4可以竞争性地与miR-214结合，使miR-214靶基因的表达下调，进而调控miR-214-Mfn2轴，促进Mfn 2基因表达，减轻心肌细胞肥大[23]。

MiR-29可以直接针对以下4个通路因子来抑制Wnt/β-catenin信号通路，调节心肌肥大。(1)糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3β，GSK 3β)：GSK 3β可降解β-catenin，在小鼠体内，GSK3β被转基因为高活性的S9A突变体，可保护心脏免受TAC诱导而形成心肌肥厚；(2)CTNNB1基因：CTNNB1基因编码的蛋白质能够阻止激活的β-catenin与转录因子T细胞增强因子/淋巴细胞增强因子相互作用，CTNNB1基因缺乏会导致心脏肥大；(3)HMG盒转录抑制因子(HMG-box transcription factor 1，HBP1)：HBP1是T细胞增强因子/淋巴细胞增强因子的负调节因子，能够减轻心肌肥大；(4)p120 Catenin：p120 Catenin是一种骨架蛋白，GLIS2蛋白与连接素p120 Catenin结合后形成被HBP1切割的转录抑制因子，同样能抑制心肌肥厚[24]。

p53-miR-18-hsf2-IGF-IIR轴是体外和体内心肌细胞肥大的关键调控途径。在血管紧张素Ⅱ(angiotensin-Ⅱ，Ang-Ⅱ)刺激的新生大鼠心肌细胞中，被激活的p53基因能够下调miR-18的表达，此过程触发了热休克因子2(heat shock factor 2，HSF-2)的表达和胰岛素样生长因子受体Ⅱ(insulin-like growth factor receptor，IGF-IIR)诱导的心肌细胞的肥大[25]。Ang-Ⅱ/miR-154-5p/Arsb轴是心脏重塑的关键级联，miR-154-5p的过表达程度与Ang-Ⅱ的诱导程度相似时，miR-154-5p与芳基硫酸酯酶对应的mRNA非翻译区3′端相互作用，直接抑制α-硫酸酶B的表达，参与丝裂原活化蛋白激酶p38/Janus激酶/信号转导和转录激活因子通路的调控，加速氧化应激和炎症反应，进而激活心肌肥大的细胞信号[26]。

2.2 miRNA与心肌纤维化(myocardial fibrosis，MF)MF的重要病理基础是心脏细胞外基质蛋白合成与降解失衡，心脏成纤维细胞(cardiac fibroblasts，CFs)的过度增殖及其向肌成纤维细胞的转分化可促进α-平滑肌肌动蛋白(α-smooth muscle actin，α-SMA)的表达，以及胶原的过度合成和分泌。

研究发现，在TAC小鼠皮下注射靶向抗miR-154的核酸后，可抑制诱导纤维化的胶原Ⅲ、胶原Ⅰ和潜在基质金属蛋白酶2(matrix metalloproteinase 2，MMP2)的表达，使胶原沉积、MMP2丰度减弱；miR-154对Dickkopf相关蛋白2(Dickkopf related protein 2，DKK2)的靶向性可上调β-catenin的表达，激活Wnt信号通路及CFs，提高β-catenin、α-SMA、胶原Ⅰ和胶原Ⅲ的表达水平，增强CFs的增殖和迁移能力[27]。有研究发现，糖尿病心肌病小鼠心脏内皮细胞中miR-146a过度表达，其以白细胞介素-1相关激酶1(interleukin-1 receptor associated kinase 1，IRAK1)和肿瘤坏死因子受体相关因子6(tumor necrosis factor associated factor 6，TRAF6)为靶点，通过调节核因子κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)的活性来降低心脏炎症标志物和细胞外基质蛋白水平，从而减轻MF[28]。

Ang-Ⅱ和转化生长因子-β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)可诱导血管生成性级联反应。有研究报道，用α-组织相容性复合体2(actin alpha 2，Acta-2)启动子构建的转基因小鼠中，Ang-Ⅱ可显著降低心肌细胞中miR-1954的表达，上调α-SMA和成纤维细胞特异性蛋白-1(fibroblast specific protein-1，FSP-1)的表达[29]。心肌特异性过表达miR-1954可减弱胶原、TGF-β1、FSP-1、Acta-2和结缔组织生长因子等纤维化标志物的表达，加速心脏CFs的表型转换。同样，在经Ang-Ⅱ诱导处理过的小鼠心肌细胞中，miR-101a/b的表达受抑制，c-Fos/TGF-β1信号传导通路的信号活动被减弱，心脏CFs的增殖被抑制[30]。

miR-29家族可以调控多种mRNA，编码参与纤维化的蛋白质，包括多种胶原、纤维蛋白和弹性蛋白。在急性梗死心肌附近的心肌组织中，miR-29的表达水平减低，胶原、纤维蛋白及弹性蛋白含量增多，纤维化反应增强。miR-29在心脏CFs中的过度表达也会降低胶原的产生[31]。

2.3 miRNA与心肌细胞凋亡心肌细胞为非再生细胞，死亡后心肌细胞数量减少，心肌纤维增殖，导致心脏重构，心肌细胞凋亡和自噬是与心脏重构相关的2种细胞死亡类型。

miR-223在人体和大鼠梗死的心肌组织中过表达，靶向沉默聚ADP-核糖聚合酶-1(poly ADP-ribose polymerase-1，PARP-1)可通过Akt/哺乳动物雷帕霉素(mammalian target of rapamycin，mTOR)途径保护心肌细胞免受缺氧导致的凋亡和过度自噬[32]。miR-199a可通过靶向GSK 3β/mTOR复合物信号通路，来减弱自噬相关基因5(autophagy related gene 5，ATG5)的表达，miR-199a过表达能够抑制心肌细胞自噬[33]。miR-19a-3p/19b-3p可通过靶向TGF-β受体Ⅱ的mRNA，抑制TGF-β/Smad2信号转导，改变Smad2和Smad3的磷酸化激活方式，进而抑制心脏CFs自噬[34]。

miR-155通过细胞因子信号抑制物1(suooressor of cytokine signaling 1，SOCS1)/NF-κB信号途径加速巨噬细胞向M1型分化，促进炎症反应，诱导内质网应激，激活CCAAT增强子结合蛋白(CCAAT enhancer binding protein，C/EBP)和caspase-12，加速心肌梗死后心肌细胞的凋亡[35]。抑制miR-153可影响核因子E2相关因子/血红素加氧酶-1信号通路，使神经元免受缺氧/复氧过程诱导的细胞损伤，维持氧化还原状态的动态平衡，防御细胞内氧化应激，减少缺血/再灌注诱导的心肌细胞凋亡[36]。miR-23a靶向Fox O3a基因(forkhead box O3a， Fox O3a)可调控心肌细胞凋亡，下调miR-23a可抑制缺血/再灌注诱导的氧化应激和细胞凋亡；过表达miR-23a可减弱磷脂酰肌醇3-激酶/Akt信号通路活性，降低Fox O3a的磷酸化水平，抑制B细胞淋巴瘤-2基因的表达，减少过氧化氢诱导的细胞凋亡[37]。

心源性细胞分泌的外泌体富集了包括miR-146a、miR-181b和miR-126在内的多种miRNA，其中miR-181b在巨噬细胞极化过程中变化显著，miR-181b靶向调节蛋白激酶Cδ(protein kinase Cδ，PKCδ)，巨噬细胞被PKCδ抑制后发生过继转移，该过程对心脏发挥了保护性作用。有研究发现，在梗死心肌巨噬细胞富集区提高miR-21的转录水平，能够减少梗死组织内CD68阳性的巨噬细胞数量，巨噬细胞的极化状态从促炎性转变为修复性，从而促进心脏微血管生成，减少远端心肌细胞的凋亡，减轻心肌梗死后重塑[38-40]。

3 miRNA参与调节心脏能量代谢重构

心肌维持正常泵功能需要的95%的能量中(所需总能量的95%由脂肪酸氧化和葡萄糖酵解)，60%～90%来源于游离脂肪酸的氧化生成，10%～40%来源于葡萄糖酵解。心力衰竭时，心脏发生结构改变的同时伴随着不良的代谢改变，包括心脏能量代谢底物代谢紊乱和细胞内线粒体损伤。心肌能源供给由以脂肪酸氧化为主转变为以葡萄糖酵解为主即为代谢重构[41-42]。

有学者用生物合成的miR-苹果酸酶1(malate dehydrogenase 1，ME1)处理经过TAC手术的大鼠心脏后发现，该大鼠心肌细胞中ME1的生成被抑制，心肌细胞中谷胱甘肽的含量增多，乳酸积累量减少，心肌细胞内氧化还原状态改善，葡萄糖氧化效率提高，心肌收缩性增强[43]。在压力超负荷小鼠模型中，miR-146a可靶向调节二氢脂肪酰化琥珀酰转移酶，降低α-酮戊二酸脱氢酶复合物的靶区亚组分，减弱葡萄糖代谢反应。无论是miR-146a的先天性缺失或是后天性被抑制，压力超负荷小鼠的心功能均能维持在正常范围[44-45]。

MiR-21-3p在脂多糖处理的小鼠心脏中可靶向抑制SH3结构域蛋白2，导致心肌细胞内线粒体超微结构损伤[46]；miR-181c可靶向调节细胞色素C氧化酶1 的mRNA，miR-181c过度表达可使线粒体复合体Ⅳ组分失衡，进一步导致线粒体活性氧生成增加，线粒体出现功能紊乱[47]；miR-199a和miR-214协同调节过氧化物酶体增殖物激活受体-δ，使HF小鼠心肌细胞中线粒体的能量代谢从游离脂肪酸代谢向糖酵解方向转变[48]；miR-210可靶向抑制铁硫簇组装蛋白，降低线粒体复合体Ⅰ活性，进而抑制心肌细胞线粒体呼吸，促进过氧化氢诱导的H9C2心肌细胞氧化应激过程中细胞能量代谢的转移[49]；miR-106靶向抑制线粒体融合蛋白2后，心肌细胞内出现线粒体嵴缺陷、线粒体膜明显去极化、活性氧生成增加，进而诱导心肌细胞代谢改变[50]；miR-208a通过靶向抑制肉碱棕榈酸转移酶1C介导的脂肪酸转运，进而降低心肌线粒体脂肪酸β氧化水平[51]。

4 展望

miRNA家族是基因表达调控网络中的重要组成部分，参与多条信号传导通路。目前，miRNA不仅被用于疾病早期诊断和中长期预后潜在标志物，还被用于各种CVD的治疗。随着对miRNA在心血管系统中的作用研究的深入，将miRNA与心血管疾病的传统危险因素相结合，能够提高对患者危险分层的精准性，甚至进一步开展疾病诊断和治疗的新技术，开发更好的治疗靶点，研发新药物。