運動誘導生理性心肌肥厚的非編碼RNA調節機制

王天慧,肖俊杰

(上海大學生命科學學院,上海200444)

目前,全世界范圍內導致人類死亡的各種疾病中,心血管疾病被列為首位[1].隨著經濟水平和生活方式的不斷改善以及人口老齡化的日益加劇,心血管疾病的患病率和死亡率持續上升.據國家心血管病中心統計,我國心血管疾病患者人數已達2.9億人[2].心血管疾病所引起的社會和經濟負擔日漸加重,已成為重大的公共衛生問題,防治心血管病刻不容緩.除了藥物治療之外,經常進行體育運動鍛煉可以有效地預防和減少心血管疾病的發生[3].據估計,運動可將心血管疾病的發病風險降低50%.運動作為一種心臟康復療法常用于治療高血壓和慢性心臟病,可以顯著降低心力衰竭患者的死亡率和反復住院率[4-5].

非編碼RNA(non-coding RNAs,ncRNAs)是一類不編碼蛋白質的RNA分子,它參與細胞增殖、凋亡、分化、代謝等重要生物學過程,其功能失調與疾病的發生和發展密切相關,可以用于疾病的治療和診斷[6-7].規律運動誘導的生理性心肌肥厚可以保護心臟,生理性心肌肥厚已成為國際上公認的良性適應性反應.非編碼RNA是心肌肥厚的關鍵調節因子之一.近年來的研究發現,運動通過上調或下調心肌某些微小RNA(microRNA,miRNAs),參與調節心肌細胞肥大和增殖、心血管再生,幫助心肌細胞抵抗凋亡,減輕病理性心臟重構和心力衰竭.MiRNAs已成為治療心血管疾病的潛在靶點[4].對生理性心肌肥厚的關鍵調控分子的研究能夠根據它們在生理性心肌肥厚中的變化,使這些分子的表達升高或降低,往往對心臟重構和心力衰竭具有保護效應.因此,深入探索非編碼RNA在運動誘導生理性心肌肥厚的變化規律和作用機制將為研究生理性心肌肥厚的調控機制提供新的視角[8].

下面就幾種主要非編碼RNA(miRNAs)、長鏈非編碼RNA(long non-codingRNA,lncRNAs)和環狀RNA(circularRNA,circRNAs)在心肌肥厚,尤其是生理性心肌肥厚中的調控作用及機制進行綜述,并提出基于運動誘導生理性心肌肥厚的關鍵非編碼RNA可以發掘新的治療心力衰竭的策略.

1 運動與生理性心肌肥厚

規律的運動對心臟具有保護作用.通過規律的運動可以減少腹部肥胖,改善脂質和膽固醇分布,增強葡萄糖代謝,降低血壓,改善內皮和心臟功能,同時減少心理壓力[9].長期運動會誘導生理性心肌肥厚,能夠滿足運動所帶來的心臟灌注需求的增加.心肌細胞肥大伴隨心肌灌注的提高,Ca2+敏感性提高,改善心臟收縮和舒張功能[10].運動可用于治療高血壓和慢性心臟病.運動是心臟康復的一個重要組成部分,可以顯著降低死亡率以及反復住院率[4,11].

心肌肥厚是指心肌細胞體積增大,同時伴有心肌細胞內蛋白合成增加,間或伴有間質細胞的增殖.運動引起的生理性心肌肥厚與病理性心肌肥厚表現出不同的分子特征與表型.病理性心肌肥厚是病理性的壓力負荷和容積負荷刺激下導致的心肌肥厚,是很多心血管疾病發生的一個主要危險因素,如心力衰竭和心律失常,伴隨心肌細胞的凋亡和壞死、心肌纖維化、心功能下降和心室不良重構.長期適當運動作為一種慢性心臟負荷刺激因素,能夠誘導心臟發生生理性心肌肥厚.此時,心臟發生非病理性的改變,如左心室容積增加、室壁厚度和心臟質量成比例增加,不伴有心肌纖維化,是長期運動刺激下心臟的一種良性適應性改變,有助于提高心功能,同時對病理性的心肌損傷具有保護效應[12-13].根據刺激條件的不同,心肌肥厚可以分為向心性肥厚(心肌細胞寬度增加)和遠心性肥厚(心肌細胞長度增加),或二者兼而有之.由疾病引起的遠心性肥厚使心室壁變薄,伴隨細胞凋亡、壞死和纖維化,使心室變硬,收縮力受損.持久的耐力訓練(如跑步、游泳)可使心臟發生向心性肥厚,而持久的力量訓練(如舉重、摔跤)會使心室壁厚度增加和心室擴大,誘導心臟發生遠心性肥厚[14].

2 非編碼RNA的分類與功能

人類基因組中不能編碼蛋白質的RNA被稱為非編碼RNA(ncRNAs),早期研究中由于ncRNAs的生物學功能不明,曾一度被認為是“垃圾序列”[6].然而,近幾十年的研究表明,非編碼RNA通過多種調控途徑維持細胞和組織的穩態,在哺乳動物細胞中的作用和調控功能受到了極大關注[7].根據生物學功能不同,非編碼RNA可以分為兩大類：管家ncRNAs(house-keeping non-coding RNAs)和調控ncRNAs(regulatory non-coding RNAs),前者通常穩定表達,對細胞存活至關重要,包括核糖體RNA(ribosomal RNA,rRNAs)、轉運RNA(transfer RNA,tRNAs)、核內小RNA(small nuclear RNA,snRNAs)和核仁內小RNA(small nucleolar RNA,snoRNAs)等；后者是具有調控作用的非編碼RNA,按長度進行劃分,較短的包括miRNAs、小干擾RNA(small interfering RNA,siRNAs)、PIWI相互作用RNA(PIWI-interacting RNA,piRNAs)和lncRNAs[7].

非編碼RNA在調節心臟生長的病理生理過程中起重要作用.目前研究最廣泛的具有調控功能的非編碼RNA有miRNAs,lncRNAs和circRNAs.

2.1 MiRNAs

MiRNAs是一類長度為20～22個核苷酸序列的單鏈非編碼RNA分子,起源于核基因組的編碼和非編碼區域,直接和間接調節細胞質與線粒體中的基因表達[15-16].MiRNA通過與靶基因信使RNA(messenger RNAs,mRNAs)的3’端非翻譯區結合,在轉錄后水平調控靶基因的表達.在絕大多數情況下,miRNAs抑制靶基因的表達,但在少數情況下,miRNAs也可以升高靶基因的蛋白質表達水平.一個miRNAs可以調控多個靶基因,而同一個基因又可以被多個miRNAs所調控,因此miRNAs成為基因表達網絡中的重要調控者,參與調控細胞增殖、分化、凋亡等多種生物學行為.迄今為止,人類組織中已經發現了4 000多個miRNAs[17].

2.2 LncRNAs

LncRNAs是一類高度異質性的單鏈或雙鏈RNA分子,由大于200個并小于10 000個核苷酸組成.LncRNAs可以通過剪接形成與啟動子具有結合能力的多聚腺苷酸尾,參與分化過程中基因的動態表達,多聚腺苷酸尾的存在與否決定了lncRNAs的穩定性[18-19].根據lncRNAs在基因組上的位置,可以將其分為5種類型：①正義lncRNAs,由蛋白質基因編碼的正義鏈轉錄,與蛋白編碼序列享有相同的啟動子；②反義lncRNAs,由蛋白質基因編碼的反義鏈轉錄；③雙向lncRNAs,由蛋白質基因編碼的兩條反向互補鏈轉錄生成；④內含子區lncRNAs,來源于次級轉錄物的內含子區域；⑤基因間lncRNAs,來源于兩個基因間隔區的獨立單元序列.LncRNAs參與保護染色體完整性、維持基因組結構、X染色體沉默、基因組印記以及染色質修飾、轉錄激活、轉錄干擾、表觀遺傳調節、核內運輸等多種重要的調控過程[20].

2.3 CircRNAs

CircRNAs是一類大量存在于真核細胞,不具有5’端帽子和3’端多聚腺苷酸尾、以共價鍵形成環狀閉合結構的單鏈RNA分子,且不易被核糖核酸酶(ribonucleases,RNases)降解,因而與線性RNA相比具有更高的穩定性.大多數circRNAs是通過前體mRNA的供體外顯子3’端與受體外顯子5’端反向剪接形成的,少部分由內含子直接環化而成[21-22].CircRNAs在不同物種間具有高度穩定性、特異性和進化保守性,因而具有多種生物學功能.已有研究表明,circRNAs通過與內源性miRNAs競爭來發揮miRNAs海綿的作用,可作為支架來促進、定位和調節蛋白質的功能,調節真核基因表達和線性選擇性剪接[23-26].近期的研究表明,circRNAs影響衰老、胰島素分泌、動脈粥樣硬化、癌癥和心肌肥厚等[27].

3 非編碼RNA與生理性心肌肥厚

3.1 MiRNAs與生理性心肌肥厚

大鼠和小鼠經耐力運動后會引起許多與心臟生長和發育相關的miRNAs分子在心臟中表達的變化.已有研究表明,經過幾周的耐力訓練,超過200種miRNAs在嚙齒類動物心臟中的表達發生改變,其中約60%的miRNAs表達下調[28-29].跑臺訓練或游泳訓練誘導小鼠左心室生理性肥大,miR-1,miR-133a,miR-143,miR-124表達下調[28,30-31].相反地,另一些miRNAs在運動所致的生理性心肌肥厚中的表達是上調的,例如miR-21,miR-144,miR-145,miR-27,miR-223等[29,32-33].但是,對于持續數周的游泳訓練后,miR-208b和miR-133b表達上調或下調的報道存在分歧,具體原因尚不清楚[28,34-35].在小鼠運動訓練、主動脈弓縮窄術(transverse aortic constriction,TAC)和蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)過表達模型中,miR-1和miR-133在心臟中的表達下調,說明這些miRNAs在生理性和病理性心肌肥厚中同時起作用,而與心肌肥厚屬于病理性還是生理性無關[30].而miR-222,miR-34a,miR-210在病理性心肌重構和運動所致的生理性心肌肥厚中具有不同的表達特征,表明這些miRNAs是介導生理性心肌肥厚的關鍵miRNAs[36].

MiRNAs也在調節與運動誘導的心臟適應性相關的分子途徑中發揮作用.在游泳訓練后大鼠肥厚的心臟中,miR-29家族表達上調,這與膠原基因表達下調有關,伴隨心室順應性改善,心臟膠原纖維含量下降[37].血管生成增加與運動誘導的心臟生長有關,受血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)途徑的調節.在游泳訓練的嚙齒類動物心臟中,miR-126的表達升高,通過抑制靶基因Sprouty相關EVH1域蛋白1(Sprouty-related EVH1 domain-containing protein 1,Spred1)和磷脂酰肌醇-3激酶調節亞基2(phosphatidy linositol 3-kinase regulatory subunit 2,PI3KR2)(VEGF通路的負調節因子)促進血管生成信號轉導[38].PI3K是一種胞內磷脂酰肌醇激酶,具有調節細胞增殖和凋亡的作用,是運動誘導的生理性心肌肥厚所必需的關鍵調控分子.心肌特異性敲除PI3K小鼠的心臟體積明顯減小,而特異性過表達PI3K小鼠的心臟體積則明顯增大.生物芯片分析確定有62個miRNAs受PI3K調節[36].一般來說,當病理性心肌肥厚發生時,心臟的腎素-血管緊張素系統被過度激活,其主要成分血管緊張素轉換酶(angiotensin converting enzyme,ACE)和血管緊張素Ⅱ(Angiotensin,AngⅡ)的表達升高.在運動誘導的心臟肥大中,miR-27a和miR-27b(靶基因均為ACE)顯著上調,但miR-143(靶基因ACE2)顯著下調,這與ACE和AngⅡ的表達水平降低有關,但在接受有氧運動訓練的動物中,ACE2的表達水平升高.接受跑臺訓練的小鼠心臟中的miR-223表達上調,miR-223表達的升高可通過作用于靶基因FBXW7和Acvr2a的3’UTR(untranslated region,非翻譯區)誘導生理性心肌肥厚[29,32].MiRNAs分子的靶基因范圍很廣,其中一些參與了纖維化、凋亡、自噬、血管生成等的調節.介導生理性心肌肥厚的miRNAs下游靶基因有磷酸酶和張力蛋白同源物(phosphatase and tensin homolog,PTEN)(miR-21,miR 144),結節性硬化復合物2(tuberous sclerosis complex 2,TSC2)(miR145),ACE(miR27a,miR27b,miR143)等,通過作用于靶基因,miRNAs發揮著重要的調節功能[33].

MiRNAs在運動誘導的生理性心肌肥厚中發揮重要的調控功能,能夠有效抵抗心肌受損,保護心臟免受不良心室重構過程的影響.已有研究表明,在小鼠游泳和跑步模型中,心臟miR-222的表達均上調,抑制下游靶基因p27,同源結構域相互作用蛋白激酶1(homeodomaininteracting protein kinase 1,HIPK1),HMBOX1(homeobox containing 1),以促進心臟發生生理性肥厚.抑制小鼠體內miR-222的表達會阻礙運動后的心臟生長,減少心肌細胞的增殖.而心肌特異性過表達miR-222可以有效改善小鼠心肌缺血再灌注損傷6周以后的心功能,減少心肌細胞凋亡和心肌纖維化.這說明miR-222是介導生理性心肌肥厚的關鍵miRNAs,對運動誘導心肌細胞生長和增殖是必需的,并可減輕由心臟缺血再灌注損傷導致的心室病理性重塑和心功能損傷[39].同樣,運動小鼠心臟miR-17-3p表達上調,通過抑制下游直接靶基因金屬蛋白酶組織抑制劑3(tissue inhibitor of metalloproteinase 3,TIMP3),或抑制PTEN激活Akt信號通路,促進心肌細胞肥大、增殖和存活.在體內抑制miR-17-3p表達會減弱運動誘導的心臟生長,包括心肌細胞肥大和增殖.注射了miR-17-3p激動劑的小鼠在心肌缺血再灌注損傷后不良心室重構減輕.MiR-17-3p有助于運動誘導的心臟生長,并保護心臟免受不良心室重構的影響[40].總之,miR-17-3p和miR-222表達升高,促進了心肌細胞肥大、增殖并抵抗凋亡,增加miR-17-3p和miR-222可以在動物水平改善心肌缺血再灌注損傷所致的心室重構不良和心力衰竭,miR-17-3p和miR-222可能是促進心肌缺血再灌注后功能恢復的新治療靶點.

3.2 LncRNAs與心肌肥厚

自2013年,首個與心臟相關的lncRNAs Braverheart在心臟發育中的功能被發現以后,越來越多的學者開始研究lncRNAs在心臟病理生理中的作用.在2016年更新的非編碼RNA數據庫中,lncRNAs已經達到527 336個,人類中有167 150個,小鼠中有130 558個[41].然而,僅有少數的研究分析和鑒定了心肌肥厚過程中lncRNAs的差異性表達.TAC誘導的4周心肌肥厚小鼠模型中,芯片分析鑒定出64個上調的和134個下調的lncRNAs[42].同樣,在TAC誘導的大鼠心肌肥厚模型中,80個lncRNAs顯著上調,172個lncRNAs顯著下調[43].對于人類的研究更多集中在心衰患者的不同階段,已闡明了lncRNAs在心力衰竭發病機制中的重要作用.非心衰患者心臟、非缺血性和缺血性心衰患者的對比研究揭示心衰患者的lncRNAs和miRNAs的差異化表達,并且lncRNAs可用來區分心衰的病因[44].

LncRNAs可以隔離染色質修飾酶和轉錄因子等RNA結合蛋白,從而抑制其功能.肌球蛋白重鏈相關RNA轉錄物(myosin heavy-chain-associated RNA transcripts,Mhrt),是第一個被報道的與心肌肥厚相關的lncRNAs,大量存在于成年小鼠心臟中.Mhrt通過結合染色質重塑因子1(brahma-related gene 1,brg1)的解旋酶結構域,阻止brg1識別其基因組序列,從而避免病理性心肌肥厚的發生,這表明Mhrt具有保護心臟的作用.實際上,在病理刺激下激活的brg1也會顯著抑制心臟中Mhrt的轉錄,從而引起心肌肥厚和心衰的發生.因此,brg1-Mhrt的反饋調節對維持心臟的內穩態至關重要[45].

通過對小鼠壓力負荷性心力衰竭模型的轉錄組學分析,發現了一種在心臟中高表達的lncRNAs Chaer(cardiac hypertrophy associated epigenetic regulator),被稱為心肌肥厚的表觀遺傳調節器.Chaer在心肌細胞中特異性表達,而Chaer敲除小鼠可明顯減輕壓力刺激所帶來的心肌肥厚,表明Chaer在控制心臟重塑中發揮重要作用.通過66-mer序列的修飾,Chaer影響了多梳抑制復合物2(polycomb repressive complex 2,PRC2)序列的功能,使PRC2不能靶向基因組位點,從而抑制了心肌肥厚相關基因啟動子區域組蛋白的甲基化.可見,抑制Chaer的表達,可以減輕壓力刺激帶來的心肌肥厚和心功能障礙[46].

LncRNAs可作為一種內源性海綿與miRNAs相互作用來控制心臟肥大.小鼠心肌肥厚相關因子CHRF(cardiac hypertrophy-related factor)在壓力超負荷后表達升高,導致心力衰竭.CHRF作為miR-489的海綿,下調miR-489,使其下游靶基因myd88上調,通過核因子κB(nuclear factor κB,NF-κB)通路調節誘導心臟肥大的發生[44].在心肌肥厚的小鼠心臟中,lncRNAs Plscr4表達上調,而Plscr4的過表達可明顯減輕壓力刺激所帶來的心肌肥厚.Plscr4通過隔離促肥大的miR-214發揮其抗肥大功能,從而允許Mitofusin 2的表達并減少心肌肥厚的發生[47].

近期的一項研究表明,lncRNAs可能是治療心肌肥厚相關疾病的新靶點.在小鼠和人類心肌肥厚模型中,lncRNAs Chast(cardiac hypertrophy-associated transcript)的表達會特異性上調,在細胞和動物水平上過表達Chast會導致心肌細胞肥大發生.這是通過促肥大的轉錄因子活化T細胞核因子(nuclear factor of activated T cells,NFAT)激活Chast,自噬調節因子Plekhm1表達上調,阻斷心肌細胞的自噬來實現的.該研究通過lncRNAs沉默方法——反義寡核苷酸來抑制小鼠心肌肥厚模型中Chast的表達,通過靜脈注射的方式達到目的分子沉默的效果,揭示了lncRNAs在心臟疾病治療中的臨床應用潛力[43].

但是,目前運動誘導的生理性心肌肥厚的關鍵lncRNAs尚不清楚,有待進一步研究.

3.3 CircRNAs與心肌肥厚

雖然已證實心臟中含有大量的circRNAs,但其功能和機制還不十分明確.據報道,一些circRNAs可以作為內源性海綿與miRNAs相互作用并影響其靶基因的表達.CircRNAs ciRS-7/CDR1as,Sry,HIPK 3以及與心臟相關的HRCR(heart-related circRNA)作為miRNAs海綿,可以降低miRNAs的活性.HRCR作為miR-233的內源性海綿,miR-233通過作用于靶基因細胞骨架活性調節蛋白(activity-regulated cytoskeleton-associated protein,ARC)來調節心肌肥厚,HRCR通過與miR-233競爭性結合并提高小鼠ARC的表達來抑制肥大反應[48].

與miRNAs相比,circRNAs在調節心肌肥厚功能中的研究較少,多數研究集中在與心臟病相關的circRNAs的識別與鑒定[49-50].基因表達譜分析已鑒定成年小鼠心臟中有575種circRNAs,很多circRNAs候選基因都是從心血管疾病相關基因座中轉錄出來的.通過比較大鼠新生心肌細胞和成年心肌細胞、假手術和TAC手術小鼠心臟、心衰和非心衰的人類心臟,生成了不同種類心臟中circRNAs的基因表達譜,結果表明circRNAs在患病的人類和嚙齒類動物心臟中大量表達,但僅有少數的差異性表達.在從胚胎到成體的發育過渡期,大鼠心臟中的circRNAs表達有顯著差異,但調節心肌重量的circRNAs功能尚不明確[51-52].此外,運動誘導的生理性心肌肥厚的關鍵circRNAs也不明確,有待進一步研究.

4 結語與展望

近年來的研究已經表明,非編碼RNA通過調節基因表達在生理和病理性心肌肥厚中發揮重要作用.在小鼠、大鼠和人類的心肌肥厚過程中,大量的miRNAs,lncRNAs和circRNAs失調.與心肌肥厚相關的生理和病理應激都可以調節miRNAs的表達,通過直接誘導mRNAs降解或抑制靶基因的翻譯來調控多種心臟肥大相關的信號通路.LncRNAs通過充當內源性miRNAs海綿、隔離染色質重塑因子或通過順式調控機制調節鄰近基因的表達來調控肥厚相關基因.在病理性心肌肥厚的心臟組織中已經發現了circRNAs的表達譜,但是circRNAs在心肌肥厚中的作用和機制尚未闡明.多個miRNAs,lncRNAs和circRNAs HRCR已被證明是心臟肥大和心力衰竭的潛在治療靶點.

在非編碼RNA中,只有miRNAs對運動誘導的生理性心肌肥厚和細胞增殖調節的相關研究比較充分,而lncRNAs和circRNAs在運動誘導的生理適應調節中的作用機制則知之甚少.已知大量的miRNAs在耐力訓練后的心臟中有不同的表達,運動可通過調節miRNAs減輕糖尿病、心肌梗死等疾病誘導的心肌細胞凋亡、心肌纖維化等,產生生理性心肌肥厚等心肌保護效應,抑制病理性心臟重塑,改善心肌功能.一些miRNAs如miR-222和miR-17-3p是運動誘導的心肌肥厚所必需的,對心臟具有保護作用,可能是促進心肌缺血再灌注后功能恢復的治療靶點.因此,有關運動誘導的生理性心肌肥厚的非編碼RNA分子機制及其調控網絡值得進一步深入研究,有助于闡明運動促進心臟健康的發生機制,為未來治療心血管疾病提供新靶點和新途徑.