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循環非編碼RNA作為生物標志物在心血管疾病中作用的研究進展

2019-07-06 10:45:18馬建君黃萍
新醫學 2019年10期
關鍵詞:生物標志物心血管疾病

馬建君?黃萍

【摘要】人類基因組轉錄過程中產生了大量的非編碼RNA分子(ncRNA),其中一些分子具有重要的生物調節功能。近十年來,ncRNA在心血管生物學中的關鍵作用逐漸得到發掘,以發現微小RNA(miRNA)參與心血管發育和功能調節為起始,之后進一步使用循環的ncRNA作為心血管疾病的生物標志物。在心血管疾病中,循環ncRNA包括miRNA、長鏈非編碼RNA以及環狀非編碼RNA,循環ncRNA被認為是心肌梗死、心力衰竭和心房顫動等多種心血管疾病的生物標志物。該文對循環ncRNA作為心血管疾病生物標志物的研究現狀和前景,包括其分泌機制和調控作用等相關問題進行綜述。

【關鍵詞】循環非編碼核糖核酸;心血管疾病;生物標志物

Research progress on the role of circulating non-coding RNA as a biomarker of cardiovascular diseases ?Ma Jianjun, Huang Ping. Department of Neurology, Peoples Hospital of Haiyan County, Haiyan 314300, China

Corresponding author, Huang Ping, E-mail: huangpin19821217@ 163. com

【Abstract】A myriad of non-coding RNA molecules (ncRNAs) are produced during the process of human genome transcription,and some of these ncRNAs have important biological regulatory functions. In the recent decade,the pivotal role of ncRNAs in cardiovascular biology has been gradually explored. At the beginning, the microRNAs (miRNAs) are found to be involved in cardiovascular development and function regulation. Subsequently,circulating ncRNAs are considered as the biomarkers of cardiovascular diseases. Circulating ncRNAs including miRNA, linear long non-coding RNAs (lncRNAs) and circular long non-coding RNAs (circRNA) are considered as the biomarkers of cardiovascular diseases,such as myocardial infarction,heart failure and atrial fibrillation, etc. In this article, the current status and prospects of circulating ncRNAs as the biomarkers of cardiovascular diseases were summarized mainly from the aspects of secretion and regulation mechanism.

【Key words】Circulating non-coding RNA;Cardiovascular disease;Biomarker

心血管疾病(CVD)是全球范圍內人類健康的重要威脅之一。考慮到CVD所帶來巨大的社會負擔,關于疾病管理方面的進步不應僅局限在對這些疾病的治療研究,還應著眼于開發早期檢測和預防CVD的平臺。近些年,多個與CVD相關的生物標志物被發現并應用于臨床。根據美國臨床化學協會(AACC)的要求,目前臨床上常用的心臟生物標志物是心肌鈣蛋白和肌酸激酶(CK)。然而,隨著深度RNA測序技術的發展和進步,包括非編碼RNA(ncRNA)在內的基因組新成員逐漸被發現,它們不編碼蛋白質,但可以調節基因的功能,從而調節一系列生理及病理過程。根據功能、長度和結構不同,ncRNA可分為轉移RNA(tRNA)、核糖體RNA(rRNA)、小核RNA(snRNA)、小核仁RNA(snoRNA)、引導RNA(gRNA)、微小RNA(miRNA)、長鏈ncRNA(lncRNA)、環狀ncRNA(circRNA)等。其中miRNA和lncRNA在CVD的治療、預后和診斷中的作用已經得到了研究者的重視。此外,近幾年新發現的circRNA,由前體mRNA反向剪接產生,存在于多種物種中,各領域研究結果均提示其可能參與廣泛的病理生理功能調節。ncRNA存在于血液等外周循環中,并穩定存在于多種環境條件,在多種疾病早期診斷和預后中體現了獨特的價值。

一、ncRNA與心血管病理生理學

ncRNA可以分為小家族(< 200 nt)或大家族(> 200 nt)。小ncRNA是基因組位點通過轉錄和特定核酸酶的進一步加工產生的,而大的ncRNA則是通過與產生編碼mRNA相同的轉錄和剪接機制產生。在ncRNA發現之初,人們即發現其對于正常的心臟生理功能是必要的,由此認識到ncRNA在心血管病理生理過程中的重要作用。在過去的十年里,CVD中由ncRNA控制的調控網絡逐漸顯露。與心血管生理過程和疾病有關的ncRNA主要有miRNA、lncRNA和circRNA。

人類基因組中,miRNA是小ncRNA中最豐富的家族,含有2000多個不同的miRNA基因座。miRNA通過與編碼轉錄本的3-UTR區域結合,并招募形成RNA誘導的沉默復合物的特定沉默蛋白,對靶基因的基因表達發揮負調控作用。在正常情況下,miRNA作為調節因子維持蛋白質水平,調控生理穩態,miRNA的調節活性與其mRNA靶基因有關。而在病理狀態下,某些miRNA的異位表達可能導致其非自然靶基因的調節和功能失衡。研究者最初是通過研究miRNA在如心力衰竭、心肌梗死或心肌病等特定心臟疾病中的異常表達模式來推斷其在心肌中的病理生理作用的[1-2]。而深入研究表明,miRNA在心血管生物學不僅作為調節分子存在,同時也可成為潛在的治療靶點,具有重要的研究意義[3-4]。人心肌特異性miRNA可參與心臟收縮功能的調節,心肌特異性miRNA在動物模型中的異常表達導致心肌功能異常如心肌肥厚、心律失常和纖維化等[4]。基于高通量測序技術的發展,數百個miRNA在CVD的發生和發展中的作用得以表征。而進一步的研究發現,多數與CVD相關的miRNA并不是心臟特異性的,比如miR-21-5p或miR-126-3p等以前被認為是癌癥相關的miRNA,在CVD中作為調節心肌纖維化的關鍵分子存在,參與心室重構、心力衰竭的調節。并且有相當一部分與CVD有關的miRNA可以在人類體液(包括血液、尿液和唾液)中作為循環物質被檢測出來,這提示了它們可能作為生物標志物的應用價值[5]。

lncRNA是長度大于200 nt的ncRNA轉錄物,是由類似于蛋白質編碼基因但缺乏編碼潛能的轉錄單位產生的。lncRNA可與基因組DNA和RNA均發生相互作用,作為靈活的分子支架來招募染色質修飾酶和轉錄因子,從而輔助它們完成正確的功能定位,因此人們越發認識到其在調節細胞功能方面的重要作用。lncRNA也可作為競爭的內源性RNA,通過“海綿”來調節miRNA的活性,從而使miRNA遠離天然的mRNA靶標[6]。近年來,

lncRNA-HBL1被認為是人類誘導多功能干細胞向心肌細胞發育的調節因子,其過度表達通過一種競爭性結合hsa-miR-1的機制來抑制心肌細胞的分化[7]。

circRNA是由非典型反向剪接的RNA轉錄本反向連接外顯子邊界產生的ncRNA家族。目前的研究表明,circRNA主要作為分子海綿捕獲其他RNA分子,控制其他調節蛋白或miRNA分子水平[8]。在人心肌組織中,circRNA的豐度一般與其同源的mRNA有關。近年來的報道揭示了circRNA通過調控miRNA水平在心血管疾病中的重要作用,動物模型實驗顯示,一些circRNA通過結合miR-141或miR-26b-5p促進心肌纖維化,或者通過結合miR-223作為心肌肥大的保護因子[9-11]。

二、ncRNA的分泌性調節

人類和其他真核細胞能夠利用特異性細胞分泌機制主動分泌RNA,因此在細胞外培養基以及人的體液循環中均可檢測到ncRNA。對于細胞外RNA的研究報道一直在持續增加,不僅由于它們所具有的內在調節功能,也在于它們可以作為疾病和治療反應的生物標志物。在分泌調節性RNA中,miRNA是CVD中最廣泛的生物標志物,但是最近其他循環RNA,如lncRNA和circRNA的研究越來越受到人們的關注。細胞外囊泡(EV)是由脂質雙層包裹的小細胞衍生結構,直徑可達4000 nm,心血管系統內的細胞在生理以及心肌梗死、腦卒中或冠狀動脈疾病等病理條件下釋放不同的EV,可在血液、尿液、唾液和腦脊液等體液中被檢測到,其數量和分子組成取決于釋放的細胞來源和類型。其中外泌體和微囊泡是兩種大小、產生機制和特異性分子特征均不同的EV類型,它們重點參與了細胞間ncRNA的轉移及信號通訊。

三、循環ncRNA作為心血管疾病的生物標志物

1. 循環ncRNA與心力衰竭

心力衰竭是一種復雜的疾病,通常由其他疾病引起,其特點是心臟泵血效率下降,不能滿足身體和肺的所有需要。Tijsen等[12]篩選出與呼吸困難表型相關的6個水平上調的循環miRNA分子,其中只有miR-423-5p與心力衰竭密切相關,在慢性心力衰竭患者心肌內上調。在對75例射血分數下降的心力衰竭、射血分數保留心力衰竭和非心力衰竭患者的分析中發現,miR-30c、miR-146a、miR-221、miR-328和miR-375在患者組中均有差異表達[13]。至少有50種循環miRNA和3種循環lncRNA具有成為心力衰竭不同表現的生物標志物的潛力。心肌梗死所致心力衰竭患者中,循環線粒體lncRNA LIPCAR與發生心臟重構相關,可作為獨立預測生存概率的危險因素[14]。NFAT非編碼抑制基因和肌球蛋白重鏈相關RNA轉錄子在心力衰竭患者血漿中上調,可能作為一種新的預測疾病的生物標志物[15]。Boeckel等[16]在最近研究中指出,lncRNA Heat 2是一種在免疫細胞比較豐富的lncRNA,在心力衰竭患者的血液中升高,并發揮調控內皮細胞功能的生物學作用。

2. ncRNA與心肌梗死

心肌梗死是心血管疾病的主要死亡原因之一,其特點是心肌組織局部受損,心肌缺乏血液供應而導致細胞死亡。心肌肌球蛋白基因相關的心肌特異性miRNA(miR-208a/b以及miR-499)是心肌損害和梗死嚴重程度的生物標志物[17]。在ST段抬高型心肌梗死患者中發現,循環miR-1、miR-133a、miR-133b和miR-499-5p的水平與肌鈣蛋白T濃度和LVEF的升高正相關,可能與梗死后心肌損傷和壞死的程度有關[18]。其他循環miRNA如miR-192-5p,miR-194-5p和miR-34a-5p也被證明是檢測心肌梗死后心力衰竭較為相關的風險評估預測因子[19]。Zampetaki等[20]進行了為期10年的跟蹤研究,篩查了19種血漿miRNA,最終發現,miR-126的升高水平以及miR-223和miR-197的低水平與AMI的發生存在較強的關聯。一些循環的lncRNA也被認為是AMI的潛在生物標志物。lncRNA UCA1,最初被鑒定為膀胱癌和肺癌等腫瘤的預測生物標志物,同樣在健康成年人的心臟中特異表達,研究發現早期AMI患者血漿中lncRNA UCA1水平下降,發病后第3日升高,并且lncRNA UCA1循環水平與miR-1表達呈負相關[21]。Wu等[22]通過微陣列分析發現,在小鼠正常心肌組織中與心肌梗死組織中有63個circRNA存在差異表達。

3. 循環ncRNA與心肌病

心肌病是以心肌的形態和功能異常為特征的一組心臟疾病。當它們起源于心肌功能障礙或生理變化時,可分為原發性或內源性心肌病;當其致病因素為心臟外部因素時,可分為繼發性或外源性心肌病。由于研究發現一些血漿miRNA(miR-423-5p)水平的增加與心肌病本身的嚴重程度無關,而是與初級病情相關的心力衰竭病例有關,關于循環miRNA能否作為擴張型心肌病患者的生物標志物的研究還沒有定論[15]。肥厚性心肌病引起的心肌重構似乎與miRNA向血流中的釋放有關,但僅少數miRNA(miR-199a-5p,miR-27A-3p,miR-29a-5p)與左心室肥厚參數存在相關,而只有miR-29a-5p與心肌肥厚和纖維化有關,提示其可作為評估心肌重構的生物標志物[23]。Khan等[24]通過對肥厚型心臟病和擴張型心臟病患者心臟標本進行RNA序列分析發現,Camk2d circRNA在兩種患者中均存在下調,而titin circRNA僅在擴張型心臟病患者中下調。

4. 循環ncRNA與冠狀動脈疾病

冠狀動脈粥樣硬化性心臟病(冠心病)是由動脈粥樣硬化斑塊的形成引起的,伴隨著動脈壁的結構重塑,內皮細胞的活化,炎癥細胞的激活,最終可發展為心肌缺血。一般而言,冠心病和動脈粥樣硬化與內皮功能障礙和脂質代謝受損有關,miRNA可通過調節脂質穩態、細胞因子反應性、白細胞募集和血管平滑肌細胞功能等多種途徑調節動脈粥樣硬化斑塊的形成和進展[25]。高脂血癥條件有利于miR-122-5p水平的增加,該miRNA可作為AMI的預后生物標志物[26]。循環miR-208a-3p水平在心血管疾病中的表達明顯升高,與冠狀動脈粥樣硬化的嚴重程度相關[27]。Xu等[28]報道循環lncRNA IFNG-AS1表達水平與冠心病患者疾病風險增加、病情嚴重程度及炎癥升高有關。Zhang等[29]研究指出,在中國人群中,血漿lncRNA H19和LLIPCAR水平的升高與患冠心病的風險增加有關,被認為可能是冠心病新的生物標志物。最近,在一項由112例患者組成的研究中,Bazan等[30]發現,高級別頸動脈疾病急性癥狀患者血清中circRNA-284/hsa-mir-221比值顯著升高,并顯示出良好的特性,提示miRNA和circRNA可聯合作為斑塊破裂和腦卒中的生物檢測標志。Yari等[31]對50例受CAD影響的患者外周血進行分析,lncRNA ANRIL表達變異與冠心病易感性存在關聯,為CAD患者提供了一個新的預測標志物。Ziaee等[32]研究表明,lncRNA SENCR和CD14在單核細胞中的表達呈正相關,兩者的結合分析可以有助于早發性冠狀動脈疾病的早期無創診斷。

5.循環ncRNA與其他心血管疾病

心肌炎是一種心臟炎癥性疾病,可由微生物感染、免疫或自身免疫反應引起,病毒感染引起的細胞損傷也能夠改變循環miRNA的表達譜。Corsten等[33]發現,2種心肌特異性miRNA——miR-208和miR-499,在急性病毒性心肌炎患者的血清中表達上調。這些miRNA的表達水平與疾病的嚴重程度密切相關。進一步研究血漿miRNA和lncRN7As可能會為心肌炎的診斷提供更為特異的ncRNA生物標志物。心律失常包括心房顫動和心動過速,存在較高發病率和病死率。因此,用于心律失常診斷和預后的新的特異性生物標志物對于治療這種疾病和預防心臟性猝死有著重要的意義。在反復發作的持續性心動過速患兒血漿中發現,室性心動過速患者中miR-133a水平增加,而miR-1在室上性心動過速患者中減少,提示兩者可能作為區分兩組患者的潛在標志物[34]。除了心臟特異性的miRNA外,miR-150可能是心房顫動的另一個標志,研究發現在陣發性和持續性心房顫動患者的血液中該miRNA水平降低[35]。

一些治療癌癥或其他疾病的藥物會引起心臟毒性和損傷,影響心臟功能,引起高血壓、細胞凋亡、心律失常、纖維化,最終導致心力衰竭。目前關于該種情況下患者血漿中ncRNA的水平研究還較少,第一個證據來自于一項評估異丙腎上腺素引起的大鼠心臟組織損傷的體內研究,這種干預導致血清miR-208濃度增加與心肌損傷的常規血漿標志物心肌肌鈣蛋白Ⅰ呈時間依賴關系,且不受腎損傷的影響;更多的體內研究支持miR-208水平對異丙腎上腺素、甲丙腎上腺素、烯丙胺和米托蒽醌等藥物較為敏感[36-37]。然而在阿霉素化學治療過程中,乳腺癌患者的血液中沒有檢測到循環的miR-208[37]。這些差異可能是與物種的特殊性、給藥時間或劑量的不同有關,也可能由于藥物的不同有關,因此,也可能存在其他種類的藥物所致心臟毒性的miRNA生物標志物。這需要更多的研究來詳細地描述miRNA和其他ncRNA在心臟毒性過程中的作用。

四、展 望

綜上所述,循環ncRNA作為CVD非侵入性生物標志物,單獨或與經典生化或電生理生物標志物聯合應用的潛力是巨大的。使用循環ncRNA作為CVD的生物標志物比傳統的生物標志物具有更大的優勢,但是操作的標準化方案尚未得到確認,同時生物體液中回收少量核酸并定量也是一項比較具有挑戰性的技術探索。在循環ncRNA中,血漿/血清miRNA被認為是許多心臟病的潛在生物標志物,在診斷、預后和治療反應等方面有著廣泛的應用。其他循環ncRNA,如lncRNA和circRNA,也是CVD領域很有前途的生物標志物,雖然目前它們在CVD中的生理作用及機制還需要進一步深入研究。最近的文獻指出,ncRNA的真正作用是作為“遺傳激素”,可能通過循環的生物體液在器官“cross-talk”中傳遞來調節遠距離的靶細胞,但要了解它們的生物功能、機制和潛力,作為CVD的診斷工具和治療靶點,還有很長的路要走。

參 考 文 獻

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(收稿日期:2019-05-12)

(本文編輯:楊江瑜)

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