MicroRNA在急性心肌梗死中作用的研究進展

楊 洋,甘 宇,周建業,楊新衛

MicroRNA在急性心肌梗死中作用的研究進展

楊 洋1,甘 宇2,周建業2,楊新衛3

心肌梗死;冠心病;micro RNA;心肌氧需量

心肌梗死(myocardial infarction,MI)是一個具有高發病率與高死亡率的全球性疾病。冠心病(CHD)是急性心肌梗死的主要誘因。冠心病冠脈管腔狹窄到嚴重程度后,心肌氧需量(myocardial oxygen demand, MVO)與供氧量之間的尖銳矛盾,心肌細胞因缺氧導致不可逆性的損傷導致心肌梗死發生[1,2]。心肌梗死導致心肌細胞死亡,心肌細胞肥大、纖維化,并由此可引發心臟疤痕形成和左心室重構包括心臟擴張、收縮功能障礙。心肌組織缺氧所造成的內皮細胞凋亡、毛細血管密度不足進一步使心肌梗死面積擴大,并加重左室功能障礙[3]。而在這一系列變化中,MicroRNA (miRNA)起了重要的作用。

miRNA是一種內源性的小非編碼RNA分子,與信使RNA通過堿基互補配對結合,調節其基因表達[4]。miRNA作為細胞內的RNA,調控轉錄后表達水平,并認為具有成為治療學靶點的可能。眾多心血管疾病發病機制研究如:血管形成、心肌細胞肥大、心力衰竭以及心肌纖維化等均涉及miRNA[5]。

心肌梗死后miRNA的異常表達的情況,miRNA和miRNA簇(miRNA cluster)、miRNA組合(miR Combo)以及胞外小囊泡(EVs)在心臟結構重塑和纖維化過程中所起的作用。

1 心肌梗死后miRNA的異常表達

心肌梗死情況下,部分循環miRNA表達異常已被發現。如:D’Alessandra、Long分別發現心肌梗死情況下循環miRNA中由心肌細胞衍生miRNA(miR-1, miR-133,miR-499,miR-208)水平升高,而冠脈疾病情況下內皮細胞相關miRNA(miR-126)水平下降[6,7]。miRNA在心臟疾病中的變化,已由Bronzeda-Rocha等總結發表,圖表總結豐富[8]。

決定循環miRNA在正常生理情況下水平以及相應病理情況刺激下而產生變化的機制,目前可考慮5個方面:①細胞死亡后,因質膜破裂而釋放;②細胞在受到應激刺激后釋放;③調控miRNA合成和降解過程;④調控miRNA在體循環中的降解;⑤通過攝取循環中的miRNA達到細胞間通訊的作用[6]。如何通過研究心肌梗死后miRNA異常表達機制來探索心肌梗死有效治療手段,是機制研究的主要目的。

早在2011年,Small和Olson就指出,對于細胞介導的疾病,希望通過細胞來探索治療疾病途徑是很困難的或者是根本行不通的;但肯定能制造出與miRNA有關的藥品,因為從miRNA的調節機制出發,圍繞心血管疾病的各個方面開展的治療途徑研究,將激發各種可能;治療方法的研究方向可分為:通過抗miRNA(antimiRs)來抑制病態miRNA;通過miRNA的“擬態”(miRNA mimics)過表達來保護目標miRNA[9]。

1.1 miR-1miR-1是第一種被廣泛發現并證實在心臟的生長和心臟疾病起到關鍵調節作用的miRNA,血漿miR-1水平與心肌梗死的急性心肌損傷密切相關,Pan等[10]實驗證明miR-1抑制蛋白激酶Cε (PKCε)和熱休克蛋白60(HSP60)這兩種保護心肌缺血再灌注損傷以及抑制細胞凋亡的因素,從而提示miR-1與心肌梗死患者的心肌損傷水平一致,而LNA-antimiR-1則有效地抑制了小鼠的心肌缺血再灌注損傷。Huang等[11]實驗發現miR-1通過增強細胞對氧化應激(oxidative stress)的抵抗,提高了移植入小鼠梗死后心肌的間質干細胞(MSCs)的存活率。

1.2 miR-133a Izarra等[12]發現miR-133a通過減少胱天蛋白酶3(caspase 3)活性以及通過靶向作用于凋亡前基因Bim、Bmf促進心肌祖細胞(CPCs)在氧化應激(oxidative stress)的情況下存活。而且,發現在急性心肌梗死的鼠類模型移植轉染miR-133a心肌祖細胞(miR-133a-CPCs)后,通過減輕心肌肥大,心肌細胞的凋亡明顯提高了心功能,并在體外研究中還可以提高堿性成纖維細胞生長因子(bFgf)、血管內皮生長因子(Vegf)、胰島素樣生長因子1(Igf1)表達。

1.3 miR-25 心肌梗死之后心力衰竭發生率很高。Ca2+所依賴的心肌肌質網Ca2+-ATP酶(SERCA2a)是心肌細胞興奮-收縮偶聯的首要機制。若SERCA2a活性的下降和表達的減少,將損害Ca2+攝入,這就是心力衰竭的標志[13]。Wahlquist等[14]發現,miR-25通過調節相關的mRNA所表達的蛋白來降低SERCA2a活性,從而促進心力衰竭和損害心功能。而抗miR-25可以阻止內源性miR-25病理性上調,并恢復SERCA2a活性,這也是首次證實抗miR-25能直接控制SERCA2a蛋白的水平,從而獲得一個長期心臟功能改善過程。

1.4 miR-29b 人類左心室有20億～40億個心肌細胞,一次心肌梗死就可以在幾小時之內將超過其中的25%破壞[15]。由于心肌細胞再生能力有限,所以多數死亡細胞的病灶70%由纖維組織、30%由梗死組織形成的疤痕替代[16]。心肌纖維化最終的結果就是心臟生理學形態的毀滅和心肌組織功能障礙;Thum等[17]發現在心肌梗死之后,miR-29被證實調控了包括膠原1型A1、膠原1型A2、膠原3型A1的幾種膠原以及原纖蛋白1,調控的結果是促進了細胞外基質在心肌梗死后的沉積。Abonnenc等[18]進一步研究發現,miR-29b在心肌梗死后下調,而miR-29b和miR- 30c在成心肌細胞中含量豐富,并參與心肌纖維化。

1.5 miR-24 Fiedler等[3]發現在心肌缺血的條件下,高表達miR-24誘導了內皮細胞的凋亡,而miR-24反義寡核苷酸(antagomirs)則減少了內皮細胞的凋亡。通過阻斷內源性miR-24可以弱化在缺氧條件下的內皮細胞的凋亡,并且報告了通過阻斷miR-24增加了人臍靜脈內皮細胞生成血管的能力。Meloni等[19]證實了這一點。而Qian等[20,21]報道Myh6促進miR-24表達可使心肌細胞在急性損傷后的存活明顯改善。而且心肌過表達miR-24將減少心肌梗死后疤痕面積以及改善心功能。

1.6 miR-34 Bernardo等[22]發現通過阻斷miR-34家族而不是單獨阻斷miR-34a,能夠阻止心肌梗死導致的左心室重構和心房擴大,還發現通過阻斷miR-34家族能改善小鼠由于慢性壓力超負荷而導致的心臟病理性肥大和功能障礙。并認為阻斷整個miR-34家族將有很高的治療學潛力。Iekushi等[23]則認為骨髓衍生的單核細胞(BMCs)通過釋放類胰島素樣生長因子-1(IGF-1),能夠阻止miR-34a產生作用并阻斷心肌細胞凋亡。Xu等[24]發現阻止miR-34a可以減少體外培養BMCs死亡,并在心肌梗死小鼠模型體內提高BMCs修復心臟功能的能力。Boon等[25]也證實阻止miR-34a能夠減少心肌梗死時心肌細胞死亡和纖維化,從而改善心臟功能。Huang等[26]的研究證明miR-34a直接靶向作用于Smad4在心肌梗死后心肌纖維化進程中扮演了決定性角色,阻斷miR-34a有希望成為治療心肌纖維化的一種治療策略。

1.7 miR-92a Hinkel等[27]通過結扎豬心臟前降支,建立了急性心肌梗死的動物模型,展示抑制miR-92a后所產生的多方向獲益效果,比如促成缺血再灌注損傷后心功能重建;除此之外,抑制miR-92a后可以保護內皮細胞,保護冠脈系統或促其再生,抑制缺血后炎癥反應以及直接保護心肌等,而這些功能在限制心肌梗死面積,恢復缺血區域的功能方面均有作用。

1.8 miR-99a Li等[28]實驗發現通過在慢病毒介導miR-99a使缺血心肌組織中miR-99a高表達,使心肌梗死小鼠的心功能恢復,減少病理性的心肌細胞重建,其機制是miR-99a能夠組織細胞凋亡和促進細胞自噬。這些發現提示miR-99a在心肌梗死后左心室重建過程中起到心臟保護的作用,所以認為提高miR-99a的表達有治療局部缺血性心臟病的潛力。

1.9 miR-30 Shen等[29]第一次闡述miR-30家族能夠直接調控胱硫醚-γ-裂解酶(CSE)來調控硫化氫(H2S)的產生,而H2S是一種調節心血管功能的氣體信號分子。miR-30家族的過表達將減少CSE的表達,減少H2S的產生,增加含氧量低的心肌細胞損傷。通過系統的引入(LNA)-miR-30家族抑制劑,使整個miR-30家族沉默,提高CSE和H2S的水平,保護缺氧細胞生存,縮小梗死面積,減少心肌梗死灶周圍凋亡細胞的數量。Shen等[29]認為屏蔽miR-30家族是對于缺血性心肌病一種潛在的治療方法。

2 miRNA在心肌梗死中的作用

以上是探討了單種miRNA在心肌梗死中所起的作用。對于機體這個由多種細胞、組織、器官所組成的復雜系統,miRNA的調控不只是一對一那么簡單, miRNA簇(miRNA cluster)、miRNA組合(miR combos)以及混合制劑(cocktail)概念的提出,對miRNA與急性心肌梗死作用機制的研究提供了新的參考方向。2 0 1 0年Zhang等[30]發現GATA-4調節miR-144/451簇在缺血再灌注損傷導致的細胞損傷的情況下具有心肌細胞保護作用。Hu等[31]通過運用miR-21,miR-24,miR-221所組成抗細胞凋亡混合制劑(cocktail),能夠促進移植在梗阻心臟的干細胞衍生的心血管祖細胞成活。而Jayawardena等[32,33]認為由miRNA-1,133,208,499所組成的miRNA組合進入梗阻心肌后將導致直接在體內由非心源性肌細胞向心肌細胞轉化。他們認為由miRNA介導的心肌重構(cardiac reprogramming)可以作為一種在心肌損傷后促進心肌再生的治療手段。但是他們也發現miRNA組合可能只是對心肌重構有用,對于心肌細胞的凋亡則無效,同樣miRNA組合并沒有誘導新生兒心臟成纖維細胞的內皮細胞顯型;miRNA組合處理過后小鼠心肌梗死周邊區域血管密度將有增加,但是沒有顯著意義[33]。

機體心肌梗死的情況下發生miRNA改變是個復雜的過程,miRNA的調控與被調控也是個復雜的過程,miRNA組合的成分無論是以生物信息學為依據,還是依靠單個實驗來獲得,與完全重現心肌缺血的條件下miRNA組合所參與的調控與被調控的過程還有部分差距,所以對心肌梗死情況下缺血、缺氧刺激心肌細胞旁分泌的富含多種miRNA胞外小囊泡的研究,希望重現心肌梗死情況下miRNA自然組合的調控與被調控過程,成為研究方向之一。

心肌梗死或心絞痛的情況下,EVs將會顯著增加[34]。損傷的心肌細胞能產生富含miR-1和miR-133a的EVs通過調節myotrophin與轉化生長因子β (TGF-β)信號通路的mRNA誘導心肌肥大[34]。EVs根據起源、大小、形態、收集方法細分為不同的種類;其中的外泌體(exosome)非常獨特。外泌體能夠攜帶多種蛋白、脂類、核酸(包括DNA、mRNA、miRNA)在受體細胞間穿梭,起到細胞間通信作用,尤其是通過miRNA傳輸起到轉錄后抑制調控基因表達的作用;所以,通過傳輸miRNA和mRNA,外泌體在細胞間的基因交換中已經起到了決定性的作用[35,36]。外泌體基于干細胞的研究近來已公認具有刺激血管發生、細胞保護、調節炎癥反應以及細胞凋亡等作用;Sahoo等[15]認為外泌體在心肌梗死后心臟修復過程中作用的認識,有助于對心肌梗死后心臟修復機制的了解[15]。Barile等[36]發現純化由心臟祖細胞(CPCs)分泌的EVs注射入小鼠心臟梗死邊緣,能減少心肌細胞凋亡,增加血管密度,減少疤痕形成,增多梗死邊緣有活力組織,從而改善心功能。而同樣途徑注射純化表皮纖維細胞分泌的胞外小囊泡則沒有此項治療獲益。所以認為EVs是人類CPCs分泌的活性成分,因富含抗細胞凋亡和新生血管的miRNA,可以改善心肌梗死后的心功能。

機體作為一個整體,心肌梗死發生后,內環境將發生一系列變化,這些病理生理改變可能使循環miRNA的異常與心肌細胞實際情況產生偏差。目前,以小型動物作為實驗對象,通過獨立的實驗去了解miRNA、miRNA組合、EVs在心肌梗死中所起的作用已取得很大進展,如再給予一定補充,相信結果將更好。

通過建立大型動物心肌梗死模型,借助左心輔助裝置(LVAD)在心肌梗死情況下能夠有效減少心肌細胞凋亡、改善心肌細胞收縮功能這一作用[37,38],成功模擬冠心病中心肌冬眠(myocardial hibernation)這部分心肌;使心肌細胞在接近正常的內環境下,經歷正常,缺血、缺氧瀕臨死亡一系列刺激后,因機械卸負荷(mechanical unloading)而使心肌細胞做功、需氧減少,最終大量存活這一過程。在展示體內心肌細胞心肌梗死變化的同時,又使心肌細胞存活,不至由于心肌細胞死亡、破壞,保留異常的miRNA不被降解而能被檢測?；诟咄繙y序技術,相信能在時間、空間上首次系統的、準確地把握缺血、缺氧條件下大型動物活體心肌細胞miRNA的變化,指導今后人類心肌梗死后miRNA研究方向。

[1]Fallavollita JA.Hibernating myocardium retains metabolic and contractile reserve despite regional reductions in flow,function, and oxygen consumption at rest[J].Cir Res,2002,92(1):48-55.

[2]Vanoverschelde JL,Wijns W,Borgers M,et al.Chronic myocardial hibernation in humans.From bedside to bench[J].Circulation,1997,95(7):1961-1971.

[3]Fiedler J,Jazbutyte V,Kirchmaier BC,et al .MicroRNA-24 regulates vascularity after myocardial infarction[J].Circulation, 2011,124(6):720-730.

[4]Kumarswamy R,Thum T.Non-coding RNAs in cardiac remodeling and heart failure[J].Cir Res,2013,113(6):676-689.

[5]Zeller T,Keller T,Ojeda F,et al.Assessment of microRNAs in patients with unstable angina pectoris[J].Eur Heart J,2014,35 (31):2106-2114.

[6]D’Alessandra Y,Devanna P,Limana F,et al.Circulating m-i croRNAs are new and sensitive biomarkers of myocardial infarction[J].Eur Heart J,2010,31(22):2765-2773.

[7]Long G,Wang F,Duan Q,et al .Human circulating MicroRNA-1 and MicroRNA-126 as potential novel indicators for acute myocardial infarction[J].Int J Biol Sci,2012,8(6):811-818.

[8]Bronze-da-Rocha E.MicroRNAs expression profiles in cardiovascular diseases[J].Biomed Res Int,2014,2014:1-23.

[9]Small EM,Olson EN.Pervasive roles of microRNAs in cardiovascular biology[J].Nature,2011,469(7330):336-342.

[10]Pan Z,Sun X,Ren J,et al .miR-1 exacerbates cardiac ischem-i a-reperfusion injury in mouse models[J].PloS One,2012,7 (11):e50515.

[11]Huang F,Li ML,Fang ZF,et al .Overexpression of MicroRNA-1 improves the efficacy of mesenchymal stem cell transplantation after myocardial infarction[J].Cardiology,2013,125(1):18-30.

[12]Izarra A,Moscoso I,Levent E,et al .miR-133a enhances the protective capacity of cardiac progenitors cells after myocardial infarction[J].Stem Cell Reports,2014,3(6):1029-1042.

[13]Meyer M,Schillinger W,Pieske B,et al.Alterations of sarcoplasmic reticulum proteins in failing human dilated cardiomyopathy [J].Circulation,1995,92(4):778-784.

[14]Wahlquist C,Jeong D,Rojas-Mu?oz A,et al .Inhibition of miR-25 improves cardiac contractility in the failing heart[J].Nature, 2014,508(7497):531-535.

[15]Sahoo S,Losordo DW.Exosomes and cardiac repair after myocardial infarction[J].Cir Res,2014,114(2):333-344.

[16]Weber KT,Sun Y,Diez J.Fibrosis:A living tissue and the infarcted heart[J].J Am Coll Cardiol,2008,52(24):2029-2031.

[17]Thum T,Lorenzen JM.Cardiac fibrosis revisited by microRNA therapeutics[J].Circulation,2012,126(7):800-802.

[18]Abonnenc M,Nabeebaccus AA,Mayr U,et al.Extracellular matrix secretion by cardiac fibroblasts:Role of MicroRNA-29b and MicroRNA-30c[J].Cir Res,2013,113(10):1138-1147.

[19]Meloni M,Marchetti M,Garner K,et al.Local inhibition of M-i croRNA-24 improves reparative angiogenesis and left ventricle remodeling and function in mice with myocardial infarction[J]. Molecular Therapy,2013,21(7):1390-1402.

[20]Qian L,Van Laake LW,Huang Y,et al .miR-24 inhibits apoptosis and represses Bim in mouse cardiomyocytes[J].J Exp Med, 2011,208(3):549-560.

[21]Guo C,Deng Y,Liu J,Qian L.Cardiomyocyte-specific role of miR-24 in promoting cell survival[J].J Cell Mol Med,2015,19 (1):103-112.

[22]Bernardo BC,Gao XM,Winbanks CE,et al.Therapeutic inhib-i tion of the miR-34 family attenuates pathological cardiac remodeling and improves heart function[J].Proceedings of the National Academy of Science,2012,109(43):17615-17620.

[23]Iekushi K,Seeger F,Assmus B,et al.Regulation of cardiac m-i croRNAs by bone marrow mononuclear cell therapy in myocard-i al infarction[J].Circulation,2012,125(14):1765-1773.

[24]Xu Q,Seeger FH,Castillo J,et al .Micro-RNA-34a contributes to the impaired function of bone marrow-derived mononuclear cells from patients with cardiovascular disease[J].J Am Coll Cardiol,2012,59(23):2107-2117.

[25]Boon RA,Iekushi K,Lechner S,et al .MicroRNA-34a regulates cardiac ageing and function[J].Nature,2013,495(7439):107-110.

[26]Huang Y,Qi Y,Du JQ,et al .MicroRNA-34a regulates cardiac fibrosis after myocardial infarction by targeting Smad4[J].Expert Opin Ther Targets,2014,18(12):1355-1365.

[27]Hinkel R,Penzkofer D,Zuhlke S,et al .Inhibition of MicroRNA-92a protects against ischemia/reperfusion injury in a large-an-i mal model[J].Circulation,2013,128(10):1066-1075.

[28]Li Q,Xie J,Li R,et al .Overexpression of microRNA-99a attenuates heart remodelling and improves cardiac performance after myocardial infarction[J].J Cell Mol Med,2014,18(5):919-928.

[29]Shen Y,Shen Z,Miao L,et al .miRNA-30 family inhibition protects against cardiac ischemic injury by regulating cystathionine-γlyase expression[J].Antioxid Redox Signal,2015,22(3):224-240.

[30]Zhang X,Wang X,Zhu H,et al .Synergistic effects of the GATA-4-mediated miR-144/451 cluster in protection against simulated ischemia/reperfusion-induced cardiomyocyte death[J].J Mol Cell Cardiol,2010,49(5):841-850.

[31]Hu S,Huang M,Nguyen PK,et al.Novel microRNA prosurvival cocktail for improving engraftment and function of cardiac progenitor cell transplantation[J].Circulation,2011,124(11 Suppl): S27-S34.

[32]Jayawardena TM,Egemnazarov B,Finch EA,et al .MicroRNA-mediated in vitro and in vivo direct reprogramming of cardiac f-i broblasts to cardiomyocytes[J].Circulation Res,2012,110(11): 1465-1473.

[33]Jayawardena TM,Finch EA,Zhang L,et al.MicroRNA induced cardiac reprogramming in vivo:Evidence for mature cardiac myocytes and improved cardiac function[J].Circ Res,2015,116 (3):418-424.

[34]Gaceb A,Martinez MC,Andriantsitohaina R.Extracellular ves-i cles:New players in cardiovascular diseases[J].Int J Biochem Cell Bio,2014,50:24-28.

[35]Valadi H,Ekstrom K,Bossios A,et al .Exosome-mediated transfer of mRNAs and microRNAs is a novel mechanism of genetic exchange between cells[J].Nat Cell Biol,2007,9(6):654 659.

[36]Barile L,Lionetti V,Cervio E,et al.Extracellular vesicles from human cardiac progenitor cells inhibit cardiomyocyte apoptosis and improve cardiac function after myocardial infarction[J].Cardiovas Res,2014,103(4):530-541.

[37]Wei X,Li T,Hagen B,et al .Short-term mechanical unloading with left ventricular assist devices after acute myocardial infarction conserves calcium cycling and improves heart function[J]. JACC Cardiovasc Interv,2013,6(4):406-415.

[38]Prescimone T,Masotti S,D’Amico A,et al.Cardiac molecular markers of programmed cell death are activated in end-stage heart failure patients supported by left ventricular assist device [J].Cardiovascular Pathology,2014,23(5):272-282.

R5412.2 R256.2

A

10.3969/j.issn.1672-1349.2015.06.023

1672-1349(2015)06-0773-04

2015-02-08)

(本文編輯郭懷印)

心血管疾病國家重點實驗室開放課題(No.2013-KF01)

1.山西醫科大學(太原030001),E-mail:doctorganyu@126. com;2.中國醫學科學院、北京協和醫學院、國家心血管病中心、阜外心血管病醫院、心血管疾病國家重點實驗室;3.山西醫科大學第一臨床醫學院