MicroRNAs介導的代謝調節與心力衰竭相關的研究進展

郭美姿 綜述

(上海健康醫學院附屬周浦醫院老年科，上海201318)

MicroRNAs(miRNAs)是一類高度保守的長度約為22個核苷酸的小分子非編碼RNA，可特異性識別和結合靶mRNA 3’非編碼區，導致靶mRNA降解或者抑制其翻譯，從而在轉錄后水平調控相關基因的表達。人類基因組內有1 500～2 000個miRNAs被鑒定，對至少一半的mRNA起調節作用。MiRNA作為基因的內源性調節因子，構成復雜的調節網絡。

心力衰竭(heart failure，HF)是各種心臟疾病的終末階段，心臟生理和病理過程中涉及到眾多特異的miRNAs，miRNA在HF機制中的作用是近年來的研究熱點[1-2]。心臟代謝通路依賴多種代謝酶和氧化磷酸化的調節，心臟耗氧量大，能量供應不足可導致HF。越來越多的證據表明miRNAs調節中心代謝通路，在能量穩態的維持中具有重要作用。現對miRNAs介導的代謝調節與HF的相關研究進展做一綜述。

1 物質代謝與能量代謝

心臟能量代謝穩態是保持心臟組織結構不斷更新和內環境穩態的物質基礎。慢性HF過程中往往伴隨著心肌能量代謝的改變，而能量代謝的改變也會影響慢性HF的病程進展。

1.1 糖代謝

葡萄糖轉運蛋白4(GLUT4)是心肌細胞攝取葡萄糖的主要載體，對缺血心肌具有一定的保護作用，HF時GLUT4表達下降[3]。研究顯示， miR-133和miRNA let-7均可抑制GLUT4的表達。在左室肥大和HF的動物模型研究中發現高表達的miR-133通過靶基因KIF15降低GLUT4水平，減少心肌對胰島素介導的葡萄糖攝取[4]。在糖尿病大鼠心肌中，抑制miRNA let-7可上調GLUT4增加糖攝取，通過Akt-mTOR通路對心肌的缺血再灌注損傷起保護作用[5]。miR-233則相反，通過上調GLUT4增加心肌糖攝取，其具體機制不明[6]。

MiR-208是心臟特異性的miRNAs，與心肌梗死和HF等心臟疾病關系密切[2]，HF患者普遍存在胰島素抵抗。Grueter等[7]報道miR-208可通過MED13調節心肌代謝通路，甲狀腺激素是新陳代謝率、能量消耗和心臟收縮的主要決定因素。MED13是甲狀腺激素依賴的轉錄調節復合物的組成成分，調節心臟的核受體信號和能量穩態。miR-208負調節MED13的表達。抑制miR-208或者在心臟特異性地過表達MED13，導致小鼠對高脂飲食誘導的肥胖的抵抗并且提高胰島素敏感性和糖耐受，心肌細胞特異性敲除MED13則結果相反。

既往研究表明miR-199a和miR-214參與心肌疾病，并且在心肌重構中作用明顯，但其機制不完全清楚。ELazzouzi等[8]認為miR-199a～214基因簇與HF發生時的糖酵解增加有關。miR-199a～214基因簇位于染色體1上，嵌入一個大的名為DNM3os的非編碼RNA中，可抑制過氧化物體增殖物激活受體δ(PPARδ)。PPARδ在脂肪酸氧化到糖酵解轉變過程中起重要調節作用，心肌缺乏PPARδ可導致進行性脂肪堆積、心肌肥厚和HF。心肌缺氧促進DNM3os激活，miR-199a～214上調，隨之抑制了PPARδ表達，導致線粒體功紊亂，脂肪酸氧化能力下降。在生物力學應激誘導小鼠產生HF中，沉默miR-199a～214處理組很明顯地提高了心功能并且恢復了線粒體脂肪酸氧化。由此可知，miR-199a～214復合物通過抑制PPARδ表達，促進心臟代謝從健康時占主要地位的脂肪酸利用向HF時糖酵解增加方向轉變。

1.2 脂代謝

miRNAs作用于脂代謝的各個環節，有望成為限制心臟脂肪堆積的生物學靶點。miR-122是脂質代謝中的關鍵調節因子，當它表達下調可引起循環中膽固醇的下降，減少脂類合成和刺激脂肪酸氧化過程。HF時miR-122表達明顯下降[9]。在高脂飲食誘導的心肌肥厚中，miR-451通過抑制LKB1-AMPK通路加劇了心肌的脂質毒性，促進糖尿病心肌病的發生[10]。

miR-1是心臟表達最高的miRNA之一，在心臟發育與功能以及HF相關的心臟結構重組中具有重要調節作用；多數研究認為其對心肌肥厚和HF起保護效應，在HF時水平下降[1]。miR-1靶點眾多，包括脂肪酸結合蛋白3(FABP3)，FABP是細胞內脂肪酸的轉運蛋白，對其轉運和代謝的調節起重要作用。FABP3是心肌中含量最豐富的蛋白之一，也稱心型FABP，參與心肌能量代謝[11]。FABP3在心肌缺血缺氧發生后由心肌細胞釋放到血液中，是心肌損傷早期診斷的標志物，FABP3的循環水平與心肌miR-1負相關，可作為miR-1的非直接的生物標志[11]。

1.3 線粒體中的能量代謝

線粒體通過產生ATP維持能量穩態在心臟功能中具有關鍵作用，線粒體的功能障礙在HF的發生和發展中起著關鍵的調節作用，miRNAs作用于線粒體中能量代謝的多個環節影響ATP的產生。miR-210在HF循環中的水平明顯增高，缺氧誘導miR-210通過抑制鐵硫簇支架蛋白和細胞色素C氧化酶(COX)裝配蛋白影響線粒體和ATP的產生[12-13]。 Das等[14]報道，在培養的大鼠心室肌細胞上，miR-181c可進入到心肌細胞線粒體內并作用于其基因組，導致呼吸鏈復合體4重構，線粒體功能障礙。miR-181c在線粒體內的靶點是COX1的mRNA，結合在它的3’端非翻譯區。ADP-核糖基化樣因子2定位于線粒體ADP/ATP轉運蛋白，心肌細胞高表達miR-15b，通過作用于ADP-核糖基化樣因子2導致線粒體退化變性、ATP減少[15]。

1.4 代謝刺激調節miRNAs表達

值得關注的是miRNAs和代謝之間為雙向調節關系，miRNAs的表達受到不同環境刺激的影響。研究顯示高糖明顯減少了miR-126和 miR-375的表達[16-17]。棕櫚酸酯處理β細胞系MIN6B1和胰島，miR-34a 和miR-146的表達以時間和劑量依賴的方式減少。高脂飲食可提高肝臟miR-378的表達[18]。Guedes等[19]報道在高脂飲食誘導的心臟重構中，miRNAs的表達特征發生改變。不同程度的高脂飲食分別導致miR-64、26、27和88等不同的miRNAs水平發生改變。

缺氧促進了衰竭的心肌細胞從脂肪酸氧化為主到糖酵解增加的轉變以及心臟不良重構。miRNAs受到缺氧的調節，由HIF-1α調節的miRNAs最近被稱為“低氧微小RNA(hypoxamiRs)”。心臟hypoxamiRs有miR-15、22、210、26b、34a、27 b、214、199 a、696、181c、484和223，在心臟低氧和能量代謝中具有重要調節作用；其中前五種hypoxamiRs被證實在缺氧導致的心臟重構中起調節作用[20]。近期，Shi等[21]發現miR-223-IGF-IR信號在缺氧和壓力負荷誘導的右心室HF中的作用。miR-223在小鼠的肺和右心室中表達高于左心室，慢性缺氧調節miR-223在肺和右心室的表達。體外和在體實驗均證實缺氧導致miR-223表達顯著下降，其機制可能與C/EBPa有關。miR-223下調通過誘導胰島素樣生長因子-1受體(IGF-1R)和IGF-1信號傳導，以及PARP-1/DAN損傷信號傳導的過度活躍[22]，在HF的發生發展中促進右心室功能不全和DNA損傷。

以上研究提示，miRNAs在代謝通路中可作為環境變化的能量感受器，從而適應細胞、組織和器官的能量需求，在HF的發生發展中發揮促進或保護作用。

2 去乙酰化酶介導的去乙酰化

蛋白質在賴氨酸殘基的乙酰化過程是廣泛而保守的翻譯后修飾，參與多種生物功能的調節。改變代謝通路中酶的乙酰化狀態，可因長期不能滿足代謝需求導致HF[23]。乙酰化/去乙酰化的平衡受到一組名為沉默調節蛋白家族(sirtuins，SIRTs)的去乙酰化酶的緊密調節。有趣的是，SIRTs表達也受到miRNAs的調控，意味著存在一個復雜的涉及到miRNAs功能、乙酰化/去乙酰化異常、代謝改變和心功能不全的調節軸。

2.1 SIRTs調節代謝通路

哺乳動物SIRTs家族由SIRT1～7組成，具有去乙酰化酶活性和ADP-核酸轉移酶活性，在能量代謝中發揮重要作用。SIRTs對心臟疾病和HF病理生理的影響也日益受到關注。SIRT1通過去乙酰化并激活PPARα，對心肌肥厚起保護作用[24]。SIRT2可以使Fox O3a去乙酰化，在氧化應激和卡路里限制中發揮作用，在衰老和應激誘導的心肌肥厚中具有保護作用[25]。SIRT3是線粒體適應性反應的調節因子，大量研究證明SIRT3功能缺失參與了心肌缺血再灌注損傷、心肌肥大和HF的病理進程[26]。SIRT6是葡萄糖代謝和應激抵抗的關鍵調節因子，可通過阻斷IGF-Akt信號傳導對心肌肥厚起負性調節作用，抑制心功能不全的進展，在HF的發生發展中起保護效應[27-28]。

2.2 miRNAs調節SIRTs

目前發現除SIRT4和SIRT5外，SIRTs作為miRNAs的靶點受其調節，其中SIRT1最受關注。SIRT1是miR-34a的直接靶點，miR-34a對心臟的老化和功能的調節具有重要作用[29-30]。miR-22在HF晚期增多，可通過SIRT1/PPAR途徑，誘導心肌肥厚促進HF發生[31]。miR-195在心肌肥厚以及HF的早期和晚期階段均有上升。miR-195可直接結合并下調SIRT1，促進棕櫚酸酯誘導的心肌細胞凋亡[32]；沉默miR-195使SIRT1增多，緩和小鼠的糖尿病心肌病[33]。近年還發現，在衰竭的心肌中，升高的miR-195可通過直接抑制SIRT3來調節心肌代謝[34]。

上述研究提示SIRT可感受能量狀態的變化，并動態和內在地調節細胞代謝，保護心肌對抗代謝應激。SIRT家族對心臟的保護效應由其與細胞核以及線粒體協同進行，miRNAs可通過Sirtuin介導的去乙酰化調節衰竭心肌細胞的能量代謝。

3 問題與展望

miRNA調節網絡已被廣泛證明參與HF的發病機制，miRNA介導的代謝失常和能量平衡紊亂與HF相關的研究加深了這一認識。然而此類研究大多僅限于動物實驗并且通常只涉及到某個通路的某個靶點，整個調節網絡還有待全面和進一步深入闡明。隨著研究的迅速深入，miRNA在HF發生發展中對物質、能量代謝及SIRTs的調節作用得到重視，同時也是充滿前景的潛在HF診斷指標和治療靶點。