Micro-RNA在缺氧誘導心肌糖代謝中的調節作用※

賈晨陽 綜述 任 明審校

(青海大學，西寧 810016)

Micro-RNA(miRNA)作為一種快速且可逆的轉錄后主要調節因子，涉及人體約60%的蛋白表達和近乎所有細胞的生物學功能，尤其micro-RNA在缺氧誘導心肌糖代謝中的調節作用日益受到學界關注，并由此生發出許多新的觀點和認識，部分觀點和認識還存在差異。本文就此做一簡要綜述。

1.miRNA概述

miRNA是一類由內源基因編碼的長度約22～26個核苷酸的單鏈非編碼RNA分子(non-coding RNA，ncRNA)，通過結合Argonaute(AGO)蛋白形成miRNA誘導沉默復合體(miRNA-induced silencing complex，miRISC)作用于靶基因，從而在轉錄和轉錄后水平發揮調控作用[1]。 自從1993年在秀麗隱桿線蟲上被發現以來，有關miRNA的生物發生、作用機制及生物學作用的研究報道逐年上升。目前，miRBase數據庫已經收錄超過2 500種人類成熟miRNA信息[2]，經檢測它們在人類基因組中保守的靶基因位點>45 000個，且超過60%的編碼基因都能與miRNA結合，這足以證明miRNA調控的廣泛性[3]。此后，研究表明miRNA作為機體的重要調控分子，幾乎參與所有細胞的生物學功能；在許多疾病狀態下，特別是在肝腎疾病和心血管疾病中觀察到了miRNA的異常表達[4～6]。因此，研究調節miRNA功能分子機制及靶基因對各種疾病的治療和預防有著至關重要的作用。

2.缺氧誘導的心肌糖代謝調節特點

早期研究證實，心肌缺氧時，脂肪酸、丙酮酸等有氧氧化代謝明顯受到抑制，心臟主要靠增加葡萄糖的攝取來提供能量。近年來，越來越多的研究表明，缺氧誘導因子-1α(hypoxia-inducible factor，HIF-1α)在心肌糖代謝異常形成中起著重要作用。Okamoto等人[7]發現，HIF-1α在缺氧條件下會增加糖酵解并抑制線粒體氧化代謝；Valvona等人[8]發現，HIF-1α能夠調節糖酵解的棕色脂肪細胞的生成，HIF-1α的激活可導致葡萄糖轉運蛋白1、糖酵解酶(包括己糖激酶2、丙酮酸脫氫酶和乳酸脫氫酶)的上調，使無氧糖酵解能力增強、氧化磷酸化途徑受到抑制。還有文獻報道，HIF-1α在機體缺氧時還會優先促進參與糖酵解途徑的編碼酶基因的表達，如磷酸甘油酸激酶(PGK)和乳酸脫氫酶A(LDHA)[9]，以保護心肌細胞免受缺氧所致的損傷。MORIYAMA等人[10]研究發現，Notch信號通過增強HIF-1α的轉錄活性刺激糖酵解，在常氧和缺氧條件下敲除HIF-1α基因可以減弱NICD1上調的糖酵解基因的表達。Sung[11]等人通過建立體外大鼠心肌缺氧模型發現，當機體處于缺氧環境下可激活AMPK，AMPK間接地將隔離的GLUT1和GLUT4轉移到線粒體膜上，同時通過磷酸化和激活磷酸果糖激酶2加速糖酵解。對缺氧環境下心肌糖代謝調節途徑的研究結果顯示，HIF-1α基因相對表達水平與糖酵解酶基因相對表達水平呈正相關，與三羧酸循環酶基因表達水平呈負相關。HIF-1α在介導缺氧誘導的心肌糖代謝調節信號通路中發揮著至關重要的作用。

Valvona[8]等研究者還發現，糖酵解限速酶、己糖激酶2和低密度脂蛋白表達在短時間(3天)缺氧分離的大鼠心肌細胞中上調，長時間(14天)時則受到抑制，表明短時間缺氧會誘導心肌細胞糖酵解，而長時間則會抑制糖酵解。缺氧條件下糖酵解的適應性上調可能有助于改善急性缺氧時心肌細胞的功能，但在長期缺氧條件下，糖酵解的降低反而會損害心肌細胞的活力。因此，缺氧時心肌糖代謝會根據病理生理條件進行動態改變，其主要受底物濃度、激素水平、冠狀動脈血流量、缺氧時間和心臟負荷的調節。這種代謝靈活性使心臟在不同的生理條件下能夠維持ATP的產生，保護心肌細胞免受缺氧損傷。

3.miRNA在缺氧誘導心肌糖代謝中的調節作用

3.1 miRNA-34a

近年來，miRNA-34a已被證明可以調節多種靶向蛋白，調控細胞周期和凋亡等，尤其是在腫瘤的發生發展過程起著重要作用[12]。有證據顯示，miRNA-34a的表達下調可促進乳腺癌細胞的增殖和凋亡，而miRNA-34a的過表達可抑制乳腺癌的發生[13]。但在心肌缺氧的情況下，miRNA-34a對心肌細胞的作用和具體機制目前尚未明確。Li 等[14]發現，在心、腦、肺和腎四種臟器中，miRNA-34a在心臟組織中高度表達。在ZHANG等[15]的研究中發現，在低糖供應下、大鼠的心肌細胞受到缺氧影響時，miRNA-34a會在短時間內誘導攝取葡萄糖和產生乳酸，但長期缺氧會導致miRNA-34a適應性上調，從而抑制心肌細胞的糖酵解。Courtnay 等人[16]發現，在急性缺氧環境中，miRNA-34a負性調節HIF-1α的表達，HIF-1α及其下游靶基因GLUT1可被激活，導致葡萄糖攝取增加以維持能量需求。還有研究發現，乳酸脫氫酶A(LDHA)是miRNA-34a的直接靶標，心肌細胞中LDHA 與miRNA的3-UTR區域結合，通過糖酵解的恢復抑制miRNA-34a來改善缺氧誘導心肌細胞的功能障礙[17]。由此可見，miRNA-34a可通過調控靶基因的表達進而維持心肌細胞糖代謝的穩態，在缺氧誘導心肌細胞功能障礙中起重要作用，是治療I/R損傷的可能靶點。

3.2 miRNA-150

以往的研究表明，在急性心肌梗死[18]小鼠模型中，miRNA-150通過抑制單核細胞的積累和細胞死亡來保護心臟免受損傷。然而，miRNA-150在缺氧誘導心肌細胞糖代謝中的具體作用機制尚不清楚。有文獻報道，miRNA-150在心肌細胞缺氧損傷中起保護作用，通過抑制GRP94的表達。葡萄糖調節蛋白94(Glucose Regulation Protein 94，GRP94)是內質網(ER)中含量最豐富的糖蛋白，它通過保護細胞免受缺氧引起的應激而參與、維持細胞存活[19]。分子研究機制表明，GRP94是哺乳動物miRNA-150的潛在靶點，miRNA-150作為一種新型的抗缺氧小RNA，可以通過靶向GRP94的3′-UTR來負調控GRP94的表達[20]，從而抑制了缺氧誘導的心肌糖酵解受損所致的心肌細胞凋亡，這有助于理解糖代謝和心血管疾病之間的關系。

3.3 miRNA-199a-5p

在缺氧環境下，miRNA-199a-5p對心肌細胞的保護作用已被公認。先前的研究發現，在不同的細胞中，miRNA-199a-5p可以負性調節未折疊蛋白的相關基因，包括葡萄糖調節蛋白、激活轉錄因子和肌醇需要酶[21]。最新研究表明，中度缺氧可以降低心肌細胞中的miRNA-199a-5p，隨后上調其葡萄糖調節蛋白靶基因的表達水平，避免了細胞凋亡的發生[22]；慢性缺氧可通過激活Stat3通路下調miRNA-199a-5p水平，促進葡萄糖調節蛋白和激活轉錄因子的表達，從而起到保護心肌細胞的作用[23]。miRNA作為一種重要的轉錄因子，除miRNA-199a-5p外，缺氧時Stat3信號的激活對其他miRNA或編碼基因的表達也具有正/負調節作用，如miRNA-17和miRNA-146[24]。此外，miRNA-199a-5p調控的靶基因數量較多，HIF-1α也是miRNA-199a-5p的重要靶基因之一，目前還沒有關于HIF-1α能直接調控葡萄糖調節蛋白表達的相關研究。缺氧條件下miRNA-199a-5p的下調可以通過增加多種基因的表達對心臟起到保護作用，但目前尚不清楚是哪種機制導致缺氧心肌細胞中miRNA-199a-5p的降低。

3.4 miRNA-370-3p

目前的研究表明，miRNA-370-3p是心肌細胞中Circ0010729的下游靶點，Circ0010729是心肌細胞中表達的環狀RNA(CircRNA)。CircRNA在心血管疾病中經常被報道，其通過調節細胞生物學過程在心血管疾病中發揮重要作用[25]。Chen[26]等人發現，經缺氧處理的心肌細胞中表達Circ0010729，當Circ0010729表達下調時，缺氧誘導的心肌細胞糖酵解抑制被減弱，可通過改善缺氧誘發的心肌細胞功能障礙起到保護心臟的作用。在機制上，CircRNA被廣泛報道為具有基因調控潛力的有效miRNA“海綿”[27]，miRNA-370-3p作為心肌細胞中Circ0010729的下游靶點，其過度表達可對抗缺氧誘導的心肌細胞糖酵解抑制。此外，Qiu等人[28]發現，miRNA-370-3p通過調節細胞氧化應激反應及存活率對缺氧誘導的心肌細胞損傷發揮保護作用，這可能是心肌梗死的新治療靶點。然而，目前miRNA-370-3p在心肌梗死中的作用和機制尚不清楚。

3.5 miRNA-let-7家族

目前，miRNA被認為對心血管生物學的許多重要方面發揮調控作用，包括對缺氧應激反應和心肌細胞生長、分化、代謝的反應[29]。在第一批被鑒定的miRNA中就包含了miRNA-let-7家族成員[30]。在其他類型的細胞中，miRNA-let-7已被證明可調節參與糖代謝、糖酵解和炎癥的基因[31]。研究表明，心肌組織中miRNA-let-7表達的下降，與心肌細胞需要通過糖酵解生成ATP的快速適應缺氧應激期相一致。miRNA-let-7通過靶向調節胰島素信號和糖代謝途徑中的多個基因發揮阻遏作用，被公認為葡萄糖利用的阻遏因子[32]。因此，缺氧心肌細胞中的miRNA-let-7通過促進葡萄糖攝取發揮心肌細胞免受缺氧損害作用。

miRNA-let-7i-5p(let-7i-5p)也是let-7家族的成員之一，在心血管系統中高度表達，已被證明是一種心臟保護性miRNA[33]。研究表明，let-7i-5p的強制性高表達可改善缺氧心肌細胞的線粒體能量代謝功能障礙，抑制乳酸脫氫酶和乳酸生成以及促進ATP的產生和葡萄糖的攝取。Zhang等人[33]指出，受缺氧刺激的心肌細胞H9C2細胞可誘導外泌體分泌，以傳遞包括let-7i-5p在內的心臟保護性miRNA，從而減輕心肌細胞凋亡。Hu等人[34]發現，let-7i-5p在體內心肌梗死后對心肌細胞具有保護作用，當let-7i-5p沉默時，增加了心肌細胞糖酵解水平，促進了心功能恢復。因此，miRNA-let-7家族在心肌梗死和心力衰竭等中發揮了作用[35]。

盡管miRNA-let-7家族參與各種心血管代謝過程的調節，但尚不清楚miRNA-let-7家族是如何發揮具體作用的，也不清楚它在心臟中是如何調節的。因此，進一步研究miRNA-let-7家族在缺氧誘導心肌細胞增殖、凋亡和糖代謝中的表達和作用，以及信號通路顯得尤為重要。

3.6 其他miRNA

Zeng[36]等學者認為，無論是糖酵解還是糖異生因子都能通過上調糖異生酶(G6PC3)和醛酸來增加葡萄糖利用率，以維持ATP生成。Zhou[23]等證實下調miRNA-122在缺氧狀態下的表達，并通過上調G6PC3和醛酸來刺激細胞對葡萄糖的攝取，還通過上調醛酸來提高葡萄糖利用率，以維持ATP生成。

對暴露于低氧環境中的離體小鼠心臟內皮細胞進行研究時發現，miRNA-21在心臟成纖維細胞中顯著表達，是保持心肌糖酵解能力的關鍵，其參與了急性心肌梗死中心肌細胞凋亡的調節過程，并影響了急性心肌梗死的預后[37]。Lin[38]等人研究表明，缺氧誘導的miRNA-27和miRNA-195是維持心肌細胞體外代謝狀態、代謝轉錄途徑、氧化代謝過程和存活率所必需的因子。這些關于miRNA的研究結果支持了缺氧時將線粒體脂肪酸氧化產生的ATP轉化為糖酵解誘導心肌細胞適應缺氧消耗的觀點，證明了miRNA在心肌細胞代謝中的分子作用。在缺氧期間，這種miRNA的表達方式在細胞對缺氧的反應中越來越明顯，其miRNA-24、miRNA-22、miRNAr-26b、miRNA-214等似乎也在心臟功能的不同方面有重要作用[39]。

如上所述，不同的miRNA在缺氧心肌細胞中所對應的靶基因類型及數量不同，決定了其調節通路的不同。目前，miRNA在缺氧誘導的心肌糖代謝中發揮調節作用的具體機制未完全闡明。

4.展望

由于miRNA在不同心血管疾病中具有特異的表達模式，我們可將miRNA作為心血管疾病的新型生物標記物或診斷指標；miRNA特異性靶基因的發現將有助于揭示復雜心血管疾病中心肌能量代謝的分子機制，促進新的治療方法的產生。當然，miRNA在心血管疾病方面的研究仍處于早期階段，對其具體的作用機制認識仍然較淺，還有兩個問題有待深入探討：miRNA在心血管疾病發生發展過程中的機制；不同miRNA調控數個不同的靶基因是否會引起脫靶效應。