RNA在慢性高原病中的研究進展

馮思維綜述 康龍麗*審校

(1.西藏民族大學醫學部高原相關疾病分子遺傳機制與干預研究省級重點實驗室，陜西 咸陽 712082；2.西藏民族大學醫學部環境與疾病相關基因研究高校重點實驗室，陜西 咸陽 712082)

慢性高原病(Chronic Mountain Sickness，CMS)包括高原紅細胞增多癥(High Altitude Polycythemia，HAPC)、高原肺動脈高壓(High Altitude Pulmonary Hypertension，HAPH)等。近年來的研究顯示，CMS是眾多基因以及基因與高原低氧環境相互作用的結果，但其基本病理生理機制尚未完全闡明，成為目前該學科的研究熱點。

轉錄組測序(transcriptome sequencing)產生的基因表達數據，為研究復雜表型的分子基礎提供了重要的參考信息，揭示mRNA剪接和非編碼RNAs、增強子RNAs[1]調控基因表達的機制，是研究復雜表型分子機制的重要研究手段。在回顧多種RNA的作用中我們發現，本專題研究結果多樣、繁雜，且部分學術觀點存在爭議性，本文將重點圍繞與CMS有關的RNA及其發生機制進行綜述。

1.RNA的分類及作用

RNA分為編碼RNA(coding RNA)和非編碼RNA(non-coding RNA)。其豐度隨外界環境和細胞形態功能發生改變，在基因表達過程中發揮重要的調控作用。生理條件下，非編碼RNA可以通過正向和(或)負向調控基因的表達，如miRNAs作用于靶mRNAs，通過加速其去烯基化和降解負向調節基因的表達；而作為調控蛋白復合物支架的lncRNAs，通過定位到基因組DNA或改變基因組結構來順式或反式調節基因的表達。RNA在調節轉錄(lncRNAs或SnRNA)、剪接(snRNAs)和翻譯(rRNAs、tRNAs和miRNAs)水平上扮演著非常重要的角色[2-4]。

2.CMS中差異表達的RNA

在較高海拔下生活的群體的基因與高原低氧環境的相互作用使基因的表達發生變化，而基因表達變化是轉錄組學研究的核心內容。

2.1 高原紅細胞增多癥

2.1.1 代謝方式的改變

CMS以紅細胞增多為其典型的臨床表現，在低氧條件下，機體的代謝方式逐漸轉化為無氧酵解，繼而發生高原紅細胞增多癥。利用紅細胞內的血紅蛋白代償性增多來增加血液對機體氧氣的運輸能力，線粒體三磷酸腺苷酶抑制因子-1(Atpif1)與分化紅細胞中血紅素合成有關，可以調節血紅蛋白的合成，幫助機體適應低氧環境。Luo等人[5]在低氧環境下通過實時熒光定量PCR(Quantitative Real-time PCR，qRT-PCR)觀察到Atpif1 mRNA表達上調、血紅蛋白合成增加，提示機體抗缺氧能力的增強可能與Atpif1基因的表達改變有關。

2.1.2 性激素水平的改變

近年來，多項研究表明HAPC的發病與參與激素的表達水平密切相關。人體內雄激素的水平取決于雄激素受體(androgen receptor，AR)結合雄激素的量，二者結合才能發揮生物學效應。Li等人[6]研究發現HAPC患者外周血中單個核細胞AR mRNA的表達顯著升高，由于低氧環境使得AR表達顯著增多，破環了雄激素和AR之間的負反饋平衡，使得組織細胞缺氧情況加重，引起低氧血癥和高原紅細胞增多癥。HAPC患病率在男性和女性之間差異很大，女性少見但絕經后女性HAPC的發病率急劇增加，可能與雌激素水平的改變有關。雌激素可以顯著改變GATA1的表達水平和下游活性。Azad等[7]研究顯示，雌激素可以顯著降低GATA1及其靶基因的mRNA和蛋白水平，導致紅系細胞凋亡明顯增加。同時，雌激素還可以通過雌激素β信號調節紅細胞生成，顯著增加低氧誘導因子1(Hypoxia Inducible Factor-1，HIF-1)、血管內皮生長因子(Vascular Endothelial Growth Factor，VEGF)和GATA1的mRNA水平，進而減弱雌激素的影響。

2.1.3 造血情況的改變

低氧環境成為機體調控紅系造血的重要因素。Feng[8]等人研究發現高原低氧會影響血漿中miR-144的表達量。在低氧條件下，miR-144-3p、miR-144-5p的表達會隨低氧時間增加而增高，且與血紅蛋白和紅細胞計數呈正相關，提示二者可能在因高原低氧所導致的紅細胞過度增多中起正性調節作用，推測miR-144的高表達可通過促進紅細胞成熟和增殖致HAPC。有研究表明[9]，HAPC患者骨髓CD71+細胞凋亡減少，Akt、Bcl-xl的mRNA和蛋白表達較高，caspase-9降低，提示HAPC骨髓CD71+細胞存在 PI3K/Akt信號通路的激活和凋亡的減低。因此基于HAPC與PI3K/Akt、NF-κB信號通路的相關性，以及對腫瘤壞死因子-β(tumor necrosis factor-β，TNF-β)既往的生物學作用和在信號傳導方面的研究，推測TNF-β可能在HAPC造血調控中尤其是紅系造血中發揮著一定作用[10]。其他研究也顯示出造血情況發生改變，Xie等人的研究顯示[11]，GATA1 mRNA和蛋白水平顯著增加是通過HIF-1α介導的，在促進轉錄因子GATA1表達的同時促進紅細胞生成。由此提示CMS患者的發病原因可能是低氧促進HIF-1α的表達并影響GATA1來加快紅系細胞的分化成熟。此外還發現在CMS患者中FOG1 mRNA表達水平上升，體外K562細胞過表達HIF-1α，出現FOG1 mRNA的上調[12]。同樣的情況也發生在高海拔地區的動物上。miR-6606-5p在藏雞中顯著上調[13]，其靶基因(ACTC1、NCS1、and KCNMB4)存在差異表達，通過刺激HIF-1的活性促進血管生成和血液循環使藏雞維持低氧適應。除miR-6606-5p外，其他差異表達的miRNAs包括miR-155、miR-302a、miR-302B-3p、miR-302B-5p、miR-302C-3p、miR-460b-3p和miR-460b-5p，也在缺氧條件下的血管生成中發揮重要作用。當長時間缺氧時，MiR-155促進缺氧誘導因子-1α的活性，并介導PI3K/AKT通路[14]。先前的研究表明miR-302家族(miR-302a/b/c/d)通過靶向VEGFA抑制血管內皮細胞的增殖、遷移和血管生成[15-17]。

2.1.4 細胞凋亡的改變

低氧與細胞凋亡有著密切關系。近期的研究結果顯示[18]，CMS患者抗凋亡基因Bcl2的mRNA和蛋白表達水平明顯升高，而促凋亡基因Bax、caspase-3表達降低。機體凋亡機制受到影響后，體內紅細胞凋亡減少，剩余紅細胞逐漸增多，引發HAPC。HIF是缺氧反應和轉錄的主要調節劑，在缺氧期間穩定并協調各種基因的轉錄，這些基因對CMS患者在低氧條件下的生存至關重要。HIF-1α通過降低Bax表達和增加Bcl2表達來保護缺氧條件下的細胞凋亡[19]。此外EPO具有抗細胞凋亡作用，先前的研究顯示[20]，CMS患者EPO的蛋白和mRNA表達水平增加，同樣觀察到Bcl2家族的表達上調。因此，在缺氧環境下不同的發生機制均顯示紅細胞的固有凋亡途徑存在下調情況，導致紅細胞過度積累，說明CMS患者紅細胞凋亡減少可能與內源性而非外源性凋亡途徑的抑制有關。

2.2 高原肺動脈高壓癥

2.2.1 肺動脈壓力的改變

多種非編碼RNA作為基因表達的靶點，參與并調控某些缺氧代謝的基因。Blissenbach等人的研究顯示[21]，進行性低壓低氧使得miR-17、miR-190的水平發生了顯著變化，二者出現的差異表達與肺動脈收縮壓(SPAP)的增加顯著相關，為表觀遺傳的調節提供了證據。miR-190作為動脈平滑肌細胞中Ca2+流入的正調節劑[22]，在缺氧條件下影響肺血管收縮[23]。miR-29a-3p可降低缺氧誘導的肺動脈高壓，并抑制肺血管外膜成纖維細胞的激活[24]。在缺氧性肺動脈高壓動物模型中發現miR-460b-3p、miR460b-5p參與HIF-1α的調節[25，26]。

2.2.2 心肌組織的改變

高原肺動脈高壓曾用名高原心臟病(High Altitude Heart Disease，HAHD)，由長期慢性缺氧所致。Zhou等人的近期研究[27]顯示，缺氧時心肌細胞會啟動自適應保護機制中的一個重要途徑，使得心肌細胞中的STAT3信號激活，導致miR-199a-5p的下調和許多下游靶基因的表達。Chouvarine等人的研究[28]也顯示長期缺氧可導致RRAF6 mRNA表達增加達3倍之多，而miR-146b受到抑制，調控抑制TRAF6并誘導促炎因子IL-6、CCL2(MCP1)的表達。這種缺氧誘導的miR-146b-TRAF6-IL-6/CCL2(MCP1)軸可能驅動心臟纖維化，導致心力衰竭。與心臟有關的miRNA在缺氧條件下發生顯著改變，MiR-126[29]、miR-139[30，31]、miR-208[32]已被證明對缺氧/缺血或缺氧/復氧誘導的人心肌組織損傷有特別的保護作用。

3.結語

CMS是高原低氧的環境因素和許多微效致病基因共同作用的結果，其中誘導其形成的基因產物在CMS患者和高原習服人群之間的表達存在顯著性差異。從目前的研究來看，CMS和(或)HAPC患者的基因表達受到多種基因和環境因素的影響，其中RNA的差異表達可能在慢性高原病發病機制中發揮著重要的作用。雖然目前從基因及其表達水平探索CMS的發病機制并不詳盡，但是篩選相關的RNA及闡明其調控機制可為慢性高原病的防治提供重要依據，期待未來可以從分子層面詳細地揭示CMS的病理生理學機制。