心肌肥大表觀遺傳調控的研究進展

鄭婧婧，卜 寧，趙 釗，張佳靖，于 慧，趙宇航*

(1.包頭醫學院，內蒙古 包頭 014000；2.內蒙古包鋼療養院，內蒙古 包頭 014000)

世界上每年有約1 750萬人死于心血管疾病，占全球死亡總數的31%，對人類造成了巨大的健康問題和經濟負擔[1]。而心血管疾病共同的病理生理變化就是心肌肥大(cardiac hypertrophy)。心肌肥大是一種適應性反應，但在長期的病理應激下，這種反應會發展成為一種伴隨心肌細胞丟失、間質成纖維細胞增殖以及膠原的沉積等現象的不可逆過程[2]，可能引發機體高血壓、心肌纖維化、心力衰竭、心肌梗死和冠狀動脈粥樣硬化等疾病，進而造成心源性疾病死亡。

表觀遺傳學是生命科學領域和基礎醫學領域中的研究熱點之一，主要包括DNA修飾、RNA修飾、組蛋白修飾、非編碼RNA對轉錄的調控等多個方面。目前研究顯示這些表觀遺傳機制在心肌肥大過程中具有重要調節功能，本文將根據現有文獻對心肌肥大過程中的DNA甲基化、RNA甲基化、組蛋白修飾以及非編碼RNA幾個方面進行綜述，歸納和總結目前研究進展，為后期的研究工作提供理論指導。

1 DNA甲基化與心肌肥大

DNA甲基化主要通過DNMTs(DNA methyltransferase，DNA甲基轉移酶)的催化，以SAM(sadenosyl methionine，S腺苷甲硫氨酸)為甲基供體，將甲基轉移到特定堿基上，進而調節某些基因的表達。

研究顯示DNA甲基化參與了心肌肥大的發生發展。去甲腎上腺素誘導的心肌肥大模型小鼠中，發生了全基因組甲基化，同時左心室PKCε(protein kinase c epsilon，蛋白激酶Cε)啟動子區Egr-1(early growth responsive gene-1，早期生長應答因子1)結合位點也發生了基因特異性甲基化，用5-氮雜胞苷處理后，甲基化程度明顯降低，同時抑制了心肌肥大[3]。RG108作為一種DNMTs抑制劑，通過減弱DNA甲基化來抑制壓力超負荷誘導的大鼠病理性心肌肥大[4]。同樣作為DNMTs抑制劑的5-氮雜胞苷可通過抑制SERCA2a(sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase，肌質/內質網Ca2+ATP酶2a)啟動子區甲基化來促進SERCA2a蛋白的表達，進而抑制血管緊張素Ⅱ誘導的心肌細胞肥大[5]。在自發性高血壓導致的 心肌肥厚大鼠模型中，膽堿通過調控2-OG/TET(2-oxoglutarate/ten-eleven translocation，2-酮戊二酸/10-11轉運因子)通路來促進DNA去甲基化，最終抑制心肌肥大[6]。以上研究表明，心肌肥大過程中DNA甲基化可以被DNMTs抑制劑調控，從而發揮重要作用，在心肌肥大的早期治療中具有良好的應用前景。

2 組蛋白修飾對心肌肥大的作用

組蛋白修飾，是指組蛋白的氨基端經酶催化而產生乙酰化、磷酸化、糖基化等修飾，進而改變組蛋白結合DNA片段的活性。其中乙酰化/去乙酰化是目前研究較多的組蛋白修飾方式，主要通過HAT(histone acetyltransferase，組蛋白乙酰化轉移酶)和HDAC(histone deacetylase，組蛋白去乙酰化酶)催化。

心肌肥大過程中，HDAC抑制劑TSA(trichostatina，曲古菌素A)、SK-7041、MGCD0103(mocetinostat，莫替司他)、MS-275(entinostat，恩替諾特)、CG200745發揮了重要作用。在壓力超負荷誘導的心肌肥大模型中，TSA抑制HDAC的表達后，可提高一些基因啟動子上的組蛋白乙酰化水平，如Icam1(intercellular cell adhesion molecule-1，細胞間黏附分子-1)、VCAM1(vascular cell adhesion molecule-1，血管細胞黏附因子-1)、Il21r(interleukin 21 receptor，白介素21受體)、Il6ra(interleukin-6 receptor subunit alpha，人白介素6受體α)、Ticam2(Toll like receptor adaptor molecule 2，Toll樣受體銜接分子2)和Cxcl10(cxcchemokineligand-10，Cxc趨化因子配體10)等，進而抑制心肌肥大[7]。同樣地，SK-7041在減弱了組蛋白去乙酰化水平后，可以逆轉不同的刺激(受體激動劑和壓力超負荷)誘導的心肌肥大[8]。在壓力誘導劑誘導的心肌肥大模型中，MGCD0103、MS-275通過抑制組蛋白的去乙酰化，增加DUSP5(dual specificity phosphatase 5，雙特異性磷酸酶5)基因的表達并且阻斷心肌細胞ERK1/2(extracel-lular-regulated kinase 1/2，細胞外調節蛋白激酶1/2)活化的能力，最終抑制心肌肥大[9]。在DOCA(deoxycort-one acetate，醋酸脫氧皮質酮)誘導的高血壓大鼠模型中，CG200745在抑制HDAC后，通過提高TSC2(tuberous sclerosis 2，結節性硬化復合物2)和C/EBP-β(CCAAT/enhancer binding protein beta，CCAAT增強子結合蛋白β)啟動子的組蛋白乙酰化水平而抑制了mTORC1(mammalian target of rapamy-cin complex 1，哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物1)信號，最終抑制了心肌肥大[10-11]。可以說明HDAC抑制劑可能通過抑制組蛋白的去乙酰化來調控某些基因的表達，進而調控心肌肥大。

3 心肌肥大中的 RNA修飾

人們很早就發現在RNA序列的一些位點上也具有不同基團的修飾，這些修飾對RNA的穩定性、轉錄活性、胞內定位等具有重要調節功能。其中m6A(N6-methyladenosine，N6-甲基腺苷)是其中最普遍的修飾方式[12]。

m6A由以下幾種酶催化[13-14]，分別為1)具有寫入功能的writers，如METTL3/METTL14/WTAP(methyltransferase 3/methyltransferase 14/WT1 associated protein，甲基轉移酶3/甲基轉移酶14/WT1相關蛋白)等，這些酶具有將甲基基團催化連接到腺苷酸N6位置的功能。2)能夠去除m6A甲基化的erasers：如FTO/ALKBH5(FTO alpha-ketoglutarate dependent dioxygenase/Alkb homolog 5，FTO-α-酮戊二酸依賴性雙加氧酶/Alkb同系物5)等蛋白。FTO與ALKBH5同屬于ALKB家族，FTO主要通過影響SRSF2(serine and arginine rich splicing factor 2，富含絲氨酸/精氨酸剪接因子 2)與RNA的結合能力而實現對前體mRNA剪接的調節；ALKBH5則可以直接催化m6A的去甲基化，最終影響其mRNA的剪接與合成。3)識別m6A位點并引起下游基因調節過程的readers，如YTHDF1/YTHDF2/YTHDF3/YTHDC1(YTH N6-methyladenosine RNA binding protein 1/YTH N6-methyladenosine RNA binding protein 2/YTH N6-methyladenosine RNA binding protein3/YTH domain containing 1/heterogeneous nuclear ribonucleoprotein C，YTH N6甲基腺苷RNA結合蛋白1/YTH N6甲基腺苷RNA結合蛋白2/YTH N6甲基腺苷RNA結合蛋白3/YTH結構域蛋白1)等。

METTL3可能介導了心肌肥大過程中的m6A甲基化。例如在壓力超負荷誘導的心肌肥大動物和細胞模型中，總體m6A的水平以及m6A相關基因METTL3的表達都增加，在敲低和過表達METTL3之后，對心肌肥大分別起到促進和抑制的作用[15]。同樣地，CHAPIR[cardiac-hypertrophy-associated piRNA(piwi-interacting RNA)，心肌肥大相關piRNA]通過與METTL3結合而抑制了Parp10[poly(ADP-ribose)polymerases，多聚腺苷酸二磷酸核糖聚合酶10]的mRNA的m6A修飾，最終促進了心肌肥大[16]。

目前關于m6A與心肌肥大的研究還處于萌芽階段，還有很多信號通路以及作用機制需要更加深入地探討。若明確了特定的靶點，m6A修飾可能成為預防心血管疾病的有力手段。

4 非編碼RNA與心肌肥大

非編碼RNA指的是轉錄組中未翻譯成蛋白質的RNA序列，其可以通過多種方式調節基因的表達。根據RNA的長度可將其分為短鏈非編碼RNA[microRNAs、piRNAs和snoRNAs(small nucleolar RNA)]和長鏈非編碼RNA(lncRNAs、circRNAs)。其中microRNAs、lncRNAs和circRNAs是研究相對充分、功能較明確的3種非編碼RNA。

幾乎在所有心血管疾病中都可以檢測到非編碼RNA的表達改變，其對心血管疾病的發生發展具有非常重要的調節功能。在心肌肥大的病理發展過程中，非編碼RNA也很大程度上參與基因表達調節，下面將具體介紹這3種類型的RNA分子在調節病理性心肌肥大過程中的作用。

4.1 MicroRNAs與心肌肥大

MicroRNAs是研究最廣泛的非編碼RNA，它是一類高度保守，長度約22 nt的RNA分子，其主要通過靶向mRNA的3’UTR來負調控基因的表達，抑制蛋白翻譯[17]。在心肌肥大的研究中，人們發現了一系列的異常表達microRNA分子，這些microRNAs通過調控各種基因的表達各自發揮作用。

一些microRNAs具有促心肌肥大的作用。在壓力超負荷誘導的小鼠肥大模型中，miR-17-5p的表達明顯上調，其可以直接靶向抑制MFN2(mitofusi 2，線粒體融合蛋白-2)的表達，激活PI3K/AKT/mTOR(phosphatidylinositol 3 kinase，磷酯酰肌醇3激酶/serine/threonine kinase 3，絲氨酸/蘇氨酸激酶3)信號通路，抑制自噬，最終促進心肌肥大[18]。miR-214在血管緊張素Ⅱ誘導的小鼠肥大模型中表達上調，其可以通過抑制SIRT3/FoxO3a(sirtuin type 3，沉默調節蛋白3/forkhead box O3，叉頭框轉錄因子3a)信號通路下調MFN2，抑制自噬，起到促進心肌肥大的作用[19]。miR-100-5p的表達升高后可通過靶向mTOR來抑制自噬而促進心肌肥大[20]。

還有一些microRNAs具有抑制心肌肥大的作用。miR-26b-5p、miR-204-5p和miR-497-3p在運動誘導的小鼠肥大模型中顯著下調，將這些microRNAs過表達后，可以通過調節自噬來抑制心肌肥大[21]。

因此可以說明，心肌肥大過程中有眾多microRNAs發生了差異表達，這些microRNAs可能通過調節某些基因的表達，從而調節自噬，進而起到促進和抑制心肌肥大的作用。

4.2 LncRNAs與心肌肥大

LncRNAs是一類長度超過200 nt但不能編碼蛋白質的RNA分子。根據定位不同，可將其分為正義型lncRNA、反義型lncRNA、增強子型lncRNA、基因內型lncRNA、基因間型lncRNA 5類。其中，正義型lncRNA與編碼序列的正義鏈部分或全部重疊；反義型lncRNA與編碼序列的反義鏈部分或全部重疊；增強子型lncRNA由編碼基因的增強子產生；基因內型lncRNA由編碼基因的內含子產生；基因間型lncRNA位于相鄰兩個編碼基因之間。

LncRNAs在細胞中扮演著ceRNAs(competing endogenous RNAs，競爭性內源性RNAs)或分子海綿的角色，能夠結合靶向的miRNAs，從而穩定或抑制相應的miRNA序列[22]。與microRNAs類似，lncRNAs也具有促進或抑制心肌肥大的作用。例如，lncRNA TUG1(taurine up-regulated1，牛磺酸上調基因)通過與miR-29b-3p結合，而降低其在胞內的水平，進而促進心肌肥大[23]。LncRNA CHRF(cardiac hypertrophy related factor，心臟肥大相關因子)能夠結合miR-93而激活/抑制Akt3(serine/threonine kinase 3，絲氨酸/蘇氨酸激酶3)信號通路，從而誘導心肌肥大的發生[24]。LncRNA MHRT(myosin heavy chain associated RNA transcript，肌球蛋白重鏈相關RNA轉錄本)可以通過與miR-145a-5p結合而上調Kruppel樣因子4(kruppel like factor 4,KLF4)的表達或通過與KLF4形成復合物來抑制KLF4磷酸化而促進KLF4的表達，以阻礙ERK和KLF4的結合，從而抑制心肌蛋白的表達以及心肌肥大的發展[25]。LncRNA Gm15834在主動脈弓縮窄(transverse aortic constriction，TAC)誘導的心肌肥大模型中大量表達，其可以通過與miR-30b-3p結合來促進Unc-51 樣自噬激酶1(Unc-51 like autophagy activating kinase 1，ULK1)的表達，從而起到促進心肌肥大的作用[26]。

以上研究表明，lncRNAs可能與microRNAs結合來降低胞內microRNAs的水平進而調節相應靶基因的表達，從而起到促進/抑制心肌肥大的效應。

4.3 CircRNAs與心肌肥大

CircRNAs是一類3’端與5’端連在一起的長度大于200 nt的閉合環狀非編碼RNA分子，具有很高的穩定性。根據circRNAs序列來源的不同將其分為外顯子circRNA、內含子circRNA、外顯子-內含子circRNA 3類。與lncRNAs類似，circRNAs主要通過“海綿作用”，結合相應的microRNAs分子，進而調節某些疾病[27]。

在心血管疾病中，circRNAs也發揮著一定的調節功能。例如心臟相關circRNA(heart-related circRNA，circRNA-HRCR)通過海綿作用與miR-223結合，抑制了miR-223的活性，從而導致活性調節細胞骨架相關蛋白(activity regulated cytoskeleton associated protein，ARC)的表達增加，最終抑制了心肌肥大和心力衰竭[27]。CircRNA-000203通過與miR-26b-5p、miR-140-3p結合，使胞內miR-26b-5p、miR-140-3p水平增加，從而導致GATA結合蛋白4(GATA binding protein 4，GATA4)基因表達增加，進而促進了心肌肥大[28]。同樣地，同源域結合蛋白激酶3(homeodomain interacting protein kinase 3，circRNA-HIPK3)作為miR-185-3p的海綿在心肌肥大中發揮作用[29]。溶質載體家族8成員A1(solute carrier family 8 member A1，circRNA-SLC8A1)被證明通過與miR-133a結合，導致miR-133a活性的降低，最終抑制了心肌肥大[30]。因此，在心肌肥大過程中，circRNAs可能通過與microRNAs結合來影響下游基因的表達，最終調節心肌肥大。

因為circRNAs具有非常好的穩定性，在臨床診斷或治療上可能更能夠作為生物標志物或藥物使用，但目前針對circRNAs與心肌肥大之間的研究仍然處于起步階段，在心肌肥大過程中有多少circRNAs表達異常，其對心肌肥大的作用如何，則需要更多的研究深入探討。而這些已知的circRNAs是否具有診斷意義或者能夠對心肌肥大的治療起到關鍵作用也需要進一步證實。

5 問題與展望

心肌肥大過程中的表觀遺傳調控已經開展了很多科學研究，大量臨床前的研究也提示DNMTs、HDACs以及一些非編碼RNA可能作為心肌肥大的潛在靶標。但仍然存在很多不明確的聯系或未發現的分子變化需要證實，如RNA甲基化修飾在心肌肥大或心血管疾病中的功能鮮有報道；CircRNAs與心肌肥大之間的研究仍然處于起步階段；幾種表觀遺傳調節方式之間存在的復雜聯系也需要進一步探討。這些表觀遺傳機制的闡明可以幫助篩選出早期標志物或通過早期治療干預對心肌肥大診斷和治療起到促進作用，具有良好的應用前景。