轉(zhuǎn)運(yùn)RNA衍生片段在心血管疾病中的研究進(jìn)展

崔楠，張俊哲，馬群，Muisha B MBIKYO，李昭

（中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院心血管內(nèi)科，沈陽 110001）

心血管疾病是危害人類健康的疾病之一。盡管在心血管疾病的預(yù)防和治療方面取得了顯著進(jìn)展，但它仍然是發(fā)病率和死亡率的主要原因［1-2］，常見的致死性疾病包括心肌梗死、心律失常、心力衰竭、心肌病等。因此，研究心血管疾病的發(fā)病機(jī)制具有重要的社會(huì)意義。

非編碼RNA的發(fā)現(xiàn)，為疾病的診療提供了新的方向。這些新的非編碼RNA是由其他細(xì)胞RNA通過特定和調(diào)節(jié)的RNA加工或裂解產(chǎn)生的［3］。這種非編碼RNA的來源是多種細(xì)胞RNA，包括轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（transfer RNA，tRNA）。轉(zhuǎn)運(yùn)RNA衍生片段 （transfer RNA derived fragments，tRFs） 是一種新發(fā)現(xiàn)的非編碼小RNA，由成熟tRNA或前體tRNA在應(yīng)激、缺氧等條件下裂解產(chǎn)生，其功能主要參與RNA的降解、逆轉(zhuǎn)錄、基因沉默，抑制蛋白質(zhì)合成，阻滯翻譯，進(jìn)而影響細(xì)胞的增殖和存活。目前對(duì)tRFs的研究越來越廣泛，腫瘤是熱點(diǎn)領(lǐng)域，與心血管疾病相關(guān)的研究較少。

本文總結(jié)、分析了tRFs在心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展中的作用，并介紹了tRFs的產(chǎn)生和生物學(xué)功能，以期為心血管疾病的防治提供新的診療思路。

1 tRFs的生物發(fā)生

1.1 tRFs的分類

tRFs的豐度因細(xì)胞類型和組織的不同而不同，一般與親本tRNA的豐度無相關(guān)性。此外，一些片段僅在特定條件下產(chǎn)生，如發(fā)育階段、增殖狀態(tài)、應(yīng)激或病毒感染。盡管tRNA片段的大小不同，但它們不是隨機(jī)的tRNA裂解或降解的產(chǎn)物，它們的末端是由RNA裂解序列決定因素決定的。

tRFs主要分為4類：（1） 5’ tRFs；（2） 3’ tRFs；（3） tRNA halves （tiRNA） ，其包含2種亞型，即5’ tRNA halves 和3’ tRNA halves；（4） 來自前體tRNA 3’端的tRF1s［4］。由于tRNA受剪切酶剪切的位置不同，tRFs的分子長(zhǎng)度也不同，其中5’ tRFs、3’ tRFs、tRF1s的分子長(zhǎng)度為14～30 nt，而tRNA halves的分子長(zhǎng)度為29～50 nt。

1.2 tRF1s的生物發(fā)生

tRNA通過RNA聚合酶Ⅲ在細(xì)胞核中轉(zhuǎn)錄，作為具有5’前導(dǎo)序列和3’尾部序列的前體tRNA，5’前導(dǎo)序列由RNase P裂解、3’尾部序列由Elac2 （RNase Z） 切除，產(chǎn)生成熟的tRNA，由此產(chǎn)生的3’尾部序列被稱為tRF1s［5］。

1.3 5’ tRFs、3’ tRFs、tRNA halves的生物發(fā)生

成熟tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)具有類似三葉草的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過折疊最終形成緊湊的L型三級(jí)結(jié)構(gòu)［6-7］。成熟tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)具有D環(huán)、反密碼子環(huán)、可變環(huán)、TψC環(huán)。5’ tRFs （含有磷酸基）、3’ tRFs （含有-CCA結(jié)構(gòu)） 由Dicer剪切酶分別在D環(huán)、TψC環(huán)之間進(jìn)行剪切形成，而tRNA halves則由血管生成素在反密碼子環(huán)剪切而成。

2 tRFs的生物學(xué)功能

2.1 tRNA halves的生物學(xué)功能

tRNA halves是血管生成素誘導(dǎo)成熟tRNA在應(yīng)激條件下分裂產(chǎn)生的，如氧化應(yīng)激、熱休克或紫外線照射［8-12］。

作為對(duì)應(yīng)激的反應(yīng)，只有來自tRNAAla和tRNACys的5’ tRNA halves抑制翻譯［11］。從機(jī)制上說，活性tRNA halves 通過干擾降解物基因活化蛋白結(jié)合復(fù)合物eIF4F的組裝來抑制翻譯起始，并與翻譯沉默子Y-box 結(jié)合蛋白1結(jié)合［13-15］。5’ tRNA halves對(duì)翻譯起始的抑制也誘導(dǎo)了應(yīng)激顆粒的裝配［9-11］，應(yīng)激顆粒包含翻譯停滯的mRNA、相關(guān)的啟動(dòng)前因子、特異性RNA結(jié)合蛋白和信號(hào)分子［16-19］。也有研究［20］表明，血管生成素誘導(dǎo)的tRNA halves抑制應(yīng)激細(xì)胞的高滲性凋亡，這是通過tRNA halves與細(xì)胞色素c直接結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的，細(xì)胞色素c在應(yīng)激期間從線粒體釋放出來，以促進(jìn)凋亡體的形成，并隨后激活細(xì)胞凋亡蛋白酶。

2.2 tRF1s的生物學(xué)功能

tRF1s是由Elac2在前體tRNA的3’尾部序列切除而成。目前，研究得最多的前體tRFs是3’U tRFs（19～25 nt），3’U tRFs是相對(duì)穩(wěn)定的分子，集中在細(xì)胞質(zhì)中［21-22］，也存在于人類胚胎干細(xì)胞和類胚體中［23］。在細(xì)胞質(zhì)中，3’U tRFs與AGO蛋白結(jié)合，優(yōu)先與AGO3和AGO4結(jié)合，并與細(xì)胞微RNA和干擾小RNA競(jìng)爭(zhēng)，以并入RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合物中，進(jìn)而導(dǎo)致基因沉默［24］。

2.3 5’ tRFs和3’ tRFs的生物學(xué)功能

5’ tRFs在細(xì)胞質(zhì)中，與RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合物功能中心的AGO1～AGO4蛋白相關(guān)［25］。3’ tRFs的3’端存在-CCA結(jié)構(gòu)。有研究［24，26-28］認(rèn)為，3’CCA-tRFs的生物發(fā)生依賴于Dicer產(chǎn)生，還有研究［29］認(rèn)為其是獨(dú)立于Dicer產(chǎn)生的 （如通過血管生成素介導(dǎo)的T臂分裂）。3’CCA-tRFs與 AGO相關(guān)，并具有RNA干擾的作用［24，27］，RNA干擾可以誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄后和轉(zhuǎn)錄基因沉默［30］。

3 tRFs與心血管疾病

3.1 tRFs與心肌肥厚

最近的一項(xiàng)研究［31］發(fā)現(xiàn)，tRFs1富含于異丙腎上腺素誘導(dǎo)的肥大大鼠心臟中，并證明tRFs1與肥厚調(diào)節(jié)因子Timp3mRNA的3’非翻譯區(qū)結(jié)合，抑制其表達(dá)，導(dǎo)致心肌細(xì)胞肥大。重要的是，與健康雄性小鼠相比，tRFs1富含于異丙腎上腺素誘導(dǎo)的肥大小鼠精子中。此外，與健康對(duì)照組的F1相比，異丙腎上腺素處理的小鼠其F1后代的心臟表現(xiàn)出心肌纖維斷裂、肥厚標(biāo)志基因表達(dá)、細(xì)胞凋亡和纖維化增加。

3.2tRFs與糖尿病心肌病

糖尿病心肌病是糖尿病患者心力衰竭、惡性心律失常和猝死的重要原因之一，表現(xiàn)為心肌結(jié)構(gòu)和功能異常［32-33］。糖尿病心肌病存在多種病理生理異常，如高血糖、胰島素抵抗、氧化應(yīng)激和炎癥［34］。其中，心肌細(xì)胞功能障礙在糖尿病心肌病的發(fā)生和發(fā)展中起著重要作用［35-36］。有研究［37］分析tRFs在糖尿病心肌病的作用機(jī)制，旨在確定tRFs在高糖刺激的原代心肌細(xì)胞中的表達(dá)和潛在作用，結(jié)果表明，高糖引起心肌細(xì)胞損傷，并伴有差異表達(dá)的tRFs。其中tRF-5014a可能通過調(diào)節(jié)ATG5的表達(dá)，在高糖誘導(dǎo)的自噬功能障礙中發(fā)揮作用。tRF-5014a的抑制不僅消除了自噬失活，而且減弱了細(xì)胞活力降低、細(xì)胞死亡增加以及促炎性細(xì)胞因子釋放。這些發(fā)現(xiàn)表明，在糖尿病心肌病進(jìn)展過程中，tRFs可能促進(jìn)高糖誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞損傷。

3.3 tRFs與血管平滑肌

血管平滑肌細(xì)胞 （vascular smooth muscle cell，VSMC） 是血管的主要成分，在血管疾病中發(fā)揮著重要作用。有研究［38］探討了tRFs在VSMC表型轉(zhuǎn)換和血管內(nèi)膜新生中的作用，發(fā)現(xiàn)tiRNA-Gly-GCC在合成型人主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞、動(dòng)脈粥樣硬化動(dòng)脈、血漿和球囊損傷的大鼠頸動(dòng)脈中上調(diào)。在功能上，抑制tiRNA-Gly-GCC可以抑制人主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞的增殖、遷移和逆轉(zhuǎn)去分化，而tiRNA-Gly-GCC過表達(dá)具有相反的作用。從機(jī)制上講，tiRNA-Gly-GCC通過下調(diào)CBX3，在人主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞上發(fā)揮這些功能。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了這一結(jié)果，即抑制tiRNA-Gly-GCC可以通過在體內(nèi)靶向CBX3，減少VSMC的增殖和去分化，從而改善新生內(nèi)膜的形成。

有研究［39］探討了tRFs在主動(dòng)脈夾層中的潛在作用，發(fā)現(xiàn)主動(dòng)脈夾層組織中5’-tiRNA-Cys-GCA表達(dá)顯著低于正常主動(dòng)脈。離體實(shí)驗(yàn)表明，過表達(dá)5’-tiRNACys-GCA可以抑制VSMC增殖、遷移和表型轉(zhuǎn)化，然而敲除5’-tiRNA-Cys-GCA則具有相反作用。該研究還發(fā)現(xiàn)，5’-tiRNA-Cys-GCA通過靶向STAT4調(diào)節(jié)VSMC增殖和表型轉(zhuǎn)變。因此，5’-tiRNA-Cys-GCA/STAT4信號(hào)通路可能為主動(dòng)脈夾層和其他心血管疾病提供一種新的治療策略。

也有研究［40］表明，動(dòng)脈損傷誘導(dǎo)的tRFGlnCTG促進(jìn)VSMC增殖。該研究復(fù)制了大鼠頸總動(dòng)脈內(nèi)膜增生模型，檢測(cè)tRFs/tiRNAhalves在動(dòng)脈中的表達(dá)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，tRFGlnCTG在受傷的頸總動(dòng)脈中過表達(dá)。在體外實(shí)驗(yàn)中，合成的tRFGlnCTG模擬物提高了大鼠VSMC的增殖和遷移。通過生物信息學(xué)分析和過表達(dá)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)tRFGlnCTG對(duì)FAS細(xì)胞表面死亡受體 （FAS） 的表達(dá)具有負(fù)調(diào)控作用。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí)，VSMC中FAS的過度表達(dá)消除了tRFGlnCTG對(duì)VSMC增殖的上調(diào)作用。結(jié)果表明，tRFGlnCTG是促進(jìn)VSMC增殖的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。tRFGlnCTG-FAS通路可能是導(dǎo)致動(dòng)脈損傷后內(nèi)膜增生的機(jī)制之一。tRFGlnCTG抑制劑的使用，可能是緩解新生內(nèi)膜形成的可行策略。

4 結(jié)論

tRFs是一種新發(fā)現(xiàn)的非編碼小RNA，由特定剪切酶在成熟tRNA或前體tRNA不同位點(diǎn)切割而成。目前已有研究闡明了tRFs的產(chǎn)生機(jī)制及其在人類疾病中的相關(guān)作用，如心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、腫瘤 （如乳腺癌、結(jié)直腸癌、胃癌、膀胱癌、肝細(xì)胞癌等）、病毒感染、慢性腎臟病等。期望通過這些研究加深對(duì)心血管疾病過程的理解，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)新的治療方法，提高患者的生活質(zhì)量。