從LncRNA探討糖尿病及并發癥發病機制與中醫藥干預研究進展

周吉,周偉秀,祝然然,王子晨綜述 陰永輝,王海燕審校

糖尿病(diabetes mellitus,DM)是一種由環境與遺傳介導的,以高血糖為特征的慢性代謝性疾病,主要包括1型糖尿病、2型糖尿病(T2DM)、妊娠糖尿病及特殊類型糖尿病,其發病機制主要有胰島β細胞分泌功能下降、胰島素抵抗或缺乏等,糖尿病發病機制復雜,主要涉及炎性反應、氧化應激、細胞凋亡、內質網應激、線粒體損傷、DNA甲基化等。流行病學調查數據顯示,截至2021年我國糖尿病患病人數已達到1.4億[1],糖尿病并發癥主要包括微血管及大血管病變,嚴重威脅人類生命健康,已成為導致人類死亡的主要慢性病之一。近些年來,隨著基因組學的不斷發展,對長鏈非編碼RNA(LncRNA)研究越來越豐富與深入,越來越多不同種類的LncRNA被證實參與了糖尿病及其并發癥的發生發展,文章就LncRNA參與糖尿病及其并發癥防治現狀和中醫藥干預進行綜述,指出不足并展望,以期為讀者提供臨床與科研思路。

1 LncRNA概述

非編碼RNA(ncRNA)是指沒有或有較低蛋白質翻譯功能的一類RNA,包括微小RNA(miRNA)、環狀RNA(CircRNA)及LncRNA[2],ncRNA雖然沒有編碼蛋白質的能力,但在生理和病理過程中ncRNA具有一定潛在作用,其中LncRNA發現較晚,雖然其生物學功能尚未完全探明,但隨著高通量基因測序技術不斷發展,LncRNA已成為目前研究疾病發生的熱點機制之一。

LncRNA指長度大于200的核苷酸序列,在RNA聚合酶Ⅱ轉錄下,多在5′末端被7-甲基鳥苷加帽,3′末端形成多聚腺苷酸化,廣泛存在于細胞質和細胞核,其不直接參與基因編碼和蛋白質合成,但能從多個層面調控基因表達、調節蛋白質功能以及參與信號轉導與機體代謝、免疫等過程[3-4],在人體起著關鍵的調節作用,LncRNA大體分為五類:包括正義、反義、雙向、基因內及基因間LncRNA[5]。作為目前的熱點機制,LncRNA被證實與腫瘤、糖尿病、高血壓、心腦血管病發生密切相關,尤其在糖尿病及并發癥方面均有涉及,這也為疾病發生機制提供了更多的標志物和靶點。

2 LncRNA參與介導糖尿病

隨著基因測序技術的不斷發展,lncRNA在糖尿病領域的研究越來越豐富,越來越多研究證實了兩者的相關性[6],LncRNA在調節T2DM胰島功能、外周葡萄糖穩態及脂代謝等機制中發揮一定作用[7-8]。近年在lncRNA位點中鑒定出諸多T2DM相關的單核苷酸多態性位點,這些位點與β細胞功能具有相關性。LncRNA能調節β細胞特異性轉錄因子表達,LncRNA敲低或過表達會影響其他關鍵基因表達和翻譯途徑而影響生物活性,顯示出其高度的組織特異性。

2.1 MALAT1 LncRNA轉移相關性肺腺癌轉錄本1(LncRNA MALAT1)是一種在腫瘤發生與轉移中研究較多的LncRNA,糖尿病患者額外增加的腫瘤罹患風險與高糖誘導的MALAT1過表達相關。MALAT1單核苷酸多態性使國內漢族人群T2DM風險增加[9]。在DM患者中MALAT1表達水平明顯升高,并且MALAT1的高表達參與T2DM進展[10]。研究發現[11],在高糖條件下,巨噬細胞來源外泌體中MALAT1表達增加,從而抑制巨噬細胞抵抗素表達,巨噬細胞吞噬異常,導致異常的血管細胞凋亡,最終加速DM及血管病變進展。另外,在肝星狀細胞中,高糖促進人沉默調節蛋白1(SIRT1)表達激活轉化生長因子β(TGF-β),肝星狀細胞向成纖維細胞轉變,促進肝纖維化[12],肝糖原合成與分解異常,加重DM。

2.2 Reg1cp 再生胰島衍生1cp(Reg1cp)能介導胰島功能損害,Reg1cp基因突變后,會導致胰島素分泌受損以及胰島素抵抗增加,介導T2DM發病。Guo等[13]將具有胰島β細胞特異性突變Reg1cp基因敲入到小鼠體內,β細胞功能障礙和胰島素抵抗加重,這與聚嘧啶束結合蛋白1(PTBP1)在β細胞中的磷酸化及脂聯素受體被抑制相關,PTBP1及脂聯素途徑通過抑制胰島素分泌加重胰島素抵抗,介導T2DM發生。

2.3 Kcnq1ot1 lncRNA KCNQ1重疊轉錄物1(Kcnq1ot1)是一個位于KCNQ1位點上的長鏈非編碼RNA基因,參與細胞增殖、遷移、上皮間質轉化、凋亡、自噬和炎性反應過程,在胰腺中含量較高。多個研究發現[14],Kcnq1ot1在db/db模型小鼠和高糖(HG)培養的人腎小球系膜細胞及T2DM患者血清中均顯著過表達。通過敲低Kcnq1ot1可改善胰島素分泌,增加β細胞數目,并且能夠抑制細胞增殖、細胞外基質積累、炎性反應和氧化應激。

3 LncRNA參與介導糖尿病并發癥

3.1 LncRNA參與介導糖尿病腎臟病 糖尿病腎臟病(DKD)是DM臨床常見且難治的慢性微血管并發癥,預估到2045年全球DKD患者達到7億人[15-16],嚴重威脅著DKD患者的生命健康。近年來,大量實驗證實,氧化應激、炎性反應、細胞自噬、線粒體功能障礙、內質網應激、表觀遺傳學等機制與DKD的發生密切相關,但DKD的發病機制仍然難以明晰。多種LncRNA表達改變參與了DKD的發生發展,在調節染色質功能、改變細胞質mRNAs的穩定性和翻譯,以及干擾相關信號通路等方面影響著DKD病理生理變化[17]。

3.1.1 H19:LncRNA H19是長鏈非編碼RNA家族的重要成員,作為最早被鑒定和表征的lncRNA之一,能夠調控相關蛋白介導DKD[18]。H19可以通過特定的miRNA的堿基配對和螯合而作為競爭性內源RNA發揮作用。Shi等[19]發現在DKD腎纖維化小鼠血清中H19表達顯著上調,提出H19或許間接導致腎臟纖維化的發生。另有學者發現[20],過表達的H19能夠抑制DKD足細胞凋亡,促進DKD足細胞增殖、侵襲、遷移等行為,H19過表達通過靶向調控細胞凋亡相關蛋白及細胞自噬相關蛋白而對DKD足細胞起到保護作用。

3.1.2 TUG1:LncRNA 牛磺酸上調基因1(TUG1)位于人類22q12.2染色體,與腫瘤發生及細胞代謝相關,在健康者、T2DM及早期DKD患者中血清TUG1水平依次升高,與糖化血紅蛋白、腎小球濾過率、血肌酐、血尿素氮、血脂及尿白蛋白排泄率等指標呈正相關[21]。研究指出[22],高表達的TUG1可改善內質網應激,緩解高糖誘導的腎上皮細胞損傷。高糖下調TUG1,內質網應激- C/EBP同源蛋白(CHOP)升高,誘導DKD足細胞凋亡[23]。Wang等[24]發現,DKD小鼠腎組織及DM大鼠腎小管導管上皮(NRK-52E)細胞中TUG1水平降低,TUG1過表達通過靶向促進組織金屬蛋白酶抑制因子3的表達,從而抑制高糖刺激NRK-52E細胞的纖維化和DKD小鼠的腎纖維化。

3.2 LncRNA參與介導糖尿病周圍神經病變 糖尿病周圍神經病變(DPN)是DM常見的慢性并發癥之一,主要表現為肢體的對稱性感覺障礙、麻木、發涼、疼痛等,給患者帶來較大痛苦。LncRNA通過參與調節表觀遺傳、轉錄和轉錄后水平的基因表達而影響著DPN進程[25]。研究發現[26],DPN患者外周血單核細胞中LncRNA顯著上調,可見LncRNA與DPN發生發展關系密切。

3.2.1 NEAT1:NEAT1是在哺乳動物細胞核中高度豐富表達的LncRNA,參與介導DPN,Hassani等[27]發現,DPN患者的外周血單個細胞核中NEAT1和重鏈結合蛋白基因表達水平顯著升高,是調控DNP的途徑之一。

3.2.2 UC.25+:p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)磷酸化介導DPN發生。Wu等[28]發現通過上調DPN大鼠脊髓UC.25+,可以激活轉錄激活因子1(STAT1),降低脊髓小膠質細胞P2Y14受體的表達,減少炎性反應因子的釋放,降低p38 MAPK的磷酸化,達到改善DPN的目的。

3.3 LncRNA參與介導糖尿病視網膜病變 糖尿病視網膜病變(DR)是DM高發病率的嚴重微血管并發癥,可產生不可逆的視力損害,是導致失明的主要原因之一。其發生機制包括炎性反應、細胞凋亡、血管功能障礙和神經血管單元功能障礙等。LncRNA高甲基化會影響DR進程,作為生物標志物或治療靶點,LncRNA非常具有潛力。大量的研究證實[29],LncRNA如H19、HIF1A-AS1、ZNRD1-AS1、XIST等作為DR標志物的可行性。

3.3.1 TUG1:TUG1對DR發揮促進作用。成纖維細胞生長因子受體2(FGFR2)激活導致血管纖維化是引起DR重要機制之一,研究發現[30],高表達 TUG1損傷人視網膜微血管內皮細胞,抑制TUG1可降低HG誘導的人視網膜微血管內皮細胞的增殖、遷移和血管生成。這與抑制FGFR2過度活化相關。

3.3.2 FLG-AS1:絲聚蛋白反義RNA 1(FLG-AS1)是近年被發現的LncRNA,參與肥胖、T2DM、口腔癌、宮頸癌的發生。Luo等[31]發現在DR中FLG-AS1水平下降,FLG-AS1過表達慢病毒載體干預DR視網膜上皮細胞,可降低丙二醛(MDA)和超氧化物歧化酶(SOD)、IL-1β、IL-6和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)水平,改善炎性反應、氧化應激和凋亡,減輕DR損傷。

3.4 LncRNA參與介導糖尿病心肌病 糖尿病心肌病(DCM)是指長期高血糖導致心室肥厚、纖維化、細胞壞死甚至舒張功能障礙的特異性心肌病,是DM嚴重并發癥之一。DCM與糖脂代謝紊亂、心臟胰島素信號受損、晚期糖基化終末產物積累、炎性反應、自噬、氧化應激等機制相關,具體分子機制仍不清楚。大量證據表明[32],lncRNA在DCM發病機制中起著關鍵作用,LncRNA參與DCM可能與調節心肌纖維化、細胞凋亡、心肌肥大、炎性反應、氧化應激、糖脂代謝和胰島素抵抗相關。

3.4.1 MALAT1:MALAT1參與DM多個并發癥,心肌細胞焦亡是DCM重要機制之一,Shi等[33]在HG誘導的H9C2心肌細胞和原代心肌細胞中發現兩者MALAT1表達活躍,且NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3(NLRP3)水平升高,心肌細胞焦亡加重,可見抑制MALAT1可以緩解細胞焦亡狀態。

3.4.2 GAS5:生長停滯特異性轉錄本5(GAS5)是調控哺乳動物細胞凋亡和生長的一種lncRNA,在人類各種組織和器官中廣泛表達,研究指出[34],GAS5與T2DM患者心血管病的發生有關。Zhu等[35]發現,GAS5在體外和體內DCM中均顯著上調,而GAS5的敲低有效減輕了心肌纖維化,抑制了高糖誘導的心肌細胞損傷,抑制GAS5或許是緩解DCM的重要途徑之一。

3.5 LncRNA參與介導糖尿病腦血管病 糖尿病腦血管病(DCD)是指以高血糖為發病基礎的一系列腦血管病變,包括腦動脈粥樣硬化、急性腦血管病和無癥狀卒中等,是臨床DM較為嚴重的并發癥之一,具有病死率、致殘率、復發率均較高的特征。DCD發病機制復雜,至今仍闡述不清,近年,由lncRNA介導的DCD機制研究成為熱點。

3.5.1 Meg3:Meg3作為一種抑癌基因被廣泛研究,被認為是調節缺血性腦卒中的重要介質。Chen等[36]發現,在大鼠腦微血管內皮細胞(RBMVECs)建立的體外DM腦缺血性損傷模型中,Meg3水平增加,p53激活,磷脂過氧化氫谷胱甘肽過氧化物酶(GPX4)水平降低,過氧化促進了RBMVEC由高糖再灌注誘導的細胞鐵死亡進程,從而誘發腦血管病。

3.5.2 FENDRR:FENDRR是一類新發現的抑癌LncRNA,在構建的DM腦缺血再灌注模型中,FENDRR水平顯著升高,Wang等[37]發現在DCD中FENDRR促進NLR家族卡蛋白4(NLRC4)炎性反應復合物和焦亡介導的炎性反應因子增加,E3泛素連接酶受到抑制,NLRC4蛋白的泛素化和降解減少,影響細胞焦亡,抑制FENDRR或將成為緩解DCD的重要機制。

3.6 LncRNA參與介導糖尿病胃腸病變 糖尿病胃腸病變(DGID)是DM常見的慢性并發癥之一,長期高糖狀態導致胃腸道系統的動力和功能異常,常出現便秘、腹脹、腹瀉、嘔吐等表現。DGID包括食管病變、糖尿病胃輕癱(DGP)、腸道病變,病理機制主要有自主神經功能紊亂、高血糖、胃腸道激素分泌失常、胃腸道生物力學重構等,目前,LncRNA在DGID中的作用機制研究較少,但仍有涉獵。

MALAT1能加速DGP進展,DGP中MALAT1的表達上調[38]。DGP病理機制主要涉及胃平滑肌細胞增殖、凋亡等過程。DGP胃平滑肌細胞中的MALAT1過表達可以增加α平滑肌肌動蛋白和骨骼肌慢肌纖維肌球蛋白重鏈的表達,降低細胞活力,抑制人胃平滑肌細胞中細胞遷移的潛力并誘導細胞凋亡。研究發現[39],DGP模型小鼠的胃組織及HG條件下培養的人胃平滑肌細胞中MALAT1上升,而體外敲除MALAT1影響了人胃平滑肌細胞的活力、增殖和遷移,并促進了人胃平滑肌細胞在HG條件下的表型轉換。

4 中醫藥干預LncRNA防治糖尿病及其并發癥

糖尿病屬祖國醫學“消渴、脾癉”等范疇,飲食、環境、情志、體質因素等是導致消渴發生的基本因素,陰虛為本、燥熱為標是消渴基本病理機制,治療上多益氣養陰,兼顧健脾、補腎、祛痰、活血、清熱等。中醫藥在糖尿病及并發癥防治方面具有獨特的優勢,隨著LncRNA在糖尿病領域研究逐漸豐富,由中醫藥干預LncRNA介導的糖尿病及其并發癥研究不斷深入。

4.1 單味中藥

4.1.1 藏紅花:藏紅花具有活血化瘀、散郁開結的功效,有效成分有抗炎、抗氧化、抗腫瘤、神經保護等多種作用,NEAT1能調控細胞增殖介導DNP發生,Chen等[40]發現,藏紅花素能夠靶向抑制NEAT1,緩解高糖誘導的人視網膜微血管內皮細胞增殖、遷移和血管生成,對DR起到保護作用。

4.1.2 黃芪:黃芪被《神農本草經》列為上品,有補氣健脾,升陽舉陷,固表止汗,利水消腫,生津養血,行滯通痹,托毒排膿,斂瘡生肌等多個功效,現代藥理研究指出,黃芪有效成分通過調節糖脂代謝、改善氧化應激、抗炎、抑制凋亡、改善循環、抗纖維化等起到疾病防治的作用[41]。Lei等[42]研究發現,黃芪甲苷通過抑制DKD大鼠TUG1表達,從而使DKD蛋白尿水平下降。TUG1過表達會促進TRAF5蛋白降解從而引起足細胞凋亡,損傷腎臟,導致大量蛋白尿,黃芪甲苷通過抑制TUG1起保護腎臟的作用。

4.2 中藥方劑

4.2.1 益腎顆粒:益腎顆粒主要由黃芪、太子參、生地、山萸肉、茯苓、澤瀉、當歸等藥物組成,具有益氣養陰活血之效,臨床應用廣泛,杜華等[43]發現,益腎顆粒上調DKD小鼠MALAT1表達,從而增加了其介導的自噬反應,細胞凋亡減少,腎足細胞得到保護,慢性腎臟病進展得到緩解。

4.2.2 芪黃益腎顆粒:芪黃益腎顆粒具有益氣養陰、利濕活血之功,由黃芪、太子參、生地黃、山茱萸、茯苓、澤瀉、丹參等組成。足細胞損傷是導致DKD不可逆損傷的重要病理改變,Wnt1/β-catenin是導致足細胞發生上皮間充質轉化,保護足細胞的重要通路,宋錦華[44]發現,芪黃益腎顆粒可顯著緩解DKD小鼠足細胞損傷,這與MALAT1表達水平下降,下調Wnt1/β-catenin信號轉導通路相關。

4.2.3 尿毒清顆粒:目前,尿毒清顆粒臨床廣泛應用于DKD患者,由大黃、桑白皮、黃芪、白芍、茯苓、丹參等藥物組成,全方共奏“健脾利濕、活血化瘀、清熱解毒”功效,尿毒清顆粒可顯著提高DKD患者抗氧化能力,改善腎炎性反應,降低血肌酐及尿蛋白。俞華等[45]應用尿毒清顆粒干預后測定KCNQ1OT1、Malat1的水平均下降,而DKD的抗氧化能力、炎性反應、血糖水平和腎功能以及臨床癥狀均改善,這與KCNQ1OT1、Malat1表達下降相關。

4.2.4 黃芪三七合劑:黃芪三七合劑以黃芪、三七、當歸、昆布、懷牛膝組成,對于氣虛血瘀型DKD臨床效果顯著,可以明顯改善DKD患者腎功能。腎小球炎性反應浸潤是DKD發生機制之一,林曉等[46]實驗發現,黃芪三七合劑干預可降低DKD小鼠體內TNF-α、IL-6、IL-1β、CRP、NF-κB的水平,黃芪三七合劑通過下調Arid2-IR抑制NF-κB從而抑制炎性反應保護腎臟。

4.2.5 糖腎方:糖腎方有益氣養陰、活血通絡之效,由黃芪、生地黃、山茱萸、衛矛、三七、熟大黃、枳殼共七味藥組成,氧化應激是糖尿病腎損傷的重要病理機制[47],MEG3低表達可激活Nrf2提高機體抗氧化作用。實驗研究發現[48],MEG3過表達加重HK2細胞增殖并誘導細胞凋亡,糖腎方干預后,MEG3受到抑制,TGF-β1、Nrf2信號通路均得到改善。

5 小結與展望

LncRNA是低翻譯或沒有翻譯功能但參與疾病發生發展的一類RNA,在疾病發生發展過程中具有重要意義,是DM重要的治療靶點和生物標志物,中醫藥干預可以通過調控LncRNA影響下游靶蛋白,改善DM。目前對于LncRNA的研究只是基因生物學中的冰山一角,絕大多數LncRNA的功能尚未完全可知,從LncRNA角度探討防治DM的臨床及動物實驗較少,尤其在中醫中藥干預LncRNA機制研究尚未深入。接下來需要繼續深入以下兩方面的研究:一方面,通過基因技術開展LncRNA基因多態性研究,探索ncRNA之間的相互調節及串擾,從基因層面探索與蛋白、分子層面聯系,深入研究LncRNA作用機制;另一方面,通過開展中藥單藥、藥對及組方干預LncRNA防治DM及并發癥研究,探索DM防治新成分、新靶點、新機制。