miRNA-21与心血管疾病

姚 怡 综述，王晓斌 审校

(泸州医学院附属医院麻醉科，四川 泸州 646000)

第一个miRNA lin-4发现于1993年线虫发育过程的研究中[1]。2001年在脊椎动物中也发现了miRNA[2]。现今，人类超过800个基因被克隆排序[3]，估计miRNA基因数量可高达1 000个以上[4]。miRNA通过降解、翻译抑制或激活目标mRNA调节其目标基因的表达[5]。miRNA可能直接调节细胞中至少30%的基因表达[6]。最近5年，部分miRNA包括miRNA-21的生物学功能已被研究证实[7]。miRNA-21由单个基因编码，进化上高度保守。人类的miRNA-21基因位于染色体17q23.2，与蛋白编码基因VMP1(或TMEM49)重叠。与其他一些选择性较强的miRNA不同，miRNA-21在哺乳动物器官组织如心脏、小肠、结肠、脾中广泛表达[9]，其生物作用在肿瘤研究方面已被很好证明[7-8]，确实已发现miRNA-21在许多肿瘤组织中存在过度表达。目前，miRNA-21在心血管生化和疾病方面的作用已引起广泛关注。miRNA-21在血管平滑肌(VSMC)[10]、内皮细胞[11]、心肌细胞[12]和心脏成纤维细胞[13]中均呈高表达，有趣的是在许多心血管疾病中存在异常高表达。近年来通过功能获得和丢失方法系列研究发现miRNA-21心血管疾病中发挥了重要作用，其目标基因已逐步被证实。本文主要介绍miRNA-21及其靶基因在心血管疾病中的作用和机制。

1 miRNA-21与增殖性血管疾病

血管内膜病变是血管疾病如动脉粥样硬化、冠心病、血管重建、血管移植常见病理现象。通过建立大鼠颈动脉血管内膜损伤模型，我们确定了血管成形术后的miRNA表达谱[10]，多个miRNA的表达有显著差异。与正常血管比较，球囊损伤的动脉miRNA-21的表达增加了5倍以上。先在球囊损伤的颈动脉血管内敲除miRNA-21过度表达则明显抑制了血管内膜生长[10]。体内和体外实验均证实miRNA-21主要通过抗平滑肌细胞凋亡和促进平滑肌细胞的增殖效应调节血管内皮增生。分子机制而言，第10染色体去除的磷酸酶和弹力蛋白同工异构体(PTEN)和PDCD4(死亡程序4)受miRNA-21调节。PTEN主要调节细胞生成、凋亡、肥大、萎缩，在心肌细胞、成纤维细胞、内皮细胞、血管平滑肌细胞均有表达，通过其靶点p13k和Akt发挥作用[14]，因而是心血管疾病发生的重要因子。PDCD4是肿瘤抑制基因，对血管平滑肌细胞和心肌细胞有重要的调节作用。通过小鼠动脉结扎损伤模型，发现增殖血管中miRNA-21上调，进一步证实了miRNA-21在增殖性血管疾病中的作用。

2 miRNA-21与心肌肥大和心功不全

2.1 心肌肥大是导致心血管疾病发病和死亡的重要因素 心肌肥大是高血压、缺血性心脏病、血管疾病、内分泌疾病等心血管疾病的常见病理反应，常导致心功能衰竭，是导致心血管疾病发病和死亡的重要因素。miRNAs是心肌细胞分化、生长的重要调节因子，因此有充足的理由认为miRNAs在心肌肥厚和心衰中有着重要作用。在小鼠心肌肥大的疾病模型中，均发现miRNA-21表达明显上调[12，15]。尽管尚有争议，多个研究证实miRNA-21对肥大心肌的形成起着至关重要的作用[12，15-20]。Thum等[16]报道心肌细胞中miRNA-21没有高表达。而Cheng等[12，17-18]发现心肌细胞中存在较高表达的miRNA-21。存在争议性结果的一个原因是心肌细胞中miRNA-21的表达与发育有关。新生大鼠心肌细胞中miRNA-21表达明显高于成年大鼠[16]。体外培养的心肌细胞中，抑制miRNA-21对心肌肥大有明显抑制作用[12，19]。miRNA-21是心肌细胞生长的关键调节因子[20]，抑制miRNA-21的表达能阻止β肾上腺素受体刺激诱发的心肌细胞生长，相反，miRNA-21过度表达的心肌细胞生长明显加快。进一步的研究证实，miRNA-21介导的心肌细胞长出主要与其靶基因SPRY2有关。Thum等[16]也证实了体内实验中miRNA-21的影响作用。这些研究证实在成年小鼠心脏中下调miRNA-21表达能减小心脏大小和重量。

2.2 心肌纤维化是心肌肥大和心功不全的一大病理因素 纤维化心肌细胞中miRNA-21表达明显高于正常心肌细胞。Thum等[16]发现心功不全的心肌成纤维细胞中，miRNA-21显著上调。由于心肌应急而上调的miRNA-21增强EPK-MAP激酶信号传导，导致成纤维细胞增殖和心肌纤维化。相反，成年小鼠心脏肥大和心功不全模型中，通过miRNA-21基因沉默可降低EPK-MAP激酶信号传导系统活性，抑制间质纤维化和心肌功能减弱。miRNA-21抑制不仅阻止了心肌肥厚，而且能够逆转应急所致的心肌重构。SPTY1(一个潜在的Ras/MEK/ERK通路的抑制剂)被发现是miRNA-21的直接靶基因，并介导了miRNA-21对心肌纤维化的作用[16]。

3 miRNA-21与缺血性心脏疾病

3.1 急性心肌梗塞长期是发达国家病死的主要因素 van Rooij等[21]鉴定了在心肌梗塞后期(心梗后3～14 d)心肌细胞中miRNA表达情况，这些研究发现miRNA-21、miRNA-214和miRNA-223在梗塞心肌边缘区域上调[18]。Cheng等发现心肌梗塞后6～24 h，大鼠梗塞心肌区miRNA-21表达显著下调，但边缘区域则上调。有趣的是，通过腺病毒介导的基因转染使miRNA-21的过度表达可减少心肌梗塞24 h后心肌梗死的面积，miRNA-21对抗缺血引起的心肌细胞梗死和心肌纤维化的保护效应部分通过其靶基因PDCD4及其下游分子活化蛋白(AP1)调节[5]。Yin等[22]在体内小鼠模型中鉴定了miRNA-21对缺血灌注损伤的心肌具有保护作用。他们发现用热休克或预处理诱导miRNAs表达包括miRNA-21可明显减少心肌梗塞面积，并进一步证实上调的热休克蛋白70(HSP70)、内皮诱导性一氧化氮合成酶可能参与了这些miRNAs介导的心肌保护[22]。然而，miRNAs如何取得其治疗作用目前还不清楚。由于这些miRNAs基因能很好地被他们的前体和腺病毒转染的方式进行表达，因此这些miRNAs的作用基于个体差异而存在较大变化，miRNA-21对靶基因的作用应该在未来的研究中给予证实。另外与外源性或化学修饰的miRNAs不同，裸露的miRNAs因在血液中不稳定，miRNA-21的治疗作用不可能通过裸露的miRNA-21来诱导。然而，为了确定这些miRNAs在体外的治疗作用，需要做更多的研究。使用腺病毒可能成为近期揭示miRNAs的作用机制有效途径[23]。

3.2 心肌纤维化是缺血性心脏病的一种心脏重构特征 Roy等[13]证实miRNA-21在小鼠缺血再灌注损伤所致的心脏重构期间心肌纤维化中发挥了主导作用。他们鉴定出PTEN是miRNA-21介导的心肌纤维化的靶基因，调控miR-21的表达通过其靶基因PTEN对基质金属蛋白酶MMP-2有明显作用，值得注意的是MMP-2的生物作用不仅限于纤维化。事实上，MMP-2也是多种伴氧化应激的疾病，如缺血灌注损伤、心功不全、动脉粥样硬化、动脉瘤等的关键蛋白酶[24]。

4 miRNA-21与人类心血管疾病

miRNA-21序列在整个脊椎物种中比较保守，变化不大。但人和其他脊椎动物的miR-21的基因位置不同。人的miRNA-21位于染色体17，大鼠和小鼠则分别位于染色体10和染色体21。人体心血管疾病组织不象肿瘤组织易得，目前仅有4篇论文研究了miRNA-21参与人类心血管疾病[25，16，19，26]。van Rooij等[25]报道未发现心功不全的患者miRNA-21表达有所改变，Ikeda等[26]采用微观序列分析，在人类缺血性心脏病、扩张性心脏病及主动脉瓣狭窄中也没发现miRNA-21表达有明显变化。相反，Thum等[16，19]报道心功不全患者心脏中miRNA-21高度表达。出现不同结果的原因可能和患者筛选、病程以及检测miRNA-21方法的不同有关。采用心血管疾病患者的脉管、血细胞以及血液miRNAs揭示miRNA-21的作用可望成为这一领域新的研究方法。

5 结论与展望

基础研究和临床研究均揭示miRNA-21在多种心血管疾病起着重要作用。识别和验证miRNAs的靶基因是全面认识miRNA功能以及心血管疾病诊疗前景重要一环[27]。目前结合统计学、生物信息、心血管实验方法心血管系统仅明确miRNA-21的四个靶基因[28]。miRNA-21的靶基因可能有其特异性[29]。如SPRY1不仅是miRNA-21在心肌细胞的靶基因，也是miRNA-21在心肌成纤维细胞的靶基因[16]。心血管疾病病程中，血管内皮细胞和白细胞作用不容忽视，miRNA-21在这些细胞中的作用尚待研究。现已证实miRNA-21的表达在组织、发展阶段、特定疾病方面受到严格调控[30]，但还不清楚病变心脏和血管中miRNA-21的表达如何调节。miRNA-21在人类组织中广泛表达的，随着检测技术和研究方法的发展，调节miRNA-21的表达将成为心血管疾病诊疗的新靶点。

[1]Lee RC,Feinbaum RL,Ambros V.The C.elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14[J].Cell,1993,75(5):834-854.

[2]Lagos-Quintana M,Rauhut R,Lendeckel W,et al.Identification of novel genes coding for small expressed RNAs[J].Science,2001,294(5543):853-858.

[3]Friedman JM,Jone PA.MicroRNAs:critical mediators of differentitation,development and diseasessa Me[J].Swidica Weekly,2008,139(33-34):466-472.

[4]Bentwich I,Avniel A,Karov Y,et al.Identification of hundreds of conserved and nonconserved human microRNAs[J].Naturn Genetics,2005,37(7):766-770.

[5]Pushparaj PN,Aarthi JJ,Kumar SD,et al.RNAi and RNAa-the jin and yang of RNAome[J].Bioinformation,2008,2(6):235-237.

[6] Lewis BP,Burge CB,Bartel DP.Conserved seed pairing,often flanked by adenosines,indicates that thousands of human genes are microRNAtargets[J].Cell,2005,120(1):15-20.

[7]Krichevsky AM,Gabriely G.miR-21:a small multifaccted RNA[J].Journal of Cellular and Molecular Medicine,2009,13(1):39-53.

[8]Selcuklu SD,Donoghue MT,Spillane C.miR-21 as a key regulator of oncogenic processes[J].Biochemical Society Transactoins,2009,37:918-925.

[9]Lagos-Quintana M,Rauhut R,Yalcin A,et al.Identification of tissue-specific microRNAs from mouse[J].Current Biology,2002,12(9):735-739.

[10]Ji R,Cheng Y,Yue J,et al.MicroRNA expression signature and antisense-mediated depletion reveal an essential role of MicroRNA in vascular neointimal Iesion formation [J].Circulation Reseach,2007,100(11):1579-1588.

[11]Suarez Y,Femandez-Hemando C,Pober JS,et al.Dicer dependent microRNAs regulate gene express and functions in human endothelial cells[J].Circulation Reseach,2007,100(8):1164-1173.

[12]Ji R,Cheng Y,Yue J,et al.MicroRNAs are aberrantly expressed in hypertrophic heart:do they play a role in cardiac hypertrophy?[J].Anterican Journal of Pathology,2007,170(6):1831-1840.

[13]Roy S,Khanna S,Hussain SR,et al.MicroRNA expression in response to murine myocardial infarction:miR-21 regulates fibroblast metalloprotease-2 via phosphatase and tensin homologue[J].Cardiovascular Research,2009,82(1):21-29.

[14]Qudit GY,Sun H,Kerfant BG,et al.The role of phosphoinositide-3 kinase and PTEN in cardiovascular physiology and disease[J].Journal of Molecular and Cellular Cardiology,2004,37(2):449-471.

[15]Tatsuguchi M,Seok HY,Callis TE,et al.Expression of microRNAs is dynamically regulated during cardimyocyte hypertrophy[J].Journal of Molecular and Cellular Cardiology,2007,42(6):1137-1141.

[16]Thum T,Gross C,Fischer T,et al.MicroRNA-21contributes to myocardial disease by stimulating MAP kinase signalling in fibroblasts[J].Nature,2008,456(7224):980-984.

[17]Chen Y,Liu X,Zhang S,et al.MicroRNA-21 protects against the H2O2-induced injury on cardiac myocytess via its target gene PDCD4[J].Journal of Molecular and Celluar Cardiology,2009,47(1):5-14.

[18]Dong S,Cheng Y,Yang J,et al.MicroRNA expression signature and the role of microRNA-21 in the early phase of acute myocardial infarction[J].Journal of Biological Chemistry,2009,284(43):29514-19525.

[19]Thum T,Galuppo P,Wolf C,et al.MicroRNA in the human heart:a clue to fetal gene reprogramming inheart failure[J].Circulation,2007,116:258-267.

[20]Sayed D,Rane S,Lypowy J,et al.MicroRNA-21 targets Sprouty2 and promotes cellular outgrowths[J].Molecular Biology of the Cell,2008,19(8):3272-3283.

[21]Van Rooij E,Sutherland LB,Thatcher JE,et al.Dysregulation of microRNAs after myocardial infarction reveals a role of miR-29 incardiac fibrosis[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States ofAmerica,2008,105(35):13027-13032.

[22]Yin C,Salloum FN,Kukreja RC.A novel of microRNA in late preconditioning:upregulation of endothelial nitric oxide synthase and heart shock protein 70[J].Circulation Research,2009,104(5):572-575.

[23]Kota J,Chivukula RR,O’Donnell KA,et al.Therapeutic microRNA delivery suppresses tumorigenesis in amurine liver cancer model[J].Cell,2009,137(6):1005-1017.

[24]Viappiani S,Nicolescu AC,Holt A,et al.Activation and modulation of 72 k Da matrix metalloproteinase-2 by peroxynitrite and glutathione[J].Biochemical Pharmacology,2009,77(5):826-834.

[25]Van Rooij E,Sutherland LB,Liu N,et al.A signature pattern of stress-responsive microRNAs that can evoke cardiac hypertrophy and heart failure[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United StatesofAmerica,2006,103(48):18255-18260.

[26]Ikeda S,Kong SW,Lu J,et al.Altered microRNA expression in human heart disease[J].Physiological Genomics,2007,31(3):367-373.

[27]Thum T,Catalucci D,Bauersachs J.MicroRNAS:novel regulators in cardiac development and disease[J].Cardiovascular Research,2008,79(4):562-570.

[28]Krutzfeldt J,Poy MN,Shelton J.Strategies to determine the biological function of microRNAs[J].Nature Genetics,2006(S),38:14-19.

[29]Cheng AM,Byrom MW,Shelton J,et al.Antisense inhibition of human miRNAs and indications for an involvement of miRNA in cell growth and apoptosis[J].Nucleic Acids Research,2005,33(4):1290-1297.

[30]Schroen B,Heymans S.MicroRNAs and beyond:the heart reveals its treasures[J].Hypertension,2009,54(6):1189-1194.