microRNA与DNA甲基化在糖尿病性心肌病中的作用

郭 鑫 杨 俊

(三峡大学心血管病研究所 三峡大学第一临床医学院，湖北 宜昌 443003)

糖尿病心肌病(DCM)是糖尿病患者不依赖缺血性心肌病、高血压、心脏瓣膜病等心血管疾病的独立心脏并发症之一，可引起心脏收缩〔1〕/舒张功能障碍、射血分数降低、心肌代谢紊乱、心肌纤维化、微血管病变、间质炎症、氧化应激及胞内钙稳态异常，并最终导致左心室功能障碍〔2〕。近年来，针对DCM的发病机制进行了广泛深入的研究。目前的研究认为，DCM也伴随着基因表达改变。事实上，基因表达失调参与了DCM发病过程〔3〕，针对这些基因的调控机制研究也愈发深入。其中，microRNA(miRNA)与DNA甲基化的发现使DCM基因调控的机制更为复杂。因此，针对miRNA和DNA甲基化的研究必将加深DCM发病机制的理解。

1 miRNA与DNA甲基化

1.1miRNA miRNA是约22个核苷酸组成的内源性非编码单链RNA，可识别靶基因mRNA的3′UTR相应序列〔4〕，于转录后水平调控基因表达。miRNA通常由RNA聚合酶Ⅱ(polⅡ)转录为具有发夹结构的单链初级转录产物(pri-miRNA)，再由Drosha剪切成pre-miRNA，转运至细胞质被Dicer裂解并最终形成成熟miRNA〔5〕。其中，Dicer和Drosha都是成熟miRNA形成过程中的重要酶。

miRNA合成过程失调可引起miRNA成熟及功能异常，引起多种疾病。最近的报道认为：Dicer酶表达改变可影响心脏功能〔6〕。Dicer酶是参与miRNA成熟的主要酶，其表达改变必然引起miRNA表达异常。最近的研究认为，miRNA表达的调节异常与多种心血管疾病的发生相关，如糖尿病性心肌病〔7，8〕。

1.2DNA甲基化 DNA甲基化是哺乳动物表观遗传修饰的重要组分。DNA甲基化主要发生于CpG岛，其在甲基转移酶(DNMTs)催化下将甲基基团转移至胞嘧啶碱基上，从而改变DNA空间构象。这些富含双核苷酸CpG岛广泛分布于人类整个基因组中，在正常细胞中呈甲基化状态，而启动子CpG岛内的CpG双核苷酸内则是典型未甲基化状态。然而，在细胞分化、遗传印记和X染色体失活等特殊情况下的从头甲基化，启动子CpG岛内的CpG双核苷酸也能够甲基化。DNA甲基化是在转录水平调控基因表达，在不同组织中，基因组各CpG位点甲基化状态的差异构成了人类基因组DNA的甲基化模式〔9〕。

1.3miRNA与DNA甲基化 大量研究表明：miRNA与DNA甲基化在调节基因表达过程中有着密切联系。epi-miRNA(一种miRNA亚组)可作用于表观遗传化合物，从而实现高反馈调控。 miRNA-29可作用于DNA甲基化转移酶DNMT3a和DNMT3b。值得注意的是，miRNA-29在肿瘤细胞和急性髓细胞性白血病细胞中的再表达可重新激活肿瘤抑制基因，从而促进这些细胞凋亡。其中，miRNA-29通过甲基化Mcl-1基因促进细胞凋亡〔10〕。该发现的重要意义还在其发现了一种未知的调控机制，即miRNA可直接调控DNA甲基化表观遗传修饰。

由于DNA甲基化在心肌病和正常心脏组织中的表现具有差异性〔11〕，因此评估DCM患者miRNA与DNA甲基化之间的联系则具有重要意义。我们可以推测：通过miRNA抑制剂调控其表达水平可能恢复心肌病患者基因表达，并为糖尿病患者治疗提供新思路。

2 miRNA与DCM病

2.1miRNA与心肌肥厚 心肌肥厚是DCM等多种心血管疾病的共同表现，这种病态肥厚常导致心脏衰竭，是引起患者死亡的决定因素。研究发现：肥厚心脏的小鼠模型体内miRNA表达谱发生变化〔12〕。

2.1.1miRNA-1 miRNA-1家族成员包括miRNA-206、miRNA-1-1 和 miRNA-1-2，其中前者在心肌中不表达而后两者显著表达〔13〕。miRNA-1-1 占整个心肌miRNA 表达量的40%。最近的研究发现：miRNA-1-1与DCM直接相关。此外，在1型糖尿病模型小鼠中发现：miRNA可下调Pim-1的表达，Pim-1在维持心肌细胞功能中发挥至关重要的作用〔14〕。

2.1.2miRNA-133 miRNA-133在心脏病理生理中的作用仅次于miRNA-1，其在心肌细胞中显著表达，在心肌肥厚过程中发挥关键作用。研究发现：miRNA-133在糖尿病模型兔的心脏组织中过度表达，并与血清反应因子(SRF)表达增加相关〔15〕，SRF在维持心脏功能中发挥重要作用。因此，miRNA-133表达增加可促进SRF表达从而引发DCM。

在DCM晚期阶段，除了心肌发生病理性肥厚，心肌细胞外基质也会重塑纤维化。其中，结缔组织生长因子(CTGF)发挥关键作用。研究发现，miRNA-133可在转录后水平调控CTGF表达〔16〕。因此，miRNA-133功能失调也可诱导心肌纤维化，而心肌纤维化是DCM的主要病理改变之一。

2.2miRNA与心脏电活动 由于调节心脏电活动的离子通道表达或功能缺失，心脏肥厚的形态重塑常常伴随着特定电生理改变。miRNA在调节离子通道基因表达过程中具有重要作用。miRNA表达异常可能影响离子通道表达，从而导致电活动缺失，最终引起心律失常等DCM并发症。在DCM动物模型中研究发现：miRNA-133表达上调与ERG钾通道表达下调有关，并导致心律失常〔15〕。

3 DNA甲基化与DCM

研究发现，DNA甲基化改变与糖尿病性心衰相关的基因表达异常具有直接相关性〔11〕。心衰的严重程度与促炎性肿瘤坏死因子α(TNF-α)基因表达水平正相关。已报道：TNF-α通过DNA甲基转移酶诱导的启动子甲基化减少SERCA2 (sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase)的表达〔17〕，SERCA2将细胞内的Ca2+转运至肌浆网内从而介导心脏舒张。

此外，在链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠心肌细胞中，学者研究了p53反应元件启动子区(p21WAF1/CIP1与cyclin D1)的表观遗传变化〔18〕。p21和cyclin D1基因调节细胞周期，p21在以上实验中的表达上调而cyclin D1表达则下降。P21基因完全去甲基化并激活，而cyclin D1基因完全甲基化从而失活。这种甲基化方式的差异可能源于p53依赖性的与DNA损伤相关的细胞周期阻滞，而非糖尿病直接引起的DNA甲基化。以上研究表明：DNA甲基化在DCM中发挥重要作用。

4 小结与展望

大量研究证实，糖尿病可引起心脏结构、功能以及心肌细胞损伤〔19〕，导致心肌形态学、电生理以及生化指标的异常〔20〕，削弱糖尿病患者心脏代偿能力。近年来，针对miRNA和DNA甲基化表观遗传修饰的深入研究扩宽了我们对DCM发病机制的认识。二者在调控DCM基因异常表达过程中发挥重要作用，功能密切联系。然而，miRNA和DNA甲基化在DCM病理生理中的研究尚待深入和完善，从而为DCM基因调控和治疗提供新思路〔21〕。

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