MicroRNAs 与老年窦房结功能减退研究现状

邵延翔 综述 范洁 审校

(昆明理工大学第一附属医院 云南省第一人民医院心内科，云南 昆明 650032)

窦房结是心脏的正常起搏点，窦房结细胞自动除极产生兴奋性动作电位，控制着人类心脏的跳动节律。近年来，世界人口老龄化日趋严重，伴随年龄增加产生窦房结相关疾病的患者数量逐年增长，这些患者中很多是由窦房结功能减退造成，其主要的临床表现为头晕、头痛、心悸、晕厥，严重时出现致命性心律失常，诱发猝死。因此，探明这种与年龄相关的功能减退机制，为疾病的诊疗提供新思路，成了目前的研究热点。

1 microRNA

人类基因组计划完成标志着人类基因的研究进入了后基因组时代。真核生物基因分为编码区与非编码区，非编码区的非编码RNA 基因占人类整个基因组近98%。非编码RNA 中研究最多的当属micro-RNAs(miRNAs)，成熟的miRNAs 是一种机体内源性表达的大小在19～25 个碱基之间高度保守的非编码RNA。这些高度保守与沉默相关的miRNAs 通过与靶mRNAs 的3'非翻译区结合，促进mRNAs 的降解，引起蛋白质翻译抑制，这种作用机制是miRNAs 调节基因表达的最主要机制［1］。在之后的研究中，越来越多的miRNAs 被发现，与miRNAs 相关的一系列研究表明，其在不同的病理生理过程中发挥不同的生物功能［2-3］。最近研究表明，miRNAs 在一系列如细胞代谢、细胞分化发育、细胞间通信等细胞生物学行为中起着关键作用［4-7］。细胞凋亡、心脏压力负荷、DNA 氧化损伤和致癌作用等生物学过程也与miRNAs 有关［1，8-10］。近年的研究证明:miRNAs 与年龄相关的表达谱变化，可能在基因表达调节过程中发挥重要作用;更有趣的研究发现，心脏有65种miRNAs 随着年龄的增长表达谱发生变化，其中55%的miRNAs 表达上调，45%的miRNAs 表达下调［11］。

2 年龄与窦房结功能减退

随着年龄增长，窦房结功能减退表现为固有心率下降，窦房结传导时间延长，其可能机制是离子通道基因表达异常、细胞间缝隙连接蛋白基因表达异常及窦房结内的细胞周期相关基因异常。为了探索其可能的原因，Huang 等［12］利用激光捕获显微切割技术获取不同年龄大鼠窦房结并进行超级化激活环核苷酸门控阳离子通道(hyperpolarization activated cyclic nucleotide-gated channel，HCN)基因表达水平的研究，结果发现，窦房结功能增龄性减退与HCN 的两个重要亚型HCN2 和HCN4 的表达逐渐下调密切相关，在老年大鼠(相当于人年龄70岁)HCN2 和HCN4 下调最显著;Jones 等［13-14］对不同年龄几内亚猪窦房结的研究也表明，几内亚猪窦房结中心CACNB1［Ca(v)1.2］和缝隙连接蛋白(connexin，Cx)43 缺失面积随着年龄的增加而增加，这种CACNB1 和Cx43 缺失面积的增加可能使心脏固有心率下降和窦房结传导减慢;Yanni等［15］在兔和猫的窦房结中发现，INa离子电流在窦房结中心是缺失的，它仅在窦房结外周组织出现，窦房结外周组织动作电位上升速率随着年龄增加下降趋向窦房结中心组织的水平，这提示窦房结外周组织Na+通道蛋白存在年龄依赖的下调。然而，Yanni 等在总结前人研究结果的基础上进行研究，却得出与之相反的结论，即年龄依赖性的心率下降并不是由INa与If电流缺失所导致，而是与窦房结结构的重构相关，主要体现在:窦房结组织增大，即细胞体积增大与细胞外基质重构［16］。有趣的是，Na(v)1.5 基因缺陷小鼠表现出显著的心动过缓［17］。最近，Tellez 等［18］发现，Cx45 的表达在大鼠窦房结也出现了增龄性的减少。总之，上述众多与年龄相关的研究表明，随着年龄增加，窦房结内各种离子通道蛋白发生了重塑和表达减少，其结果导致起搏电流谱的异常而导致窦房结功能减退;其次窦房结组织重构导致动作电位形成与传导异常致使窦房结功能减退。

3 miRNAs 与窦房结

3.1 miRNAs 与窦房结解剖的关系

窦房结多位于右心房界嵴与腔静脉的连接处，几十年的研究发现窦房结是心脏的起搏点，而最近的研究证明窦房结是位于界嵴附近，具有特殊电生理功能与特异结构性能的组织［19］。窦房结是心脏节律的控制中心，其不受心脏压力及窦房结外潜在起搏位点干扰的原因是窦房结存在一些重要保护机制:在人、猪等物种的研究中发现，窦房结与心内膜之间存在独特的心肌组织与连接结构，这些独特的心肌组织与连接结构一直被认为是保护窦房结远离心脏高压影响的重要组织结构［20］。尽管存在物种间差异，这些重要组织结构主要是胶原蛋白与成纤维细胞，当miRNA-125这种与炎症相关的因素刺激窦房结边缘组织产生炎症反应，破坏这种细胞结合结构，将使窦房结内外兴奋的传导紊乱，引起致命性心律失常［21-22］。此外，窦房结中心至心房肌细胞的细胞形式存在逐步过渡，这种过渡直至普通心房肌细胞，细胞形式逐步发生变化，越来越趋向心肌细胞，即窦房结与心肌组织间没有明确的界限，推测窦房结信号传导可能通过这些细胞实现;之后数字模型分析窦房结细胞电活动存在差异性等级分布，这种差异性等级分布可能是另一个重要的保护窦房结功能远离心肌影响的结构特征［20］。

3.2 miRNAs 与窦房结功能的关系

通过miRNAs 调节窦房结起搏功能研究，Yang等［23］证实miRNAs 主要通过调控窦房结离子通道基因、Cx 基因、与凋亡相关的基因，影响窦房结细胞兴奋产生、兴奋传导、凋亡周期，进而发生临床可见的各种心律失常，而窦房结起搏功能的维持依赖三个基本要素:(1)自律性——即窦房结细胞自发产生兴奋性动作电位的特性，这种动作电位是心脏自律性形成的基础，自发兴奋性动作电位的产生即心脏自律性的产生取决于细胞膜表面离子通道蛋白的表达，miRNAs 可调节离子通道蛋白基因表达;(2)完整心脏传导通路——心脏兴奋传导，取决于细胞、细胞间缝隙连接的完整性，Cx 表达变化将严重影响兴奋的传导，mi-RNAs可调控Cx 基因;(3)膜复极化——膜复极化速率控制动作电位时程与有效不应期的长短，避免强直收缩的产生，有效保护心脏。研究发现，窦房结及其周围组织主要表达的相关基因:超级化激活HCN(编码HCN 离子通道蛋白并产生内向If电流)、L型钙通道基因CACNB1［编码Ca(v)1.2 离子通道蛋白并产生内向ICa-L电流］、KCNJ12 基因(编码延迟整流K 离子通道蛋白并产生外向IK电流)、GJC1 基因(编码Cx45)、GJA1 基因(编码Cx43)、Na(v)1.5 基因(编码Na+通道蛋白并产生内向INa电流)及PUNTS 基因(调控细胞周期进展、DNA 修复和细胞凋亡)［24-26］。目前认为，窦房结细胞4 期自动除极的机制是两种内向电流(If电流、ICa-L电流)的增加和外向IK电流的衰减导致净内向电流增加而引发的自律性活动，与之相关的离子通道是If通道、ICa.L通道、IK通道，这些通道蛋白基因的表达受miRNAs 的调控［23］;另外，Cx43 和内向INa电流对窦房结起搏电流向外周的传导亦起十分关键的作用［24-25］，这两种因素也被miRNAs 调节［23］。因此，生理情况下，上述多种起搏相关基因在miRNAs 的调控下于窦房结适当表达，影响窦房结冲动的产生和传导。心脏正常节律的维持依赖窦房结功能正常，保持窦房结正常功能需要窦房结组织结构的完整性与离子通道基因的正确表达。miRNA-1 与miRNA-133 调节的HCN 基因家族在心脏特异表达，其中HCN2 与HCN4 转录表达的If通道蛋白与Cx43 在心脏窦房结表达量较心室与心房及其他组织高出10 倍［23］。研究证明，miRNA-1、Tbx3(T-box3 基因)与NRSF(含有锌指结构的转录因子)可能共同调节HCN4 mRNA 的转录与蛋白表达，随之导致起搏电流密度的减少［27］。因此，正常状态下miRNA 的表达量必须精确调控，其表达量的增加或减少均能引发严重的病理后果。许多病理情况如炎症、心肌肥厚及心力衰竭时，miRNA-125的表达水平异常增高，提示miRNA-125 在功能上可能参与心肌细胞与炎症细胞的增殖、分化及凋亡等多种心血管病理过程［23，28］，老年性窦房结功能减退的病理过程和上述病理过程十分相似，表现为窦房结及其周围组织的纤维化增生，以及起搏细胞和各种过渡细胞的凋亡和减少;因此，miRNA-125 表达水平异常增高很可能也参与了老年性窦房结功能减退的病理过程。

3.3 miRNAs 与窦房结细胞间连接的关系

哺乳动物细胞表面Cx 分布广泛，迄今为止，已经发现人有21种Cx，在心脏表达的主要为Cx40、Cx43 与Cx45［29］。Cx 在心脏的分布存在明显的差异性。Cx40主要在窦房结、心房肌、房室结与普肯耶纤维网传导系统表达;Cx43 只在心室与心房肌表达;而Cx45 主要在窦房结、房室结与普肯耶纤维传导系统中表达［30］。心脏发育过程中Cx 基因的突变可能导致严重的心脏畸形，但是在引起心脏畸形中所发挥的作用目前仍然不是很明确［31］。这些Cx 是细胞间信号传导的重要结构，其表达上调或下调可影响心脏窦房结起搏信号的传导［20］。以上研究充分证明了Cx 对窦房结功能的稳定具有重要意义。Yang 等［23］通过LUCIFERASE 技术与蛋白质凝胶电泳分析技术，成功地预测了miRNA-1 与miRNA-133 的靶基因中包括Cx 基因，进一步阐明mi-RNAs在窦房结功能异常中所发挥的重要功能。

4 讨论

尽管miRNA 调控老年窦房结功能减退的机制目前尚不十分明确，存在多种因素相互交织共同作用，并且不同个体发病机制不尽相同使窦房结功能减退导致心律失常表现形式多样化。目前众多研究表明，随着年龄增加，miRNAs 的转录异常，调控窦房结的各种通道蛋白基因与Cx 基因发生了重塑和表达减少，诱发与炎症相关的细胞填补组织缺损，以及窦房结细胞体积增大，使得窦房结组织结构发生变化，其结果导致起搏电流谱异常与传导异常，进而导致窦房结功能减退。由于窦房结组织结构复杂，窦房结细胞的纯化培养也没有形成完整的体系，使得miRNAs 对老年窦房结功能减退的机制研究并没有深入到细胞分子生物学水平。如若能够在纯化窦房结细胞的研究中取得进展，将为其细胞分子生物学研究提供便利，为生物起搏技术的研发与临床应用铺平道路。因此，充分了解老年窦房结功能减退的发病机制，对其诊疗具有重要的指导意义。

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