MicroRNA在糖尿病并发症中的研究进展

谢丽莉

综述

MicroRNA在糖尿病并发症中的研究进展

谢丽莉

作者单位：300192天津市，天津市第一中心医院检验科

糖尿病及其并发症严重威胁着人类健康，具体的发病机制尚不明确，其发生可能涉及到多重复杂因素。微小RNA（microRNA，miRNA）是一组长约22个核苷酸，非编码的小RNA，他们参与调节细胞的生长发育、分化、增殖和凋亡等。最近，越来越多研究表明，miRNA在糖尿病及其并发症的发病机制中起着重要作用，本文就miRNA的发现、生物学特性、合成及其作用机制、以及在糖尿病并发症中的研究进展进行综述。

微小RNA；糖尿病；糖尿病并发症；糖尿病肾病；糖尿病心脏病；糖尿病视网膜病变

doi：10.3969/j.issn.1674-7151.2015.01.013

目前，糖尿病已经成为继肿瘤、心脑血管疾病之后影响全球性公共健康的第三大慢性非传染性疾病。糖尿病并发症是糖尿病患者死亡的主要原因，因其进展缓慢，起病隐匿，一旦发生，病变很难逆转，故糖尿病并发症的早期诊断和治疗较为困难。近年来，一些研究表明微小RNA（microRNA，miRNA）在糖尿病，尤其是糖尿病并发症如糖尿病心脏病（diabetic cardiomyopathy，DC）、糖尿病肾病（diabetic nephropathy，DN）、糖尿病视网膜病变（diabetic retinopathy，DR）等的发生发展过程中起重要作用。本文主要就miRNA及其在糖尿病并发症中的研究进展做一综述。

1　miRNA的发现

1993年，Lee等［1］首先在线虫中发现了 miRNA，命名为RNA：lin-4。但是，该发现并没有得到应有的重视，直到2000年，Reinhart等［2］才发现了另一个类似的具有转录后调节功能的小分子RNA：let-7。2001年《Science》杂志报道了研究者从线虫、果蝇和人体克隆中发现的几十个类似lin-4的小分子RNA基因，被命名为microRNA。这时，miRNA才逐渐被人们所认知并迅速成为研究的热点。

2　miRNA的生物学特性

miRNA是一组广泛存在于真核生物中的非编码小RNA，长度约为19～25个核苷酸，其通过与靶基因序列特异性相互作用，在转录后水平调节信使RNA的表达，在生物体的各种生命活动过程中发挥着重要作用。miRNA广泛存在于多种真核生物中，从低等生物到人类都有其存在的痕迹，参与许多生物学现象与生理过程。其生物学特性主要表现为：分布广泛性、高度保守性、时序表达特异性、组织表达特异性和结构特异性。

3　miRNA的合成及其作用机制

miRNA的合成及其作用机制是一个十分复杂的过程：首先，细胞核内的miRNA基因转录成初级miRNA（pri-miRNA），然后由细胞核内的酶 DroshaRNase将其剪切成前体miRNA（pre-miRNA），核内的转运蛋白将pre-miRNA转运到细胞质中。在细胞质中的Dicer酶把pre-miRNA剪切成双链miRNA。成熟的miRNA与其互补链结合成双螺旋结构，接下来，双螺旋打开，其中的1条会与RNA诱导的基因沉默复合物 （RNA-induced silencing complex，RISC）形成非对称的RISC复合物。该非对称RISC复合物能够与目标靶mRNA相结合，发挥其调控基因的作用。其作用机制有两种：（1）复合物中的单链miRNA与靶mRNA的3＇UTR完全互补，造成mRNA被RISC降解。（2）复合物中的单链miRNA与靶mRNA的3＇UTR不完全互补配对，从而阻断该基因的翻译过程。在植物中，miRNA多以第1种方式起作用；而在动物中，miRNA则多以第2种方式起作用［3，4］。也有研究表明，miRNA不仅可以和靶分子mRNA的3＇UTR结合，还可以和编码区及5＇UTR结合。Wang等［5］的研究显示，miRNA通过与靶分子mRNA的编码区结合，调节胚胎干细胞的分化。研究［6］发现，不同组织或细胞在不同阶段表达着不同的miRNA谱。一个miRNA可调节数百个靶基因，包括细胞因子、转录因子等，miRNA与靶基因组成了复杂的调节网络。相对于蛋白水平的调节，miRNA水平的调节显得更加节省能量，效率更高而且可逆，大多数miRNA对靶基因起着微调作用，少数miRNA调节也可引起很明显的表型改变。

4　miRNA与DC

DC以心肌肥厚和收缩障碍为主要特征，这与持续高血糖（hyperglycemia，HG）状态引起miRNA的改变密切相关［7］。miR-133是在DC中第一个被发现发生改变的miRNA。心脏中miR-133水平的改变最终会导致两种结果：（1）QT间期延长综合征（long qt syndrome，LQTS）。QT间期是心电图中从Q波开始到T波结束的时间段。LQTS是一种威胁人类生命的疾病，其影响心脏系统并有可能导致晕厥、心跳停止和猝死。与LQTS相关的基因是HERG基因，HERG基因主要负责编码心肌中K+通道相关的蛋白，而在DC中HERG基因表达是被下调的，其下调主要发生在转录后水平。在糖尿病患者心脏中，HERG蛋白下降了60%而mRNA水平无改变。目前已经证实miR-133对HERG表达具有抑制作用。研究［8］显示，miR-133在糖尿病家兔和db/db小鼠的心脏中表达显著提高。高浓度的miR-133抑制HERG基因表达，进而导致快钾通道相关蛋白合成减少。在糖尿病患者心脏中降低快钾通道会导致QT延长，最终导致LQTS的发生而引起心律失常。（2）心肌肥大。miR-133对心肌肥大的作用与在LQTS中完全相反。miR-133过表达导致LQTS，而下调miR-133水平导致心肌肥大。Shen等［9］在以心肌肥大为特征的DC鼠模型中发现，丝裂原活化蛋白激酶 （mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号通路富集于心脏。该信号通路包括ERK1/2、JNK 和p38三个主要部分。研究者将乳鼠心肌细胞暴露于HG中并用miR-373转染，发现心肌细胞体积缩小，靶基因肌细胞增强因子2C水平降低，而miR-373的表达依靠p38的调控，因此，miR-373参与MAPK信号通路对心肌肥厚调控。另外，Feng等［10］在 T1DM心脏病小鼠的肥厚心肌组织及HG环境下培养的鼠新生心肌细胞中发现miR-133a表达显著上调。提示miR-133a在糖尿病患者心肌组织中开始上调可能是心肌肥厚的信号。

心肌损伤或能量代谢异常致心肌收缩障碍与miRNA调控相关。在体内外，分别用HG刺激心肌细胞，出现miR-1/ 206表达显著上调，随后对热休克蛋白60（heat shock protein 60，Hsp60）转录后调控使Hsp60水平降低［11］。Hsp60是糖尿病心肌损伤防御机制的重要组分，其下调将加速心肌细胞凋亡，导致心肌损伤。

5　miRNA与DN

DN是一种由糖尿病导致的肾脏疾病，与Kimmelstiel-Wilson综合征和毛细管间肾小球性肾炎相似，DN最终导致糖尿病患者发生肾衰。近年来有关miRNAs在DN发病过程中的作用已经引起研究人员的广泛关注。Wang等［12］将体外培养的人及小鼠肾小球系膜细胞，暴露在HG和转化生长因子-β1的刺激下，相比较于正常对照组，发现其与体内实验中糖尿病小鼠模型的系膜细胞一样均出现miR-373表达水平明显升高。miR-373通过减少p21活化激酶、超氧化物歧化酶和其他靶点的mRNA的表达，抑制相应蛋白合成，间接作用于细胞外基质蛋白-纤连蛋白，使其表达增加及氧化应激敏感性增强，从而在DN系膜改变的发生发展过程中起了重要作用。Fu等［13］报道氧化应激在DN发病机制中扮演重要角色。DN中还原型辅酶II（NADPH）氧化酶源性超氧与HG诱导的氧化应激较密切，而NADPH氧化酶的表达受到miRNA调控。miR-25作为内源性基因沉默因子，在DN中调控NOX4（HG状态下NADPH氧化酶主要催化亚基）的功能与表达。他们发现miR-25在糖尿病鼠的肾脏和HG处理的系膜细胞中降低显著，而NOX4表达水平升高。在体外研究中miR-25的抑制物显著提高了NOX4的mRNA和蛋白的水平，证实miR-25可能与NOX4的mRNA稳定性表达相关。Kato等［14］提出miR-216是导致DN的另一个潜在因素，即在肾小球系膜细胞中，TGF-β1刺激能上调miR-216的表达，导致Ⅰ型胶原α2的表达量增加，这牵涉到Ⅰ型胶原α2基因启动子上E-box序列和一系列分子复合物之间的关系，其中之一是受RNA结合蛋白Y-box结合蛋白-1的调节，他们提出假设即上调miR-216可通过Y-box结合蛋白-1介导对Ⅰ型胶原α2的调节，因此，TGF-β1刺激下通过miR-216抑制YB-1的表达可极大地促进纤维化的发展。

庞琦等［15］用12只HG且24 h尿白蛋白显著增高的先天性肥胖性2型糖尿病小鼠（db/db）作为早期DN组，db/m作为正常对照组，建立db/db小鼠早期DN miRNA的差异表达谱，用miRNA芯片技术和RT-PCR进行检测。通过对早期db/db小鼠的miRNA初步筛查显示，miR-196a、miR-98和miR-29c在DN组表达明显上调，miR-21、miR-451、miR-709 和miR-187在DN组表达明显下调，说明部分miRNA在DN和正常对照小鼠肾脏组织中存在差异表达，可能参与了DN发生的分子机制。Zhang等［16］同时发现在糖尿病db/db小鼠体内异位表达miR-21对DN组肾小球系膜增殖起着一定的调控作用，PTEN是miR-21的靶基因并受其负调控，miR-21的下调将导致肾脏纤维化。

6　miRNA与DR

DR是糖尿病最常见和最严重的微血管并发症之一，其主要的特征是视网膜微血管功能障碍，最严重的后果是导致失明，已成为大多数发达国家工作年龄人群致盲的首要原因。Kovacs等［17］采用链脲佐菌素诱导建立糖尿病大鼠模型，通过与对照组对比分析，发现在两组大鼠视网膜中有350种miRNA，其中86种miRNA表达有差异；视网膜内皮细胞中检测出220种miRNA，其中120种miRNA表达有差异。通过基因功能注释分析发现，miRNA-146通过作用于白细胞介素-1受体相关激酶1和肿瘤坏死因子受体相关因子6，抑制了核转录因子-κB的活化。与血管内皮生长因子诱导有关的miRNA-17-5p、miRNA-18a、miRNA-20a、miRNA-21、miRNA-31和miRNA-155等的表达都有增加。与p53相作用的miRNA-34家族在糖尿病组的表达上调，表明p53依赖的miRNA-34介导的细胞凋亡可能在早期DR中起重要作用。

目前，已有较多miRNA作用于视网膜新生血管机制方面的研究报道。Silva等［18］在对miR-29b及其潜在靶点促凋亡RNA依赖的蛋白激酶相关蛋白X进行定位和表达的研究中发现miR-29b和RAX定位和表达于正常小鼠和糖尿病小鼠的视网膜神经节细胞和视网膜内层核细胞中，且二者之间存在间接调控关系。因此，miR-29b的表达变化可尽早预测视网膜神经细胞的凋亡。另外，视网膜周细胞凋亡在DR早期发病机制中起重要作用，而NF-κB参与视网膜周细胞促凋亡程序的触发。McArthur等［19］利用基因芯片技术，对已经出现DR的大鼠视网膜和HG刺激下的人视网膜血管内皮细胞进行对比筛查，发现miRNA-200b的表达显著增高，同时血管内皮生长因子的mRNA和蛋白表达也增高。在视网膜中，miRNA-200b定位于神经元、神经胶质细胞和血管内皮细胞。通过基因干扰技术阻断miRNA-200b的表达，可明显降低血管内皮生长因子mRNA和蛋白的表达水平；同时也阻碍了糖尿病引起的视网膜血管通透性的增加和新生血管的生成。因此，针对miRNA的研究可能成为未来DR治疗的新靶点。

7　问题与展望

miRNA是目前生命科学领域研究的一大热点，虽然人类主要miRNA已经逐步被认识，但确定和破译每个miRNA的作用靶点和作用途径及其调节仍是目前极为重要的工作。糖尿病并发症发病机制十分复杂，目前已发现多种miRNA在其发病过程中起着重要作用。根据现有研究结果可推测，针对miRNA的进一步研究将有望发现早期诊断糖尿病并发症生物标志物及防治的新靶点，对糖尿病并发症的干预治疗提供新的突破口，有着广阔的临床应用前景和价值。

1Lee RC，Feinbaum RL，Ambros V，et al.The C.elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14.Cell，1993，75：843-854.

2Reinhart BJ，Slack FJ，Basson M，et al.The 21-nucleotide let-7 RNA regulates developmental timing in Caenorhabditis elegans.Nature，2000，403：901-906.

3Friedman RC，Farh KK，Burge CB，et al.Most mammalian mRNAs are conserved targets of microRNAs.Genome Res，2009，19：92-105.

4Gu S，Jin L，Zhang F，et al.Biological basis for restriction of microRNA targets to the 3＇untranslated region in mammalian mRNAs.Nat Struct Mol Biol，2009，16：144-150.

5Wang Y，Xu Z，Jiang J，et al.Endogenous miRNA sponge lincRNARoR regulates Oct4，Nanog，and Sox2 in human embryonic stem cell self-renewal.Dev Cell，2013，25：69-80.

6Yeung ML，Jeang KT.MicroRNAs and cancer therapeutics.Pharm Res，2011，28：3043-3049.

7Diao X，Shen E，Wang X，et al.Differentially expressed microRNAs and their target genes in the hearts of streptozotocin-induced diabetic mice.Mol Med Rep，2011，4：633-640.

8Xiao J，Luo X，Lin H，et al.MicroRNA miR-133 represses HERG K+channel expression contributing to QT prolongation in diabetic hearts. J Biol Chem，2011，86：28656.

9Shen E，Diao X，Wang X，et al.MicroRNAs involved in the mitogenactivated protein kinase cascades pathway during glucose-induced cardiomyocyte hypertrophy.Am J Pathol，2011，179：639-650.

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11Shan ZX，Lin QX，Deng CY，et al.miR-1/miR-206 regulate Hsp60 expression contributing to glucose-mediated apoptosis in cardiomyocytes.FEBS Lett，2010，584：3592-3600.

12Wang Q，Wang Y，Minto AW，et al.MicroRNA-377 is up-regulated and can lead to increased fibronectin production in diabetic nephropathy.FASEB J，2008，22：4126-4135.

13Fu Y，Zhang Y，Wang Z，et al.Regulation of NADPH oxidase activity is associated with miR-25-mediated NOX4 expression in experimental diabetic nephropathy.Am J Nephrol，2010，32：581-589.

14Kato M，Wang L，Putta S，et al.Post-transcriptional up-regulation of Tsc-22 by Ybx1，a target of miR-216a，mediates TGF-beta-induced collagen expression in kidney cells.J Biol Chem，2010，285：34004-34015.

15庞琦，牟娇，郭艳红，等.microRNA-215在糖尿病肾病小鼠肾组织中的表达及意义.中华肾脏病杂志，2012，28：305-311.

16Zhang Z，Peng H，Chen J，et al.MicroRNA-21 protects from mesangial cell proliferation induced by diabetic nephropathy in db/db mice. FEBS Lett，2009，583：2009-2014.

17Kovacs B，Lumayag S，Cowan C，et al.MicroRNAs in early diabetic retinopathy in streptozotocin-induced diabetic rats.Invest Ophthalmol Vis Sci，2011，52：4402-4409.

18Silva VA，Polesskaya A，Sousa TA，et al.Expression and cellular localization of microRNA-29b and RAX，anactivator of the RNA-dependent protein kinase（PKR），in the retina of streptozotocin-induced diabetic rats.Mol Vis，2011，17：2228-2240.

19McArthur K，Feng B，Wu Y，et al.MicroRNA-200b regulates vascular endothelialgrowthfactor-mediatedalterationsindiabetic retinopathy.Diabetes，2011，60：1314-1323.

（本文编辑：李霦）

（2014-11-17）