环状RNA:心脏疾病治疗的新靶点

李 根，柴 璐，蒋雅楠

（哈尔滨医科大学药学院药理学教研室，黑龙江哈尔滨 150081）

据世界卫生组织统计数据显示，心血管疾病已成为全球首要致死原因，占世界总死亡人数的31%［1]。依据《中国心血管病报告2017》，我国心血管病占城乡居民总死亡原因的首位，患者人数约2.9亿，且患病率及死亡率仍处于上升阶段［2]。

随着生物医学的发展，非编码RNA的生物功能和作用机制逐渐被揭示。环状RNA（circular RNA，circRNA）是一类在真核细胞中广泛存在的特殊非编码RNA，大多通过5’端和3’端的反向剪接形成闭合环状结构，少部分由内含子直接环化而成。由于circRNA不具有5‘端帽子和3’端poly（A）尾结构，不易被RNA酶降解，因而比线性RNA更稳定。circRNA在不同物种间保守性高，其表达不仅具有组织器官特异性和时空特异性，而且可在DNA、RNA和蛋白等多层面发挥基因表达调控作用［3-4]。本文综述心脏circRNA研究进展，以期为心脏疾病的防治提供新思路。

1 circRNA在心肌中的表达及其与心脏发育的关系

最近的一项研究对人和小鼠心肌及人胚胎干细胞衍生心肌细胞（human embryonic stem cellderived cardiomyocytes，hESC-CM）中circRNA表达进行检测，分别在人和小鼠心肌中发现15 318和3017个circRNA［5]。人心肌表达最丰富的circRNA为circSLC8A1-1，其不仅是潜在的心肌细胞生物标志物，而且也有望应用于心脏疾病的诊断［6]。丰度高的circRNA对应心脏的关键基因，包括基联蛋白（titin，TTN）基因、兰尼定受体2基因和杜氏肌营养不良基因。其中，TTN是人类最长的转录本，可产生多达415个不同的外显子circRNA［5]。另一项研究在人、大鼠和小鼠心肌中分别发现了13 074、8764和5868个circRNA，其中的1288个circRNA为三者所共有，提示circRNA具有较高的保守性［7]。在小鼠心脏发育过程中，其丰度呈下降趋势［5]。后续研究提出，circRNA表现出独立于其宿主基因的动态表达模式，与心肌的分化密切相关［8]。此外，circRNA也在人多能干细胞衍生心肌细胞（human induced pluripotent stem cell derived cardiomyocytes，hiPSC-CM）发育和应激反应中动态表达，并可能与核糖体和RNA诱导沉默复合物相互作用［9]。这些研究提示，circRNA在心脏发育过程中发挥关键作用，但其确切分子机制仍需深入研究。

2 circRNA在心脏疾病中表达的变化和诊断治疗意义

2.1 糖尿病性心肌病

糖尿病是诱发心肌纤维化的重要原因，可导致心功能下降，甚至慢性心力衰竭。circRNA在糖尿病性心肌病中异常表达，并参与疾病发展过程。在糖尿病d b/d b小鼠心肌组织中发现4 3个circRNA异常表达，其中2 4个上调，1 9个下调［10]。circRNA_010567表达显著上调，其可通过吸附微RNA-141（miR-141），增加转化生长因子β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）表达，进而促进纤维化发展过程。沉默circRNA_010567，进而下调T G F-β1，抑制Ⅰ型、Ⅲ型胶原及α-平滑肌肌动蛋白（α-smoothmuscle actin，α-SMA）表达［9]。与此相似，circRNA_00203在糖尿病小鼠心肌和血管紧张素Ⅱ处理的小鼠心脏成纤维细胞中表达上调。其过表达可通过吸附m i R-26 b-5 p，增加Ⅰ型、Ⅲ型胶原及α-S M A表达，进而促进纤维化发展进程［11-12]。另有研究显示，miR-142-3 p在Ⅰ型糖尿病小鼠心肌组织中表达显著降低，预测其靶circRNA有1 4个。对这些circRNA基因进行基因本体（geneontology，GO）分析，发现其可能参与代谢、氧化还原、Notch信号通路、酶催化、蛋白加工、蛋白糖基化、小RNA出核、脂肪酸B氧化和糖原加工等生物学过程。京都基因与基因组百科全书通路分析发现，mmu_circ_0001460可通过调控Akr1b 8基因参与糖脂代谢过程；mmu_circ_0001800及0001801通过调控A ph1b基因影响Notch信号通路；而其0002281通过调控Man1a基因参与糖原生物合成和内质网蛋白加工。上述circRNA是否通过行使这些功能参与心肌病的发展，还有待后续实验证明［13]。上述研究提示，circRNA在糖尿病性心肌病中发挥重要作用，circRNA_010567和0 0 0 2 0 3等有望成为糖尿病性心肌病治疗的新靶点。

2.2 心律失常

一项针对血浆circRNA与心房颤动的相互关联研究报道，通过circRNA芯片检测，发现房颤患者血浆中的3 1个circRNA表达显著失调，包括2 4个上调及7个下调［14]。hs a_circRNA_0 2 5 0 1 6在新发房颤患者血浆中表达显著增高，有望成为预测术后房颤的标志物，实现更准确定位患者及提高预防性治疗效果的目的［14]。另一项研究发现，circRNACDR 1 as在急性心肌梗死患者血浆中表达显著升高，其表达水平与患者心电图Q T间期离散度增加及室性心律失常发生呈正相关［15]。mi R-1等mi RNA在心律失常的发生中具有重要作用［16]。以m i R-1为例，根据star Basev 2.0（http：//star base.sysu.edu.cn/star base 2/index.php）预测，共有4 5 4个circRNA可与m i R-1靶向结合，这提示可能存在大量circRNA参与调控心律失常进程。虽已发现大量circRNA在心律失常中发生表达改变，但其对心律失常的作用和机制仍有待深入研究。

2.3 心肌梗死

心肌梗死发病快，死亡率高，严重危害人类生命健康。因此，寻找有效的生物标志物，快速、准确且特异性地识别急性心肌梗死后左心室重构和功能障碍对挽救患者生命至关重要。一项研究对急性ST段抬高型心肌梗死患者和健康志愿者的外周血中circRNA表达进行比较分析，在检测的882个circRNA中，患者外周血中有460个表达上调，422个表达下调。外周血circRNA_30741表达水平显著高于正常健康对照者。生物信息学分析显示，circRNA_30741参与调控miR-21，miR-188，miR-568和miR-655［17]。然而，其是否通过调控miRNA参与心肌梗死目前尚不清楚。另一项研究发现，心肌梗死相关环状RNA（circRNA MICRA）来源于位于染色体15q22的锌指蛋白609（zinc finger protein 609，ZNF609）基因的第一外显子区，其在心肌梗死患者血中表达显著降低。circRNA MICRA的低表达与左心室功能异常密切相关，这项研究有助于早期评价心肌梗死患者预后［18]。

动物实验结果发现，circRNA Cdr1as在心肌梗死模型小鼠心肌及低氧诱导的心肌细胞中高表达。其过表达可通过吸附miR-7a，进而抑制miR-7a的靶基因多聚ADP核糖聚合酶（poly ADP-ribose polymerase，PARP）及转录因子SP1表达，促进小鼠心肌细胞凋亡，而过表达miR-7a可逆转Cdr1as的作用［19]。线粒体分裂与凋亡相关环状RNA（circRNA MFACR）在缺血再灌注小鼠心肌和缺氧/复氧处理小鼠心肌细胞中表达显著增高，其可直接吸附并进而下调，miR-652-3p靶基因MTP18，促进心脏线粒体分裂和心肌细胞凋亡。相反，敲除MFACR可减少缺氧/复氧导致的线粒体分裂，减少心肌梗死面积［20]。因此，circRNA Cdr1as和MFACR是潜在的心肌梗死诊断治疗靶点。

2.4 冠心病

冠心病全称为冠状动脉粥样硬化性心脏病，是诱发心肌梗死进而导致心源性猝死的重要原因。人类全基因组关联分析（genome-wide association studies，GWAS）发现，染色体9p21.3上INK4/ARF（CDKN2a/b）位点可转录生成线性的长非编码RNA（lncRNA）和circRNA ANRIL，其单核苷酸多态性与动脉粥样硬化风险密切相关［21-22]。进一步研究发现，INK4位点反义非编码环状RNA（circRNA ANRIL）可通过调控核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）发挥抗动脉粥样硬化作用。在血管平滑肌细胞和巨噬细胞中，circRNA ANRIL可结合一个重要的60S-核糖体前体的装配因子——pescadillo同源物1（pescadillo homologue 1，PES1），进而影响核酸外切酶介导的rRNA前体加工和核糖体合成，诱导核仁应激和P53激活，导致细胞凋亡和生长抑制。因此，circRNA ANRIL可能成为缓解动脉粥样硬化的新靶点［23]。最近的研究提示，circRNA对冠心病也具有诊断意义。冠心病患者外周血中22个circRNA发生差异表达，12个上调，10个下调。其中，hsa_circ_0124644在冠心病患者中显著上调，与SYNTAX评分呈正相关，且曲线下面积（area under the curve，AUC）最大［24]。hsa_circRNA11783-2在冠心病和2型糖尿病患者外周血中表达显著下调，预测其可能作为“miRNA海绵”吸附miR-608和miR-3907发挥生物学功能［25]。circTCF25在冠心病患者外周血单核细胞中表达水平显著降低，与空腹血糖、肌酸激酶和Gensini评分呈负相关，其表达水平每增加一个单位，冠心病发病风险就降低45%［26]。因此，hsa_circ_0124644、hsa_circRNA 11783-2和circTCF25是潜在的冠心病诊断生物标志物。

2.5 心力衰竭

已有研究发现，circRNA可通过调控miRNA参与心衰的发生。miR-223在心衰小鼠和患者心肌中表达显著上调，可靶向抑制活性调节细胞骨架相关蛋白（activity regulated cytoskeletal-associated protein，Arc）表达。过表达miR-223转基因小鼠出现心肌肥厚和心衰表型，而敲除miR-223可抑制异丙肾上腺素诱导的心肌肥厚。心脏相关环状RNA（circRNA HRCR）在异丙肾上腺素或主动脉缩窄处理的小鼠心肌中表达显著下调。促进其表达可通过抑制miR-223，进而抑制心肌肥厚和心衰的发生［27]。在心肌梗死诱导的心衰小鼠心肌中，29个circRNA上调，34个下调。而且，TargetScan和miRanda预测mmu_circRNA_013216可能与miR-181a-3p，486a-5p和486b-5p存在相互作用关系，mmu_circRNA_010567可能与miR-124，miR-141和miR-200a存在相互作用关系，它们可能通过miRNA调控基因表达，其功能和机制还有待进一步研究［28]。

2.6 心脏衰老

circRNA在心脏衰老时发生变化，并与心脏衰老过程密切相关。叉头框蛋白环状RNA（circRNA Foxo3）在老年患者、小鼠心肌组织和过氧化氢处理的多种小鼠细胞（如小鼠胚胎成纤维细胞、小鼠乳鼠心脏成纤维细胞、小鼠成纤维细胞N I H 3 T 3、小鼠黑色素瘤细胞B 1 6、原代培养的小鼠乳鼠和1 2周龄小鼠心肌细胞）中均高表达［29]。在多柔比星处理的小鼠中，circRNA Foxo 3表达增高可加重心肌病变，而抑制其表达可缓解多柔比星的作用。在小鼠胚胎成纤维细胞中，沉默circRNA Foxo 3可抑制细胞衰老，而过表达可促进细胞衰老［29]。进一步研究发现，circRNA Foxo 3主要分布于胞浆，其可与D N A结合抑制剂1，E 2 F转录因子1以及抗应激蛋白局部粘着斑激酶和低氧诱导因子-1 α相互作用，使之不能发挥抗衰老和抗应激作用［29]。另一项研究发现，circRNA Foxo 3与细胞周期进展密切相关，其在小鼠心肌成纤维细胞中高表达，可使细胞停滞在G1期而无法过渡到S和G2期，而干扰circRNA Foxo 3可促进细胞增殖［30]。这2项研究提示，circRNA Foxo 3可能成为延缓心脏衰老的新靶点。

3 展望

随着生物医学研究手段的发展，非编码RNA的功能越来越受到关注，尤其是circRNA的发现开辟了新的研究领域。circRNA不仅在个体发育和疾病发生中起重要作用，而且有望成为新疾病的生物标志物和治疗靶点。尽管在心脏疾病中发现大量circRNA发生表达变化，但迄今仅少数circRNA的作用和机制被初步揭示。因此，circRNA的作用和机制仍是目前的研究热点，尤其是circRNA-m i RNA-m RNA调控网络的构建将有助于深入了解疾病发生机制，发现新的防治靶点。对于circRNA的转化医学研究，中国科学院动物研究所王昆和李培峰等［31-33]发明了系列靶向线粒体分裂与凋亡相关circRNA、C H I F及M N C R等预防和治疗心肌肥厚、心肌纤维化、冠心病和心衰等疾病的新方法，有望将circRNA应用于临床实践。circRNA的研究和应用可能为多种心脏疾病的诊断和治疗带来革命性的改变。