MicroRNA在心血管系统发育和疾病中作用的研究进展

微小RNA(MicroRNA，miRNA)是一种单链、非编码的内源性RNA，长度为18～25个核苷酸，通常在转录后负向调节基因的表达水平，通过与信使RNA(mRNA)的3’非翻译区(3’-untranslated region，3’UTR)互补结合抑制mRNA翻译或使其降解，最终引起基因沉默。miRNA在胚胎发育、细胞增殖和分化、凋亡、代谢及肿瘤发生等多种生理病理进程中均发挥重要作用[1]。与控制基因表达开关的转录调节子不同，miRNA常通过调控蛋白翻译水平改变基因的表达[1]。一种miRNA可能通过调控细胞内多种功能相关的基因表达调控细胞发育过程，同时每个mRNA分子可能被多种miRNA调节[2]。从1993年秀丽隐杆线虫中发现第一个miRNA-lin-4至今，人类基因组中已发现2 000余种miRNA。

1 miRNA的作用机制

在细胞基因组学中，miRNA基因属于进化保守的一类，可独立存在或形成多组分复合物存在，miRNA基因常作为独立的转录单位进行转录。细胞核中，miRNA被RNA聚合酶Ⅱ转录为约几千个碱基对的初始miRNA(pri-mRNA)；pri-mRNA被蛋白复合物Drosha剪切为约70个核苷酸的前体miRNA(pre-mRNA)；之后核输出蛋白-5识别pre-mRNA，将其从细胞核运输到细胞质中；细胞质内，pre-mRNA被RNase Ⅲ 内切酶Dicer剪切为近22个核苷酸的双链miRNA[1]。其中一条先导链，参与RNA诱导的沉默复合体(RISC)合成，变为成熟miRNA；另外一条配对链，被降解或合并到细胞微泡中释放到细胞外[3]。RISC效应器形成后，miRNA可与靶mRNA结合。RISC主要与mRNA的3’UTR序列结合，一旦miRNA-mRNA序列配对正确，RISC中具有核酸内切酶活性的Ago2蛋白剪切mRNA，导致其降解；miRNA与mRNA序列配对不完全时，miRNA的翻译过程被抑制[1]。

2 miRNA在心血管发育中的作用

在心血管系统中，miRNA调控心肌细胞的生长和收缩、心律的发展与维持、脂质代谢和血管生成[4-6]。有研究通过对miRNA基因敲除从而阻断心血管系统miRNA表达，有助于了解miRNA在心血管生物学中的重要性[4]。小鼠敲除Dicer/Drosha/Ago2等重要基因后，由于心脏和血管出现严重发展缺陷，早期胚胎阶段即导致小鼠死亡[7]。

miRNA在不同类型细胞表达中具有差异性。心肌细胞含量最丰富的是miR-1，其中miR-1和miR-133由相同的双顺反子转录，但心肌细胞miR-133表达量低于miR-1。胚胎发育早期，miR-1和miR-133协同促进干细胞中胚层分化；发展后期，miR-1和miR-133发挥相反的作用：miR-1促进而miR-133抑制心肌细胞中胚层分化[8]。miR-1通过调节转录因子Irx5和Hand2表达影响心脏发育，靶向敲除miR-1导致室间隔缺损[9]。miR-133影响细胞周期蛋白D2和血清反应因子的活性，细胞周期蛋白D2通过作用于细胞G1期成视网膜瘤蛋白的磷酸化控制心肌细胞的增殖；血清反应因子负责调节心肌和平滑肌的分化和生长[10]。

心脏发育期间收缩蛋白的表达受到严格调控。肌球蛋白基因异常成为心室重构的病理基础。肌球蛋白受控于miR-208a、miR-208b、miR-499这三种miRNA，它们分别存在于myh6(alpha-myosin heavy chain，α-MHC)，myh7(beta-myosin heavy chain，β-MHC)和myh7b的内含子中[8]。啮齿类动物中，β-MHC在胚胎发育期间表达，α-MHC在出生后表达，myh7b在上述两个阶段均表达。miR-208a、miR-208b具有相同的种子序列，说明在不同发展阶段它们调节共同的靶基因[11]。成年心脏中，在低氧或甲状腺功能减退等环境下，心肌细胞β-MHC合成物重新表达。

3 miRNA在血管中的作用

作为血管壁的组分，内皮细胞和平滑肌细胞参与维持血管稳定。miRNA通过调节内皮细胞和平滑肌细胞的结构和功能，抑制炎症反应及细胞增殖、迁移等促进血管稳定，减少动脉粥样硬化的发生。

miR-10a通过调节黏附分子表达调控促炎内皮细胞表型，miR-10a敲除增强单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)、白介素(IL)-6、IL-8、血管细胞黏附分子-1(VCAM-1)和E-选择素等促炎介质合成，有研究发现，主动脉易发病区域miR-10a表达是降低的[5]。参与调节炎症反应的其他miRNA分子包括miRNA Let-7g、miR-126等，miRNA Let-7g已被证明是一个重要的抗炎和抗老化分子，通过靶向抑制转化生长因子-β(TGF-β)信号通路和Sirt1(与细胞衰老相关)的相关基因，下调内皮细胞活化和老化[12]。miR-126在内皮细胞中高度表达，可减少黏附分子表达及血管内皮细胞和白细胞间的相互作用从而抑制炎症反应[13]。

血管损伤引起平滑肌细胞的非正常收缩、增殖和扩张。miR-221通过抑制细胞周期依赖性蛋白激酶抑制剂p27及减少收缩基因α-平滑肌动蛋白(SMA)、平滑肌钙调蛋白(CNN)表达，促进血管平滑肌细胞(VSMC)增殖[4]。Zhao等[14]研究指出，内皮细胞诱导平滑肌细胞miR-143/145的表达，miR-145通过靶向TGF-β受体Ⅱ，以可变方式调控TGF-β信号通路。细胞间接触刺激后，由内皮细胞衍生的TGF-β介导miR-143及miR-145从平滑肌转移到内皮细胞中。miR-143和miR-145分别靶向调节己糖激酶Ⅱ和整合素β-8，由此抑制内皮细胞形成毛细管样结构，降低其增殖能力，维持血管稳定性[15]。

4 miRNA在心血管疾病中的作用

4.1 miRNA与高血压 位于肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)中miRNA靶基因在血压调节中是非常重要。miR-155可调节血管紧张素Ⅱ1型受体(AGTR1)。AGTR1的表达量与miR-155呈负相关，与血压呈正相关。中国仓鼠卵巢细胞miR-155抑制导致AGTR1的上调，且使细胞外信号调节激酶1/2(ERK1/2)活化[16]。miR-155基因位于21号染色体上，三体化21号染色体与血压降低有关，患有21三体综合征同卵双胞胎病人表现为AGTR1蛋白的低水平表达与miR-155的高水平表达[17]，说明miR-155通过对21号染色体的调控影响血压水平。

L-精氨酸转运体1(SLC7A1)参与内皮功能的紊乱及高血压的发生。有研究发现，miR-122与SLC7A1基因的3’UTR序列有3个或4个潜在的结合位点。miRNA与3’UTR结合后，SLC7A1基因表达抑制，从而导致血管内皮功能紊乱，最终导致高血压的发生和发展[18]。

4.2 miRNA与心力衰竭 近年来国内外研究者普遍认为，心力衰竭本质是一种分子-临床综合征，基因表达调控异常与HF的发病机制密切相关。肌质网Ca2+循环失调和心脏收缩功能受损是心力衰竭的一个重要标志，其原因可能是由于蛋白磷酸酶-1(PP-1)去磷酸化活性增加所致。Cai等[19]研究结果表明，心力衰竭时miR-765过表达，miR-765通过与蛋白酶抑制剂-1mRNA的3’UTR结合增加PP-1活性，使其去磷酸化。

Potus等[13]通过研究证明miR-126在由肺动脉高压(PAH)所致的右心室衰竭过程中发挥重要作用。miR-126直接靶向作用于血管内皮细胞生长因子信号通路的负向调节子SPRED-1。由于甲基化作用，miR-126在PAH诱导的右心室衰竭病人表达是下调的，同时该研究证明高水平miR-126可改善微血管密度，降低纤维化，提高右心室功能。

4.3 miRNA与心肌梗死 心肌梗死是所有冠状动脉疾病的一个重要标志，具有极高的致死率。心肌梗死模型及细胞中，miRNA存在差异表达。有研究发现，miR-1在正常心肌细胞几乎不表达，心肌梗死病人心脏组织及心肌梗死大鼠模型梗死周边区miR-1表达明显上调，miR-1通过抑制抗凋亡因子Bcl-2表达促进心肌细胞凋亡[20-21]。心肌梗死时miR-24表达是下调的，miR-24通过抑制促凋亡蛋白Bim翻译降低细胞凋亡[2]。

Xu等[22]研究指出，心肌梗死大鼠模型miR-145表达下调，通过慢病毒介导的miR-145过表达，极大地增强心功能，减少梗死面积，阻止梗死后诱导的心肌细胞凋亡。miR-145可能通过与其靶标凋亡相关蛋白4-抗体(PPCD4)结合降低线粒体介导凋亡，从而发挥心脏保护作用。

4.4 miRNA与心室重构 心肌与心肌梗死相关的缺血/再灌注损伤常导致心室重构，此过程受各种miRNA调控。miR-21通过沉默TGF-β受体Ⅲ的基因表达，升高TGF-β1含量，从而激活TGF-β1/Smads通路相关蛋白及基质金属蛋白酶-2(MMP-2)蛋白表达量，促进成纤维细胞分化，并分泌大量胶原纤维，参与心室重构进程[23]。miR-21可直接上调心肌成纤维细胞Bcl-2蛋白表达，从而抑制心肌成纤维细胞凋亡，促进心肌纤维化。特异性miR-21抑制剂可阻止上述反应，避免心肌肥大及纤维化[24]。

分子水平上，成熟的α-MHC转变为胚胎的β-MHC，导致包括心肌肥大、纤维化等心室重构过程的发生，其中α-MHC内含子中的miR-208a与上述过程有关。miR-208a在心脏中特异表达，通过作用于靶基因甲状腺激素受体相关蛋白1(THRAP1)发挥作用[5，24]，其敲除能保护心脏免受压力条件下的病理学重构。将miR-208a抑制剂靶向转移至高血压小鼠中，可延迟其诱导的心功能损害，说明miR-208a抑制剂可作为心血管疾病的潜在治疗药物[25]。

4.5 miRNA与心律失常 心律失常即心脏活动的起源和(或)传导障碍导致心脏搏动的频率和(或)节律异常，是心血管疾病重要的一组疾病。连接蛋白43(conexin43，Cx43)是由GJA1基因编码的具有心室细胞间传导功能的心肌缝隙连接作用(IK1通道)；Kir2.1通道是由KCNJ2基因编码的，具有调节和维持心脏细胞膜电位功能的通道[26]。缺血性心肌病miR-1表达升高，miR-1通过抑制GJA1和KCNJ2表达而使Cx43和Kir2.1产物减少，从而导致心律失常发生。

HCN2和HCN4属于超极化激活的循环核苷酸门控通道(HCN)基因家族，它们控制心脏起搏电流(If)，与心脏自律性密切相关。心肌肥厚和心力衰竭病人HCN2和HCN4表达量明显增高，易导致心律失常的发生。HCN2和HCN4分别受miR-1和miR-133的靶向抑制调节，Luo等[27]通过研究发现，miR-1和miR-133表达下调导致HCN2和HCN4过表达，从而导致肥厚性心肌病电重构的发生。因此，miRNA通过对靶基因调节影响心脏自律性，进而发挥抗心律失常作用。

5 小 结

miRNA的发现改变了对基因表达调控的常规理解。随着对miRNA了解的深入，如何将其更好地运用于临床诊断与治疗尤为重要。miRNA已广泛应用于肿瘤的临床诊断与治疗领域，如某种肿瘤miRNA的特异性变化视为信号标志物，为肿瘤进展及病人存活时间等提供依据。心血管系统中，miRNA通过调控细胞分化、迁移和增殖等影响心血管发育和各种心血管疾病等病理生理过程。相关实验报道，miRNA对动物模型及人体毒性微乎其微，因此在疾病治疗方面发挥巨大的潜力。

采用miRNA治疗疾病通常有两种途径，一种是抑制体内异常表达的miRNA，从而使机体某些生理功能恢复正常；另一种是通过miRNA过表达，沉默体内异常表达基因，保护机体的相应功能免受损害。已有部分基于miRNA合成的药物达到临床研究阶段，如用于治疗丙型肝炎(HCV)的miR-122抑制剂已进入二期临床研究阶段[28]。miR-122在肝细胞特有而且是HCV复制的必需物，miR-122抑制剂的使用可降低病毒复制数量，缓解HCV病程[29-30]。然而，利用miRNA在不同心血管疾病的差异表达设计的药物目前尚未用于临床治疗中。心血管疾病是一种致死性疾病，发展新的治疗和诊断方法很有必要，而miRNA在心血管生物学及心血管疾病中的独特作用使其成为极具前景的研究靶向。