Micro-RNA在缺氧诱导心肌糖代谢中的调节作用※

贾晨阳 综述 任 明审校

(青海大学，西宁 810016)

Micro-RNA(miRNA)作为一种快速且可逆的转录后主要调节因子，涉及人体约60%的蛋白表达和近乎所有细胞的生物学功能，尤其micro-RNA在缺氧诱导心肌糖代谢中的调节作用日益受到学界关注，并由此生发出许多新的观点和认识，部分观点和认识还存在差异。本文就此做一简要综述。

1.miRNA概述

miRNA是一类由内源基因编码的长度约22～26个核苷酸的单链非编码RNA分子(non-coding RNA，ncRNA)，通过结合Argonaute(AGO)蛋白形成miRNA诱导沉默复合体(miRNA-induced silencing complex，miRISC)作用于靶基因，从而在转录和转录后水平发挥调控作用[1]。 自从1993年在秀丽隐杆线虫上被发现以来，有关miRNA的生物发生、作用机制及生物学作用的研究报道逐年上升。目前，miRBase数据库已经收录超过2 500种人类成熟miRNA信息[2]，经检测它们在人类基因组中保守的靶基因位点>45 000个，且超过60%的编码基因都能与miRNA结合，这足以证明miRNA调控的广泛性[3]。此后，研究表明miRNA作为机体的重要调控分子，几乎参与所有细胞的生物学功能；在许多疾病状态下，特别是在肝肾疾病和心血管疾病中观察到了miRNA的异常表达[4～6]。因此，研究调节miRNA功能分子机制及靶基因对各种疾病的治疗和预防有着至关重要的作用。

2.缺氧诱导的心肌糖代谢调节特点

早期研究证实，心肌缺氧时，脂肪酸、丙酮酸等有氧氧化代谢明显受到抑制，心脏主要靠增加葡萄糖的摄取来提供能量。近年来，越来越多的研究表明，缺氧诱导因子-1α(hypoxia-inducible factor，HIF-1α)在心肌糖代谢异常形成中起着重要作用。Okamoto等人[7]发现，HIF-1α在缺氧条件下会增加糖酵解并抑制线粒体氧化代谢；Valvona等人[8]发现，HIF-1α能够调节糖酵解的棕色脂肪细胞的生成，HIF-1α的激活可导致葡萄糖转运蛋白1、糖酵解酶(包括己糖激酶2、丙酮酸脱氢酶和乳酸脱氢酶)的上调，使无氧糖酵解能力增强、氧化磷酸化途径受到抑制。还有文献报道，HIF-1α在机体缺氧时还会优先促进参与糖酵解途径的编码酶基因的表达，如磷酸甘油酸激酶(PGK)和乳酸脱氢酶A(LDHA)[9]，以保护心肌细胞免受缺氧所致的损伤。MORIYAMA等人[10]研究发现，Notch信号通过增强HIF-1α的转录活性刺激糖酵解，在常氧和缺氧条件下敲除HIF-1α基因可以减弱NICD1上调的糖酵解基因的表达。Sung[11]等人通过建立体外大鼠心肌缺氧模型发现，当机体处于缺氧环境下可激活AMPK，AMPK间接地将隔离的GLUT1和GLUT4转移到线粒体膜上，同时通过磷酸化和激活磷酸果糖激酶2加速糖酵解。对缺氧环境下心肌糖代谢调节途径的研究结果显示，HIF-1α基因相对表达水平与糖酵解酶基因相对表达水平呈正相关，与三羧酸循环酶基因表达水平呈负相关。HIF-1α在介导缺氧诱导的心肌糖代谢调节信号通路中发挥着至关重要的作用。

Valvona[8]等研究者还发现，糖酵解限速酶、己糖激酶2和低密度脂蛋白表达在短时间(3天)缺氧分离的大鼠心肌细胞中上调，长时间(14天)时则受到抑制，表明短时间缺氧会诱导心肌细胞糖酵解，而长时间则会抑制糖酵解。缺氧条件下糖酵解的适应性上调可能有助于改善急性缺氧时心肌细胞的功能，但在长期缺氧条件下，糖酵解的降低反而会损害心肌细胞的活力。因此，缺氧时心肌糖代谢会根据病理生理条件进行动态改变，其主要受底物浓度、激素水平、冠状动脉血流量、缺氧时间和心脏负荷的调节。这种代谢灵活性使心脏在不同的生理条件下能够维持ATP的产生，保护心肌细胞免受缺氧损伤。

3.miRNA在缺氧诱导心肌糖代谢中的调节作用

3.1 miRNA-34a

近年来，miRNA-34a已被证明可以调节多种靶向蛋白，调控细胞周期和凋亡等，尤其是在肿瘤的发生发展过程起着重要作用[12]。有证据显示，miRNA-34a的表达下调可促进乳腺癌细胞的增殖和凋亡，而miRNA-34a的过表达可抑制乳腺癌的发生[13]。但在心肌缺氧的情况下，miRNA-34a对心肌细胞的作用和具体机制目前尚未明确。Li 等[14]发现，在心、脑、肺和肾四种脏器中，miRNA-34a在心脏组织中高度表达。在ZHANG等[15]的研究中发现，在低糖供应下、大鼠的心肌细胞受到缺氧影响时，miRNA-34a会在短时间内诱导摄取葡萄糖和产生乳酸，但长期缺氧会导致miRNA-34a适应性上调，从而抑制心肌细胞的糖酵解。Courtnay 等人[16]发现，在急性缺氧环境中，miRNA-34a负性调节HIF-1α的表达，HIF-1α及其下游靶基因GLUT1可被激活，导致葡萄糖摄取增加以维持能量需求。还有研究发现，乳酸脱氢酶A(LDHA)是miRNA-34a的直接靶标，心肌细胞中LDHA 与miRNA的3-UTR区域结合，通过糖酵解的恢复抑制miRNA-34a来改善缺氧诱导心肌细胞的功能障碍[17]。由此可见，miRNA-34a可通过调控靶基因的表达进而维持心肌细胞糖代谢的稳态，在缺氧诱导心肌细胞功能障碍中起重要作用，是治疗I/R损伤的可能靶点。

3.2 miRNA-150

以往的研究表明，在急性心肌梗死[18]小鼠模型中，miRNA-150通过抑制单核细胞的积累和细胞死亡来保护心脏免受损伤。然而，miRNA-150在缺氧诱导心肌细胞糖代谢中的具体作用机制尚不清楚。有文献报道，miRNA-150在心肌细胞缺氧损伤中起保护作用，通过抑制GRP94的表达。葡萄糖调节蛋白94(Glucose Regulation Protein 94，GRP94)是内质网(ER)中含量最丰富的糖蛋白，它通过保护细胞免受缺氧引起的应激而参与、维持细胞存活[19]。分子研究机制表明，GRP94是哺乳动物miRNA-150的潜在靶点，miRNA-150作为一种新型的抗缺氧小RNA，可以通过靶向GRP94的3′-UTR来负调控GRP94的表达[20]，从而抑制了缺氧诱导的心肌糖酵解受损所致的心肌细胞凋亡，这有助于理解糖代谢和心血管疾病之间的关系。

3.3 miRNA-199a-5p

在缺氧环境下，miRNA-199a-5p对心肌细胞的保护作用已被公认。先前的研究发现，在不同的细胞中，miRNA-199a-5p可以负性调节未折叠蛋白的相关基因，包括葡萄糖调节蛋白、激活转录因子和肌醇需要酶[21]。最新研究表明，中度缺氧可以降低心肌细胞中的miRNA-199a-5p，随后上调其葡萄糖调节蛋白靶基因的表达水平，避免了细胞凋亡的发生[22]；慢性缺氧可通过激活Stat3通路下调miRNA-199a-5p水平，促进葡萄糖调节蛋白和激活转录因子的表达，从而起到保护心肌细胞的作用[23]。miRNA作为一种重要的转录因子，除miRNA-199a-5p外，缺氧时Stat3信号的激活对其他miRNA或编码基因的表达也具有正/负调节作用，如miRNA-17和miRNA-146[24]。此外，miRNA-199a-5p调控的靶基因数量较多，HIF-1α也是miRNA-199a-5p的重要靶基因之一，目前还没有关于HIF-1α能直接调控葡萄糖调节蛋白表达的相关研究。缺氧条件下miRNA-199a-5p的下调可以通过增加多种基因的表达对心脏起到保护作用，但目前尚不清楚是哪种机制导致缺氧心肌细胞中miRNA-199a-5p的降低。

3.4 miRNA-370-3p

目前的研究表明，miRNA-370-3p是心肌细胞中Circ0010729的下游靶点，Circ0010729是心肌细胞中表达的环状RNA(CircRNA)。CircRNA在心血管疾病中经常被报道，其通过调节细胞生物学过程在心血管疾病中发挥重要作用[25]。Chen[26]等人发现，经缺氧处理的心肌细胞中表达Circ0010729，当Circ0010729表达下调时，缺氧诱导的心肌细胞糖酵解抑制被减弱，可通过改善缺氧诱发的心肌细胞功能障碍起到保护心脏的作用。在机制上，CircRNA被广泛报道为具有基因调控潜力的有效miRNA“海绵”[27]，miRNA-370-3p作为心肌细胞中Circ0010729的下游靶点，其过度表达可对抗缺氧诱导的心肌细胞糖酵解抑制。此外，Qiu等人[28]发现，miRNA-370-3p通过调节细胞氧化应激反应及存活率对缺氧诱导的心肌细胞损伤发挥保护作用，这可能是心肌梗死的新治疗靶点。然而，目前miRNA-370-3p在心肌梗死中的作用和机制尚不清楚。

3.5 miRNA-let-7家族

目前，miRNA被认为对心血管生物学的许多重要方面发挥调控作用，包括对缺氧应激反应和心肌细胞生长、分化、代谢的反应[29]。在第一批被鉴定的miRNA中就包含了miRNA-let-7家族成员[30]。在其他类型的细胞中，miRNA-let-7已被证明可调节参与糖代谢、糖酵解和炎症的基因[31]。研究表明，心肌组织中miRNA-let-7表达的下降，与心肌细胞需要通过糖酵解生成ATP的快速适应缺氧应激期相一致。miRNA-let-7通过靶向调节胰岛素信号和糖代谢途径中的多个基因发挥阻遏作用，被公认为葡萄糖利用的阻遏因子[32]。因此，缺氧心肌细胞中的miRNA-let-7通过促进葡萄糖摄取发挥心肌细胞免受缺氧损害作用。

miRNA-let-7i-5p(let-7i-5p)也是let-7家族的成员之一，在心血管系统中高度表达，已被证明是一种心脏保护性miRNA[33]。研究表明，let-7i-5p的强制性高表达可改善缺氧心肌细胞的线粒体能量代谢功能障碍，抑制乳酸脱氢酶和乳酸生成以及促进ATP的产生和葡萄糖的摄取。Zhang等人[33]指出，受缺氧刺激的心肌细胞H9C2细胞可诱导外泌体分泌，以传递包括let-7i-5p在内的心脏保护性miRNA，从而减轻心肌细胞凋亡。Hu等人[34]发现，let-7i-5p在体内心肌梗死后对心肌细胞具有保护作用，当let-7i-5p沉默时，增加了心肌细胞糖酵解水平，促进了心功能恢复。因此，miRNA-let-7家族在心肌梗死和心力衰竭等中发挥了作用[35]。

尽管miRNA-let-7家族参与各种心血管代谢过程的调节，但尚不清楚miRNA-let-7家族是如何发挥具体作用的，也不清楚它在心脏中是如何调节的。因此，进一步研究miRNA-let-7家族在缺氧诱导心肌细胞增殖、凋亡和糖代谢中的表达和作用，以及信号通路显得尤为重要。

3.6 其他miRNA

Zeng[36]等学者认为，无论是糖酵解还是糖异生因子都能通过上调糖异生酶(G6PC3)和醛酸来增加葡萄糖利用率，以维持ATP生成。Zhou[23]等证实下调miRNA-122在缺氧状态下的表达，并通过上调G6PC3和醛酸来刺激细胞对葡萄糖的摄取，还通过上调醛酸来提高葡萄糖利用率，以维持ATP生成。

对暴露于低氧环境中的离体小鼠心脏内皮细胞进行研究时发现，miRNA-21在心脏成纤维细胞中显著表达，是保持心肌糖酵解能力的关键，其参与了急性心肌梗死中心肌细胞凋亡的调节过程，并影响了急性心肌梗死的预后[37]。Lin[38]等人研究表明，缺氧诱导的miRNA-27和miRNA-195是维持心肌细胞体外代谢状态、代谢转录途径、氧化代谢过程和存活率所必需的因子。这些关于miRNA的研究结果支持了缺氧时将线粒体脂肪酸氧化产生的ATP转化为糖酵解诱导心肌细胞适应缺氧消耗的观点，证明了miRNA在心肌细胞代谢中的分子作用。在缺氧期间，这种miRNA的表达方式在细胞对缺氧的反应中越来越明显，其miRNA-24、miRNA-22、miRNAr-26b、miRNA-214等似乎也在心脏功能的不同方面有重要作用[39]。

如上所述，不同的miRNA在缺氧心肌细胞中所对应的靶基因类型及数量不同，决定了其调节通路的不同。目前，miRNA在缺氧诱导的心肌糖代谢中发挥调节作用的具体机制未完全阐明。

4.展望

由于miRNA在不同心血管疾病中具有特异的表达模式，我们可将miRNA作为心血管疾病的新型生物标记物或诊断指标；miRNA特异性靶基因的发现将有助于揭示复杂心血管疾病中心肌能量代谢的分子机制，促进新的治疗方法的产生。当然，miRNA在心血管疾病方面的研究仍处于早期阶段，对其具体的作用机制认识仍然较浅，还有两个问题有待深入探讨：miRNA在心血管疾病发生发展过程中的机制；不同miRNA调控数个不同的靶基因是否会引起脱靶效应。