从LncRNA探讨糖尿病及并发症发病机制与中医药干预研究进展

周吉,周伟秀,祝然然,王子晨综述 阴永辉,王海燕审校

糖尿病(diabetes mellitus,DM)是一种由环境与遗传介导的,以高血糖为特征的慢性代谢性疾病,主要包括1型糖尿病、2型糖尿病(T2DM)、妊娠糖尿病及特殊类型糖尿病,其发病机制主要有胰岛β细胞分泌功能下降、胰岛素抵抗或缺乏等,糖尿病发病机制复杂,主要涉及炎性反应、氧化应激、细胞凋亡、内质网应激、线粒体损伤、DNA甲基化等。流行病学调查数据显示,截至2021年我国糖尿病患病人数已达到1.4亿[1],糖尿病并发症主要包括微血管及大血管病变,严重威胁人类生命健康,已成为导致人类死亡的主要慢性病之一。近些年来,随着基因组学的不断发展,对长链非编码RNA(LncRNA)研究越来越丰富与深入,越来越多不同种类的LncRNA被证实参与了糖尿病及其并发症的发生发展,文章就LncRNA参与糖尿病及其并发症防治现状和中医药干预进行综述,指出不足并展望,以期为读者提供临床与科研思路。

1 LncRNA概述

非编码RNA(ncRNA)是指没有或有较低蛋白质翻译功能的一类RNA,包括微小RNA(miRNA)、环状RNA(CircRNA)及LncRNA[2],ncRNA虽然没有编码蛋白质的能力,但在生理和病理过程中ncRNA具有一定潜在作用,其中LncRNA发现较晚,虽然其生物学功能尚未完全探明,但随着高通量基因测序技术不断发展,LncRNA已成为目前研究疾病发生的热点机制之一。

LncRNA指长度大于200的核苷酸序列,在RNA聚合酶Ⅱ转录下,多在5′末端被7-甲基鸟苷加帽,3′末端形成多聚腺苷酸化,广泛存在于细胞质和细胞核,其不直接参与基因编码和蛋白质合成,但能从多个层面调控基因表达、调节蛋白质功能以及参与信号转导与机体代谢、免疫等过程[3-4],在人体起着关键的调节作用,LncRNA大体分为五类:包括正义、反义、双向、基因内及基因间LncRNA[5]。作为目前的热点机制,LncRNA被证实与肿瘤、糖尿病、高血压、心脑血管病发生密切相关,尤其在糖尿病及并发症方面均有涉及,这也为疾病发生机制提供了更多的标志物和靶点。

2 LncRNA参与介导糖尿病

随着基因测序技术的不断发展,lncRNA在糖尿病领域的研究越来越丰富,越来越多研究证实了两者的相关性[6],LncRNA在调节T2DM胰岛功能、外周葡萄糖稳态及脂代谢等机制中发挥一定作用[7-8]。近年在lncRNA位点中鉴定出诸多T2DM相关的单核苷酸多态性位点,这些位点与β细胞功能具有相关性。LncRNA能调节β细胞特异性转录因子表达,LncRNA敲低或过表达会影响其他关键基因表达和翻译途径而影响生物活性,显示出其高度的组织特异性。

2.1 MALAT1 LncRNA转移相关性肺腺癌转录本1(LncRNA MALAT1)是一种在肿瘤发生与转移中研究较多的LncRNA,糖尿病患者额外增加的肿瘤罹患风险与高糖诱导的MALAT1过表达相关。MALAT1单核苷酸多态性使国内汉族人群T2DM风险增加[9]。在DM患者中MALAT1表达水平明显升高,并且MALAT1的高表达参与T2DM进展[10]。研究发现[11],在高糖条件下,巨噬细胞来源外泌体中MALAT1表达增加,从而抑制巨噬细胞抵抗素表达,巨噬细胞吞噬异常,导致异常的血管细胞凋亡,最终加速DM及血管病变进展。另外,在肝星状细胞中,高糖促进人沉默调节蛋白1(SIRT1)表达激活转化生长因子β(TGF-β),肝星状细胞向成纤维细胞转变,促进肝纤维化[12],肝糖原合成与分解异常,加重DM。

2.2 Reg1cp 再生胰岛衍生1cp(Reg1cp)能介导胰岛功能损害,Reg1cp基因突变后,会导致胰岛素分泌受损以及胰岛素抵抗增加,介导T2DM发病。Guo等[13]将具有胰岛β细胞特异性突变Reg1cp基因敲入到小鼠体内,β细胞功能障碍和胰岛素抵抗加重,这与聚嘧啶束结合蛋白1(PTBP1)在β细胞中的磷酸化及脂联素受体被抑制相关,PTBP1及脂联素途径通过抑制胰岛素分泌加重胰岛素抵抗,介导T2DM发生。

2.3 Kcnq1ot1 lncRNA KCNQ1重叠转录物1(Kcnq1ot1)是一个位于KCNQ1位点上的长链非编码RNA基因,参与细胞增殖、迁移、上皮间质转化、凋亡、自噬和炎性反应过程,在胰腺中含量较高。多个研究发现[14],Kcnq1ot1在db/db模型小鼠和高糖(HG)培养的人肾小球系膜细胞及T2DM患者血清中均显著过表达。通过敲低Kcnq1ot1可改善胰岛素分泌,增加β细胞数目,并且能够抑制细胞增殖、细胞外基质积累、炎性反应和氧化应激。

3 LncRNA参与介导糖尿病并发症

3.1 LncRNA参与介导糖尿病肾脏病 糖尿病肾脏病(DKD)是DM临床常见且难治的慢性微血管并发症,预估到2045年全球DKD患者达到7亿人[15-16],严重威胁着DKD患者的生命健康。近年来,大量实验证实,氧化应激、炎性反应、细胞自噬、线粒体功能障碍、内质网应激、表观遗传学等机制与DKD的发生密切相关,但DKD的发病机制仍然难以明晰。多种LncRNA表达改变参与了DKD的发生发展,在调节染色质功能、改变细胞质mRNAs的稳定性和翻译,以及干扰相关信号通路等方面影响着DKD病理生理变化[17]。

3.1.1 H19:LncRNA H19是长链非编码RNA家族的重要成员,作为最早被鉴定和表征的lncRNA之一,能够调控相关蛋白介导DKD[18]。H19可以通过特定的miRNA的碱基配对和螯合而作为竞争性内源RNA发挥作用。Shi等[19]发现在DKD肾纤维化小鼠血清中H19表达显著上调,提出H19或许间接导致肾脏纤维化的发生。另有学者发现[20],过表达的H19能够抑制DKD足细胞凋亡,促进DKD足细胞增殖、侵袭、迁移等行为,H19过表达通过靶向调控细胞凋亡相关蛋白及细胞自噬相关蛋白而对DKD足细胞起到保护作用。

3.1.2 TUG1:LncRNA 牛磺酸上调基因1(TUG1)位于人类22q12.2染色体,与肿瘤发生及细胞代谢相关,在健康者、T2DM及早期DKD患者中血清TUG1水平依次升高,与糖化血红蛋白、肾小球滤过率、血肌酐、血尿素氮、血脂及尿白蛋白排泄率等指标呈正相关[21]。研究指出[22],高表达的TUG1可改善内质网应激,缓解高糖诱导的肾上皮细胞损伤。高糖下调TUG1,内质网应激- C/EBP同源蛋白(CHOP)升高,诱导DKD足细胞凋亡[23]。Wang等[24]发现,DKD小鼠肾组织及DM大鼠肾小管导管上皮(NRK-52E)细胞中TUG1水平降低,TUG1过表达通过靶向促进组织金属蛋白酶抑制因子3的表达,从而抑制高糖刺激NRK-52E细胞的纤维化和DKD小鼠的肾纤维化。

3.2 LncRNA参与介导糖尿病周围神经病变 糖尿病周围神经病变(DPN)是DM常见的慢性并发症之一,主要表现为肢体的对称性感觉障碍、麻木、发凉、疼痛等,给患者带来较大痛苦。LncRNA通过参与调节表观遗传、转录和转录后水平的基因表达而影响着DPN进程[25]。研究发现[26],DPN患者外周血单核细胞中LncRNA显著上调,可见LncRNA与DPN发生发展关系密切。

3.2.1 NEAT1:NEAT1是在哺乳动物细胞核中高度丰富表达的LncRNA,参与介导DPN,Hassani等[27]发现,DPN患者的外周血单个细胞核中NEAT1和重链结合蛋白基因表达水平显著升高,是调控DNP的途径之一。

3.2.2 UC.25+:p38丝裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)磷酸化介导DPN发生。Wu等[28]发现通过上调DPN大鼠脊髓UC.25+,可以激活转录激活因子1(STAT1),降低脊髓小胶质细胞P2Y14受体的表达,减少炎性反应因子的释放,降低p38 MAPK的磷酸化,达到改善DPN的目的。

3.3 LncRNA参与介导糖尿病视网膜病变 糖尿病视网膜病变(DR)是DM高发病率的严重微血管并发症,可产生不可逆的视力损害,是导致失明的主要原因之一。其发生机制包括炎性反应、细胞凋亡、血管功能障碍和神经血管单元功能障碍等。LncRNA高甲基化会影响DR进程,作为生物标志物或治疗靶点,LncRNA非常具有潜力。大量的研究证实[29],LncRNA如H19、HIF1A-AS1、ZNRD1-AS1、XIST等作为DR标志物的可行性。

3.3.1 TUG1:TUG1对DR发挥促进作用。成纤维细胞生长因子受体2(FGFR2)激活导致血管纤维化是引起DR重要机制之一,研究发现[30],高表达 TUG1损伤人视网膜微血管内皮细胞,抑制TUG1可降低HG诱导的人视网膜微血管内皮细胞的增殖、迁移和血管生成。这与抑制FGFR2过度活化相关。

3.3.2 FLG-AS1:丝聚蛋白反义RNA 1(FLG-AS1)是近年被发现的LncRNA,参与肥胖、T2DM、口腔癌、宫颈癌的发生。Luo等[31]发现在DR中FLG-AS1水平下降,FLG-AS1过表达慢病毒载体干预DR视网膜上皮细胞,可降低丙二醛(MDA)和超氧化物歧化酶(SOD)、IL-1β、IL-6和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)水平,改善炎性反应、氧化应激和凋亡,减轻DR损伤。

3.4 LncRNA参与介导糖尿病心肌病 糖尿病心肌病(DCM)是指长期高血糖导致心室肥厚、纤维化、细胞坏死甚至舒张功能障碍的特异性心肌病,是DM严重并发症之一。DCM与糖脂代谢紊乱、心脏胰岛素信号受损、晚期糖基化终末产物积累、炎性反应、自噬、氧化应激等机制相关,具体分子机制仍不清楚。大量证据表明[32],lncRNA在DCM发病机制中起着关键作用,LncRNA参与DCM可能与调节心肌纤维化、细胞凋亡、心肌肥大、炎性反应、氧化应激、糖脂代谢和胰岛素抵抗相关。

3.4.1 MALAT1:MALAT1参与DM多个并发症,心肌细胞焦亡是DCM重要机制之一,Shi等[33]在HG诱导的H9C2心肌细胞和原代心肌细胞中发现两者MALAT1表达活跃,且NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NLRP3)水平升高,心肌细胞焦亡加重,可见抑制MALAT1可以缓解细胞焦亡状态。

3.4.2 GAS5:生长停滞特异性转录本5(GAS5)是调控哺乳动物细胞凋亡和生长的一种lncRNA,在人类各种组织和器官中广泛表达,研究指出[34],GAS5与T2DM患者心血管病的发生有关。Zhu等[35]发现,GAS5在体外和体内DCM中均显著上调,而GAS5的敲低有效减轻了心肌纤维化,抑制了高糖诱导的心肌细胞损伤,抑制GAS5或许是缓解DCM的重要途径之一。

3.5 LncRNA参与介导糖尿病脑血管病 糖尿病脑血管病(DCD)是指以高血糖为发病基础的一系列脑血管病变,包括脑动脉粥样硬化、急性脑血管病和无症状卒中等,是临床DM较为严重的并发症之一,具有病死率、致残率、复发率均较高的特征。DCD发病机制复杂,至今仍阐述不清,近年,由lncRNA介导的DCD机制研究成为热点。

3.5.1 Meg3:Meg3作为一种抑癌基因被广泛研究,被认为是调节缺血性脑卒中的重要介质。Chen等[36]发现,在大鼠脑微血管内皮细胞(RBMVECs)建立的体外DM脑缺血性损伤模型中,Meg3水平增加,p53激活,磷脂过氧化氢谷胱甘肽过氧化物酶(GPX4)水平降低,过氧化促进了RBMVEC由高糖再灌注诱导的细胞铁死亡进程,从而诱发脑血管病。

3.5.2 FENDRR:FENDRR是一类新发现的抑癌LncRNA,在构建的DM脑缺血再灌注模型中,FENDRR水平显著升高,Wang等[37]发现在DCD中FENDRR促进NLR家族卡蛋白4(NLRC4)炎性反应复合物和焦亡介导的炎性反应因子增加,E3泛素连接酶受到抑制,NLRC4蛋白的泛素化和降解减少,影响细胞焦亡,抑制FENDRR或将成为缓解DCD的重要机制。

3.6 LncRNA参与介导糖尿病胃肠病变 糖尿病胃肠病变(DGID)是DM常见的慢性并发症之一,长期高糖状态导致胃肠道系统的动力和功能异常,常出现便秘、腹胀、腹泻、呕吐等表现。DGID包括食管病变、糖尿病胃轻瘫(DGP)、肠道病变,病理机制主要有自主神经功能紊乱、高血糖、胃肠道激素分泌失常、胃肠道生物力学重构等,目前,LncRNA在DGID中的作用机制研究较少,但仍有涉猎。

MALAT1能加速DGP进展,DGP中MALAT1的表达上调[38]。DGP病理机制主要涉及胃平滑肌细胞增殖、凋亡等过程。DGP胃平滑肌细胞中的MALAT1过表达可以增加α平滑肌肌动蛋白和骨骼肌慢肌纤维肌球蛋白重链的表达,降低细胞活力,抑制人胃平滑肌细胞中细胞迁移的潜力并诱导细胞凋亡。研究发现[39],DGP模型小鼠的胃组织及HG条件下培养的人胃平滑肌细胞中MALAT1上升,而体外敲除MALAT1影响了人胃平滑肌细胞的活力、增殖和迁移,并促进了人胃平滑肌细胞在HG条件下的表型转换。

4 中医药干预LncRNA防治糖尿病及其并发症

糖尿病属祖国医学“消渴、脾瘅”等范畴,饮食、环境、情志、体质因素等是导致消渴发生的基本因素,阴虚为本、燥热为标是消渴基本病理机制,治疗上多益气养阴,兼顾健脾、补肾、祛痰、活血、清热等。中医药在糖尿病及并发症防治方面具有独特的优势,随着LncRNA在糖尿病领域研究逐渐丰富,由中医药干预LncRNA介导的糖尿病及其并发症研究不断深入。

4.1 单味中药

4.1.1 藏红花:藏红花具有活血化瘀、散郁开结的功效,有效成分有抗炎、抗氧化、抗肿瘤、神经保护等多种作用,NEAT1能调控细胞增殖介导DNP发生,Chen等[40]发现,藏红花素能够靶向抑制NEAT1,缓解高糖诱导的人视网膜微血管内皮细胞增殖、迁移和血管生成,对DR起到保护作用。

4.1.2 黄芪:黄芪被《神农本草经》列为上品,有补气健脾,升阳举陷,固表止汗,利水消肿,生津养血,行滞通痹,托毒排脓,敛疮生肌等多个功效,现代药理研究指出,黄芪有效成分通过调节糖脂代谢、改善氧化应激、抗炎、抑制凋亡、改善循环、抗纤维化等起到疾病防治的作用[41]。Lei等[42]研究发现,黄芪甲苷通过抑制DKD大鼠TUG1表达,从而使DKD蛋白尿水平下降。TUG1过表达会促进TRAF5蛋白降解从而引起足细胞凋亡,损伤肾脏,导致大量蛋白尿,黄芪甲苷通过抑制TUG1起保护肾脏的作用。

4.2 中药方剂

4.2.1 益肾颗粒:益肾颗粒主要由黄芪、太子参、生地、山萸肉、茯苓、泽泻、当归等药物组成,具有益气养阴活血之效,临床应用广泛,杜华等[43]发现,益肾颗粒上调DKD小鼠MALAT1表达,从而增加了其介导的自噬反应,细胞凋亡减少,肾足细胞得到保护,慢性肾脏病进展得到缓解。

4.2.2 芪黄益肾颗粒:芪黄益肾颗粒具有益气养阴、利湿活血之功,由黄芪、太子参、生地黄、山茱萸、茯苓、泽泻、丹参等组成。足细胞损伤是导致DKD不可逆损伤的重要病理改变,Wnt1/β-catenin是导致足细胞发生上皮间充质转化,保护足细胞的重要通路,宋锦华[44]发现,芪黄益肾颗粒可显著缓解DKD小鼠足细胞损伤,这与MALAT1表达水平下降,下调Wnt1/β-catenin信号转导通路相关。

4.2.3 尿毒清颗粒:目前,尿毒清颗粒临床广泛应用于DKD患者,由大黄、桑白皮、黄芪、白芍、茯苓、丹参等药物组成,全方共奏“健脾利湿、活血化瘀、清热解毒”功效,尿毒清颗粒可显著提高DKD患者抗氧化能力,改善肾炎性反应,降低血肌酐及尿蛋白。俞华等[45]应用尿毒清颗粒干预后测定KCNQ1OT1、Malat1的水平均下降,而DKD的抗氧化能力、炎性反应、血糖水平和肾功能以及临床症状均改善,这与KCNQ1OT1、Malat1表达下降相关。

4.2.4 黄芪三七合剂:黄芪三七合剂以黄芪、三七、当归、昆布、怀牛膝组成,对于气虚血瘀型DKD临床效果显著,可以明显改善DKD患者肾功能。肾小球炎性反应浸润是DKD发生机制之一,林晓等[46]实验发现,黄芪三七合剂干预可降低DKD小鼠体内TNF-α、IL-6、IL-1β、CRP、NF-κB的水平,黄芪三七合剂通过下调Arid2-IR抑制NF-κB从而抑制炎性反应保护肾脏。

4.2.5 糖肾方:糖肾方有益气养阴、活血通络之效,由黄芪、生地黄、山茱萸、卫矛、三七、熟大黄、枳壳共七味药组成,氧化应激是糖尿病肾损伤的重要病理机制[47],MEG3低表达可激活Nrf2提高机体抗氧化作用。实验研究发现[48],MEG3过表达加重HK2细胞增殖并诱导细胞凋亡,糖肾方干预后,MEG3受到抑制,TGF-β1、Nrf2信号通路均得到改善。

5 小结与展望

LncRNA是低翻译或没有翻译功能但参与疾病发生发展的一类RNA,在疾病发生发展过程中具有重要意义,是DM重要的治疗靶点和生物标志物,中医药干预可以通过调控LncRNA影响下游靶蛋白,改善DM。目前对于LncRNA的研究只是基因生物学中的冰山一角,绝大多数LncRNA的功能尚未完全可知,从LncRNA角度探讨防治DM的临床及动物实验较少,尤其在中医中药干预LncRNA机制研究尚未深入。接下来需要继续深入以下两方面的研究:一方面,通过基因技术开展LncRNA基因多态性研究,探索ncRNA之间的相互调节及串扰,从基因层面探索与蛋白、分子层面联系,深入研究LncRNA作用机制;另一方面,通过开展中药单药、药对及组方干预LncRNA防治DM及并发症研究,探索DM防治新成分、新靶点、新机制。