MicroRNAs介导的代谢调节与心力衰竭相关的研究进展

郭美姿 综述

(上海健康医学院附属周浦医院老年科，上海201318)

MicroRNAs(miRNAs)是一类高度保守的长度约为22个核苷酸的小分子非编码RNA，可特异性识别和结合靶mRNA 3’非编码区，导致靶mRNA降解或者抑制其翻译，从而在转录后水平调控相关基因的表达。人类基因组内有1 500～2 000个miRNAs被鉴定，对至少一半的mRNA起调节作用。MiRNA作为基因的内源性调节因子，构成复杂的调节网络。

心力衰竭(heart failure，HF)是各种心脏疾病的终末阶段，心脏生理和病理过程中涉及到众多特异的miRNAs，miRNA在HF机制中的作用是近年来的研究热点[1-2]。心脏代谢通路依赖多种代谢酶和氧化磷酸化的调节，心脏耗氧量大，能量供应不足可导致HF。越来越多的证据表明miRNAs调节中心代谢通路，在能量稳态的维持中具有重要作用。现对miRNAs介导的代谢调节与HF的相关研究进展做一综述。

1 物质代谢与能量代谢

心脏能量代谢稳态是保持心脏组织结构不断更新和内环境稳态的物质基础。慢性HF过程中往往伴随着心肌能量代谢的改变，而能量代谢的改变也会影响慢性HF的病程进展。

1.1 糖代谢

葡萄糖转运蛋白4(GLUT4)是心肌细胞摄取葡萄糖的主要载体，对缺血心肌具有一定的保护作用，HF时GLUT4表达下降[3]。研究显示， miR-133和miRNA let-7均可抑制GLUT4的表达。在左室肥大和HF的动物模型研究中发现高表达的miR-133通过靶基因KIF15降低GLUT4水平，减少心肌对胰岛素介导的葡萄糖摄取[4]。在糖尿病大鼠心肌中，抑制miRNA let-7可上调GLUT4增加糖摄取，通过Akt-mTOR通路对心肌的缺血再灌注损伤起保护作用[5]。miR-233则相反，通过上调GLUT4增加心肌糖摄取，其具体机制不明[6]。

MiR-208是心脏特异性的miRNAs，与心肌梗死和HF等心脏疾病关系密切[2]，HF患者普遍存在胰岛素抵抗。Grueter等[7]报道miR-208可通过MED13调节心肌代谢通路，甲状腺激素是新陈代谢率、能量消耗和心脏收缩的主要决定因素。MED13是甲状腺激素依赖的转录调节复合物的组成成分，调节心脏的核受体信号和能量稳态。miR-208负调节MED13的表达。抑制miR-208或者在心脏特异性地过表达MED13，导致小鼠对高脂饮食诱导的肥胖的抵抗并且提高胰岛素敏感性和糖耐受，心肌细胞特异性敲除MED13则结果相反。

既往研究表明miR-199a和miR-214参与心肌疾病，并且在心肌重构中作用明显，但其机制不完全清楚。ELazzouzi等[8]认为miR-199a～214基因簇与HF发生时的糖酵解增加有关。miR-199a～214基因簇位于染色体1上，嵌入一个大的名为DNM3os的非编码RNA中，可抑制过氧化物体增殖物激活受体δ(PPARδ)。PPARδ在脂肪酸氧化到糖酵解转变过程中起重要调节作用，心肌缺乏PPARδ可导致进行性脂肪堆积、心肌肥厚和HF。心肌缺氧促进DNM3os激活，miR-199a～214上调，随之抑制了PPARδ表达，导致线粒体功紊乱，脂肪酸氧化能力下降。在生物力学应激诱导小鼠产生HF中，沉默miR-199a～214处理组很明显地提高了心功能并且恢复了线粒体脂肪酸氧化。由此可知，miR-199a～214复合物通过抑制PPARδ表达，促进心脏代谢从健康时占主要地位的脂肪酸利用向HF时糖酵解增加方向转变。

1.2 脂代谢

miRNAs作用于脂代谢的各个环节，有望成为限制心脏脂肪堆积的生物学靶点。miR-122是脂质代谢中的关键调节因子，当它表达下调可引起循环中胆固醇的下降，减少脂类合成和刺激脂肪酸氧化过程。HF时miR-122表达明显下降[9]。在高脂饮食诱导的心肌肥厚中，miR-451通过抑制LKB1-AMPK通路加剧了心肌的脂质毒性，促进糖尿病心肌病的发生[10]。

miR-1是心脏表达最高的miRNA之一，在心脏发育与功能以及HF相关的心脏结构重组中具有重要调节作用；多数研究认为其对心肌肥厚和HF起保护效应，在HF时水平下降[1]。miR-1靶点众多，包括脂肪酸结合蛋白3(FABP3)，FABP是细胞内脂肪酸的转运蛋白，对其转运和代谢的调节起重要作用。FABP3是心肌中含量最丰富的蛋白之一，也称心型FABP，参与心肌能量代谢[11]。FABP3在心肌缺血缺氧发生后由心肌细胞释放到血液中，是心肌损伤早期诊断的标志物，FABP3的循环水平与心肌miR-1负相关，可作为miR-1的非直接的生物标志[11]。

1.3 线粒体中的能量代谢

线粒体通过产生ATP维持能量稳态在心脏功能中具有关键作用，线粒体的功能障碍在HF的发生和发展中起着关键的调节作用，miRNAs作用于线粒体中能量代谢的多个环节影响ATP的产生。miR-210在HF循环中的水平明显增高，缺氧诱导miR-210通过抑制铁硫簇支架蛋白和细胞色素C氧化酶(COX)装配蛋白影响线粒体和ATP的产生[12-13]。 Das等[14]报道，在培养的大鼠心室肌细胞上，miR-181c可进入到心肌细胞线粒体内并作用于其基因组，导致呼吸链复合体4重构，线粒体功能障碍。miR-181c在线粒体内的靶点是COX1的mRNA，结合在它的3’端非翻译区。ADP-核糖基化样因子2定位于线粒体ADP/ATP转运蛋白，心肌细胞高表达miR-15b，通过作用于ADP-核糖基化样因子2导致线粒体退化变性、ATP减少[15]。

1.4 代谢刺激调节miRNAs表达

值得关注的是miRNAs和代谢之间为双向调节关系，miRNAs的表达受到不同环境刺激的影响。研究显示高糖明显减少了miR-126和 miR-375的表达[16-17]。棕榈酸酯处理β细胞系MIN6B1和胰岛，miR-34a 和miR-146的表达以时间和剂量依赖的方式减少。高脂饮食可提高肝脏miR-378的表达[18]。Guedes等[19]报道在高脂饮食诱导的心脏重构中，miRNAs的表达特征发生改变。不同程度的高脂饮食分别导致miR-64、26、27和88等不同的miRNAs水平发生改变。

缺氧促进了衰竭的心肌细胞从脂肪酸氧化为主到糖酵解增加的转变以及心脏不良重构。miRNAs受到缺氧的调节，由HIF-1α调节的miRNAs最近被称为“低氧微小RNA(hypoxamiRs)”。心脏hypoxamiRs有miR-15、22、210、26b、34a、27 b、214、199 a、696、181c、484和223，在心脏低氧和能量代谢中具有重要调节作用；其中前五种hypoxamiRs被证实在缺氧导致的心脏重构中起调节作用[20]。近期，Shi等[21]发现miR-223-IGF-IR信号在缺氧和压力负荷诱导的右心室HF中的作用。miR-223在小鼠的肺和右心室中表达高于左心室，慢性缺氧调节miR-223在肺和右心室的表达。体外和在体实验均证实缺氧导致miR-223表达显著下降，其机制可能与C/EBPa有关。miR-223下调通过诱导胰岛素样生长因子-1受体(IGF-1R)和IGF-1信号传导，以及PARP-1/DAN损伤信号传导的过度活跃[22]，在HF的发生发展中促进右心室功能不全和DNA损伤。

以上研究提示，miRNAs在代谢通路中可作为环境变化的能量感受器，从而适应细胞、组织和器官的能量需求，在HF的发生发展中发挥促进或保护作用。

2 去乙酰化酶介导的去乙酰化

蛋白质在赖氨酸残基的乙酰化过程是广泛而保守的翻译后修饰，参与多种生物功能的调节。改变代谢通路中酶的乙酰化状态，可因长期不能满足代谢需求导致HF[23]。乙酰化/去乙酰化的平衡受到一组名为沉默调节蛋白家族(sirtuins，SIRTs)的去乙酰化酶的紧密调节。有趣的是，SIRTs表达也受到miRNAs的调控，意味着存在一个复杂的涉及到miRNAs功能、乙酰化/去乙酰化异常、代谢改变和心功能不全的调节轴。

2.1 SIRTs调节代谢通路

哺乳动物SIRTs家族由SIRT1～7组成，具有去乙酰化酶活性和ADP-核酸转移酶活性，在能量代谢中发挥重要作用。SIRTs对心脏疾病和HF病理生理的影响也日益受到关注。SIRT1通过去乙酰化并激活PPARα，对心肌肥厚起保护作用[24]。SIRT2可以使Fox O3a去乙酰化，在氧化应激和卡路里限制中发挥作用，在衰老和应激诱导的心肌肥厚中具有保护作用[25]。SIRT3是线粒体适应性反应的调节因子，大量研究证明SIRT3功能缺失参与了心肌缺血再灌注损伤、心肌肥大和HF的病理进程[26]。SIRT6是葡萄糖代谢和应激抵抗的关键调节因子，可通过阻断IGF-Akt信号传导对心肌肥厚起负性调节作用，抑制心功能不全的进展，在HF的发生发展中起保护效应[27-28]。

2.2 miRNAs调节SIRTs

目前发现除SIRT4和SIRT5外，SIRTs作为miRNAs的靶点受其调节，其中SIRT1最受关注。SIRT1是miR-34a的直接靶点，miR-34a对心脏的老化和功能的调节具有重要作用[29-30]。miR-22在HF晚期增多，可通过SIRT1/PPAR途径，诱导心肌肥厚促进HF发生[31]。miR-195在心肌肥厚以及HF的早期和晚期阶段均有上升。miR-195可直接结合并下调SIRT1，促进棕榈酸酯诱导的心肌细胞凋亡[32]；沉默miR-195使SIRT1增多，缓和小鼠的糖尿病心肌病[33]。近年还发现，在衰竭的心肌中，升高的miR-195可通过直接抑制SIRT3来调节心肌代谢[34]。

上述研究提示SIRT可感受能量状态的变化，并动态和内在地调节细胞代谢，保护心肌对抗代谢应激。SIRT家族对心脏的保护效应由其与细胞核以及线粒体协同进行，miRNAs可通过Sirtuin介导的去乙酰化调节衰竭心肌细胞的能量代谢。

3 问题与展望

miRNA调节网络已被广泛证明参与HF的发病机制，miRNA介导的代谢失常和能量平衡紊乱与HF相关的研究加深了这一认识。然而此类研究大多仅限于动物实验并且通常只涉及到某个通路的某个靶点，整个调节网络还有待全面和进一步深入阐明。随着研究的迅速深入，miRNA在HF发生发展中对物质、能量代谢及SIRTs的调节作用得到重视，同时也是充满前景的潜在HF诊断指标和治疗靶点。