环状RNA HIPK3在心血管疾病中的研究进展

卢虹宇，苏晓桃综述，秦 超审校

0 引 言

心血管疾病(cardiovascular disease，CVDs)是我国发病率和病死率最高的疾病之一，给人类的健康和经济带来了巨大的负担，现已成为危害人类生命健康的重大公共卫生问题。尽管过去的几十年里在治疗CVDs方面取得了一些进展，但CVDs的发病率和病死率仍在逐年上升，给我国的医疗体系带来了巨大的压力[1]。环状RNA(circular RNAs, circRNA)作为一种特殊的非编码RNA，不具有5'端帽子和3'端 poly(A)尾巴，其特征是线性前体RNA通过反向剪接体机制介导3'端和5'端相连而形成的共价闭环结构[2]。这种环状结构大大增加了circRNA的稳定性，使得circRNA不易被外切酶RNase R降解[3]。 CircRNA可作为转录调节因子、microRNA海绵，影响基因表达和调控。此外，研究显示，circRNA也可以与RNA结合蛋白(RNA binding protein, RBP)相互作用充当蛋白质诱饵、支架和募集者，还能作为蛋白模板翻译成蛋白质[3-4]。目前认为circRNA可作为心血管系统的基因调节因子参与介导CVDs的发生和发展，在心血管系统发育、病理生理变化过程中具有重要的调节功能，是近年来心血管疾病非编码RNA(non-coding RNA,ncRNA)治疗的研究热点[5]。越来越多的研究表明，circHIPK3可作为心脏发育和多种CVDs重要的基因调控因子。在这里，我们主要总结和讨论了circHIPK3在心肌和血管中的生物学特性、功能、细胞效应以及与CVDs的关系，为探索circHIPK3在CVDs的发病机制、临床诊断和治疗上提供新的方向。

1 CircHIPK3的概述

人体中同源域相互作用蛋白激酶3 (homeodomain interacting protein kinase 3,HIPK3)基因的含量尤其丰富，其反向剪接率高，位于11p13染色体上，由7551个碱基对组成[6]。在人体中circHIPK3(hsa_circ_0000284)由HIPK3基因的第二外显子的环化产生，位于chr11:33307958-33309057(GRCh37)，序列长度为1099 bp。CircHIPK3它在人体的肺、心脏、胃、结肠、大脑及其他组织器官的组织细胞中大量表达[7]。许多研究报道，circHIPK3具有调节细胞行为的作用，并在特定疾病中表现出致癌或肿瘤抑制功能，被当作为致癌基因或肿瘤抑制因子。例如，Zheng 等[8]研究发现，circHIPK3 在胃癌、乳腺癌、肾透明细胞癌等恶性肿瘤中高表达，可以竞争性结合 9 种 miRNA 而调控细胞增殖。多项研究表明，circHIPK3通过作为内源性miRNA的海绵发挥多种生物学功能[8-9]，也可以与RBP结合调节蛋白质功能[10]。CircHIPK3 的RBP结合密度较低，目前研究发现与其互作的蛋白质较少，这种互作的功能目前还不是很清楚，因此需要更多地开展circHIPK3-蛋白相互作用的研究。研究表明，circHIPK3在小鼠、大鼠和人类心脏中的含量丰富，并且表达保守[10]，与多种CVDs发病机制中的细胞增殖、凋亡、血管生成和纤维化高度相关。由于circHIPK3主要表达于心肌和内皮细胞的胞质中[14-33]，这提示circHIPK3主要通过介导转录后调控机制参与CVDs病理生理过程，且大多数是通过作为内源性的microRNA海绵来发挥分子生物功能[8]。

2 CircHIPK3与心脏

2.1 CircHIPK3调节心肌细胞的自噬与凋亡心肌细胞通过凋亡和自噬调节心脏自身稳态和适应应激，参与介导心肌梗死(myocardial infarction, MI)和心力衰竭等心脏损伤疾病的发病机制[12-14]。Qiu等[15]研究发现，心肌缺血再灌注(ischemia/reperfusion, I/R)损伤时circHIPK3表达上调，通过circHIPK3/miR-20b-5p/ATG7信号通路提高心肌缺血再灌注过程中心肌细胞的自噬水平，导致进一步的心肌损伤。Bai等[16]发现，在缺血再灌注人心肌细胞中circHIPK3表达上调。CircHIPK3充当内源性miR-124-3p海绵，使心肌细胞的增殖能力受到抑制，凋亡被激活，加重了心肌缺血再灌注损伤。Cheng等[17]研究发现，在高糖培养条件下，心肌细胞circHIPK3表达是下调的，通过circHIPK3/miR-29b/AKT3信号通路抑制心肌细胞凋亡，保护心肌细胞免受缺血再灌注损伤。Wu等[18]研究表明，circHIPK3在MI小鼠心肌组织和体外细胞模型中表达显著增加，沉默circHIPK3可以上调miR- 93-5p，抑制Rac1/PI3K/Akt通路的激活，减少心肌细胞凋亡，从而减少心脏梗死面积，改善MI诱导的心功能障碍。Fan等[19]研究结果表明，circHIPK3在脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)诱导的心肌炎动物模型和H9c2细胞中表达显著上调。在体内，敲低circHIPK3可有效减轻炎症性心肌组织损伤，改善心功能，抑制心肌细胞凋亡。在体外，circHIPK3敲低后心肌细胞的炎症表达也可部分逆转。

以上研究结果提示，抑制circHIPK3的表达可减少缺血再灌注和炎症性心肌细胞自噬和凋亡水平，缓解心肌的损伤，调节心肌的稳态和适应应激，有可能成为MI和心肌损伤的潜在治疗靶点。

2.2CircHIPK3调节心肌纤维化大多数CVDs在疾病的不同阶段常伴随着心肌纤维化的发生，是一种常见的病理类型。心脏纤维化影响心脏重构和完整性的维护，在心力衰竭的发生和发展中发挥关键的作用[20-21]。Liu等[22]，研究发现，在缺氧环境下小鼠心肌成纤维细胞(cardiac fibroblasts,CFs)中circHIPK3表达显著上调。CircHIPK3促进了缺氧条件下CFs的增殖、迁移和表型改变，而沉默circHIPK3后这些过程会受到抑制。CircHIPK3作为内源性miR-152-3p海绵，通过circHIPK3/miR-152-3p/TGF-β2轴调控CFs的增殖、迁移和表型转化，加速心脏纤维化的发展。血管紧张素II(Angiotensin II, Ang II)通过血管炎症、氧化应激、重构等多种机制诱导心肌纤维化和心功能障碍，在CVDs的发病机制上起着主要的作用[23]。Ni等[24]研究发现，Ang II诱导后CFs和心脏组织中circHIPK3表达显著上调。沉默circHIPK3可降低miR-29b-3p靶基因a- SMA/COL1A1/COL3A1的表达水平，调节Ang II诱导后的CFs增殖、迁移和心肌纤维化的发展，改善心脏舒张功能。Wang等[7]研究发现，糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy, DCM)小鼠模型中，circHIPK3的表达显著增加。CircHIPK3通过作为miR-29b-3p海绵，上调Col1a1/Col3a1的表达水平，促进DCM期间心肌纤维化的增加，而敲除circHIPK3可减轻DCM小鼠心肌纤维化程度，改善心功能障碍。

综上研究结果提示，circHIPK3可加速缺氧、Ang II和糖尿病诱导的心肌纤维化的发展，在调节心肌纤维化中起着重要作用。

2.3CircHIPK3调节心肌重构心肌重构的发生涉及多种生理病理变化，心肌细胞中Ca2+的积累可以激活钙相关通路加速心脏重构，导致心功能障碍[25]。Deng等[26]在小鼠体内实验表明，circHIPK3在MI后中显著上调，作为内源性miR-17-3p海绵，通过circHIPK3 /miR-17-3p / ADCY6信号通路影响心肌细胞细胞质内Ca2+的分布。CircHIPK3过表达可增加细胞质Ca2+浓度和ADCY6的表达，而circHIPK3低表达可诱导ADCY6表达下调并很好地抑制胞质中Ca2+紊乱，可明显改善MI后的心肌重构，减轻心功能障碍，减少心力衰竭的发生。生理性的心肌肥厚可维持心脏功能，而病理性肥厚常导致心室顺应性降低，加速心肌不良重塑和向心力衰竭的转化[27]。Xu等[28]研究表明，circHIPK3在压力超负荷诱导的心肌细胞中表达显著上调。CircHIPK3作为内源性miR-185-3p海绵，通过CircHIPK3/miR-185-3p/CaSR基因调控轴发挥保护心肌肥厚的作用。沉默circHIPK3显著提高了miR-185-3p的表达水平，导致其靶基因钙敏感受体(calcium-sensing receptor, CaSR)表达减少，抑制了压力超负荷诱导的病理性心肌肥厚，减轻心脏重塑并改善心肌功能。

2.4CircHIPK3调节心肌生成MI或进展性心衰导致的心肌细胞丧失是其发病率和死亡率的主要原因，然而MI后，心脏的再生能力非常有限[29]。Si等[10]发现，在心肌细胞中circHIPK3可促进Notch1的乙酰化和稳定性，而Notch1信号通路在胚胎心脏发育过程中起着维持心肌细胞增殖、分化和心室形成的重要作用[30-31]。心肌细胞增殖和再生可通过Gata4/ circHIPK3/Notch1调控轴调节，从而改善MI后的心功能障碍。研究结果提示，circHIPK3可诱导心肌细胞再生修复可能成为MI的新治疗策略，是预防MI后心衰的一个新治疗靶点。但对于心肌再生来说，至今仍属于一个争议性较大的领域，其过程非常复杂，具体机制仍需进一步研究。

3 CircHIPK3与血管

3.1 CircHIPK3促进血管内皮细胞增殖和迁移Shan等[31]研究发现，circHIPK3在人视网膜血管内皮细胞、人冠状动脉内皮细胞、人脐静脉内皮细胞等其他血管内皮细胞中均有表达，并且可以介导糖尿病视网膜的血管功能障碍。CircHIPK3在糖尿病视网膜内皮细胞中表达明显增加，作为内源性miR-30a-3p海绵使VEGFC/FZD4/WNT2的表达水平增加，诱导视网膜内皮细胞增殖和血管功能障碍发生。而敲减circHIPK3后微血管增殖和管形成能力受到抑制，改善了视网膜血管功能障碍。Hong等[32]研究发现，circHIPK3通过circHIPK3/miR-328-3p/STAT3信号通路调节血小板源性生长因子，诱导肺动脉内皮细胞增殖、迁移，促进血管生成。Si等[10]研究提示，circHIPK3在冠状动脉血管生成中发挥重要作用。CircHIPK3可以作为miR-133a的海绵，提高结缔组织生长因子的表达水平，从而激活冠状动脉内皮细胞(human coronary artery endothelial cells, HCAEC)，提高了HCAEC的增殖、迁移能力，促进了冠状动脉血管新生。

此外，CircHIPK3可通过外泌体(Exosomes)途径调节血管内皮细胞增殖和迁移。外泌体可携带蛋白质、mRNA、非编码RNA并将其内容物传递释放到靶细胞中，参与调节靶细胞的功能，在介导细胞间通信发挥关键作用[33-34]。Wang等[35]研究发现，心肌细胞缺氧后释放的外泌体中circHIPK3含量增加，并传递到血管内皮细胞中，作为内源性miR-29a海绵，降低miR-29a的活性，导致血管内皮生长因A表达增加，促进血管内皮细胞的迁移、增殖和血管生成，从而改善心肌功能和血管功能障碍。exoRBase数据库RNA-seq分析显示[39]，在冠心病患者血液外泌体中存在circHIPK3，由此我们可以大胆推测，circHIPK3可能通过外泌体途径影响内皮细胞功能从而调节冠心病患者的心脏损伤。

这些研究结果提示circHIPK3可诱导血管内皮的细胞增殖、迁移，促进血管生成，对于心脏来说有利于减少MI后的梗死面积和缓解心功能障碍。

3.2CircHIPK3诱导血管内皮自噬参与动脉粥样硬化动脉粥样硬化已被广泛认为是血管的一种慢性炎症性疾病，病理过程包括血管内皮细胞损伤、炎症细胞募集、巨噬细胞死亡增加及清除障碍等多个环节[36]。自噬是体内介导正常血管功能的重要过程，参与巨噬细胞胆固醇逆向运输，从而促进动脉粥样硬化斑块的消退[37]。Wei等[38]在体内外实验证实了在动脉粥样硬化血管内皮中circHIPK3表达下调，并提出circHIPK3能诱导自噬。ox-LDL可降低人脐静脉内皮细胞(Human umbilical vein endothelial cells, HUVECs)的自噬水平，而circHIPK3可直接靶向HUVECs中的miR-190b/ATG7提高内皮细胞的自噬水平，并减少HUVECs中脂质的积累。表明circHIPK3可介导内皮细胞自噬和功能障碍的基因调控，发挥保护血管内皮和减缓动脉粥样硬化进展的作用。

然而，另一项研究表明，在血管平滑肌中，circHIPK3可通过circHIPK3/miR-637/CDK6轴抑制平滑肌细胞的凋亡，增强增殖能力，加速动脉粥样硬化的发展[40]。无论是在血管内皮细胞中还是在血管平滑肌细胞，都表明circHIPK3在动脉粥样硬化的发病机制中发挥重要的作用，但其在动脉粥样硬化斑块发展的环节中究竟是起到促进斑块进展还是消退的作用，目前尚不清楚，因此需要开展更多研究，探索circHIPK3对动脉粥样硬化形成的影响。

4 结语与展望

大量的研究表明circHIPK3作为一个基因调控因子与心肌纤维化、心肌肥厚、冠状动脉粥样硬化、糖尿病心肌病等CVDs发病机制密切相关。CircHIPK3通过与miRNA、mRNA及RBP互作的网络机制参与介导细胞增殖、自噬、凋亡和纤维化，在CVDs的病理生理过程中的发挥着重要作用。然而目前对circHIPK3与RBP的作用研究较少，其在CVDs中作用机制尚未阐明，这或许是今后的研究热点方向之一。对于circHIPK3是否还存在其他调节机制或是否具有其他功能我们仍需进一步深入研究。CVDs包括了动脉粥样硬化、冠心病、心力衰竭、心肌炎等多种疾病类型，而circHIPK3在不同类型CVDs的心肌和血管内皮组织中有不同的表达，并在不同的疾病发生发展中发挥特定的基因调控功能。 根据circHIPK3在 CVDs 中的作用机制及目前的研究进展，我们认为circHIPK3具有作为CVDs某些疾病病理潜在生物标志物的潜在价值，同时开始展望circHIPK3有一天能成为临床治疗CVDs的靶点或分子靶向治疗工具，为CVDs的诊断和治疗带来新的希望。