转录组在心血管疾病发生发展中的研究进展

周玉菡综述，徐明国审校

0 引 言

心血管疾病(cardiovascular disease，CVDS)是如今世界范围内非传染性疾病中主要的疾病和死亡原因，已成为危害人类健康的主要病因，给社会和家庭都带来了沉重的经济和精神负担[1]。如能早期诊断及治疗，CVDS的预后会有明显的改善，可减少经济支出、提高生存质量和降低死亡率。虽然目前已有一些在肾素血管紧张素途径和交感神经系统中的诊断标记物和治疗方法，但更明确的、具有特异性的生物标记物和基于特定靶点的分子治疗仍在探索之中。随着测序技术的发展，对疾病的认识达到前所未有的分辨率，为深入研究疾病病因及精准治疗提供更多的机会。

转录组(transcriptome)广义上指在某种生理或病理条件下，细胞内全部转录产物的集合，包括信使核糖核酸(messenger ribonucleic acid，mRNA)、转运核糖核酸(transfer ribonucleic acid，tRNA)、核糖体核糖核酸(ribosome ribonucleic acid，rRNA)及其他非编码核糖核酸(noncoding ribonucleic acid，ncRNA)，狭义上却是指所有mRNA的集合。转录组是连接基因组遗传信息与蛋白质组生物功能之间的必然纽带，是研究基因表达的主要手段。转录水平的调控是生物体最重要的调控方式，也目前研究最多的调控方式。转录组是细胞信息的重要组成部分，了解基因组范围内的转录组，分析所有编码和非编码的细胞转录本，非常适合于揭示在特定环境中的细胞状态[2]。本文旨在介绍转录组及其在CVDS的研究进展，为研究CVDS新的诊断方法和靶向治疗提供理论依据。

1 转录组的分类与调控

1.1 信使核糖核酸(messenger ribonucleic acid，mRNA)转录组主要研究的是mRNA。现在已经证实，mRNA作为“信使”分子，在蛋白分子合成过程中起到基因组DNA遗传信息与蛋白质分子之间的桥梁作用。通过数千项研究已经证明，从一群细胞中获得全基因组的mRNA表达信息并进行分析是可行和有用的。通过分析的结果，可以了解细胞所处状态及基因调控的重要信息，主要用于在分子水平研究疾病的发病机制，同时试图发现新的生物标志物及治疗靶点。研究mRNA的方法主要是通过RNA测序，测序技术的飞速发展，能为转录水平的一系列研究提供更多的机会，这对研究细胞反应非常有利。

1.2非编码核糖核酸(noncoding ribonucleic acid，ncRNA)ncRNA是指从基因组转录而来但不翻译成蛋白质的核糖核酸，其中包括转运核糖核酸(transfer ribonucleic acid，tRNA)、核糖体核糖核酸(ribosome ribonucleic acid，rRNA)、长链非编码核糖核酸(long noncoding ribonucleic acid，lncRNA)、环状核糖核酸(circular ribonucleic acid，circRNA)、核内小核糖核酸(small nuclear ribonucleic acid，snRNA) 和微小核糖核酸(micro ribonucleic acid，microRNA，miRNA，miR)等多种已知功能的RNA，还包括其他未知功能的RNA。有研究表明，蛋白质编码基因在人类基因组中所占的比例不到2%，但基因组中80%以上的区域可能被转录，且许多基因组基因座会产生多个转录本，这极大地改变了我们对转录组所发挥功能的看法。ncRNAs无明显的蛋白编码作用，以前认为ncRNAs可能为背景噪音，但在科学家的认知中，机体产生如此大量的信息应该有其特殊的作用。虽然不编码蛋白质，但ncRNAs仍有生物学功能，许多研究证实，ncRNAs通过调节细胞分化、增殖、凋亡、坏死和自噬等参与了多种CVDS的发展。现在已经证实，lncRNA、circRNA和microRNA与CVDS(如心脏重塑、心力衰竭、心肌损伤、心律失常和心肌梗死)的发生密切相关，但其分子机制尚未阐明[3-4]。同时，随着下一代测序技术的出现，RNA在基因转录中的调控作用逐渐被理解，microRNA、lncRNA和circRNA等ncRNA也被认为是包括CVDS在内的多种疾病新的生物标记物和潜在的治疗靶点[5]。

1.3lncRNA/circRNA-microRNA-mRNA轴从发现ncRNAs有生物学功能的开始，许多研究致力于发现编码mRNAs和ncRNAs之间影响及作用，随着lncRNA/circRNA-microRNA-mRNA轴的提出，它们之间的作用路径更加清晰。lncRNA和circRNA最有意义的一点，是它们都可以作为microRNA海绵，通过对microRNA的影响进一步调节下游mRNA，所有这些都涉及到各种疾病的病理机制[6]。近年来，新的研究表明，lncRNA/circRNA、microRNAs和mRNAs之间相互影响的新调控机制在CVDS的应激反应中及其他病理生理过程中起着至关重要的作用。这种通过共享microRNAs来调控基因的新方法就是竞争内源性核糖核酸(competing endogenous ribonucleic acid，ceRNA)，越来越多的研究试图在ceRNAs水平上揭示CVDS与其他疾病的机制[7]。

2 转录组与CVDS的相关性研究

2.1 转录组与动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)AS是一种多因素引起的动脉血管慢性炎症性疾病，可引起脑卒中、冠状动脉粥样硬化性心脏病(coronary heart disease，CHD)、心肌梗死(myocardial infarction，MI)及周围血管疾病等AS相关性疾病[8]。与其他CVDS一样，早期诊断及治疗，可能会延缓并发症的发生及改善预后。与以往的生化指标和炎症因子相比，转录组水平的新的生物标记物可能使诊断时间提前，并且特异性更高。大量研究表明，ncRNAs特别是lncRNAs、microRNAs和circRNAs是AS相关性疾病进展过程中的重要中介分子，在疾病的诊断及治疗上具有很大的潜力。研究发现，lncRNA与AS、CHD的发病机制密切相关，lncRNAs中的MIAT、 H19、LOC285194有诱导和促进AS的作用，microRNAs中的miR-19a、miR-92a、miR-143、miR-145、miR-365也可促进炎症和AS的发生，而lncRNAs中的RNCR3及circRNA具有保护AS的作用[9-18]。还有研究认为，miR-31、miR-181 a、miR-16和miR-145以及由9个circRNAs组成的ceRNA-miRNA-mRNA反应网络、异常表达的circRNAs有可能参与了CHD的病理过程。一些ncRNAs可以作为新的生物标志物，如lncRNAs中的CoroMarker、HOTAIR、LIPCAR、UCA1、microRNAs中miRNA 221和miRNA 222、circRNAs中的circ0003204等[19-22]。也有ncRNAs可预测AS相关性疾病的风险及预后，如lncRNA THRIL、IncRNA CHAST、miR-130a、miR-122-5p/miR-133b比值、circRNA MICRA等[23-27]。

在治疗方面，抗炎干预及降低低密度脂蛋白是治疗AS相关性疾病的主要目标。在转录组水平上对参与炎症反应的mRNA进行稳定性调节，从而减少CVDS中导致心血管损伤的炎症刺激，有抗炎和减少AS的作用，可能成为新的治疗策略。lncRNA中的Gas5、 ZFAS1、MALAT1、ILF3-AS1，microRNAs中miR-31、miR-126，circRNAs中的CyclcFndc3b、Cdr1as、circ-Ttc3等均有可能是治疗AS、MI的有效途径，并有可能成为潜在治疗靶点[28-36]。

2.2转录组与高血压高血压是一种多因素引起的复杂的疾病，可能由多种危险因素、环境因素及个体差异因素共同作用，其病因和发病机制尚未完全明确，仍然是科学家研究的热门目标，但缺乏特定的生物标志物仍然是巨大的挑战。lncRNA AK 098656被证明有促进高血压的作用[37]。lncRNA NONRATT 011842被证实有调节高血压的血管平滑肌细胞的功能，可作为诊断和预防高血压的生物标志物[38]。Wang等[39]的研究证明lncRNA Gas5是高血压的重要调节因子，显示了开发成为治疗高血压药物的潜力。有研究对内皮细胞的中的内源性microRNAs进行检测分析，丰富了与高血压相关的microRNA靶对数量，同时证明了内皮细胞microRNAs对高血压相关基因编码的mRNAs有广泛而强大的调控作用，为研究microRNAs在高血压中的作用提供了新的、独特的依据[40]。还有研究表明，microRNAs可以作为高血压患者内皮功能障碍的诊断性生物标志物和治疗靶点。microRNAs中miR-29家族(miR-29a、miR-29b和miR-29c)可能是原发性高血压和高血压靶器官损害的潜在无创标志物[41]。同时miR-21、miR-510、miRNA let-7也可作为高血压的一种新的诊断标志物和新的治疗靶点[42-44]。circRNAs中 hsa_circ_0037909是高血压的影响因素，hsa_circ_0126991的高表达也是高血压的风险因素，均可作为重要的生物学指标[45-46]。

2.3转录组与心力衰竭(heart failure，HF)HF是主要的公共卫生问题之一，在发达国家的成年人中，估计发病率为1%～2%，有较高的死亡率，而其预后与死亡率相关，因此有必要发现新的生物标记物，可以早期识别死亡风险较高的病例，提早干预。Greco等[47]发现了14个在非终末期HF患者中调控异常的lncRNAs，支持了lncRNAs参与HF的发病机制，有成为新的诊断标志物的潜力。lncRNA Heat2在HF患者血液中表达升高，可能参与炎症调节及控制细胞功能[48]。lncRNA LUCAT1与慢性HF患者预后不良有关，并且通过miR-612/HOXA13通路促进细胞凋亡，可作为一种很有前途的预后指标和潜在的治疗靶点[49]。Gao等[50]的研究发现了缺血性HF中大量的上调和下调的lncRNAs和mRNAs，这些都有可能参与缺血性HF的发病机制，为更好地理解缺血性HF的分子基础提供了新的视角。Vegter等[51]研究发现循环中较低水平的miRNAs与HF及AS都有密切关系。miR-126的下调被发现可能是导致肺动脉高压患者发生右心室HF的原因之一[52]。Lai等[53]研究发现心力衰竭患者miRNAs (miR-1、 -21、 -23、 -29、 -30、 -130, -133、 -195、 -199、 -208和-320)和mRNAs(casp3、collⅠ、collⅢ和TGF)均有明显上调，表明特异性的miRNAs和mRNAs可作为HF早期的生物标记物，也可能是未来治疗的靶点。在单心室心脏病患者中，miR-150-5p可作为独立的HF预测指标，评估患者风险[54]。持续心肌肥厚伴心脏重塑是导致HF的早期原因，因此心肌肥厚被认为是HF的治疗靶点，circRNA Hsa_circ_0097435可能通过海绵化多个miRNAs在HF中发挥作用，可作为HF生物标志物[55]。

2.4转录组与心肌肥厚心肌肥厚是对血流动力学的适应性反应，若出现长期病理性肥厚可能会导致HF或猝死，因此早期诊断及干预非常重要。IncRNA Chast对心肌肥厚有潜在的影响，可能成为预防心脏重构及心肌肥厚的潜在靶点[56]。IncRNA MIAT通过miR-150-5p/P300轴参与心肌肥厚的正调节，并参与心肌的病理发展[57-58]。miR-181a、miR-182也参与了心肌肥厚的调节，miR-155可能通过下调血管紧张素Ⅱ受体亚型改善心肌肥厚[59-61]。Wang等[62]通过研究发现一种与心脏相关的circRNA，通过对miR-223的海绵作用参与心肌肥厚的调节，为治疗心肌肥厚及HF提供新的治疗靶点。

2.5转录组与其他CVDS先天性心脏病是最常见的出生缺陷，发生率为0.6%～0.9%，起源于胚胎心脏发育过程中的错误。因此，了解基因调控和发育过程中的模式是理解先天性心脏病病因和诊断的关键。Wang等[63]的研究发现了lncRNA HA 117与法洛四联症的危险因素，并且可能导致法洛四联症患者的短期不良结果。Gu等[64]的研究发现孕妇血浆中异常表达的特异性lncRNAs可能在先天性心脏病的发生发展中起关键作用，可作为胎儿先天性心脏病产前诊断的新的生物标志物。lncRNA NR_045363通过与miR-216a相互作用促进心肌细胞增殖，表明NR_045363对心肌细胞的增殖具有重要的调节作用[65]。动脉闭塞后适应性新生血管是心血管疾病的一种重要的代偿机制，但miR-155有抑制血管生成的作用[66]。Fu等[67]的研究发现缺血再灌注后，心肌组织中miR-34a的过表达会增加凋亡和梗死面积、降低左室功能从而加重心肌损伤，因此，抑制miR-34a可能是心肌缺血再灌注损伤的新的治疗途径。

3 总结与展望

转录组可以反映机体的调控，无论是编码RNA还是非编码RNA，均是信息传递的重要参与者。从转录组水平研究CVDS将会带来全新的局面，RNA调节通路可以为CVDS提供新的特异性的诊断标志物，同时也是治疗的潜在靶点，符合精准医疗的发展。目前对CVDS的诊断主要依靠临床症状及形态学改变，随着研究技术的发展，分子水平的微观调控路径将会越来越清晰，可能在不久的将来对CVDS的诊断及治疗时机将会大大提前，这对改善患者预后及生存质量意义非凡。转录组水平的治疗主要是控制基因表达，相对于常规基因治疗，RNA可以以更多样化的方式控制蛋白质的相关活动，更具有优势。假设当机体对病因出现应激或免疫反应的早期，检测方法能从基因调控水平上分析出“预警信息”，阻止或逆转机体可能造成的病理改变，这是我们对未来医学的期望。