环状RNA在心力衰竭心肌重构中的作用*

李明明，姚亚丽，余飞，马正科

（兰州大学第一临床医学院，甘肃 兰州730000）

心力衰竭（以下简称心衰）是多种心血管疾病的严重和终末阶段，是21世纪严重威胁人类健康的心血管疾病之一，其死亡率和住院率呈上升趋势。心衰是由心肌病变、心脏负荷异常、心律失常等多种病因导致的心脏结构及舒缩功能受损[1]，若能早期预防、诊断和治疗便可极大地减少疾病的发生、 发展， 相关研究表明， 环状RNA（CircRNA）参与神经系统疾病、肿瘤、免疫及心血管疾病的发生、发展[2]，CircRNA 与心衰关系密切，有望成为心衰新的生物标志物及治疗靶点。

1 CircRNA

1.1 CircRNA的生物学特性、分类及形成机制

CircRNA 最初于1977年在植物病毒中被发现，其作为一种非经典的RNA 剪接产物，曾被认为是错误剪接的副产品[2-3]。然而，随着高通量测序技术的发展，CircRNA 被证实其大量、广泛地存在于多种生物细胞中，具有明显的组织特异性和发育阶段特异性[4]，且在许多生物过程中发挥作用，因此CircRNA 成为非编码RNA 研究领域的热点。CircRNA 是一类以共价键形成环状结构的非编码RNA 分子，缺乏5′端帽子和3′端尾巴，长度300～500 bp，不易被核酸外切酶降解，可阻止胞内CircRNA的合成。CircRNA的半衰期是mRNA 的4 倍，长达48 h，在生物体内能够在高度稳定表达[5]。其通常分为4 种类型：衍生自外显子的CircRNA、衍生自套索内含子的CircRNA、衍生自具有保留内含子的外显子的CircRNA 和衍生自基因间CircRNA[4,6]。不同种类的CircRNA 在形成机制方面有所差异，目前主要有3 种模型：①索套驱动环化和外显子跳读。当3'剪接供体附着到单个外显子的5'剪接受体上时，就会形成衍生自外显子的CircRNA，目前许多CircRNA 属于这一类，占所有类型的80%以上。②直接通过反向剪接或内含子配对驱动环化。③RNA 结合蛋白（RBP）驱动环化[4]。

1.2 CircRNA的生物学功能

1.2.1 CircRNA 作为miRNA 的海绵有研究证实CircRNA 是一种竞争性内源RNA。CircRNA 能够通过与microRNA（miRNA）多个位点结合，进而影响靶基因的表达，这种功能称为miRNA 的海绵作用[7]。例如CircRNA CDR1as 具有74 个miRNA-7 结合位点，可通过AGO2 蛋白实现竞争性吸附miRNA-7，抑制miR-7 活性，从而调控靶基因的表达[8]。最近HAN等[9]报道在心衰患者的外周血中发现hsa_Circ_0097435 的表达显著上调，其可能通过海绵化多个miRNA 在心衰中起作用，hsa_Circ_0097435 过表达促进心肌细胞凋亡。

1.2.2 CircRNA 作为RBP海绵CircRNA 还可通过与多种RBP 结合,作为RBP 海绵发挥生物学作用。CircFndc3b 与RNA 结合蛋白FUS 相互作用以调节VEGF 的表达和信号传导,同时CircFNDC3B 过表达可增强新生血管形成和减少心肌梗死区域的纤维化，从而保护心脏[10]。因此，深入理解CircRNA 背后的机制将为HF 诊断和治疗提供新的途径。

1.2.3 CircRNA 作为转录和剪接的调节因子CircRNA 是线性RNA 转录的关键调节因子，如RNA ciankrd52 可以充当RNA 聚合酶Ⅱ的正调控因子，以促进锚蛋白重复结构域52 基因转录[11]。此外，在前体RNA 剪接的过程中，反向剪接产生的CircRNA 可以竞争性调节可变剪接。然而，CircRNA 该功能是否参与到心肌重构的发展过程中仍需进一步研究。

1.2.4 CircRNA 作为蛋白质翻译器传统观点认为CircRNA 为非编码RNA，无法被翻译，但最近的研究显示，源自其宿主ZNF基因第2 个外显子的人CircZNF609 以依赖剪接而不依赖帽的方式翻译，而且CircZNF609 能特异性地调节成肌细胞的增殖[12]。但目前尚未报道CircRNA 编码蛋白在心衰中的作用机制。

2 CircRNA 在心衰心肌重构中的生物学作用

心衰是一种心脏结构或功能异常所致复杂的临床综合征。心肌重构是心衰发生、发展的基本机制。心肌重构是机体应对心室压力负荷增高或细胞因子及神经体液激素等刺激而发生的适应性调节。如果这些因素持续存在，这个过程将不可逆且会伴随心肌细胞肥大、间质细胞增殖纤维化、心肌细胞凋亡、电传导异常，使心肌细胞正常功能丧失，引起渐进性泵衰竭或猝死。CircRNA 在心衰心肌重构病理变化中具有重要的作用。

2.1 CircRNA与心肌纤维化

心肌纤维化是指心脏成纤维细胞过度增殖，成纤维细胞特异性蛋白和胶原大量沉积，导致心脏重构，进而引起心功能不全的心脏病理改变。正常内皮细胞被诱导为间充质干细胞的转化过程称为内皮细胞-间质转化。转化生长因子β1（TGF-β1）能够驱动内皮细胞-间质转化的进展，已有研究表明TGF-β1介导的α-平滑肌肌蛋白（α-SMA）表达，以及血管内皮细胞VE-钙粘蛋白表达的丢失会导致内皮细胞-间质转化的发生。研究发现在TGFβ1处理的大鼠冠状动脉内皮细胞中，chr5：90817794|90827570， chr8： 71336875|71337745 和chr6：22033342|22038870 显著上调[13]。ZHOU 等[14]在血管紧张素Ⅱ处理过的糖尿病小鼠心脏成纤维细胞中，发现了43 个异常的CircRNA，24 种上调的CircRNA 和19 种下调的CircRNA（P＜0.05，且倍数＞3），且体外实验中发现，CircRNA_010567 表达明显上调，进一步行生物信息学分析，发现其含有miR-141 的结合位点，可以直接靶向miR-141 并调节TGF-β1的表达，进而抑制心脏成纤维细胞的纤维化相关蛋白Ⅰ型胶原（COLⅠ）、COLⅢ和α-SMA 表达。

最近NI 等[15]研究发现在AngⅡ处理后小鼠心脏成纤维细胞和心脏组织中CircHIPK3 表达明显增加，CircHIPK3 可以充当miR-29b-3p 海绵，其过表达有效地逆转了miR-29b-3p 诱导的心脏成纤维细胞增殖和迁移抑制，并改变了miR-29b-3p 靶向基因α-SMA、COL1A1、COL3A1 表达，可作为预防Ang Ⅱ诱导的心脏纤维化的潜在的治疗方法。HUANG 等[16]发现在人类、大鼠和小鼠的成年心脏中存在大量表达的CircRNA-CircNFIX，其是一种可被超级增强子调控并与转录因子Meis1 结合调节自身表达的CircRNA。 在体外和体内实验中，CircNFIB 过表达可通过TGF-β 刺激减弱NIH/3T3 细胞系和心脏成纤维细胞的促增殖作用。相反，CircNFIB 敲除会增加原代心脏成纤维细胞的增殖。CircNFIB 的下调可以降低MI 后梗塞面积和心肌纤维化，其机制可能为CircNFIB 增强Y 框结合蛋白1与E3 泛素连接酶的相互作用，并通过泛素化诱导Y 框结合蛋白1 降解和抑制细胞周期蛋白的表达。此外，CircNFIB 可作为miR-214 的海绵发挥作用，调节心肌细胞的增殖。因此CircNFIB 也可能是心肌组织损伤后修复及改善心功能的有效治疗策略。

2.2 CircRNA与心肌肥大

心肌肥大是指心肌长期负荷过重，引起心肌纤维变粗变长，心壁变厚，心脏重量增加。持续的心脏肥大伴适应不良将会导致失代偿性心衰的发生。MENG 等[17]报道在高水平和正常水平的D-葡萄糖培养下，心肌肥大细胞中存在差异表达的CircRNAs。同时发现5 个CircRNAs（CircRNA261、CircRNA26、 CircRNA1191、 CircRNA4251 和CircRNA6913）显著差异表达（P＜0.05，且倍数＞2～＜0.5），并具有60多个靶miRNA，表明这些CircRNA 可能在心脏肥大中发挥着重要作用，并有可能作为生物标志物。

LI 等[18]研究发现CircRNA_000203 在AngⅡ处理的新生小鼠心室肌细胞的细胞质中上调，在体外和体内CircRNA_000203 的过表达均可增加心室肌细胞的细胞体积及增强心房利钠肽和β-肌球蛋白重链的表达。miR-26b-5p、miR-140-3p 和Gata4 siRNA 可以逆转AngⅡ诱导的心室肌细胞肥大性生长，并消除CircRNA_000203 在心室肌细胞中的促肥大作用。结果表明CircRNA_000203 通过抑制miR-26b-5p 和miR-140-3p 导致Gata4 水平升高，从而加剧了心脏肥大心脏功能受损。

miR-133a 是心肌肥大重要的负性调控因子，LIM 等[19]研究发现来CircSlc8a1 可以作为心肌细胞中miR-133a 的内源海绵，腺病毒-9 在体内介导CircSlc8a1 干扰敲低后可减轻心脏压力超负荷引起的心肌肥大，而心肌细胞特异性过表达CircSlc8a1可导致心衰的发生。因此CircSlc8a1 可以作为心脏肥大和心衰的新型治疗靶点。

2.3 CircRNA与心肌损伤、凋亡

心肌损伤和细胞凋亡与心衰有关。凋亡增加会促进心衰进展，而凋亡减少则会保护心脏，抑制心衰的发生。WANG 等[20]在培养的小鼠心肌细胞中发现CircRNA MFACR 可以通过下调miR-652-3p和促进MTP18 翻译来增加线粒体的分裂和凋亡，以及心肌细胞死亡。 SHI 等[21]在脂多糖（Lipopolysaccharide, LPS）处理的H9c2 细胞（来自大鼠胚胎心室肌细胞）模型中发现，LPS 降低了H9c2 细胞的活力并增加了其凋亡和炎症损伤，沉默CircRNA ANKRD36 （si-CircANKRD36） 可减轻LPS 诱导的细胞凋亡和炎症损伤。结果表明si-CircANKRD36 通过上调miR-138 抑制LPS 激活的p38MAPK/NF-κB 通路发挥抗凋亡和抗炎作用。近期有研究发现Circ_0010729 在氧葡萄糖剥夺诱导的人心肌细胞中增强表达，Circ_0010729 过表达会通过抑制人心肌细胞中的细胞生长和迁移而加剧氧葡萄糖剥夺诱导的损伤，Circ_0010729 敲除可减轻氧葡萄糖剥夺诱导的损伤[22]。此外，Circ_0010729可负调控miR-145-5p 的表达，沉默Circ_0010729 通过上调miR-145-5p 激活mTOR 和MEK/ERK 途径，进而保护人心肌细胞免受氧葡萄糖剥夺诱导的损伤。因此CircRNA 在心肌损伤和调亡中扮演着重要角色。

2.4 CircRNA与心肌电重构

心衰患者具有心律失常易感性，心衰的程度越严重，发生心房颤动（以下简称房颤）的倾向就越大，此为心脏电重构所致。已经观察到房颤中有多种CircRNA 表达的改变。SHANGGUAN 等[23]通过高通量测序对12 只犬进行CircRNA 差异表达分析， 总共检测到犬心房组织中有15 990 个CircRNA。在对照组和房颤犬中发现了146 个差异表达的CircRNA。进一步行生物信息学分析发现差异表达的CircRNA 与AF 相关miRNA 和mRNA 之间存在广泛的相互作用，这为CircRNA 在房颤机制中的作用奠定了坚实的基础。近期有研究在房颤患者和健康对照者左右心耳中共检测到14 215 个CircRNA，对这些CircRNA 的差异表达分析后显示有20 个CircRNA 上调和3 个CircRNA 下调，进一步研究表明Circ_0003965 与它的亲本基因TMEM245呈显著负相关，说明Circ_0003965 失调不受其亲本基因的转录调控[24]。 此外， 研究发现hsa_Circ_0000075 和hsa_Circ_0082096 通过TGF-β 信号通路参与房颤的发病机制。这对CircRNA 和房颤背后潜在机制的理解具有重要作用。但在房颤中的具体作用机制仍需进一步探究。

3 CircRNA与HF的诊断

CircRNA具有保守性与稳定性，作为心衰的生物标志物可为疾病的诊断提供新的方向。WANG 等[25]通过复制老鼠心衰模型发现一类与心脏相关的CircRNA，作为miR-223 的内源性因子直接结合miR-223 并抑制其活性，使miR-223 对含胱天蛋白酶富集功能域凋亡抑制因子的调控作用减弱，凋亡抑制因子的表达增加，最终抑制心衰而达到保护心脏的作用。SUN 等[26]从3 例心衰患者和3 例健康对照组患者的血浆样品分析发现心衰患者血浆中有477 个CircRNA 上调，219 个CircRNA 下调。在失调的CircRNA 中，与健康对照组相比，心衰患者hsa_Circ_0112085， hsa_Circ_0062960， hsa_Circ_0053919 和hsa_Circ_0014010 表达明显更高。用hsa_Circ_0062960 进行心衰诊断的ROC 曲线下面积为0.838。相关性分析表明，hsa_Circ_0062960 的表达与B 型钠尿肽血清水平高度相关，说明CircRNA可能在心衰发病机制中起作用，所以hsa_Circ_0062960 具有作为心衰的新型诊断生物标志物的潜质。SALGADO-SOMOZA 等[27]报告了使用MI 相关环状RNA（MICRA）来预测AMI 患者左室功能衰竭的风险。从472 例AMI 患者的血液样本中发现射血分数≤40%的患者的MICRA 表达水平低于射血分数＞41%的患者。MICRA 水平较低的患者，射血分数降低的风险也很高，进一步鉴定出MICRA 存在于86%的样本中，并验证表明其类似于传统标志物可以作为心衰预测生物标记物。

4 问题与展望

心衰是目前在全球发病率高、病死率高、病程长的疾病疾病之一，其发生、发展机制尚不明确，并且治疗与预后仍是一个重大挑战，在基因水平上揭示心衰的发生与发展必将对其早期诊断、精准治疗及良好预后提供更加高效的方法。CircRNA 作为一种新发现的特殊的非编码RNA，在生物进化过程中具有特殊的生物学特性。越来越多研究证实CircRNA 参加多种心血管疾病的发生或出现异常表达，在心血管疾病的诊断和预警中具有潜在临床应用价值，然而目前在心血管疾病研究中仍有许多关于CircRNA 的问题亟待解决。比如：①CircRNA 在体内的具体降解途径是什么？因此需要对CircRNA 的生物发生的分子机制进行深入研究。②CircRNA 除了主要作为miRNA 分子海绵及蛋白质海绵起作用，是否存在其他作用机制促使心血管疾病发展？③心肌组织中的CircRNA 是否会被其他组织吸收引起次级效应仍待明确。④需要对心血管疾病在不同发展阶段的CircRNA 表达和血液循环中的CircRNAs 全谱的特征描述，这将有助于选择CircRNAs 进行未来的生物标志物研究。⑤需要对CircRNAs 在心衰发展中如何发挥功能并调节多种生理和病理过程的详细研究，将有助于识别潜在的治疗靶点。⑥需要进一步对CircRNA 评估标准化和临床适用诊断方法进行研究。⑦需要具有更大规模的队列的研究来验证CircRNA 作为心衰候选生物标志物。因此，这些研究方向将有助于加深CircRNA 在心血管疾病中作用的了解，并探讨其作为生物标记物的价值。