长链非编码RNA在心肌纤维化中的研究进展*

周 驰,杨雅元,阚洪爽,欧阳昌汉,杨晓松**

(1.湖北科技学院医学部药学院,湖北 咸宁 437100;2.湖北科技学院医学部糖尿病心脑血管病变湖北省重点实验室)

随着我国老龄化社会进程的加速以及人们高热量饮食频率的增加,心血管疾病发病率呈逐年升高的趋势,因其具有极高的致残率和死亡率,严重威胁人们的生命健康。因此,阐明心血管疾病发病机制,探索新的治疗策略和开发有效防治药物是一项亟待解决的重大健康问题[1]。机械或体积压力过载所致肾素-血管紧张素-醛固酮系统、转化生长因子-β经典或非经典信号,炎症应答等的活化促进心肌纤维化进程。遗憾的是临床上通过药物干预以上靶点仅能延缓纤维化进程,并且长期服用还会带来一定副作用,因此,有关心肌纤维化的病理生理学过程仍需进一步研究和完善。

长链非编码RNA(lncRNA)是一类核酸序列长度大于200bp的非编码RNA分子。近年来,随着高通量测序技术的不断革新,大量新的lncRNA被发现和鉴定,其在机体各项生理病理进展过程中的作用也逐渐被阐明。在血液和其他体液中亦检测到lncRNA的存在,其有望用于疾病诊断的重要生物标志物。本文就lncRNA与心肌纤维化发病机制的最新研究进展进行论述,为后期进一步阐明lncRNA在心肌纤维化中的作用提供参考。

1 心肌纤维化

心肌纤维化也称心肌钙化,是多因素多细胞协同作用引起心脏胞外基质过度沉积、心肌间质扩张所致心肌结构重塑与功能障碍,为各种心肌疾病的共同病理生理特征,也是心衰的重要诱因[2-3]。机制研究[4-5]显示心肌纤维化这一过程涉及心肌成纤维细胞、心肌细胞、内皮细胞、平滑肌细胞以及免疫细胞等的参与,而活化的心肌成纤维细胞及肌成纤维细胞是细胞间基质的主要来源细胞,在心肌纤维化过程中发挥关键作用[4-5]。免疫细胞和血管内皮细胞在应激条件下也可分泌纤维化介质基质蛋白发挥接触依赖性作用促进心肌纤维化的发展。另外,炎症因子、趋化因子、活性氧、肥大细胞等衍生而来的蛋白酶、内皮素、肾素-血管紧张素-醛固酮系统、基质细胞蛋白、转化生长因子-β和血小板衍生生长因子等都是促进心肌纤维化的介质[6],通过与心肌成纤维细胞中的细胞表面受体结合,例如细胞因子受体、整合素、多聚体和CD44等,转导细胞内信号级联反应,调节参与细胞外基质的合成、加工和代谢等[7]。近期研究发现,以lncRNA作为新兴的疾病诊断标志物,在系统性红斑狼疮和类风湿性关节炎、癌症、急性肾损伤等相关研究中已有报道[8-10]。与此同时,也有越来越多的证据显示lncRNA参与多种器官和组织的纤维化发生发展过程,如肺纤维化、肝纤维化、肾纤维化和心肌纤维化等[11]。因此,明确lncRNA在心肌纤维化的发生、发展中的精确调控机制,并探讨lncRNA在心肌纤维化早期精准诊断中的作用显得尤为重要。

2 长链非编码RNA

lncRNA是一类长度超过200个核苷酸的非编码RNA分子,缺乏编码蛋白质的能力且结构松散,广泛存在于各种生物体中[12-13]。伴随着近年来愈发深入的RNA测序技术,更为先进的表观基因组技术和更加精准计算机预测技术的推动之下,lncRNA数量的攀升达到了一个新高度,现已发现的人类lncRNA数量已远超蛋白质编码基因的数量。随着研究的深入,越来越多的研究明确了lncRNA在病理生理过程中发挥重要的调控作用[14]。lncRNA通过与DNA、RNA、蛋白质和microRNA等分子相互作用来激活或抑制相关基因的表达,进而参与多种生物学过程的调控,包括遗传的剂量代偿作用、动物行为的印刻现象、细胞周期的控制、人体的发育以及配子形成等过程[15-17]。此外,最新研究发现lncRNA也可以通过自身的小型开放式阅读框翻译的小肽来参与生理病理调控作用[18]。

3 长链非编码RNA在心肌纤维化过程中的作用

lncRNA的表达或缺失与各种遗传性疾病、自身免疫性疾病、代谢性疾病和肿瘤密切相关,同时lncRNA也被认为是心肌纤维化的功能调节剂,在心肌纤维化的发生发展中有着重要的影响[19]。由心肌成纤维细胞分泌的lncRNA是潜在的诊断标记物和细胞间的分泌信号介质,亦可直接或间接参与心肌成纤维细胞向心肌细胞的直接转分化等[20]。在心肌梗死后伴有或没有左心室重构患者的血浆RNA转录组分析发现线粒体lncRNA uc022bqs.1(LIPCAR)在心梗早期阶段表达下调,而在后期阶段表达上调,由此可借助lncRNA的表达水平来诊断及确定患者心脏重塑和心肌纤维化的发生和发展,标志着lncRNA也可独立于与未来心血管死亡相关的其他风险标志物[21]。lncRNA与心肌纤维化的发生发展密切相关,广泛参与心肌纤维化的关键生理过程。因此,lncRNA既可作为生物标志物应用于心肌纤维化的诊断,亦可作为心肌纤维化防治新的潜在靶点。

3.1 长链非编码RNA与microRNA互作调控心肌纤维化

MicroRNA(miRNA)是一类由内源基因编码的长度约为22nt的非编码单链RNA分子,许多临床及动物实验证实其广泛存在于真核生物中,且在多种疾病的发生发展中具有重要的调控作用。来自低脉冲氧饱和度的先天性心脏手术患者和慢性低氧及常压条件下的小鼠心脏组织数据显示,心脏组织的纤维化程度与脉冲氧饱和度呈负相关,lncRNA-TUG1与纤维化程度正相关,而与脉搏氧饱和度呈负相关,这一结果预示lncRNA-TUG1在慢性缺氧所致心肌纤维化过程中发挥重要作用。生物信息学预测分析lncRNA-TUG1在其3'-UTR区域中包含miR-29c的结合位点,结合lncRNA-TUG1沉默实验进一步证实,lncRNA-TUG1通过海绵吸附作用抑制miR-29c从而调控低氧诱导心肌纤维化过程[22]。在小鼠心梗模型中,lncRNA-PCFL促进心肌纤维化进程,而lncRNA-PCFL的敲降能显著改善心梗所致纤维化程度。机制研究发现[23],lncRNA-PCFL通过海绵吸附作用抑制miR-378,上调miR-378的靶基因生长因子受体结合蛋白2(GRB2)的表达,促进胶原蛋白的产生,该研究揭示了lncRNA-PCFL/miR-378/GRB2调控网络在心梗诱导心肌纤维化中的重要作用。慢性炎症、细胞凋亡及心肌纤维化等都是糖尿病心肌病的重要病理特征。Lang等发现糖尿病患者血浆中不仅IL-1、IL-6及IL-17等炎症因子水平升高,在RNA水平,IL-17和lncRNA-MIAT表达也是升高的,而miR-214-3p显著下降,后续在糖尿病心肌病小鼠模型中的检测与以上结果一致,进一步证明,lncRNA-MIAT通过海绵吸附作用抑制miR-214-3p从而促进miR-214-3p靶基因IL-17的表达,阐明lncRNA-MIAT/miR-214-3p/IL-17信号轴在糖尿病心肌炎症及纤维化调控中的作用[24]。以上结果再次证实lncRNA与miRNA互作在不同压力诱导心肌纤维化过程中的重要作用,但因lncRNA序列较长,能与多个miRNA互作,因而可能在不同心肌纤维化病理条件下的作用不同。Zhu等[25]报道lncRNA-GAS5靶向miR-26a/b-5p,lncRNA-GAS5的沉默减轻糖尿病心肌纤维化,而Tao等[26]发现,lncRNA-GAS5靶向miR-21及其下游PTEN/MMP-2的调控,促进心肌成纤维细胞活化及纤维化。因此,有关lncRNA-miRNA调控网络在心肌纤维化中的精确作用机制还有待进一步完善。

3.2 长链非编码RNA与蛋白质互作调控心肌纤维化

lncRNA是基因表达的重要细胞内调节剂,可通过直接或间接调节来影响蛋白质的表达,进而发挥其在心肌纤维化中的调控作用。在近年来的研究中发现[27],lncRNA能与蛋白质相互作用间接促进或抑制心肌纤维化的发生和发展。lncRNA-H19可调节DUSP5-ERK1/2信号通路并影响心肌成纤维细胞纤维化的进程,在心肌纤维化患者组织和活化的心肌成纤维细胞中均发现lncRNA-H19的表达水平显著增加,而过表达的H19促进其下游双特异性磷酸酶5(DUSP5)的表达,从而介导细胞外信号调节激酶1/2(ERK1/2)的磷酸化,最终促进心肌成纤维细胞的增殖与心肌纤维化的发生[28]。在压力过载诱导心肌组织细胞外基质的累积与重塑,导致心肌纤维化和心脏舒张功能障碍过程中,lncRNA-MEG3的表达抑制可改善心肌纤维化。在细胞水平,lncRNA-MEG3主要在心肌成纤维细胞中表达,调控基质金属蛋白酶(MMP-2)的生成。研究显示,lncRNA-MEG3通过与P53互作,形成的复合物结合在MMP-2基因启动子上促进MMP-2的表达,而lncRNA-MEG3的敲除减少P53在MMP-2启动子的结合,抑制MMP-2的表达。在主动脉横向缩窄术小鼠模型中,lncRNA-MEG3的抑制显著下调MMP-2的表达,从而改善心肌纤维化和心脏舒张功能[29]。在异丙肾上腺素(ISO)诱导的小鼠心肌纤维化模型中发现,lncRNA-SOX2OT在小鼠心脏中的表达上调,而敲除lncRNA-SOX2OT则减轻ISO诱导的心肌损伤和胶原沉积,同时也减少了心脏中胶原蛋白I和α-SMA的表达,与此同时,TGF-β1和p-Smad3的表达在HF小鼠和ISO诱导下的心肌成纤维细胞中因SOX2OT的敲除而受到抑制。机制研究显示[30],lncRNA-SOX2OT可与Smad3蛋白互作,激活TGF-β1/Smad3信号通路,加重小鼠的心肌纤维化进程,而Smad3蛋白与lncRNA-SOX2OT启动子相互作用形成了正反馈回路。此外,研究者还在心肌成纤维细胞中发现了lncRNA-Wisper,在心肌损伤诱导的心肌纤维化中发挥重要作用。在主动脉瓣狭窄患者和心肌梗死小鼠心脏组织中,lncRNA-Wisper的表达均与心肌纤维化呈正相关,体内下调lncRNA-Wisper的表达可减轻心肌梗死诱导的心肌纤维化和心脏功能障碍。进一步研究发现[31],lncRNA-Wisper可与TIA1相关蛋白结合并调节赖氨酰羟化酶2(PLOD2)的表达,这一结果暗示lncRNA-Wisper可能与胶原的交联和基质的稳定有关。除此之外,也有报道[32]lncRNA与表观遗传修饰蛋白互作调控靶基因表观遗传修饰及表达,促进或抑制心肌纤维化进程,LncRNA-NEAT1与EZH2互作并结合在Smad7启动子区抑制该基因表达而促进心肌纤维化。LncRNA-MALAT1与EZH2互作介导USP22启动子区域H3K27me3修饰抑制USP22的表达,加重败血症引起的心肌纤维化及功能障碍[33]。

3.3 长链非编码RNA翻译的小肽调控心肌纤维化

近年来,随着翻译组测序和质谱测序技术的不断发展和完善,发现lncRNA本身也具有一种小型开放式阅读(smORF),其翻译产生大量的生物活性蛋白,之前在很大程度上被忽视了,但至今仅有少部分被阐明在各种细胞过程中的关键作用[34]。近期,有报道部分来自lncRNA的微蛋白在应激反应如低氧、病毒和细菌感染、肿瘤发生与发展等过程中起着重要作用[35]。在心肌纤维化机制研究方面,Quaife等[36]以TGFβ1刺激人心肌成纤维细胞为模型,通过RNA测序(RNA-Seq)和核糖体表达谱(Ribo-Seq)分析发现LINC01013差异表达显著,并且发现LINC01013含有一个smORF;后续通过沉默或过表达实验鉴定来自LINC01013的微肽,并证实该微肽介导成纤维细胞的活化。这些结果暗示LINC01013来源的微肽在心肌纤维化过程中发挥重要作用,但其详细调控机制还有待进一步深入研究。也有报道[37]调控心肌纤维化的lncRNA-GAS5内也含有几个小肽编码框,但其病理生理作用还有待阐明。至目前为止,有关lncRNA来源的微肽影响心血管疾病发生发展的研究报道比较少,这一方向可能成为后续探讨心血管发病机制的热点以及临床干预治疗的新靶点。

4 结 语

有关心肌纤维化调控机制的研究已有大量报道,发现并鉴定了许多转录因子或炎症因子介导的信号通路调控在此过程中发挥关键作用,而lncRNA作为表观遗传调控的重要方式之一,参与了不同类型细胞的生理病理调控过程,进而影响相应组织或器官发育或功能。近年也揭示一些lncRNA在心肌纤维化的发生和发展中可能发挥重要作用,这一发现为基于lncRNA为靶标的心肌纤维化疾病预防与治疗提供了思路,但因其调控机制还不明确,为此深入探讨lncRNA在心肌纤维化中的精确机制具有重大意义。目前已发现lncRNA可通过与microRNA、蛋白质相互作用或翻译成小肽等多种方式参与心肌纤维化的调控,但要深入探讨其分子调控机制还有一些问题需要克服,例如,有关lncRNA上游调节因子及调控机制还不清楚;IncRNA的作用靶点、作用方式多样化,它们之间是否存在某种相互关系还没有被讨论;不同病理条件下合成lncRNA或是相应的小肽,具体调控机制也还不清楚。LncRNA与心肌纤维化发生发展密切相关,有望作为心肌纤维化诊断或预后的生物标志物,为临床防治提供重要的参考依据。随着对lncRNA在心肌纤维化生理病理调控研究的深入,以lncRNA为靶点的临床防治策略与药物将展示出广阔的应用前景。