缺氧诱导因子-1α与miR-210在心肌缺血再灌注损伤中作用机制的研究进展

卓 云,雷 迁,黄晓波

心肌缺血再灌注损伤(myocardial ischemia-reperfusion injury,IRI)与严重的临床表现有关,主要包括心肌冬眠、急性心力衰竭、脑功能障碍、胃肠道功能障碍、全身炎症反应综合征和多器官功能障碍综合征.目前认为心肌IRI的机制是在缺血缺氧状态下诱导厌氧代谢,导致ATP产生降低和离子交换通道失效。离子交换通道的失效进一步导致细胞质中的酶活性受损和细胞肿胀,再灌注状态下的线粒体损伤和电解质失衡促进氧化应激导致细胞损伤及细胞死亡[1～4]。在心肌IRI的发病机制中缺氧诱导因子-1α(hypoxia inducible factor-1,HIF-1α)HIF-1α/miR-210能够在抗氧化应激,促进血管生成,改善线粒体功能方面发挥着重要作用,因此,深入探索HIF-1α/miR-210信号通路的作用机制,可以为IRI提供新的治疗策略和理论依据。

1 HIF-1α与缺血再灌注损伤的关系

1.1 HIF-1α的分子结构HIF是一种异二聚体转录因子,具有能促使需氧生物适应缺氧的作用。研究表明,HIF由两个亚基构成,由氧敏感的HIF-α亚基和氧不依赖性的HIF-β亚基组成,后者也被称为芳烃受体核易位器, 更明确地说,氧含量的水平可以影响HIF-α亚基的蛋白质稳定性,而HIF-β亚基在细胞核中组成型表达,其活性不受缺氧的影响。目前哺乳动物中的HIF-α蛋白主要分为三种,分别为HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α。其中HIF-1α是于1991年在研究促红细胞生成素中最初确定的氧感应途径中的关键因子,在氧稳态中具有高度特异性的调节作用。细胞内氧浓度可以调节HIF-1α的蛋白质稳定性和转录活性。氧传感脯氨酰羟化酶结构域酶(PHD)可控制其蛋白质稳定性,而天冬酰胺基羟化酶(FIH)可调节其转录活性。在常氧条件下,HIF-1α不断合成,羟基化和降级,HIF-1α在常氧的半衰期<5分钟,PHD可将 HIF-α 亚基在特定脯氨酰残基上羟基化。羟基化的HIF-α亚基被von-Hippel Lindau(VHL)肿瘤抑制因子E3连接酶识别,通过泛素-蛋白酶体途径降解[5], 此外,因子抑制HIF(FIH)羟基化的HIF-1α,导致其转录活性降低。在缺氧条件下,PHD和FIH因缺乏底氧化氧而导致活性降低不能羟基化HIF-1α,因此HIF-1α能够避免泛素-蛋白酶体途径降解并且能够转移到细胞核中,在那里与芳烃受体核易位器(HIF-β)结合形成异二聚体复合物存在[6,7]。

1.2 HIF-1α与IRI

HIF-1α可以保护心肌细胞免于凋亡,许多研究也证实HIF-1α可预防心肌IRI并具有心脏保护作用[8]。

1.2.1改善线粒体的功能 线粒体是有氧呼吸的主要部位,也是缺血性损伤的主要靶点。线粒体功能障碍在心肌IRI中扮演着重要的作用。在IRI时,一方面缺氧会破坏线粒体电子传递链,导致活性氧(ROS)增加,另一方面,缺氧会导致线粒体中的钙离子的浓度增加,出现钙过载[9],钙过载和氧化应激可能导致线粒体功能障碍,进而诱发心肌细胞凋亡或坏死。在IRI期间,一方面,心肌细胞内氧含量的降低可以抑制PHD和IFH来促进HIF-1α的增加,另一方面,HIF-1α能调节线粒体特异性基因的表达水平,改善线粒体在IRI期间的功能。HIF-1α-frataxin信号可调节共济蛋白的水平以达到减轻线粒体铁过载和随后的ROS产生,从而保护线粒体的功能和改善心肌细胞的活性,对IRI期间的心脏起保护作用。此外,在缺氧条件下,HIF-1α通过驱动BCL2 /腺病毒E1B 19 kDa蛋白相互作用蛋白3线粒体自噬从而促进IRI后心肌细胞的存活,但是这只在心肌IRI的早期能够起到保护作用,长时间的缺血会导致心肌细胞的死亡[10]。目前也有研究表明,通过打开线粒体ATP敏感钾通道激活HIF-1 / HRE通路来改善缺血再灌注损伤损伤[11]。

1.2.2改善氧化应激 ROS通常被认为是有氧代谢的有毒副产物,ROS的产生在缺血期间开始,并且在再灌注过程中产生大量的ROS。ROS大量积累是IRI的重要原因之一[12,13]。减轻氧化应激或减少ROS的积累能够减少心肌细胞的死亡以达到改善心肌IRI的作用。在缺氧条件下,HIF-1α能够调节心肌细胞中ROS的产生以达到对在IRI期间对心肌细胞的保护作用。HIF-1α也可以调节Nrf2,然后通过增强内在ROS清除率来激活抗氧化酶增强心肌细胞抗氧化能力以保护心肌细胞。HIF-1α还可以通过调节细胞中抗氧化剂谷胱甘肽水平,从而保护这些细胞免受ROS介导的细胞死亡。目前许多研究都认为HIF-1α对维持细胞氧化还原平衡的有着积极的作用[14],但是也有研究认为在缺血再灌注损伤期间通过多元醇途径增加了胞质NADH / NAD+比率,从而激活HIF-1α并加剧了增加脂质过氧化的氧化损伤[15]。

1.2.3促进血管生成及改善血管张力 缺血缺氧条件下, HIF-1α 表达上调,可激动靶基因 VEGF 的转录调控,HIF-1α 可通过上调VEGF表达促进内皮细胞增殖和迁移以达到增加血管生成可以有效改善病变中的缺氧,从而保护心脏。HIF-1α也可以通过抑制NF-κB通路并诱导血红素加氧酶-1,从而减弱促炎细胞因子的产生,抑制组织炎症并降低缺血再灌注损伤的程度[16]。

2 miR-210与心肌IRI的关系

2.1 miR-210分子特性MicroRNA是一种单链非编码RNA,长度从 20-24个核苷酸不et al,在所有物种中普遍表达。第一个miRNA于1993年在秀丽隐杆线虫中发现。MiRNA通过充当信使RNA(mRNA)基因表达中发挥重要作用,通过与其结合使其靶mRNA的伪互补序列不稳定从而抑制其翻译。这种机制在细胞代谢、分裂、凋亡和自噬方面有着重要作用。miR-210是miRNA的一种,miR-210的缺氧调控于2007年首次通过miRNA微阵列芯片鉴定,miR-210是低氧条件下反应变化最为显著的 miRNA 之一[17],在心肌的缺血再灌注损伤中发挥着重要作用。

2.2 miR-210与心肌IRImiR-210是所有已发表的研究中唯一在正常和转化缺氧细胞中持续上调的miRNA。也被普遍认为是一个强大的HIF-1α靶标[18],在心肌IRI中发挥着抗细胞凋亡,促进血管生成以及脱氧核糖核酸的修复中发挥着重要作用。

2.3 抗凋亡作用miR-210通过下调其靶目标蛋白酪氨酸磷酸酶-1B(PTP1b),PTP1b是半胱天冬酶-8和半胱天冬酶-3的激活剂,从而抑制心肌细胞凋亡[19,20]。miR-210在心肌细胞中的过表达抑制了ROS的产生,从而抑制了氧化应激导致的细胞凋亡。miR-210还可以通过调节Bcl-2腺病毒E1B 19kDa相互作用蛋白3减轻氧化应激诱导的心肌细胞凋亡。目前主流的观点认为miR-210在心肌IRI起到积极作用,但也有研究认为miR-210在心肌IRI中有相反的作用,当miR-210被抑制时,缺氧诱导的心肌细胞损伤得到有利缓解[21],因此miR-210在抗凋亡方面的机制需进一步明确。

2.4 促进血管生成与脱氧核糖核酸的修复miR-210通过靶向受体酪氨酸激酶配体Ephrin-A3(EFNA3),增强人脐静脉内皮细胞的分化,在缺氧下进入毛细血管样结构,并使VEGF促进血管生成,研究者通过将迷你圆圈载体注射到梗死小鼠的心脏中的动物研究表明miR-210能够促进心肌细胞存活和新生血管的形成有着重要的作用[22],这表明在miR-210在有可能通过促进血管生成在心肌的IRI中发挥重要的作用。缺氧条件下,MiR-210能够抑制同源重组修复的关键基因RAD52的蛋白质翻译,但不抑制基因转录,这为缺氧下调细胞DNA损伤修复机制提供了一种新的机制,但目前这种机制尚不明确[18]。最近的一项研究表明,缺血性预处理提供的细胞保护可能是由miR-210的诱导介导的,miR-210通过阻断半胱天冬酶-8相关蛋白-2来促进间充质干细胞存活以达到保护细胞的作用[23]。

3 HIF-1α/miR-210在心肌IRI发挥的作用

HIF-1αmiR-210与关系密切,虽然miR-210似乎是HIF-1α特异性调节的目标,但也有报道miR-210受到HIF-2α依赖性调节。miR-210能由HIF-1α所调控, HIF-1α在接近 miR-210 启动子处直接与转录起始位点上游大约 400 bp 的乏氧反应元件结合,从而促进miR-210的表达[24],目前有研究认为HIF-1α/ miR-210信号通路与甘油-3-磷酸脱氢酶1(GPD1L)有关,在缺氧条件下,HIF-1α诱导miR-210会导致GPD1L蛋白表达降低,进而导致HIF-1α稳定性增加。在正常生理条件下,GPD1L的作用是PHD的活性,从而确保HIF-1α脯氨酸羟基化,导致HIF-1α被泛素-蛋白酶体降解。由于 miR-210 靶向 GPD1L mRNA 3′ UTR,通过miR-210 靶向 GPD1L mRNA 3′ UTR 导致 GPD1L 蛋白表达降低,导致缺氧期间HIF-1α积累增加。简单来说,在常氧条件下,当HIF-1α蛋白表达低时,miR-210的水平也较低,因此GPD1L表达上调。在缺氧时,HIF-1α蛋白和转录活性增加,导致miR-210的积累,GPD1L的表达下调,PHD失活,导致HIF-1α蛋白增加。该机制包括一个正反馈回路[25-28],表明miR-210也能够诱导并维持HIF-1α蛋白水平。在体内,miR-210水平与缺氧的基因表达特征相关,称为缺氧亚基因[29]。miR-210的表达似乎是体内HIF-1α活性的准确读数[30]。目前主流观点认为HIF-1α及miR-210在心肌IRI中发挥着积极的作用。在缺血缺氧条件下,一方面HIF-1α能够通过自身的大量表达,达到在心肌IRI中改善线粒体功能,降低细胞氧化应激,促进血管生成以保护心肌细胞的作用,另一方面,通过调控miR-210的产生,miR-210也能够在心肌IRI中发挥到促进细胞分裂分化,抗细胞凋亡及促进血管生成的保护心肌细胞的作用。但HIF-1α及miR-210各自的机制尚不能确证,因此需要进一步研究HIF-1α/miR-210在心肌IRI中发挥的作用。

4 展望

在生物医学研究快速发展的今天,心肌IRI的机制得到了广泛的研究。目前已证实心肌IRI有多种因素介导。在众多参与IRI 的保护因子中[31]。HIF-1α及miR-210在IRI 中都扮演着积极的作用[23,32],且miR-210能够受到HIF-1α的调控,我们有理由相信HIF-1α/miR-210信号通路在IRI 中发挥着重要的作用,但目前的研究尚不能完全明确其机制。因此,进一步研究HIF-1α/miR-210在IRI 中的病理生理学中的作用及其潜在机制至关重要。