董妍涵,王 昆

(青島大學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院,山東青島266021)

心血管疾病是導(dǎo)致全球發(fā)病率和死亡率上升的嚴(yán)重問(wèn)題.心肌細(xì)胞的損失與多種細(xì)胞死亡和存活過(guò)程相關(guān),包括細(xì)胞凋亡、自噬和壞死,同時(shí)牽涉不同的調(diào)節(jié)通路[1].在過(guò)去的幾十年中,人類不斷探索心肌細(xì)胞死亡的調(diào)節(jié)機(jī)制以改善心臟衰竭.線粒體是心肌細(xì)胞中活性氧物質(zhì)和三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)的主要生成來(lái)源[2],其形態(tài)變化與細(xì)胞死亡過(guò)程緊密相關(guān).

在通常情況下,非編碼RNA(non-coding RNAs,ncRNAs)是一類來(lái)自非編碼區(qū)的RNA.根據(jù)長(zhǎng)度分為兩大類：長(zhǎng)鏈非編碼RNA(長(zhǎng)度超過(guò)200 nt的lncRNA,long ncRNAs)；短鏈非編碼RNA(＜200 nt),包括miRNA(microRNAs),siRNA(short interfering RNAs),piRNA(piwi-interacting RNAs)等[3],其中miRNA是一類小的(22～24 nt)高度保守的非編碼RNA,通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)結(jié)合mRNA的3’或5’非翻譯區(qū)(untranslated region,UTRs),從而抑制蛋白翻譯或促進(jìn)mRNA降解來(lái)介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄后基因沉默[3-5].早期,Berezikov等[6]和Graves等[7]詳細(xì)介紹了miRNA的產(chǎn)生過(guò)程.越來(lái)越多的證據(jù)表明,許多miRNA通過(guò)調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞死亡的信號(hào)通路來(lái)參與心臟疾病的發(fā)展進(jìn)程.

1 非編碼RNA與細(xì)胞凋亡相關(guān)的心臟疾病

細(xì)胞的死亡模式主要有3種：凋亡、自噬和壞死[8-9],其中細(xì)胞凋亡也稱為程序性細(xì)胞死亡,是一種物種間高度保守的生物調(diào)節(jié)過(guò)程[9],它的激活主要通過(guò)兩種不同的信號(hào)途徑,即外源性死亡受體途徑和內(nèi)源性線粒體途徑.細(xì)胞凋亡信號(hào)通路被激活后,通常伴隨著結(jié)構(gòu)變化,包括細(xì)胞皺縮、核濃縮和DNA斷裂,最終導(dǎo)致細(xì)胞完全破壞[10].

已有研究表明,細(xì)胞凋亡與基因的表達(dá)紊亂相關(guān),會(huì)導(dǎo)致心臟病變[11].近年來(lái),在心肌病的發(fā)病機(jī)制中,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大量的miRNAs參與細(xì)胞凋亡信號(hào)通路的調(diào)控.例如,miR-133可通過(guò)負(fù)調(diào)節(jié)caspase-9來(lái)抵抗H2O2引發(fā)的細(xì)胞凋亡[12],過(guò)表達(dá)miR-133a可抑制心肌纖維化[13].此外,miR-1在人的梗死心臟中下調(diào)[14],敲低miR-1可以抑制心律失常[15],細(xì)胞水平過(guò)表達(dá)miR-1可以通過(guò)靶向抗凋亡蛋白Bcl-2來(lái)促進(jìn)氧化應(yīng)激下的細(xì)胞凋亡[16].近期研究發(fā)現(xiàn),miR-181c參與腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡,并通過(guò)靶向Bcl-2導(dǎo)致心力衰竭[17].此外,miR-21,miR-320,miR-199a和miR-30通過(guò)靶向不同的凋亡相關(guān)蛋白促進(jìn)心臟細(xì)胞凋亡程序[18-21].活性氧(reactive oxygen species,ROS)可以氧化修飾miR-184,從而識(shí)別Bcl-xL和Bcl-w[22].在心梗模型小鼠中的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明,氧化的miR-184與Bcl-xL和Bcl-w的配對(duì)加重了ROS誘導(dǎo)的心肌組織損傷.

眾所周知,線粒體不斷地通過(guò)分裂和融合來(lái)應(yīng)對(duì)不同的環(huán)境變化.已有研究表明,線粒體的分裂/融合能夠分別促進(jìn)或抑制心肌細(xì)胞的凋亡[23-24].在心臟中,線粒體凋亡途徑同時(shí)也受多種miRNA的調(diào)控.例如,線粒體融合蛋白(Mitofusion1,Mfn1)是維持線粒體穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵蛋白之一,可以調(diào)控心肌細(xì)胞中的線粒體分裂和細(xì)胞死亡[25].Li等[26]通過(guò)建立小鼠心梗模型,發(fā)現(xiàn)miR-140通過(guò)直接結(jié)合在Mfn1的3’UTR來(lái)抑制Mfn1的表達(dá).同樣地,動(dòng)力相關(guān)蛋白-1(dynamin-related protein-1,Drp-1)是細(xì)胞凋亡過(guò)程中調(diào)控線粒體分裂的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)[27],小鼠體內(nèi)Drp-1的沉默可以顯著減少心臟經(jīng)缺血再灌注(ischemia/reperfusion,I/R)損傷后的梗死面積[28].據(jù)報(bào)道,miR-499在心臟缺血性損傷風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域中下調(diào),心臟中過(guò)表達(dá)miR-499會(huì)抑制由鈣調(diào)磷酸酶介導(dǎo)的Drp-1蛋白的去磷酸化,從而改善心肌梗死的發(fā)病程度[29].Pink1作為絲氨酸/蘇氨酸激酶,是調(diào)節(jié)線粒體分裂/融合的重要基因[30].近期研究發(fā)現(xiàn),E2F1,miR-421和Pink1之間相互作用組成一條信號(hào)軸,調(diào)控線粒體形態(tài)和心肌細(xì)胞凋亡[2].MiR-421通過(guò)抑制Pink1翻譯來(lái)促進(jìn)線粒體碎片化、細(xì)胞凋亡和心肌梗死.在線粒體凋亡通路中,由miR-361和PHB1組成的另一條信號(hào)軸也可通過(guò)抑制線粒體分裂和細(xì)胞凋亡來(lái)保護(hù)缺血損傷的心臟[31].到目前為止,盡管許多調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞存活平衡的miRNA已經(jīng)被挖掘,但心臟中線粒體通路的分子機(jī)制仍需不斷探索.

其他類型的非編碼RNA,如長(zhǎng)鏈非編碼RNA(lncRNAs)和環(huán)狀RNA(circular RNAs,circRNAs)被認(rèn)為是心血管疾病凋亡途徑中新的調(diào)節(jié)分子.LncRNAs是一組長(zhǎng)度大于200 nt的RNA,位于整個(gè)基因組中,極少具備編碼蛋白的能力[32].LncRNAs具有多種細(xì)胞功能,例如捕獲miRNAs、調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子和影響染色質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)[33-34].同時(shí),lncRNAs參與多種生物過(guò)程,包括染色質(zhì)修飾、基因組印記和細(xì)胞命運(yùn)等[35].例如,lncRNA-Braveheart和Fendrr在心肌細(xì)胞分化過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[36-37].然而,關(guān)于lncRNAs在心肌細(xì)胞死亡中所起作用的相關(guān)研究目前比較有限.近期研究發(fā)現(xiàn)了一個(gè)心臟細(xì)胞凋亡相關(guān)的lncRNA(cardiac apoptosis-related lncRNA,CARL)可作為一種內(nèi)源性的miR-539吸附海綿[38].MiR-539可直接靶向PHB2,而PHB2的抑制可促進(jìn)線粒體裂變和細(xì)胞凋亡[38].CARL能夠通過(guò)調(diào)節(jié)miR-539/PHB2途徑來(lái)抑制線粒體分裂和細(xì)胞凋亡.另一類非編碼RNA,環(huán)狀RNA(circRNAs)的3’與5’端可以連接起來(lái)形成一個(gè)封閉的環(huán)形[39].已有研究指出,cirRNAs參與多種細(xì)胞調(diào)控過(guò)程,通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)作為miRNAs的一種競(jìng)爭(zhēng)性內(nèi)源RNA[40].然而,circRNAs在心肌細(xì)胞凋亡中的作用還有待研究.到目前為止,只有一個(gè)心臟相關(guān)circRNA(heart-related circRNA,HRCR)被鑒定為凋亡途徑的潛在調(diào)節(jié)分子[41].在該研究中,HRCR通過(guò)直接結(jié)合miR-223并抑制其活性而作為內(nèi)源性miR-223海綿.MiR-223主要通過(guò)抑制抗凋亡蛋白Arc來(lái)促進(jìn)心肌肥大和心臟衰竭.抗凋亡蛋白Arc是具有Caspase募集結(jié)構(gòu)域(Caspase recruitment domain,CARD)的凋亡抑制因子,在心臟中高度表達(dá)并且抑制細(xì)胞凋亡[42-43].

2 非編碼RNA調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞自噬

自噬是一種保守的細(xì)胞內(nèi)循環(huán)過(guò)程,主要是失去功能的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器被運(yùn)送至溶酶體進(jìn)行降解的過(guò)程[44].細(xì)胞通過(guò)自噬可以將生成的大分子再循環(huán)釋放到胞質(zhì)中以供生物合成途徑中的重復(fù)使用.自噬通過(guò)兩種主要途徑調(diào)節(jié)：Beclin-1和mTOR信號(hào)通路.

自噬通常用于維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài),其功能障礙可導(dǎo)致心血管疾病.自噬功能障礙會(huì)影響心肌細(xì)胞線粒體的更新,從而導(dǎo)致心臟能量供給的缺乏[45].到目前為止,已經(jīng)有多種miRNA被證實(shí)與自噬途徑和心臟病理學(xué)相關(guān)聯(lián).由Beclin-1激活的自噬可誘導(dǎo)細(xì)胞死亡和心臟紊亂.例如,ARC作為Beclin-1的抑制劑,在壓力超負(fù)荷引起的心衰中,減少了自噬細(xì)胞的死亡和心梗梗死面積[46].生物信息學(xué)分析和進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明,miR-325通過(guò)靶向ARC干擾自噬途徑.有趣的是,miR-325作為轉(zhuǎn)錄因子E2F1的下游起作用.另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),血管緊張素Ⅱ(angiotensinⅡ,AngⅡ)會(huì)導(dǎo)致miR-30a表達(dá)下調(diào),Beclin-1作為miR-30a的靶蛋白被釋放出來(lái),導(dǎo)致細(xì)胞過(guò)度自噬以及隨后的心肌細(xì)胞肥大.細(xì)胞中miR-30a的類似物可以通過(guò)抑制Beclin-1的表達(dá)從而逆轉(zhuǎn)AngⅡ誘導(dǎo)的心肌肥大[47].另一方面,抑制mTOR的活性能夠促進(jìn)自噬和動(dòng)物心梗[48].在心衰時(shí),miR-221通過(guò)調(diào)節(jié)p27/CDK2/mTOR軸干擾自噬平衡和心肌重塑[49].MiR-99a的過(guò)表達(dá)能夠減弱mTOR的活性,減少心肌梗死面積并改善心功能[50].

在臨床上,肥厚型心肌病患者和健康捐贈(zèng)者心臟組織的miRNA芯片結(jié)果顯示,在疾病狀態(tài)下miR-451的表達(dá)水平下降[51].但是,過(guò)表達(dá)miR-451時(shí),靶蛋白結(jié)節(jié)性硬化癥復(fù)合體1(tuberous sclerosis complex 1,TSC1)會(huì)加速心臟肥大,這是一種已知的自噬正調(diào)節(jié)劑.在另一項(xiàng)研究中,心肌細(xì)胞特異性過(guò)表達(dá)miR-212/132會(huì)影響正常的自噬反應(yīng)并通過(guò)負(fù)調(diào)節(jié)叉頭轉(zhuǎn)錄因子3(forkhead box O3,FOXO3)的表達(dá),導(dǎo)致促肥大鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶活化T細(xì)胞核因子(nuclear factor of activated T cells,NFAT)途徑的過(guò)度活躍.最近,miR-22被鑒定作為心臟自噬的抑制劑,被認(rèn)為是有開發(fā)潛力的臨床心肌梗死的治療和預(yù)后工具[52].近期研究發(fā)現(xiàn),lncRNAs也參與心肌細(xì)胞自噬的調(diào)節(jié)過(guò)程.一個(gè)名為自噬促進(jìn)因子(autophagy promoting factor,lncRNA-APF)的lncRNA被發(fā)現(xiàn)[53],該lncRNA具備miR-188-3p的結(jié)合位點(diǎn).進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)揭示APF,miR-188-3p和自噬相關(guān)蛋白(autophagy related protein 7,ATG7)構(gòu)成了一個(gè)新的心臟自噬程序調(diào)節(jié)軸,影響自噬細(xì)胞死亡和心肌梗死.

3 非編碼RNA調(diào)節(jié)細(xì)胞壞死相關(guān)的心血管疾病

細(xì)胞體積增加、細(xì)胞器腫脹、質(zhì)膜破裂和細(xì)胞內(nèi)容物泄漏是壞死的形態(tài)學(xué)特征[54].長(zhǎng)期以來(lái),壞死通常被視為被動(dòng)、偶然和不受管制的事件.近年來(lái),越來(lái)越多的證據(jù)表明,壞死也可以由細(xì)胞編程.最近,一種相對(duì)新形式的壞死被定義為程序性壞死或壞死性凋亡,主要依賴受體相互作用蛋白激酶1(receptor interaction protein kinase 1,RIP1)和RIP3的獨(dú)特信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑[54-55].在心肌細(xì)胞中,壞死誘導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)容物釋放會(huì)引發(fā)炎癥反應(yīng)及病理反應(yīng),如心肌梗死和心力衰竭[56].心臟的缺血性損傷經(jīng)常導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣超載和ATP消耗,隨后導(dǎo)致線粒體的線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeability transition pore,mPTP)開放.親環(huán)蛋白D(cyclophilin D),是mPTP的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[57].抑制小鼠中的cyclophilin D能減少I/R損傷后的梗死面積,并且還有助于抵抗線粒體通透性的轉(zhuǎn)變[58].已有研究發(fā)現(xiàn),miR-30b通過(guò)靶向抑制cyclophilin D的翻譯來(lái)減弱cyclophilin D誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞壞死[59].此外,E2F1可負(fù)調(diào)控miR-30b的表達(dá),表明由E2F1,miR-30b和cyclophilin D組成新的壞死調(diào)節(jié)信號(hào)軸[59].心肌細(xì)胞祖細(xì)胞(cardiomycyte progenitor cells,CMPCs)為受損心肌提供潛在的細(xì)胞來(lái)源.當(dāng)CMPCs暴露于H2O2時(shí),miR-155的表達(dá)上調(diào),過(guò)表達(dá)miR-155時(shí),可以阻斷RIP1,從而引發(fā)抗壞死反應(yīng).該發(fā)現(xiàn)揭示了miR-155可作為移植療法的治療靶標(biāo)[60].近年來(lái),一些研究小組提供了調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞壞死發(fā)病機(jī)制的復(fù)雜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的一種新見解.Fas相關(guān)死亡結(jié)構(gòu)域蛋白(Fas-associated protein with death domain,FADD)負(fù)調(diào)節(jié)RIP1-RIP3復(fù)合物和壞死的形成[61].MiR-103/107通過(guò)干擾FADD的表達(dá)進(jìn)而影響心臟中氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞壞死和心肌梗死面積.進(jìn)一步的生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn),lncRNA-H19含有miR-103/107的識(shí)別位點(diǎn).細(xì)胞中過(guò)表達(dá)或敲低H19的實(shí)驗(yàn)證實(shí),H19的表達(dá)與細(xì)胞對(duì)壞死死亡模式的敏感性之間呈負(fù)相關(guān).進(jìn)一步揭示了一種調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞壞死樣凋亡的新通路,該通路由H19,miR-103/107和FADD組成[62].最近,由p53/lncRNA-NRF/miR-873/RIP(NRF為核呼吸因子,nuclear respiratory factor)組成的信號(hào)軸引起了研究者的關(guān)注[63],在該信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中,p53轉(zhuǎn)錄激活lncRNA-NRF,而NRF可作為miR-873的內(nèi)源性吸附海綿,從而抑制RIP1//RIP3的翻譯.lncRNA-NRF的過(guò)表達(dá)會(huì)導(dǎo)致心肌細(xì)胞壞死性死亡和I/R損傷后心肌梗死面積的增加.

4 三種細(xì)胞死亡模式之間的相互作用

在不同的應(yīng)激條件下,細(xì)胞會(huì)發(fā)生凋亡、自噬和壞死.在通常情況下,輕度應(yīng)激條件誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生自噬；而在進(jìn)行性應(yīng)激條件下,細(xì)胞發(fā)生程序性凋亡；在進(jìn)一步的極端環(huán)境中,ATP消耗與細(xì)胞壞死同時(shí)發(fā)生[64].線粒體通常作為細(xì)胞自噬和凋亡模式切換的轉(zhuǎn)換器[64],因此同一個(gè)細(xì)胞應(yīng)激因子可以同時(shí)激活細(xì)胞凋亡和自噬的不同信號(hào)通路.例如,ROS在細(xì)胞凋亡中起關(guān)鍵作用[65],同樣地,ROS也可以通過(guò)影響Atg4的活性誘導(dǎo)細(xì)胞自噬[66].此外,信號(hào)通路的某些節(jié)點(diǎn)基因,如Beclin-1/Bcl-2[67],p53[68]和caspase-8,在細(xì)胞凋亡/自噬/壞死之間的轉(zhuǎn)換中起作用.Nix是一種Bcl-2家族蛋白,可以介導(dǎo)細(xì)胞凋亡或壞死[69].另一項(xiàng)研究指出,Bax/Bak是Bcl-2家族的其他成員,已知Bax和Bak在I/R損傷時(shí)激活細(xì)胞凋亡,它的沉默導(dǎo)致抵抗mPTP開放和壞死[70].

某些miRNA可能同時(shí)參與不同的細(xì)胞死亡過(guò)程.例如,miR-497可抑制抗凋亡蛋白Bcl2和自噬基因LC3B,促進(jìn)細(xì)胞凋亡并減少細(xì)胞自噬的發(fā)生[71].Let-7b通過(guò)抑制caspase-3,進(jìn)而抑制移植到I/R損傷心臟中的人間充質(zhì)干細(xì)胞的凋亡和自噬[72].Sirt1是miR-34a的靶點(diǎn),并且能夠通過(guò)p53和ROS信號(hào)途徑影響細(xì)胞凋亡.此外,Sirt1通過(guò)調(diào)節(jié)p53和FOXO轉(zhuǎn)錄因子的活性參與自噬[73].

5 展望

心血管疾病的發(fā)展是一個(gè)涉及多種細(xì)胞過(guò)程的復(fù)雜過(guò)程.本工作揭示了非編碼RNA通過(guò)參與細(xì)胞的凋亡、自噬和壞死相關(guān)的信號(hào)通路從而調(diào)控心肌細(xì)胞的存活/死亡,具備廣泛應(yīng)用于臨床治療心臟病的潛力.阻斷細(xì)胞凋亡或壞死可能是心臟病的有效治療策略.而且,非編碼RNA的類似物或抑制劑易于合成,體內(nèi)轉(zhuǎn)染的細(xì)胞毒性低,有望成為治療人類心臟病的潛在治療靶標(biāo).但是,基于非編碼RNA療法的發(fā)展仍有許多問(wèn)題和挑戰(zhàn)需要解決,例如脫靶效應(yīng).目前,一些心血管相關(guān)miRNA已被用作心臟病的診斷標(biāo)志物[74].在未來(lái)的研究中,仍需進(jìn)一步探索在不同心肌病理狀態(tài)下,非編碼RNA和不同心肌細(xì)胞死亡形式相關(guān)聯(lián)的復(fù)雜機(jī)制.