張?jiān)搅眨~紅華

(1.寧波大學(xué)醫(yī)學(xué)院，浙江 寧波 315000；2.中國科學(xué)院大學(xué)寧波華美醫(yī)院，浙江 寧波 315000；3.中國科學(xué)院大學(xué)寧波生命與健康產(chǎn)業(yè)研究院，浙江 寧波 315000)

0 引言

心血管疾病(cardiovascular diseases，CVDs) 仍是我國人群首要的死亡原因，發(fā)病率仍持續(xù)上升，死亡率居高不下，肥胖、高血脂、糖尿病、煙草、酒精等構(gòu)成了心血管疾病發(fā)病的危險(xiǎn)因素[1]。體育鍛煉可降低并控制血壓、調(diào)節(jié)血糖血脂水平和增加胰島素敏感性，從而起到心臟保護(hù)的作用[2]，是最有效、最便利也最易獲得以及培養(yǎng)的治療方法。微小RNA(microRNA，miRNA，miR)在細(xì)胞生長、增殖與遷移，組織分化和胚胎發(fā)育中發(fā)揮著重要的作用，可從表觀遺傳學(xué)、轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控等多方面調(diào)節(jié)基因表達(dá)[3]，從而成為參與CVDs發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文就miRNA 參與運(yùn)動介導(dǎo)的心血管保護(hù)作用做一綜述。

1 微小RNA 的生物學(xué)特征

微小RNA 是一類長度為18-22 個(gè)核苷酸的非編碼RNA，其高度保守，廣泛存在于真核生物中，可在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控基因表達(dá)[4]，被譽(yù)為“21 世紀(jì)極具前途的生物標(biāo)志物”。MiRNA基因在聚合酶II 作用下被轉(zhuǎn)錄成為初始miRNA，后被RNase III Drosha 酶切割形成前體miRNA，與轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白exportin-5結(jié)合被送入細(xì)胞質(zhì)中，在RNase III Dicer 酶切割下成為成熟的miRNA，進(jìn)一步與Argonaute 蛋白等形成miRNA 誘導(dǎo)的沉默復(fù)合物，與目標(biāo)mRNA 分子進(jìn)行堿基配對后，miRNA 可通過切割mRNA，阻斷翻譯或調(diào)節(jié)mRNA 轉(zhuǎn)換過程以降低翻譯速率，從而負(fù)性調(diào)控靶基因[5]。大多數(shù)miRNA 存在于真核生物細(xì)胞中，近年來在生物體液中也檢測到了穩(wěn)定存在的miRNA。在細(xì)胞外空間，其附著于蛋白質(zhì)或脂蛋白上，抑或裝載在細(xì)胞外囊泡中，可免受外界各類因子降解從而完成多項(xiàng)生物學(xué)功能并反映出起源組織的病理生理狀態(tài)[6]。目前已在人體基因中鑒定出2000 多個(gè)miRNA，其中大約150—200個(gè)存在于心臟中，且與心血管疾病的發(fā)生發(fā)展息息相關(guān)[7]。MiR-1 是心臟中表達(dá)最豐富的miRNA 之一，可影響線粒體鈣離子吸收負(fù)性調(diào)控心肌肥大[8]。miR-15、miR-133a 和miR-499 則已成為心肌細(xì)胞纖維化、壞死凋亡病理過程中的重要調(diào)控介質(zhì)[9]。隨著高通量測序方法的飛速進(jìn)展，miRNA 的研究領(lǐng)域也得到了極大的擴(kuò)展，它們在調(diào)控心肌細(xì)胞分化增殖、血管生成、心室重構(gòu)等發(fā)生發(fā)展中起到的重要作用表明其在CVDs 的治療中具有良好的前景。

2 運(yùn)動與心臟保護(hù)作用

運(yùn)動鍛煉作為積極的生理調(diào)節(jié)劑，對心血管系統(tǒng)保護(hù)起著重要的作用。目前認(rèn)為氧化應(yīng)激損傷是多種疾病發(fā)生發(fā)展的過程。高水平活性氧不利于心臟鈣離子的利用并且與內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙相關(guān)，在血管生成、壞死和凋亡方面起著分子信號的作用[10]。運(yùn)動作為氧化應(yīng)激的重要介質(zhì)，對氧化還原系統(tǒng)具有雙向作用。短期且適量的體育鍛煉產(chǎn)生的自由基與骨骼肌運(yùn)動性適應(yīng)的形成密切相關(guān)，而劇烈且長期的運(yùn)動則會阻礙骨骼肌收縮，損害運(yùn)動能力和身體健康[11]。此外，細(xì)胞線粒體能量代謝障礙和葡萄糖穩(wěn)態(tài)改變可導(dǎo)致氧化應(yīng)激障礙和功能紊亂，已成為心臟肥厚性重塑、代謝性心肌病甚至心力衰竭發(fā)生發(fā)展的重要因素[12]。有氧運(yùn)動可提高骨骼肌和棕色脂肪中線粒體生物發(fā)生和氧化代謝的表達(dá)增加ATP 含量，改善線粒體功能和減少代謝紊亂以有效改善內(nèi)皮和心臟功能[13]。規(guī)律且適量的運(yùn)動鍛煉還可通過免疫細(xì)胞浸潤和功能調(diào)節(jié)以減弱機(jī)體炎性內(nèi)環(huán)境，調(diào)控免疫應(yīng)答間接影響癌癥、哮喘、CVDs 等慢性病的發(fā)生發(fā)展[14]。

3 miRNA 參與運(yùn)動介導(dǎo)心血管保護(hù)的機(jī)制

運(yùn)動可通過誘導(dǎo)氧化應(yīng)激改變、能量代謝調(diào)節(jié)及免疫系統(tǒng)反應(yīng)等過程多方面調(diào)控miRNA 表達(dá)以參與心肌細(xì)胞凋亡、心肌肥大、心肌纖維化、心臟電重構(gòu)等病理過程從而產(chǎn)生多項(xiàng)功能性反應(yīng)。

3.1 心肌細(xì)胞生長與增殖

長久的耐力訓(xùn)練可增厚肌原纖維、增加線粒體數(shù)目、擴(kuò)展肌漿網(wǎng)以增加心功能儲備，誘導(dǎo)心臟生理性肥大以有效預(yù)防病理性心臟重塑。CCAAT 增強(qiáng)子結(jié)合蛋白β(CCAAT enhancer binding proteins，CEBPβ)是C/EBPs 家族的重要成員之一，其在耐力運(yùn)動早期階段表達(dá)降低，并負(fù)性調(diào)控CITED4基因參與細(xì)胞分化與增殖，從而改善心室重構(gòu)[15]。MiR-222靶 向homeodomain-interacting protein kinase 1(HIPK1)，同 時(shí)也是CITED4 的上游調(diào)控因子，但進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)敲除HIPK1 基因的小鼠并沒有顯著改變CITED4 表達(dá)，表明這些因子之間或許存在著復(fù)雜的調(diào)控通路[15]。MiR-17-3p 直接靶向并負(fù)性調(diào)節(jié)組織金屬蛋白酶抑制因子3(metallopeptidase inhibitor 3，TIMP3)，間接調(diào)節(jié)PTEN 基因及表皮生長因子受體-c-Jun 氨基末端激酶信號通路，參與運(yùn)動誘導(dǎo)的心臟細(xì)胞肥大、增殖與存活[16]。為期21 天游泳訓(xùn)練可使小鼠血漿中miR-17-3p 顯著增加以刺激生理性肥大[16]。此外，血漿miR-532 水平與胰島素樣生長因子-1 負(fù)性相關(guān)，它可激活A(yù)kt 信號通路促進(jìn)細(xì)胞生長增殖及氧化還原平衡，以增強(qiáng)對抗阻運(yùn)動的適應(yīng)[17]。而在經(jīng)歷連續(xù)8 周的跑步訓(xùn)練后，miR-1在小鼠心肌細(xì)胞中表達(dá)下降，作為其預(yù)測靶標(biāo)的線粒體鈣單向轉(zhuǎn)運(yùn)體(mitochondrial calcium uniporter，MCU)表達(dá)升高[18]。因此，受β 腎上腺素能受體系統(tǒng)調(diào)控的miR-1/MCU 軸可能影響線粒體Ca2+的吸收，成為心肌細(xì)胞生理性肥大動態(tài)適應(yīng)的相關(guān)因素之一[18]。

3.2 血管內(nèi)皮細(xì)胞生長與血管生成

血管內(nèi)皮細(xì)胞生成是一個(gè)有序的機(jī)理過程，磷脂酰肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase，PI3K)/Akt 信號通路參與細(xì)胞分化、增殖，也是血管生成的重要環(huán)節(jié)，PTEN 基因可負(fù)性調(diào)節(jié)PI3K/Akt 信號傳導(dǎo)[19]。運(yùn)動被證實(shí)可上調(diào)miR-20 并抑制PTEN 基因表達(dá)，有助于激活PI3K/Akt 信號通路以促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞生長與增殖[20]。作為內(nèi)皮特異性miRNA 家族之一的miR-126 靶向sprouty 相關(guān)蛋白1 和PI3KR2，激活ERK 和Akt 途徑以增強(qiáng)血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)，從而促進(jìn)血管生成[21]。MiR-210 則是一類低氧特異性miRNA，通過下調(diào)靶基因ephrin A3 刺激VEGF 介導(dǎo)的血管形成通路[22]。多項(xiàng)關(guān)于糖尿病動物的研究發(fā)現(xiàn)糖尿病會導(dǎo)致早期內(nèi)皮祖細(xì)胞功能受損，使miR-126 和血管生成在糖尿病大鼠中減低并上調(diào)miR-210 表達(dá)，運(yùn)動可使上述miRNAs 表達(dá)水平標(biāo)準(zhǔn)化并有效預(yù)防冠心病進(jìn)展和心功能不全[22,23]。另一項(xiàng)研究則表明高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練(high-intensity interval training，HIIT)可降低miR-16 并上調(diào)miR-21 表達(dá)[24]。通過靶向VEGFR2 和成纖維細(xì)胞生長因子受體1，miR-16 過表達(dá)會減少內(nèi)皮細(xì)胞增殖、遷移[25]；miR-21 則促進(jìn)缺氧誘導(dǎo)因子-1 和VEGF 表達(dá)間接參與了血管生成[26]。此外，低一氧化氮(nitric oxide，NO)含量與內(nèi)皮功能障礙息息相關(guān)[27]，miR-34a 可抑制沉默信息調(diào)節(jié)因子1(sirtuin-1，SIRT1)促進(jìn)內(nèi)皮祖細(xì)胞衰老[21]，SIRT1 調(diào)節(jié)內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)/NO 系統(tǒng)使內(nèi)皮依賴性血管舒張[28]，因此在細(xì)胞衰老過程中表現(xiàn)出極大的保護(hù)作用。

3.3 抗心肌纖維化

定期運(yùn)動訓(xùn)練可有效抑制氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)以及細(xì)胞凋亡，從而有效預(yù)防心肌細(xì)胞損傷和纖維化形成[29]。通過靶向轉(zhuǎn)化生長因子β1(TGFβ-1)及其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白Smad 2/3，運(yùn)動后上調(diào)的miR-29a 和miR-101a 可抑制COL1A1 和COL3A1 基因，減輕隨之而來的心肌纖維化，最終保護(hù)心肌細(xì)胞并防止瘢痕組織形成[30]。在肥胖大鼠病理性肥大的心肌細(xì)胞中，miR-1 與Ca2+因子NCX1 呈負(fù)相關(guān)，并且miR-29c 表達(dá)水平降低對心臟膠原容積分?jǐn)?shù)的提升具有積極作用[31]，而有氧運(yùn)動則可促進(jìn)NCX1 吸收并使miR-29c 和miR-1 表達(dá)水平標(biāo)準(zhǔn)化，最終降低膠原蛋白表達(dá)、改善病理性心臟重構(gòu)及功能障礙[32]。

3.4 抗心肌細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡對維持機(jī)體的動態(tài)平衡起著至關(guān)重要的作用。程序性細(xì)胞死亡因子4(programmed cell death protein 4，PDCD4)被認(rèn)為是凋亡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，通過抑制真核細(xì)胞起始因子4A 解旋酶活性或直接與mRNA 結(jié)合以干擾蛋白質(zhì)翻譯，以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞增殖、遷移與凋亡[33]。作為PDCD4 上游調(diào)控因子，miR-21 減弱了氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡以實(shí)現(xiàn)心血管保護(hù)作用[34]。

4 運(yùn)動誘導(dǎo)的miRNA 改變與心血管疾病的發(fā)生發(fā)展

4.1 冠狀動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化是一種涉及脂質(zhì)代謝障礙的慢性血管性疾病，與腦梗死、冠心病甚至心肌梗死等密切相關(guān)。心肌梗死時(shí)病變的冠狀動脈急性且持續(xù)缺血缺氧會導(dǎo)致心肌細(xì)胞壞死和病理性心臟重塑[35]。近年來已發(fā)現(xiàn)多個(gè)miRNAs 在冠心病甚至心肌梗死中發(fā)揮著巨大作用。心外膜脂肪組織厚度目前是冠心病發(fā)生發(fā)展的最高危因素，miR-20 與脂肪形成密切相關(guān)。游泳訓(xùn)練被證實(shí)可提升冠心病小鼠miR-20 表達(dá)，并且一系列ATH 相關(guān)性細(xì)胞因子例如內(nèi)皮素1、血管緊張素II 以及血栓烷A2 被下調(diào)，反之，一氧化氮合酶、前列環(huán)素和VEGF則升高[20]。如前所述，間歇性有氧運(yùn)動負(fù)性調(diào)控心肌梗死患者miR-29a 和miR-101a 表達(dá)最終減輕心肌間質(zhì)纖維化[30]。Liao 等[36]通過對TGFβ 上游調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的分析證實(shí)早期適度中等量運(yùn)動可能通過上調(diào)miR-150-5p 和miR-223-3p 可抑制白細(xì)胞激活及遷移，減輕心梗后病理性炎癥反應(yīng)。以上多項(xiàng)發(fā)現(xiàn)可能可以成為心?；颊邼撛诘男呐K康復(fù)策略。

4.2 心肌缺血再灌注損傷(ischemia-Reperfusion Injury,IRI)

再灌注是治療缺血性心臟病的重要手段之一，但也會產(chǎn)生過量的自由基以修飾細(xì)胞信號蛋白導(dǎo)致組織氧化損傷，介導(dǎo)一系列病理生理過程。游泳訓(xùn)練可增加miR-21 水平并間接降低PDCD4 表達(dá)，從而抑制缺血再灌注期間心肌細(xì)胞壞死與凋亡[37]。Shi 等[16]證明miR-17-3p 在假手術(shù)組和IRI 組小鼠的心肌細(xì)胞中均表達(dá)升高，可促進(jìn)心肌細(xì)胞增殖有效預(yù)防IRI 后心臟不良重塑。長期運(yùn)動訓(xùn)練還可增強(qiáng)循環(huán)外泌體miR-342-5p 表達(dá)水平，靶向Caspase 9 和Jnk2 基因抑制缺氧/復(fù)氧誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞損傷，發(fā)揮持續(xù)的心臟保護(hù)作用[38]。

4.3 高血壓

高血壓是最常見的慢性病，也是心腦血管疾病的最高危險(xiǎn)因素之一，有效控制血壓可以顯著減少心腦血管事件并提高患者壽命。等長訓(xùn)練可以增加抗氧化劑活性，從而增加NO的生物利用度和抗氧化反應(yīng)降低患者血壓[27]。與久坐組相比，接受運(yùn)動訓(xùn)練的大鼠主動脈中miR-34a 和miR-181a 含量及高血壓發(fā)病率降低[21]。血管平滑肌細(xì)胞的異常增殖是高血壓血管重塑和血管增生性疾病發(fā)展的主要病理基礎(chǔ)。作為正常動脈壁尤其是血管平滑肌表達(dá)最豐富的miRNAs 之一，miR-145 在自發(fā)性高血壓大鼠中表達(dá)低下，體育鍛煉可強(qiáng)化其表達(dá)并靶向胰島素受體底物1 增強(qiáng)Akt 通路磷酸化水平[39]。

4.4 心力衰竭

心力衰竭(心衰)是心血管疾病發(fā)生發(fā)展的終末性階段，具有極高的發(fā)病率和死亡率。氧化自由基產(chǎn)生過多會引起收縮功能障礙和結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致心肌功能障礙。MiRNA 關(guān)于心衰發(fā)生發(fā)展的分子學(xué)機(jī)制仍在進(jìn)一步探索中。敲除CITED4基因的小鼠在運(yùn)動后出現(xiàn)中度心臟功能障礙，并且接受主動脈縮窄術(shù)后更是出現(xiàn)了左心室擴(kuò)大及嚴(yán)重的心衰，同時(shí)伴有miR-30d 和mTOR 活性降低以適應(yīng)病理性心臟重塑帶來的細(xì)胞凋亡、自噬及線粒體障礙[40]。新近研究發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度運(yùn)動降低了心肌梗死后大鼠miR-214-3p、miR-497-5p 和miR-31a-5p 表達(dá)水平，作者推測上述miRNAs 可能通過激活PI3K/AKT 信號通路以調(diào)節(jié)肌漿網(wǎng)鈣離子穩(wěn)態(tài)影響細(xì)胞電生理活動改善心功能不全[41]。

4.5 糖尿病性心肌病

2 型糖尿病(Type 2 diabetes mellitus，T2DM)可導(dǎo)致進(jìn)行性心臟功能障礙，已成為CVDs 的獨(dú)立危險(xiǎn)因素之一[42]。有氧運(yùn)動可有效保護(hù)心臟免受ROS 的積累，并可能對糖尿病性心肌病產(chǎn)生治療效用[13]。力量訓(xùn)練提升了T2DM 患者血漿miR-146a 含量并降低血糖水平[43]。通過抑制TNF 受體相關(guān)因子6，miR-146a 在核因子-kB 途徑中充當(dāng)了激活劑的角色，它不僅調(diào)控了炎癥基因表達(dá)水平，同時(shí)也限制了從“氧化磷酸化到糖酵解代謝”的演變[43]。Lew 等[23]發(fā)現(xiàn)中等強(qiáng)度及高強(qiáng)度的運(yùn)動訓(xùn)練能預(yù)防早期糖尿病患者心臟保護(hù)性miR-126、miR-133 和miR-15 下降及微血管功能障礙；而在糖尿病性心肌病發(fā)展的晚期階段，僅高強(qiáng)度運(yùn)動才能有效逆轉(zhuǎn)miRNAs失調(diào)。作者在文中具體論證了如前文所述的miR-126 的血管生成途徑，標(biāo)志著其可作為評估或預(yù)測運(yùn)動對改善糖尿病引起的心血管并發(fā)癥的有效性的有效生物標(biāo)志物。

5 結(jié)語與展望

在這篇綜述中，我們探討了在miRNA 層面運(yùn)動鍛煉之于CVDs 的保護(hù)作用以及其中可能存在的相關(guān)機(jī)制。MiRNA 表達(dá)穩(wěn)定，通過細(xì)胞外泌體轉(zhuǎn)移并釋放入循環(huán)血以完成多種生物學(xué)功能，是一類可用于診斷和治療CVDs 的極具前途的生物標(biāo)志物。運(yùn)動所帶來的氧化應(yīng)激效應(yīng)、能量代謝調(diào)節(jié)及免疫反應(yīng)是心臟改變及CVDs 發(fā)生發(fā)展重要因素，非編碼RNA尤其是miRNA 通過運(yùn)動可減輕心肌細(xì)胞凋亡與纖維化，促進(jìn)生理性心肌肥厚并抑制病理性心臟重塑從而發(fā)揮心臟保護(hù)作用。雖然現(xiàn)領(lǐng)域仍處于早期階段，將分子層面研究成果應(yīng)用于臨床試驗(yàn)應(yīng)用仍具有多重挑戰(zhàn)，但這些初步研究為基于非編碼RNA 的心臟康復(fù)治療方法提供了樂觀的前景。