馬明仁 蔡曉慶 張鵬 焦丕奇 趙瑞 王菲 馬凌

迄今為止心血管疾病(cardiovascular diseases,CVD)仍是導(dǎo)致全球人類死亡的主要原因之一,在我國CVD的患病率呈逐年攀升趨勢[1]。心血管系統(tǒng)作為體內(nèi)運輸、傳遞氧的重要通道對缺氧十分敏感,缺氧已成為CVD獨立危險因素,通常會導(dǎo)致不可逆的組織損傷[2]。當(dāng)前臨床應(yīng)用廣泛的CVD指標以反映心肌損傷、心臟功能及心血管炎癥為主,而缺氧致CVD診療缺乏穩(wěn)定性、特異性及敏感性高的標志物。微小RNA(microRNA,miRNA)是長度為20～26個核苷酸大小的單鏈小分子,通過結(jié)合靶mRNA的3’非編碼區(qū)來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄后水平上蛋白質(zhì)編碼基因表達[3]。大量基礎(chǔ)與臨床研究佐證了miRNA參與心血管系統(tǒng)的病理生理進程[4],其中miR-210可謂缺氧相關(guān)疾病研究領(lǐng)域的明星分子,在缺氧致CVD中miR-210顯著上調(diào),通過調(diào)節(jié)缺氧細胞增殖、分化、遷移以及線粒體代謝發(fā)揮心血管系統(tǒng)保護作用,然而持續(xù)高表達的miR-210在特定環(huán)境下也會對機體產(chǎn)生損害[5]?；诖?本文聚焦miR-210在缺氧致CVD中的關(guān)鍵調(diào)控作用,以細胞凋亡、血管生成、紅系分化以及炎癥反應(yīng)為切入點總結(jié)該研究領(lǐng)域當(dāng)前最新進展,以期為缺氧致CVD的防治提供新策略。

1 miR-210概述

人類miR-210位于第11號染色體短臂末端(11p15.5),是由20～24個核苷酸組成的高度保守miRNA,包括miR-210-3p和miR-210-5p兩個轉(zhuǎn)錄本,miR-210-3p整合到RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體中的引導(dǎo)鏈,而miR-210-5p降解失活的隨從鏈[6],通過與靶mRNA序列互補抑制蛋白質(zhì)翻譯,在轉(zhuǎn)錄水平發(fā)揮調(diào)控作用。miR-210啟動子區(qū)域含有一個大約40 bp的功能性缺氧反應(yīng)原件能被缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)識別,從而在缺氧條件下誘導(dǎo)miR-210轉(zhuǎn)錄,調(diào)節(jié)細胞缺氧應(yīng)答反應(yīng)使機體適應(yīng)缺氧環(huán)境。miR-210是主要的缺氧誘導(dǎo)性miRNA,已證實它在缺氧條件下的多種細胞類型中顯著上調(diào),參與機體生物學(xué)進程以及疾病的發(fā)生發(fā)展[7]。miR-210結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐高溫及耐降解的特性使其具備作為缺氧致CVD穩(wěn)定可靠生物標記物的潛質(zhì)。

2 miR-210抑制細胞凋亡

細胞凋亡的發(fā)生由與細胞表面受體相關(guān)的外在途徑和通過線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)發(fā)生作用的內(nèi)在途徑介導(dǎo),內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激在缺氧心肌細胞凋亡中發(fā)揮關(guān)鍵作用。Marwarha等[8]最新研究表明,miR-210減弱了缺氧誘導(dǎo)的內(nèi)在凋亡途徑激活,并首次揭示在AC-16心肌細胞中抑制絲氨酸/蘇氨酸激酶糖原合酶激酶3β活性是miR-210減弱缺氧誘導(dǎo)心肌細胞凋亡的基礎(chǔ)。在受到缺氧/復(fù)氧應(yīng)激的AC-16心肌細胞中,該研究團隊還證實了miR-210減弱缺氧驅(qū)動的內(nèi)在凋亡途徑,同時顯著增強復(fù)氧誘導(dǎo)的csapase-8介導(dǎo)的外在凋亡途徑[9]。心肌隨年齡增長再生能力逐漸降低乃至消失的生理特性使研究者對干細胞治療CVD產(chǎn)生了濃厚興趣,缺氧誘導(dǎo)能增強間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cells,MSCs)及其分泌的外泌體中miR-210和中性鞘磷脂酶2的活性,增加對心臟的獲益[10]。Cheng等[11]揭示,缺氧刺激MSCs來源的外泌體miR-210通過靶向AIFM3調(diào)節(jié)PI3K/AKT和p53信號通路,從而減少心肌梗死后的心肌細胞凋亡,內(nèi)源性外泌體miR-210在此過程中發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)控作用。鐵-硫簇支架蛋白1/2(iron-sulfur cluster scaffold protein,ISCU1/2)作為線粒體代謝的關(guān)鍵組成部分在肺動脈高壓(pulmonary arterial hypertension,PAH)發(fā)病機制中起重要作用,且ISCU1/2受到miR-210調(diào)控。缺氧是人肺動脈平滑肌細胞(human pulmonary artery smooth muscle cell,HPASMC)增殖和PAH的重要刺激因素,Gou等[12]發(fā)現(xiàn),miR-210是HPASMC缺氧誘導(dǎo)的主要miRNA,在慢性缺氧誘導(dǎo)的PAH小鼠肺組織中miR-210通過抑制E2F3表達減少缺氧誘導(dǎo)的HPASMC凋亡。血管平滑肌細胞(vascular smooth muscle cell,VSMC)凋亡在血管重構(gòu)和動脈粥樣硬化(atherosclerosis,AS)斑塊不穩(wěn)定中起重要作用,缺氧誘導(dǎo)的VSMC模型中發(fā)現(xiàn)miR-210通過靶向MEF2C抑制細胞凋亡[13]。缺氧誘導(dǎo)的細胞凋亡是多因素參與的復(fù)雜過程,miR-210在其中發(fā)揮的關(guān)鍵調(diào)控作用已得到大量研究證實,然而據(jù)當(dāng)前研究可知miR-210下游靶點較多且調(diào)控網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜,以miR-210為節(jié)點展開miRNA-miRNA交互網(wǎng)絡(luò)研究對闡明缺氧條件下miR-210在細胞凋亡中發(fā)揮的調(diào)控作用機制至關(guān)重要。

3 miR-210促進血管生成

缺氧條件下心血管系統(tǒng)會出現(xiàn)代償性的血管新生以改善血流供應(yīng),這對維持機體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)尤為重要。HIF-1α是缺氧條件下細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,研究證實HIF-1α/miR-210/miR-424/sFLT1軸通過血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)信號通路調(diào)節(jié)缺氧條件下人臍靜脈內(nèi)皮細胞和人真皮微血管內(nèi)皮細胞的血管生成[14]。Mirzaei等[15]探討?zhàn)囸I素對缺氧相關(guān)心臟血管新生的影響發(fā)現(xiàn),在Wistar大鼠缺氧模型中HIF-1α、VEGF和miR-210參與缺氧誘導(dǎo)的血管生成,缺氧增加心肌血管生成和心臟miR-210、VEGF和HIF-1α表達,而饑餓素可通過反向調(diào)節(jié)miR-210信號通路抑制這些缺氧誘導(dǎo)的變化。MSC衍生的細胞外囊泡(mesenchymal stem cell-derived small extracellular vesicles,MSC-sEVs)作為細胞間通訊和維持細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的重要介質(zhì)已被證實在缺氧條件下參與血管生成,缺氧預(yù)處理MSC-sEVs中的miR-210-3p通過HIF-1α誘導(dǎo)表達上調(diào),過表達的miR-210-3p負調(diào)節(jié)EFNA3表達并增強PI3K/AKT通路的磷酸化而促進血管生成[16]。側(cè)支循環(huán)的早期建立可有效降低急性心肌梗死(acute myocardial infarction,AMI)后心肌細胞死亡的風(fēng)險并促進心肌重構(gòu)誘導(dǎo)心肌血管再生,在AMI小鼠模型中發(fā)現(xiàn)miR-210控制線粒體代謝,通過靶向特定基因誘導(dǎo)血管生成并抑制心肌細胞凋亡而發(fā)揮保護心臟的功能[17]。Fan等[18]在Sprague-Dawley大鼠AMI模型中也證實,AMI+miR-210激動劑組的miR-210、肝細胞生長因子(hepatocyte growth factor,HGF)表達水平顯著高于其他亞組,miR-210通過靶向調(diào)節(jié)HGF促進梗死心肌血管生成改善左心室重構(gòu)。miR-210通過調(diào)控HIF、VEGF及HGF等在缺氧條件下促進血管生成,對缺氧致CVD的發(fā)生、發(fā)展及預(yù)后產(chǎn)生重要影響,事實上驅(qū)動miR-210在缺氧條件下促進血管生成可能涉及多種細胞和分子機制,目前的研究證據(jù)以缺氧經(jīng)典通路為主而忽略了相關(guān)信號通路和因子在其中發(fā)揮的協(xié)同調(diào)控作用。

4 miR-210調(diào)控紅系分化

紅系分化作為產(chǎn)生紅細胞的重要通路由多種轉(zhuǎn)錄因子及信號通路綜合調(diào)控協(xié)同進行。脯氨酸羥化酶結(jié)構(gòu)域蛋白(prolyl hydroxylase domain protein,PHD)：HIF途徑是氧依賴調(diào)控紅細胞數(shù)量的關(guān)鍵途徑,PHD位點特異性地使HIF-1α脯氨酸羥基化,然而在缺氧條件下這種修飾會被減弱,從而使穩(wěn)定的HIF-1α激活包括促紅細胞生成素在內(nèi)的下游靶基因。Sarakul等[19]在K562細胞和β-地中海貧血/HbE紅系祖細胞研究氧分壓對紅細胞生成的影響發(fā)現(xiàn),缺氧誘導(dǎo)的K562細胞和β-地中海貧血/HbE紅系祖細胞中miR-210表達上調(diào),抑制miR-210表達導(dǎo)致細胞中珠蛋白基因表達減少和紅細胞成熟延遲,表明缺氧條件下高表達的miR-210有利于紅系分化。低壓缺氧是高海拔地區(qū)獨有的地理特征,不同海拔人群外周血細胞和血漿中miR-210-3p水平的研究證實,高原低氧環(huán)境下外周血miR-210-3p表達升高,血漿miR-210-3p濃度與血細胞中miR-210-3p水平呈正相關(guān),且血細胞和血漿中的miR-210-3p水平與紅細胞計數(shù)、血紅蛋白和血細胞比容值高度相關(guān)[20]。GATA結(jié)合蛋白1(GATA binding protein 1,GATA-1)是血細胞生成中核心造血轉(zhuǎn)錄因子之一,大多數(shù)已知的紅系分化相關(guān)調(diào)控因子啟動子區(qū)域均發(fā)現(xiàn)GATA結(jié)合位點。Hu等[21]在缺氧誘導(dǎo)的K562細胞中發(fā)現(xiàn)miR-210-3p以GATA-1依賴性方式上調(diào),并發(fā)現(xiàn)SMAD2可能是miR-210-3p下游靶基因,有趣的是雙熒光素酶報告基因分析發(fā)現(xiàn)miR-210-3p并沒有直接與SMAD2的3’UTR結(jié)合,推測miR-210-3p通過抑制TGF信號通路的活性間接抑制SMAD2表達從而促進紅系分化。缺氧條件下miR-210-3p對紅系分化的正向調(diào)節(jié)作用可降低CVD風(fēng)險,然而紅系過度增殖、分化也會增加血液黏滯度,影響血液循環(huán)導(dǎo)致心、肺、腦等臟器功能受損,引發(fā)諸如高原紅細胞增多癥、AMI、急性冠狀動脈綜合征(acute coronary syndromes,ACS)等CVD的發(fā)生。低氧條件下miR-210調(diào)控紅系分化的研究尚處起步階段且臨床研究證據(jù)有限,理清缺氧條件下miR-210調(diào)控紅系分化的作用機制或許會為高原特殊環(huán)境下CVD的診療提供機會。

5 miR-210參與炎癥反應(yīng)

炎癥是機體應(yīng)對內(nèi)外刺激的重要反應(yīng),由多種細胞因子介導(dǎo)產(chǎn)生,缺氧條件下促炎細胞因子增加、炎癥反應(yīng)增強[22]。HIF在缺氧時可激活一系列炎癥因子導(dǎo)致炎性損傷,在所有炎癥反應(yīng)中核轉(zhuǎn)錄因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白家族發(fā)揮關(guān)鍵作用。van Uden等[23]和Fitzpatrick等[24]研究表明,組織與細胞缺氧時HIF-1和NF-κB通路啟動了復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)的炎癥信號級聯(lián)放大效應(yīng),且在心血管損傷、癌癥等疾病的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著雙刃劍的作用。NF-κB亞單位p50(NF-κB 1)是一種與炎癥和DNA修復(fù)相關(guān)的蛋白,該蛋白定位于miR-210莖環(huán)上游的200 bp核心啟動子區(qū)域,在缺氧條件下NF-κB誘導(dǎo)miR-210表達發(fā)生變化[25]。miR-210通過調(diào)控TGF-β信號通路抑制膽固醇脂水解酶,進而促進AS形成。引起AS的系統(tǒng)性炎癥、氧化應(yīng)激和內(nèi)皮功能障礙與缺氧密切相關(guān),且缺氧影響脂質(zhì)代謝促進AS斑塊進展。Qiao等[26]探討AS中miR-210-3p及其靶基因在巨噬細胞脂質(zhì)沉積和炎癥反應(yīng)中的作用機制,發(fā)現(xiàn)miR-210-3p通過抑制IGF2/IGF2R來抑制CD36和NF-κB的表達,從而減輕氧化低密度脂蛋白誘導(dǎo)的巨噬細胞脂質(zhì)積累和炎癥反應(yīng)。miR-210通過抑制三羧酸循環(huán)途徑中的關(guān)鍵蛋白質(zhì)來阻止能量生成,減少氧氣消耗引起乳酸堆積改變線粒體膜電位最終破壞線粒體結(jié)構(gòu),也可通過調(diào)控細胞色素氧化酶COX10和琥珀酸脫氫酶的D亞基抑制線粒體呼吸作用,炎癥激活將巨噬細胞的線粒體功能從氧化磷酸化轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚匝跎?這或許會促進AS中壞死核心的形成。Karshovska等[27]證實HIF-1α誘導(dǎo)的miR-210降低炎癥巨噬細胞的線粒體呼吸,增加活性氧產(chǎn)生和壞死性細胞死亡,HIF-1α通過調(diào)節(jié)miR-210和miR-383促進巨噬細胞壞死。ATG7是一類泛素化激活酶,有證據(jù)表明ATG7的缺失導(dǎo)致白細胞介素1β表達及NLRP3通路激活,在LPS誘導(dǎo)的人冠狀動脈內(nèi)皮細胞炎癥模型中miR-210通過靶向ATG7抑制細胞自噬及炎癥發(fā)揮細胞保護作用[28]。ACS發(fā)生的直接原因是斑塊破裂,而炎癥細胞及其產(chǎn)物的形成和釋放是不穩(wěn)定斑塊破裂的關(guān)鍵因素,ACS患者血清miR-210與炎癥水平相關(guān),miR-210可能通過促進炎癥反應(yīng)也可能作為炎癥反應(yīng)的下游信號參與ACS的發(fā)生發(fā)展[29]。炎癥反應(yīng)伴隨大多數(shù)CVD發(fā)生發(fā)展,miR-210作為缺氧標志性miRNA在缺氧致CVD與炎癥反應(yīng)中所起的中樞紐帶作用已被證實,然而缺氧條件下miR-210在炎癥反應(yīng)中扮演的雙重角色以及如何轉(zhuǎn)變多種調(diào)控方式的機制有待闡明。

6 miR-210應(yīng)用轉(zhuǎn)化

miR-210作為與缺氧高度相關(guān)的miRNAs之一,在腫瘤、心血管系統(tǒng)(表1)及深靜脈血栓等伴隨缺氧機制的疾病中表達顯著上調(diào)。miR-210在缺氧致CVD中涉及細胞凋亡、血管生成、紅系分化以及炎癥反應(yīng)方面已有大量基礎(chǔ)研究佐證,但基礎(chǔ)研究到臨床轉(zhuǎn)化尚需大量臨床研究數(shù)據(jù)提供支撐。Karakas 等[41]對1 112例冠心病患者進行了為期4年的隨訪,其中包括430例ACS患者和682例穩(wěn)定性心絞痛患者,確定了血漿中8種miRNAs(miR-19a、miR-19b、miR-132、miR-140-3p、miR-142-5p、miR-150、miR-186和miR-210 )有助于ACS的診斷,這是迄今為止評估循環(huán)miRNAs在CVD中預(yù)后價值的最大規(guī)模臨床研究,除此之外miR-210涉及臨床研究甚少,迫切需要多中心、更大規(guī)模隊列研究以推進臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

表1 miR-210參與缺氧致CVD的生理病理過程

7 展望

miR-210在缺氧致CVD中發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)控作用無可非議,但是將miR-210應(yīng)用臨床仍存在不足和挑戰(zhàn),如：(1)缺氧條件下miR-210在多種細胞類型中表達發(fā)生變化[7],以此為靶點研發(fā)診斷試劑和治療藥物可能會存在特異性差、副作用強等諸多問題;(2)miR-210在高原缺氧環(huán)境久居人群中表達量普遍升高[20],在該類人群中miR-210的表達變化是否具有診療價值目前無相關(guān)研究報道;(3)臨床治療老年慢性阻塞性肺疾病合并Ⅱ型呼吸衰竭患者往往采取保持適度缺氧以刺激呼吸中樞興奮,缺氧誘導(dǎo)miR-210在此類患者中持續(xù)高表達對心臟發(fā)揮保護作用還是產(chǎn)生損害仍然未知;(4)EVs可大幅增強miR-210對RNase降解的抵抗力,缺氧條件下EVs中的miR-210發(fā)揮保護心血管系統(tǒng)功能,然而EVs的提取、鑒定、儲存、給藥方式及劑量仍未標準化,其臨床應(yīng)用還有待探究[42];(5)銅死亡、胞葬、細胞焦亡及mRNA m6A甲基化修飾等是當(dāng)前生命科學(xué)領(lǐng)域研究熱點,但miR-210在缺氧條件下是否參與其中未見文獻報道,隨著單細胞測序、代謝組學(xué)等前沿技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用,它們之間的相關(guān)性或許是高原CVD研究的又一個熱點;(6)miR-210是缺氧高度相關(guān)的miRNAs之一,HIF-1α已被證實在缺氧條件下激活,且兩者之間存在結(jié)合位點,但它們在缺氧致CVD中發(fā)揮的調(diào)控機制仍未闡明,如何構(gòu)建以HIF-1α/ miR-210為中心的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)對于理解缺氧致CVD的發(fā)生至關(guān)重要。

利益沖突：無