環(huán)狀RNA在心力衰竭心肌重構(gòu)中的作用*

李明明，姚亞麗，余飛，馬正科

（蘭州大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州730000）

心力衰竭（以下簡稱心衰）是多種心血管疾病的嚴(yán)重和終末階段，是21世紀(jì)嚴(yán)重威脅人類健康的心血管疾病之一，其死亡率和住院率呈上升趨勢。心衰是由心肌病變、心臟負(fù)荷異常、心律失常等多種病因?qū)е碌男呐K結(jié)構(gòu)及舒縮功能受損[1]，若能早期預(yù)防、診斷和治療便可極大地減少疾病的發(fā)生、 發(fā)展， 相關(guān)研究表明， 環(huán)狀RNA（CircRNA）參與神經(jīng)系統(tǒng)疾病、腫瘤、免疫及心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展[2]，CircRNA 與心衰關(guān)系密切，有望成為心衰新的生物標(biāo)志物及治療靶點(diǎn)。

1 CircRNA

1.1 CircRNA的生物學(xué)特性、分類及形成機(jī)制

CircRNA 最初于1977年在植物病毒中被發(fā)現(xiàn)，其作為一種非經(jīng)典的RNA 剪接產(chǎn)物，曾被認(rèn)為是錯誤剪接的副產(chǎn)品[2-3]。然而，隨著高通量測序技術(shù)的發(fā)展，CircRNA 被證實(shí)其大量、廣泛地存在于多種生物細(xì)胞中，具有明顯的組織特異性和發(fā)育階段特異性[4]，且在許多生物過程中發(fā)揮作用，因此CircRNA 成為非編碼RNA 研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。CircRNA 是一類以共價鍵形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)的非編碼RNA 分子，缺乏5′端帽子和3′端尾巴，長度300～500 bp，不易被核酸外切酶降解，可阻止胞內(nèi)CircRNA的合成。CircRNA的半衰期是mRNA 的4 倍，長達(dá)48 h，在生物體內(nèi)能夠在高度穩(wěn)定表達(dá)[5]。其通常分為4 種類型：衍生自外顯子的CircRNA、衍生自套索內(nèi)含子的CircRNA、衍生自具有保留內(nèi)含子的外顯子的CircRNA 和衍生自基因間CircRNA[4,6]。不同種類的CircRNA 在形成機(jī)制方面有所差異，目前主要有3 種模型：①索套驅(qū)動環(huán)化和外顯子跳讀。當(dāng)3'剪接供體附著到單個外顯子的5'剪接受體上時，就會形成衍生自外顯子的CircRNA，目前許多CircRNA 屬于這一類，占所有類型的80%以上。②直接通過反向剪接或內(nèi)含子配對驅(qū)動環(huán)化。③RNA 結(jié)合蛋白（RBP）驅(qū)動環(huán)化[4]。

1.2 CircRNA的生物學(xué)功能

1.2.1 CircRNA 作為miRNA 的海綿有研究證實(shí)CircRNA 是一種競爭性內(nèi)源RNA。CircRNA 能夠通過與microRNA（miRNA）多個位點(diǎn)結(jié)合，進(jìn)而影響靶基因的表達(dá)，這種功能稱為miRNA 的海綿作用[7]。例如CircRNA CDR1as 具有74 個miRNA-7 結(jié)合位點(diǎn)，可通過AGO2 蛋白實(shí)現(xiàn)競爭性吸附miRNA-7，抑制miR-7 活性，從而調(diào)控靶基因的表達(dá)[8]。最近HAN等[9]報道在心衰患者的外周血中發(fā)現(xiàn)hsa_Circ_0097435 的表達(dá)顯著上調(diào)，其可能通過海綿化多個miRNA 在心衰中起作用，hsa_Circ_0097435 過表達(dá)促進(jìn)心肌細(xì)胞凋亡。

1.2.2 CircRNA 作為RBP海綿CircRNA 還可通過與多種RBP 結(jié)合,作為RBP 海綿發(fā)揮生物學(xué)作用。CircFndc3b 與RNA 結(jié)合蛋白FUS 相互作用以調(diào)節(jié)VEGF 的表達(dá)和信號傳導(dǎo),同時CircFNDC3B 過表達(dá)可增強(qiáng)新生血管形成和減少心肌梗死區(qū)域的纖維化，從而保護(hù)心臟[10]。因此，深入理解CircRNA 背后的機(jī)制將為HF 診斷和治療提供新的途徑。

1.2.3 CircRNA 作為轉(zhuǎn)錄和剪接的調(diào)節(jié)因子CircRNA 是線性RNA 轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，如RNA ciankrd52 可以充當(dāng)RNA 聚合酶Ⅱ的正調(diào)控因子，以促進(jìn)錨蛋白重復(fù)結(jié)構(gòu)域52 基因轉(zhuǎn)錄[11]。此外，在前體RNA 剪接的過程中，反向剪接產(chǎn)生的CircRNA 可以競爭性調(diào)節(jié)可變剪接。然而，CircRNA 該功能是否參與到心肌重構(gòu)的發(fā)展過程中仍需進(jìn)一步研究。

1.2.4 CircRNA 作為蛋白質(zhì)翻譯器傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為CircRNA 為非編碼RNA，無法被翻譯，但最近的研究顯示，源自其宿主ZNF基因第2 個外顯子的人CircZNF609 以依賴剪接而不依賴帽的方式翻譯，而且CircZNF609 能特異性地調(diào)節(jié)成肌細(xì)胞的增殖[12]。但目前尚未報道CircRNA 編碼蛋白在心衰中的作用機(jī)制。

2 CircRNA 在心衰心肌重構(gòu)中的生物學(xué)作用

心衰是一種心臟結(jié)構(gòu)或功能異常所致復(fù)雜的臨床綜合征。心肌重構(gòu)是心衰發(fā)生、發(fā)展的基本機(jī)制。心肌重構(gòu)是機(jī)體應(yīng)對心室壓力負(fù)荷增高或細(xì)胞因子及神經(jīng)體液激素等刺激而發(fā)生的適應(yīng)性調(diào)節(jié)。如果這些因素持續(xù)存在，這個過程將不可逆且會伴隨心肌細(xì)胞肥大、間質(zhì)細(xì)胞增殖纖維化、心肌細(xì)胞凋亡、電傳導(dǎo)異常，使心肌細(xì)胞正常功能喪失，引起漸進(jìn)性泵衰竭或猝死。CircRNA 在心衰心肌重構(gòu)病理變化中具有重要的作用。

2.1 CircRNA與心肌纖維化

心肌纖維化是指心臟成纖維細(xì)胞過度增殖，成纖維細(xì)胞特異性蛋白和膠原大量沉積，導(dǎo)致心臟重構(gòu)，進(jìn)而引起心功能不全的心臟病理改變。正常內(nèi)皮細(xì)胞被誘導(dǎo)為間充質(zhì)干細(xì)胞的轉(zhuǎn)化過程稱為內(nèi)皮細(xì)胞-間質(zhì)轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化生長因子β1（TGF-β1）能夠驅(qū)動內(nèi)皮細(xì)胞-間質(zhì)轉(zhuǎn)化的進(jìn)展，已有研究表明TGF-β1介導(dǎo)的α-平滑肌肌蛋白（α-SMA）表達(dá)，以及血管內(nèi)皮細(xì)胞VE-鈣粘蛋白表達(dá)的丟失會導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞-間質(zhì)轉(zhuǎn)化的發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)在TGFβ1處理的大鼠冠狀動脈內(nèi)皮細(xì)胞中，chr5：90817794|90827570， chr8： 71336875|71337745 和chr6：22033342|22038870 顯著上調(diào)[13]。ZHOU 等[14]在血管緊張素Ⅱ處理過的糖尿病小鼠心臟成纖維細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)了43 個異常的CircRNA，24 種上調(diào)的CircRNA 和19 種下調(diào)的CircRNA（P＜0.05，且倍數(shù)＞3），且體外實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，CircRNA_010567 表達(dá)明顯上調(diào)，進(jìn)一步行生物信息學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)其含有miR-141 的結(jié)合位點(diǎn)，可以直接靶向miR-141 并調(diào)節(jié)TGF-β1的表達(dá)，進(jìn)而抑制心臟成纖維細(xì)胞的纖維化相關(guān)蛋白Ⅰ型膠原（COLⅠ）、COLⅢ和α-SMA 表達(dá)。

最近NI 等[15]研究發(fā)現(xiàn)在AngⅡ處理后小鼠心臟成纖維細(xì)胞和心臟組織中CircHIPK3 表達(dá)明顯增加，CircHIPK3 可以充當(dāng)miR-29b-3p 海綿，其過表達(dá)有效地逆轉(zhuǎn)了miR-29b-3p 誘導(dǎo)的心臟成纖維細(xì)胞增殖和遷移抑制，并改變了miR-29b-3p 靶向基因α-SMA、COL1A1、COL3A1 表達(dá)，可作為預(yù)防Ang Ⅱ誘導(dǎo)的心臟纖維化的潛在的治療方法。HUANG 等[16]發(fā)現(xiàn)在人類、大鼠和小鼠的成年心臟中存在大量表達(dá)的CircRNA-CircNFIX，其是一種可被超級增強(qiáng)子調(diào)控并與轉(zhuǎn)錄因子Meis1 結(jié)合調(diào)節(jié)自身表達(dá)的CircRNA。 在體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，CircNFIB 過表達(dá)可通過TGF-β 刺激減弱NIH/3T3 細(xì)胞系和心臟成纖維細(xì)胞的促增殖作用。相反，CircNFIB 敲除會增加原代心臟成纖維細(xì)胞的增殖。CircNFIB 的下調(diào)可以降低MI 后梗塞面積和心肌纖維化，其機(jī)制可能為CircNFIB 增強(qiáng)Y 框結(jié)合蛋白1與E3 泛素連接酶的相互作用，并通過泛素化誘導(dǎo)Y 框結(jié)合蛋白1 降解和抑制細(xì)胞周期蛋白的表達(dá)。此外，CircNFIB 可作為miR-214 的海綿發(fā)揮作用，調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞的增殖。因此CircNFIB 也可能是心肌組織損傷后修復(fù)及改善心功能的有效治療策略。

2.2 CircRNA與心肌肥大

心肌肥大是指心肌長期負(fù)荷過重，引起心肌纖維變粗變長，心壁變厚，心臟重量增加。持續(xù)的心臟肥大伴適應(yīng)不良將會導(dǎo)致失代償性心衰的發(fā)生。MENG 等[17]報道在高水平和正常水平的D-葡萄糖培養(yǎng)下，心肌肥大細(xì)胞中存在差異表達(dá)的CircRNAs。同時發(fā)現(xiàn)5 個CircRNAs（CircRNA261、CircRNA26、 CircRNA1191、 CircRNA4251 和CircRNA6913）顯著差異表達(dá)（P＜0.05，且倍數(shù)＞2～＜0.5），并具有60多個靶miRNA，表明這些CircRNA 可能在心臟肥大中發(fā)揮著重要作用，并有可能作為生物標(biāo)志物。

LI 等[18]研究發(fā)現(xiàn)CircRNA_000203 在AngⅡ處理的新生小鼠心室肌細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中上調(diào)，在體外和體內(nèi)CircRNA_000203 的過表達(dá)均可增加心室肌細(xì)胞的細(xì)胞體積及增強(qiáng)心房利鈉肽和β-肌球蛋白重鏈的表達(dá)。miR-26b-5p、miR-140-3p 和Gata4 siRNA 可以逆轉(zhuǎn)AngⅡ誘導(dǎo)的心室肌細(xì)胞肥大性生長，并消除CircRNA_000203 在心室肌細(xì)胞中的促肥大作用。結(jié)果表明CircRNA_000203 通過抑制miR-26b-5p 和miR-140-3p 導(dǎo)致Gata4 水平升高，從而加劇了心臟肥大心臟功能受損。

miR-133a 是心肌肥大重要的負(fù)性調(diào)控因子，LIM 等[19]研究發(fā)現(xiàn)來CircSlc8a1 可以作為心肌細(xì)胞中miR-133a 的內(nèi)源海綿，腺病毒-9 在體內(nèi)介導(dǎo)CircSlc8a1 干擾敲低后可減輕心臟壓力超負(fù)荷引起的心肌肥大，而心肌細(xì)胞特異性過表達(dá)CircSlc8a1可導(dǎo)致心衰的發(fā)生。因此CircSlc8a1 可以作為心臟肥大和心衰的新型治療靶點(diǎn)。

2.3 CircRNA與心肌損傷、凋亡

心肌損傷和細(xì)胞凋亡與心衰有關(guān)。凋亡增加會促進(jìn)心衰進(jìn)展，而凋亡減少則會保護(hù)心臟，抑制心衰的發(fā)生。WANG 等[20]在培養(yǎng)的小鼠心肌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)CircRNA MFACR 可以通過下調(diào)miR-652-3p和促進(jìn)MTP18 翻譯來增加線粒體的分裂和凋亡，以及心肌細(xì)胞死亡。 SHI 等[21]在脂多糖（Lipopolysaccharide, LPS）處理的H9c2 細(xì)胞（來自大鼠胚胎心室肌細(xì)胞）模型中發(fā)現(xiàn)，LPS 降低了H9c2 細(xì)胞的活力并增加了其凋亡和炎癥損傷，沉默CircRNA ANKRD36 （si-CircANKRD36） 可減輕LPS 誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡和炎癥損傷。結(jié)果表明si-CircANKRD36 通過上調(diào)miR-138 抑制LPS 激活的p38MAPK/NF-κB 通路發(fā)揮抗凋亡和抗炎作用。近期有研究發(fā)現(xiàn)Circ_0010729 在氧葡萄糖剝奪誘導(dǎo)的人心肌細(xì)胞中增強(qiáng)表達(dá)，Circ_0010729 過表達(dá)會通過抑制人心肌細(xì)胞中的細(xì)胞生長和遷移而加劇氧葡萄糖剝奪誘導(dǎo)的損傷，Circ_0010729 敲除可減輕氧葡萄糖剝奪誘導(dǎo)的損傷[22]。此外，Circ_0010729可負(fù)調(diào)控miR-145-5p 的表達(dá)，沉默Circ_0010729 通過上調(diào)miR-145-5p 激活mTOR 和MEK/ERK 途徑，進(jìn)而保護(hù)人心肌細(xì)胞免受氧葡萄糖剝奪誘導(dǎo)的損傷。因此CircRNA 在心肌損傷和調(diào)亡中扮演著重要角色。

2.4 CircRNA與心肌電重構(gòu)

心衰患者具有心律失常易感性，心衰的程度越嚴(yán)重，發(fā)生心房顫動（以下簡稱房顫）的傾向就越大，此為心臟電重構(gòu)所致。已經(jīng)觀察到房顫中有多種CircRNA 表達(dá)的改變。SHANGGUAN 等[23]通過高通量測序?qū)?2 只犬進(jìn)行CircRNA 差異表達(dá)分析， 總共檢測到犬心房組織中有15 990 個CircRNA。在對照組和房顫犬中發(fā)現(xiàn)了146 個差異表達(dá)的CircRNA。進(jìn)一步行生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)差異表達(dá)的CircRNA 與AF 相關(guān)miRNA 和mRNA 之間存在廣泛的相互作用，這為CircRNA 在房顫機(jī)制中的作用奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。近期有研究在房顫患者和健康對照者左右心耳中共檢測到14 215 個CircRNA，對這些CircRNA 的差異表達(dá)分析后顯示有20 個CircRNA 上調(diào)和3 個CircRNA 下調(diào)，進(jìn)一步研究表明Circ_0003965 與它的親本基因TMEM245呈顯著負(fù)相關(guān)，說明Circ_0003965 失調(diào)不受其親本基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控[24]。 此外， 研究發(fā)現(xiàn)hsa_Circ_0000075 和hsa_Circ_0082096 通過TGF-β 信號通路參與房顫的發(fā)病機(jī)制。這對CircRNA 和房顫背后潛在機(jī)制的理解具有重要作用。但在房顫中的具體作用機(jī)制仍需進(jìn)一步探究。

3 CircRNA與HF的診斷

CircRNA具有保守性與穩(wěn)定性，作為心衰的生物標(biāo)志物可為疾病的診斷提供新的方向。WANG 等[25]通過復(fù)制老鼠心衰模型發(fā)現(xiàn)一類與心臟相關(guān)的CircRNA，作為miR-223 的內(nèi)源性因子直接結(jié)合miR-223 并抑制其活性，使miR-223 對含胱天蛋白酶富集功能域凋亡抑制因子的調(diào)控作用減弱，凋亡抑制因子的表達(dá)增加，最終抑制心衰而達(dá)到保護(hù)心臟的作用。SUN 等[26]從3 例心衰患者和3 例健康對照組患者的血漿樣品分析發(fā)現(xiàn)心衰患者血漿中有477 個CircRNA 上調(diào)，219 個CircRNA 下調(diào)。在失調(diào)的CircRNA 中，與健康對照組相比，心衰患者h(yuǎn)sa_Circ_0112085， hsa_Circ_0062960， hsa_Circ_0053919 和hsa_Circ_0014010 表達(dá)明顯更高。用hsa_Circ_0062960 進(jìn)行心衰診斷的ROC 曲線下面積為0.838。相關(guān)性分析表明，hsa_Circ_0062960 的表達(dá)與B 型鈉尿肽血清水平高度相關(guān)，說明CircRNA可能在心衰發(fā)病機(jī)制中起作用，所以hsa_Circ_0062960 具有作為心衰的新型診斷生物標(biāo)志物的潛質(zhì)。SALGADO-SOMOZA 等[27]報告了使用MI 相關(guān)環(huán)狀RNA（MICRA）來預(yù)測AMI 患者左室功能衰竭的風(fēng)險。從472 例AMI 患者的血液樣本中發(fā)現(xiàn)射血分?jǐn)?shù)≤40%的患者的MICRA 表達(dá)水平低于射血分?jǐn)?shù)＞41%的患者。MICRA 水平較低的患者，射血分?jǐn)?shù)降低的風(fēng)險也很高，進(jìn)一步鑒定出MICRA 存在于86%的樣本中，并驗(yàn)證表明其類似于傳統(tǒng)標(biāo)志物可以作為心衰預(yù)測生物標(biāo)記物。

4 問題與展望

心衰是目前在全球發(fā)病率高、病死率高、病程長的疾病疾病之一，其發(fā)生、發(fā)展機(jī)制尚不明確，并且治療與預(yù)后仍是一個重大挑戰(zhàn)，在基因水平上揭示心衰的發(fā)生與發(fā)展必將對其早期診斷、精準(zhǔn)治療及良好預(yù)后提供更加高效的方法。CircRNA 作為一種新發(fā)現(xiàn)的特殊的非編碼RNA，在生物進(jìn)化過程中具有特殊的生物學(xué)特性。越來越多研究證實(shí)CircRNA 參加多種心血管疾病的發(fā)生或出現(xiàn)異常表達(dá)，在心血管疾病的診斷和預(yù)警中具有潛在臨床應(yīng)用價值，然而目前在心血管疾病研究中仍有許多關(guān)于CircRNA 的問題亟待解決。比如：①CircRNA 在體內(nèi)的具體降解途徑是什么？因此需要對CircRNA 的生物發(fā)生的分子機(jī)制進(jìn)行深入研究。②CircRNA 除了主要作為miRNA 分子海綿及蛋白質(zhì)海綿起作用，是否存在其他作用機(jī)制促使心血管疾病發(fā)展？③心肌組織中的CircRNA 是否會被其他組織吸收引起次級效應(yīng)仍待明確。④需要對心血管疾病在不同發(fā)展階段的CircRNA 表達(dá)和血液循環(huán)中的CircRNAs 全譜的特征描述，這將有助于選擇CircRNAs 進(jìn)行未來的生物標(biāo)志物研究。⑤需要對CircRNAs 在心衰發(fā)展中如何發(fā)揮功能并調(diào)節(jié)多種生理和病理過程的詳細(xì)研究，將有助于識別潛在的治療靶點(diǎn)。⑥需要進(jìn)一步對CircRNA 評估標(biāo)準(zhǔn)化和臨床適用診斷方法進(jìn)行研究。⑦需要具有更大規(guī)模的隊列的研究來驗(yàn)證CircRNA 作為心衰候選生物標(biāo)志物。因此，這些研究方向?qū)⒂兄诩由頒ircRNA 在心血管疾病中作用的了解，并探討其作為生物標(biāo)記物的價值。