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綜述 | Molecular Therapy-Nucleic Acids:心臟疾病中的RNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)(國(guó)人作品)

 轉(zhuǎn)錄組 2021-04-20


編譯:小北,編輯:十九,、江舜堯,。

原創(chuàng)微文,歡迎轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)載,。

導(dǎo)讀
隨著RNA生物學(xué)與全基因組轉(zhuǎn)錄分析的發(fā)展,,越來(lái)越多RNA分子的功能已經(jīng)被挖掘,RNA相關(guān)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在包括心血管在內(nèi)的許多人類疾病中扮演重要角色,。在本綜述中,,研究者聚焦心臟疾病中RNA的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),,系統(tǒng)總結(jié)了RNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)的新成員,包括microRNAs,、長(zhǎng)鏈非編碼RNA,、環(huán)狀RNAs以及影響心臟生理和病理網(wǎng)絡(luò)活性的調(diào)節(jié)因子,此外本綜述還論述了新出現(xiàn)的微小肽段,,其在長(zhǎng)的非編碼RNA轉(zhuǎn)錄體中表現(xiàn)出短的開(kāi)放框(sORFs)調(diào)節(jié)心臟的生理狀態(tài)?;诂F(xiàn)階段對(duì)RNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的研究,,研究者認(rèn)為現(xiàn)階段的工作不僅有利于我們更好的理解心臟疾病的分子機(jī)制,也為心臟疾病的診斷和治療確定了新的生物標(biāo)記物和治療靶向,。

論文ID

原名:A Roadmap for Fixing the Heart: RNA Regulatory Networks in Cardiac Disease

譯名:修復(fù)心臟的路線圖___心臟疾病的RNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

期刊:Molecular Therapy-Nucleic Acids

影響因子:5.9

發(fā)表時(shí)間:2020年4月25日

作者:黃展鵬

單位:中山大學(xué)第一附屬醫(yī)院,、中國(guó)香港大學(xué)

DOI:10.1016/j.omtn.2020.04.007.

背景介紹


心臟疾病是世界范圍導(dǎo)致死亡的主要因素,受外界壓力或者刺激下,,心臟通過(guò)不同的重塑維持內(nèi)穩(wěn)態(tài),。在重塑的起始機(jī)體會(huì)改變企圖彌補(bǔ)異常。在心臟重塑過(guò)程中補(bǔ)償機(jī)制逐步失調(diào),。這一改變將導(dǎo)致心臟收縮異常,,最終導(dǎo)致心力衰竭。當(dāng)心臟面臨嚴(yán)重的病理改變,,如膠原蛋白的產(chǎn)生,、非收縮性瘢痕組織、心肌壁變薄,、心室進(jìn)行性擴(kuò)大和擴(kuò)張,,病人將有一個(gè)較差的預(yù)后同時(shí)提高死亡率。盡管在包括心力衰竭等心肌疾病治療方面已經(jīng)取得重要進(jìn)展,,仍然缺乏改變疾病率和死亡率的治療選擇,。新的治療靶向的發(fā)現(xiàn)急需發(fā)展成為治療心臟疾病的有效手段。

大多數(shù)的研究聚焦參與心肌疾病發(fā)生發(fā)展的編碼基因,。然而在哺乳動(dòng)物基因組中絕大多數(shù)轉(zhuǎn)錄激活的是非編碼蛋白(75%–90%),,只有一小部分DNA編碼的蛋白(2%)。因此,,探究RNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)是必須的,,越來(lái)越多的證據(jù)也提示非編碼RNAncRNAs)參與調(diào)控蛋白編碼基因的表達(dá)。ncRNAs包括有功能的RNA,、幾乎所有的ncRNAs,、microRNAs (miRNAs)long ncRNAs (lncRNAs),、circular RNAs (circRNAs)備受 生理學(xué)和病理生理學(xué)方面研究的關(guān)注,,包括心血管生物學(xué)和疾病,。近期也發(fā)現(xiàn)之前發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)標(biāo)的ncRNAs能夠通過(guò)sORFs編碼穩(wěn)定的功能肽段,并且這些從sORFs產(chǎn)生的微小肽段參與調(diào)控心臟的生理功能,。大多數(shù)的RNAs都經(jīng)歷轉(zhuǎn)錄后修飾,,有超過(guò)100個(gè)RNA分子修飾包括mRNA的剪接、成核,、穩(wěn)定和翻譯進(jìn)而調(diào)節(jié)基因表達(dá),。其中N6-甲基腺嘌呤(m6A)RNA修飾中與人類疾病緊密聯(lián)系的一種。盡管對(duì)于m6A RNA修飾的研究都關(guān)注在腫瘤的生物學(xué),,近期的研究也顯示m6A修飾參與心臟疾病,。

在本綜述中,研究者系統(tǒng)總結(jié)了近期在心臟疾病中ncRNARNA修飾包括心肌重塑,、纖維化以及再生,。同時(shí)討論了在心肌疾病中診斷和治療應(yīng)用的發(fā)展與挑戰(zhàn)。

主要內(nèi)容

ncRNAs在心臟疾病中扮演重要角色

miRNAs在心臟疾病中進(jìn)行基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)

miRNAs是長(zhǎng)度為20-22個(gè)nt的小的單鏈ncRNAs,,通過(guò)導(dǎo)向它們的靶mRNAsRISC沉默復(fù)合體調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄后表達(dá),。線蟲(chóng)中的lin-420世紀(jì)90年代初期第一個(gè)被詮釋的miRNA。該分子抑制靶基因的表達(dá)調(diào)節(jié)蠕蟲(chóng)幼蟲(chóng)的發(fā)育時(shí)間,。隨后的研究報(bào)道人類基因組中約1/3的基因受miRNAs調(diào)節(jié),,這也提示miRNA在一系列生物學(xué)過(guò)程中發(fā)揮重要作用。大量的數(shù)據(jù)表明miRNA參與每個(gè)生物學(xué)過(guò)程,,包括增殖,、分化、凋亡以及腫瘤的發(fā)生發(fā)展,。越來(lái)越多的證據(jù)也提示miRNAs與心肌的生理和病理密切相關(guān)(表1),。

1 miRNA調(diào)節(jié)與心肌功能列表

心肌富集的miRNAs

一系列的miRNAs在心臟富集,包括miR-1,、miR-133,、miR-208miR-499,。其中miR-208是最先報(bào)道參與心肌肥大的miRNAs之一,。無(wú)論是功能獲得還是功能喪失的實(shí)驗(yàn)都證實(shí)miR-208通過(guò)靶向胸腺激素受體相關(guān)蛋白THRAP1對(duì)心肌肥大起決定作用。miR-208aMyh6的內(nèi)含子區(qū)編碼,,miR-208bMyh7的內(nèi)含子區(qū)編碼,,兩者作為miRNAs家族中的成員在心肌發(fā)育和病理學(xué)過(guò)程中差異表達(dá)。Callis等人研究發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)的miR-208a引起心肌肥大,,同時(shí)伴隨著b-MHC表達(dá)升高,。MiR-208a靶向心肌肥大生長(zhǎng)的兩個(gè)負(fù)調(diào)控因子Thrap1肌抑素。此外,,miR-208a是正常心肌傳導(dǎo)所必須的,。心電圖(ECGs)的結(jié)果顯示大約80%miR208a缺失的小鼠缺乏P波長(zhǎng)并且PR間隔延長(zhǎng),。還有研究表明miR-208a通過(guò)GATA4調(diào)節(jié)Cx40Hop的表達(dá),也有報(bào)道指出miR-208在由于肺部高壓導(dǎo)致右心室肥大過(guò)程中逐步下調(diào),。MiR-208通過(guò)Med13-NCoR1軸線抑制Mef2的表達(dá)進(jìn)而抑制疾病從補(bǔ)償態(tài)到非補(bǔ)償態(tài)的轉(zhuǎn)換,。

MiR-1是另一個(gè)研究較好且在心肌富集的miRNAMiR-1-1miR-1-2miR-1家族的成員,,兩者坐落在分離的染色體基因座,。MiR-1miR-133a形成一個(gè)miRNA集簇,在心肌細(xì)胞分化和增殖過(guò)程中共表達(dá),。Sayed等人發(fā)現(xiàn)miR-1的靶基因參與心肌肥大和心肌重塑,,例如心肌肥大的活化因子RasGAPCdk9、蛋白合成的上游活化因子Rheb以及mTOR/S6激酶信號(hào)通路細(xì)胞生長(zhǎng)相關(guān)的哺乳動(dòng)物靶基因,。近期的研究也再次證實(shí)miR-1能夠通過(guò)抑制多個(gè)下游靶基因的表達(dá)抑制心肌肥大,例如FBLN2,、TWF1,、CALM1CALM2,、MEF2A,、MYLK3以及GATA4。此外在患有心肌梗死(AMI)的小鼠模型和患者中miR-1miR-133在血清中的水平顯著升高,。利用反義寡核苷酸抑制miR-1能夠通過(guò)靶向BCL-2減弱心肌細(xì)胞的凋亡,。有研究也表明在心肌梗死過(guò)程中miR-181能夠抑制Hsp90aa1LXRa的表達(dá)影響心肌細(xì)胞的凋亡。與miR-208a同樣,,miR-1同樣是正常心臟電生理所必需的,。輸入miR-1的心臟QRS復(fù)合體擴(kuò)展并且QT間隔延長(zhǎng)。MiR-1抑制靶基因GJA1KCNJ2的表達(dá),,進(jìn)而引起Cx43Kir2.1的蛋白表達(dá)水平降低,,導(dǎo)致心率不齊的傾向。此外miR-1miR-133能夠靶向一些離子通道和縫隙連接相關(guān)的基因,,例如HCN2,、HCN4NCX1,、B56a,、CACNA1C以及IRX5

因此,,這些在心肌富集的miRNAs可作為心肌細(xì)胞的門衛(wèi),,維持心肌細(xì)胞的生理機(jī)能,包括收縮裝置的組裝和功能,、控制電生理學(xué)的功能,,確保血液泵血循環(huán)的有效性和協(xié)調(diào)性,。

廣泛表達(dá)的miRNAs

除了心肌富集的miRNAs,一些廣泛表達(dá)的miRNAs在心臟病理學(xué)中扮演重要角色,。之前的研究指出miR-21參與多個(gè)心臟異常的病理過(guò)程,,包括錯(cuò)配、心律不齊,、心力衰竭,、梗塞。Thum等人發(fā)現(xiàn)miR-21能夠通過(guò)抑制Spry1的表達(dá)活化ERK/ MAPK信號(hào)通路,,進(jìn)而促進(jìn)心臟成纖維細(xì)胞活化和生長(zhǎng)因子分泌,。有趣的是,antagomiR-21的靜脈注射能夠抑制心肌纖維化并且保存心肌的功能,。然而,,準(zhǔn)確的機(jī)制依然不明確。這也提示成纖維細(xì)胞外染色體衍生的miR-21_3p(miR-21*)是一個(gè)潛在的旁分泌RNA分子能夠誘導(dǎo)心肌肥大,。近期的研究表明miR-21通過(guò)靶向TGF-b1/Smad7信號(hào)通路在心肌成纖維細(xì)胞活化和MI后的心肌纖維化中扮演重要角色,。有趣的是Smad2Smad3的磷酸化作為TGF-b信號(hào)通路下游的效應(yīng)因子,壓力負(fù)荷下通過(guò)反饋回路與DROSHA相互作用促進(jìn)miR-21的加工,。Zhou等人也表示miR-21能夠促進(jìn)心肌成纖維細(xì)胞的增殖,,通過(guò)靶向Jagged1促進(jìn)成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化,同時(shí)說(shuō)明通過(guò)基因剪接使miR-21缺失并不與antagomiR干擾所導(dǎo)致的心肌表型一致,,這也提示miR-21功能的短暫干擾可能通過(guò)其他機(jī)制進(jìn)行彌補(bǔ),。

MiR-21也參與調(diào)節(jié)缺血性心肌病中心肌細(xì)胞的凋亡。AMI后梗死區(qū)域6小時(shí)miR-21下調(diào),。此外的研究發(fā)現(xiàn)miR-21通過(guò)PDCD4/AP-1信號(hào)通路靶向PDCD4抑制缺氧誘導(dǎo)的凋亡,。因此miR-21降低由于缺血-再灌注(I/R)損傷導(dǎo)致的心肌細(xì)胞氧化應(yīng)激,發(fā)揮保護(hù)作用,。

MiR-15家族包含六個(gè)成員都具有相同的種子序列,,包括miR-15amiR-15b,、miR-16-1,、miR-16-2miR-195以及miR-497,。近期一些研究也表明miR-15家族在心肌疾病的發(fā)病機(jī)理中扮演重要角色,。Tijsen等人發(fā)現(xiàn)miR-15家族成員在肥厚性心臟中上調(diào)。利用LNA基礎(chǔ)上的antimiRs抑制miR-15b導(dǎo)致心肌肥大過(guò)程中心臟的重量顯著升高,、過(guò)度纖維化并且膠原沉積,。MiR-15家族能夠抑制經(jīng)典的和非經(jīng)典的TGFb信號(hào)通路,在心肌纖維化和心肌肥大中組成了重要的信號(hào)通路,通過(guò)靶向多個(gè)直接的和間接的基因,,包括TGFbR1,、P38SMAD3,、SMAD7,、血管內(nèi)皮素等發(fā)揮作用。之前的報(bào)道指出miR-195在肥大生長(zhǎng)和心臟內(nèi)室重塑中發(fā)揮重要作用,。更指出miR-195在肥大的心肌細(xì)胞中表達(dá)升高阻礙了LKB1/STRAD/MO25復(fù)合體的形成,,通過(guò)抑制MO25激活AMPK信號(hào)通路。

大多數(shù)哺乳動(dòng)物的心肌細(xì)胞一出生就迅速的失去了再生能力,。一旦心臟遭到受傷損害,,例如MI造成的損傷,修復(fù)損傷的心肌細(xì)胞補(bǔ)充不充分,。Porrello等人發(fā)現(xiàn)在小鼠心室中多個(gè)miR-15家族成員包括miR-195,、miR-497miR-15a,、miR-16在產(chǎn)后714天中表達(dá)上調(diào),。抑制miR-15家族能夠阻止心肌細(xì)胞有絲分裂停滯并且提高心肌在MI之后的功能。有實(shí)驗(yàn)指出miR-195通過(guò)靶向Chek1能夠調(diào)節(jié)一系列有絲分裂相關(guān)的基因,,有結(jié)果指出miR-15家族不僅能夠調(diào)節(jié)心肌的增殖和再生,同樣能夠調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞的凋亡,。MiR-15家族成員缺失能夠幫助心肌細(xì)胞對(duì)缺氧誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡耐受,、降低梗死的大小、抑制心臟重塑,。近期的研究也再次證實(shí)miR-15家族靶向參與調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞凋亡的下游靶基因,,例如SMAD7Bcl2,、b2-AR,、c-mybLC3B-II,、MFN2,、ARL2MAPK3,、CIAPIN1,。

總之,miRNAs仍需大力探索,。在表1中參與心肌生理和病理過(guò)程中的miRNAs并未詳細(xì)描述,。

LncRNAs在調(diào)節(jié)心臟疾病中具有許多生物學(xué)功能

基因組大規(guī)模平行測(cè)序新技術(shù)使研究者發(fā)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物基因組中大量的區(qū)域能夠轉(zhuǎn)錄成RNA。驚奇的是所有蛋白編碼的序列僅來(lái)自大約人類基因組序列的1.5%,。結(jié)果,,許多非編碼的轉(zhuǎn)錄本已經(jīng)被確定,。隸屬于ncRNAslncRNAs長(zhǎng)度大于200nt。越來(lái)越多的研究證實(shí)lncRNA在調(diào)節(jié)心血管生物學(xué)功能中發(fā)揮重要作用,。研究者系統(tǒng)羅列了在心肌重塑中具有重要功能的lncRNAs,,包括參與心肌肥大、凋亡,、壞死和纖維化(表2),。

心肌肥大是心臟面臨過(guò)量負(fù)荷的適應(yīng)性反應(yīng),然后持續(xù)的肥大通常導(dǎo)致心力衰竭,。近期研究起源于MYH7位點(diǎn),,在成人心臟中富集的lncRNA Mhrt通過(guò)與Brg1相互作用、抑制Brg1的功能,,保護(hù)心臟免受病理性肥大,。Brg1是一個(gè)染色質(zhì)重塑的調(diào)節(jié)因子,在壓力刺激下活化并引起心肌細(xì)胞的異常表達(dá),。相反的,,lncRNA Chaer心肌肥大必需的因子,ChaerPRC2相互作用干擾PRC2在基因組位點(diǎn)的靶向,,這將抑制促肥大基因啟動(dòng)子區(qū)域依賴PRC2H3K27me3,,促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄。LncRNA調(diào)節(jié)心肌肥大的分子機(jī)制并不局限于表觀調(diào)控因子,,還可以內(nèi)源捕獲miRNAs,。例如lncRNA Chrf作為一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)性的RNA通過(guò)分離miR-489,使miR的靶向MYD88去抑制,。此外,,RORH19,、Plscr4,、(MIAT)75能夠通過(guò)相似的機(jī)制抑制不同的miRNAs調(diào)節(jié)心肌肥大。

在心臟疾病中APF,、CAIF,、MALAT1能夠調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞的凋亡和自噬。在病理?xiàng)l件下APF的上調(diào)能夠通過(guò)miR-188-3p去抑制ATG7,,這將導(dǎo)致自噬異常和細(xì)胞死亡,。相反,lncRNA CAIF作為心臟保護(hù)的調(diào)節(jié)因子,,能夠通過(guò)直接靶向啟動(dòng)子區(qū)抑制p53誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞轉(zhuǎn)錄,,這將在MI過(guò)程中抑制心臟自噬從而保護(hù)心臟。在I/R損傷中,MALAT1在心臟中高表達(dá),,通過(guò)分離miR-203引起更嚴(yán)重的心肌炎癥和凋亡,。

除了心肌細(xì)胞炎癥和凋亡,lncRNAs同樣能夠調(diào)節(jié)心律不齊和纖維化,。在心肌細(xì)胞中MALAT1通過(guò)調(diào)節(jié)miR-200c-HMGB1軸線的表達(dá)調(diào)節(jié)電生理活性,。MALAT1敲除后通過(guò)HMGB1調(diào)節(jié)的瞬時(shí)外向鉀電流和Kv4.2/Kv4.3通道蛋白的表達(dá),同時(shí)能夠抑制AngII引起的成纖維細(xì)胞增殖和膠原合成,,進(jìn)而通過(guò)miR-145抑制TGF-b1的活性抑制心肌纖維化,。此外,Wisper,、MEG3,、GAS5也有報(bào)道通過(guò)許多分子機(jī)制參與心肌纖維化的調(diào)節(jié)。

如上述所提到的,,lncRNAs在壓力刺激下的心肌重塑發(fā)揮重要作用,。重要的是包括BvhtFendrr在內(nèi)的lncRNAs在心肌譜系中發(fā)揮作用并且這些lncRNAs缺失將導(dǎo)致發(fā)育缺陷,。這些lncRNAs通過(guò)與PRC2復(fù)合體相互作用表觀調(diào)控心肌細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄,。

circRNAs在心臟疾病中吸收miRNA

circRNAs是一組ncRNA共價(jià)結(jié)合成環(huán)。之前的報(bào)道指出circRNAs在調(diào)節(jié)基因表達(dá)方面發(fā)揮重要作用,,具有吸收miRNA的作用,、轉(zhuǎn)錄以及轉(zhuǎn)錄后基因表達(dá)調(diào)節(jié)、選擇性剪切和蛋白編碼和蛋白圈套的活性,。其中的一些分子以組織特異性的方式表達(dá),。近期的研究發(fā)現(xiàn)circRNAs與多個(gè)心臟疾病的生理和病理過(guò)程密切相關(guān),例如冠狀動(dòng)脈疾病,、心肌纖維化、心肌肥大以及心力衰竭,。CircRNAs在心肌肥大和心力衰竭中發(fā)揮作用的最早報(bào)道顯示circRNA HRCR表達(dá)下調(diào),,circRNA HRCR如海綿一樣可分離心肌miR-223,體內(nèi)過(guò)表達(dá)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)HRCR過(guò)表達(dá)能夠引起miR-223的下游靶基因ACR表達(dá)升高,。ACR在心肌肥大和凋亡中扮演重要角色,,保護(hù)心臟。另一個(gè)有趣的研究發(fā)現(xiàn)circRNA Foxo3的表達(dá)在年老心臟中顯著高于年輕人心臟,。這將通過(guò)與抗衰老蛋白ID1E2F1,,抗壓蛋白FAKHIF-1a相互作用引起細(xì)胞衰老和阿霉素引起的細(xì)胞凋亡。這些相互作用封閉了細(xì)胞核內(nèi)轉(zhuǎn)換,,抑制了他們作為轉(zhuǎn)錄因子的功能,。

多個(gè)circRNAs已經(jīng)報(bào)道能夠調(diào)節(jié)心臟疾病的凋亡和存活。CircRNA Cdr1包含補(bǔ)充的結(jié)合位點(diǎn),可作為miR-7a的海綿發(fā)揮作用,。這個(gè)circRNA能夠去抑制miR-7a,、PARPSP1的靶基因,,參與調(diào)節(jié)凋亡,。在另一篇研究中顯示與線粒體分裂和凋亡相關(guān)的circRNA MFCAR通過(guò)吸納miR-652-3p調(diào)節(jié)線粒體分裂和凋亡。MFCAR能夠阻止miR-652-3p與線粒體膜相關(guān)蛋白MTP18結(jié)合,。MFCAR敲除能夠下調(diào)MTP18的表達(dá),,減弱線粒體分裂和心肌細(xì)胞的凋亡。除了扮演miRNA的海綿,,circRNAs能夠與蛋白相互作用調(diào)節(jié)蛋白的活性,。近期的報(bào)道指出circ-Amotl1AKTPDK1結(jié)合引起細(xì)胞核內(nèi)轉(zhuǎn)換。體內(nèi)過(guò)表達(dá)的circ-Amotl1能夠提高心肌細(xì)胞的存活,,進(jìn)而保護(hù)心臟免受阿霉素引起的心肌肥大,。此外,周等人發(fā)現(xiàn)與自噬相關(guān)的circRNA ACR能夠保護(hù)心臟免受I/R損傷,,降低梗塞的程度,。從機(jī)制上而言ACR直接與Dnmt3B相互作用,封閉Dnmt3B調(diào)節(jié)的Pink1的甲基化,。Pink1能夠通過(guò)磷酸化FAM65B抑制自噬,。

越來(lái)越多的證據(jù)表明circRNAs參與調(diào)節(jié)心肌再生。超級(jí)增強(qiáng)子區(qū)域的circRNA circNfix在成人心臟中促進(jìn)表達(dá),。circNfix通過(guò)不同的分子機(jī)制調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞的增殖,。作為miRNA的海綿circNfix能夠通過(guò)分離miR-214調(diào)節(jié)Gsk3b通路的活性。circNfix Ybx1,、Nedd4l相互作用,,通過(guò)泛素化降解Ybx1。敲除circNfix將促進(jìn)心肌細(xì)胞的增殖和血管生成,。因而減弱心臟的異常保護(hù)心臟,。

除了作為RNA轉(zhuǎn)錄本發(fā)揮的作用,最賤的研究發(fā)現(xiàn)核糖體相關(guān)的circRNAs能夠產(chǎn)生可檢測(cè)的肽段,,這些肽段在心臟疾病中的作用尚不明確,,這將為未來(lái)的探索指明新的方向。

在心臟疾病中由非編碼RNA編碼的微小肽段

微小肽段是一組少于100-150個(gè)氨基酸長(zhǎng)度的蛋白分子,,與具有活性的肽段不同微小肽段起源于sORFs,,位于lncRNAsTUFs轉(zhuǎn)錄本;具有活性的肽段由更大的前體蛋白纏身,,包含N端的信號(hào)序列,。由于長(zhǎng)度較短,,對(duì)蛋白編碼的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)程序?qū)?/span>sORFs列為假陽(yáng)性。研究表明一些sORFs具有非經(jīng)典的起始密碼子和較低的序列保守性,,因此在哺乳動(dòng)物基因組匯中發(fā)現(xiàn)這些微小肽段是一個(gè)挑戰(zhàn),。

應(yīng)用新出現(xiàn)的技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法,研究者開(kāi)始應(yīng)對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn),。例如,,Anderson等人發(fā)現(xiàn)一組微小肽段,命名為MLN,、PLN,、SLN。這些肽段具有相似的序列保守性,,并且通過(guò)調(diào)節(jié)心肌鈣的吸收抑制SERCA的活性,。另兩個(gè)微小肽段與MLN/PLN/SLN相似,被命名為ELNALN,。對(duì)于SERCA相關(guān)的微小肽段調(diào)節(jié)的研究并未止步,,在小鼠心臟中DWORFs的確認(rèn)表明通過(guò)替代SERCA抑制劑PLNSLN,、MLN,,能夠提高SERCA的活性。截止目前,,DWORF是唯一內(nèi)源肽段可以通過(guò)物理作用激活SERCA,。隨著越來(lái)越多的微小肽段被確定,在心臟中微小肽段的數(shù)量以及它們是否具有相似的特征有待解答,。例如,,全基因組的研究在病理心臟中確定了微小肽段。有趣的是,,這些微小肽段的整個(gè)編碼序列不如傳統(tǒng)的蛋白序列保守,。這一研究提示許多從sORFs產(chǎn)生的微小肽段坐落在發(fā)揮功能的lncRNAs,例如Myheart,、chaer,、UPPERHANDZFAS1,、TRDN-AS,。盡管微小肽段的亞細(xì)胞定位是多變的,,且大多數(shù)定位在線粒體,,這也提示微小肽段在線粒體生物合成和功能中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。的確,,近期的研究發(fā)現(xiàn)MOXI這個(gè)微小肽段能夠與MTP以及多個(gè)線粒體相關(guān)的復(fù)合體相互作用調(diào)節(jié)線粒體的功能,,包括脂肪酸 b- 氧化,、呼吸超級(jí)復(fù)合體形成和活動(dòng)、鈣離子滯留,、活性氧種系形成,。

確定越來(lái)越多的微小肽段用于未來(lái)對(duì)RNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的研究室很重要的,特別是確定lncRNAs的功能,。為了進(jìn)一步準(zhǔn)確確定非編碼基因的功能,,探究lncRNAs功能過(guò)程中需要排除轉(zhuǎn)錄本的編碼潛能。例如近期的研究確定了心肌發(fā)育過(guò)程中關(guān)鍵的lncRNAsUPPERHAND,。然而,,編碼sORF的潛能在人類和小鼠UPPERHAND中均被發(fā)現(xiàn)。因此需要進(jìn)一步確定UPPERHAND是在RNA轉(zhuǎn)錄本還是微小肽段中發(fā)揮作用,?;蛘咝枰M(jìn)一步挖掘sORFs的基因組信息來(lái)確定非編碼基因。許多方法如計(jì)算機(jī)分析,、核糖體圖譜繪制,、質(zhì)譜分析以及這些方法聯(lián)合應(yīng)用來(lái)準(zhǔn)確的確定蛋白編碼的sORFs

2 lncRNAs的心肌功能及分子機(jī)制總結(jié)表

RNA修飾的異常調(diào)節(jié)與心臟疾病

RNA分子在轉(zhuǎn)錄后經(jīng)歷復(fù)雜的修飾,,m6A甲基化是真核生物mRNA內(nèi)部最廣泛的轉(zhuǎn)錄后修飾之一,,通過(guò)修飾mRNA或者ncRNA參與調(diào)節(jié)生理和病理的活性。盡管m6A第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)定位在mRNAs但是功能尚不明確,。近期mRNAm6A修飾在不同的生物學(xué)過(guò)程中變化和功能有許多報(bào)道,。m6A修飾能促進(jìn)不依賴帽子的mRNA翻譯。m6A修飾在被一系列的甲基轉(zhuǎn)移酶(METTL3/14,、TAP,、RBM15/15BZC3H13,、KIAA1429,、METTL16)、去甲基化酶(FTO,、ALKBH5)以及m6A結(jié)合蛋白(YTHDF1/2/3,、IGF2BP1HNRNPA2B1)沉積,、轉(zhuǎn)移和確定的過(guò)程中是變化的,。越來(lái)越多的研究表明在N6-腺苷上的RNA甲基化的異常變化與腫瘤發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。截止近期,,m6ARNA修飾與心臟疾病之間的關(guān)系需要進(jìn)一步研究,。Dorn等人的研究發(fā)現(xiàn)一系列mRNAsm6A修飾在心肌細(xì)胞應(yīng)對(duì)心肌肥大刺激時(shí)顯著升高。METTL3作為N6-腺苷甲基化的一個(gè)重要酶,,其過(guò)表達(dá)能夠有效的引起適應(yīng)性心肌肥大,。相反抑制METTL3的表達(dá)能夠抑制心肌細(xì)胞的肥大生長(zhǎng),。此外,METTL3敲除的小鼠在年老和壓力下逐步表現(xiàn)出病理的變化,。有趣的是,,發(fā)現(xiàn)m6AMAPK mRNAs中特異表達(dá),這對(duì)心肌細(xì)胞的肥大生長(zhǎng)是非常重要的,。在缺血的小鼠模型中,,宋等人發(fā)現(xiàn)Mettl33的活性升高能夠通過(guò)調(diào)節(jié)Tfeb 3UTRm6A修飾促進(jìn)缺氧/再氧化處理的心肌細(xì)胞中HNRNPDTfeb pre-mRNA之間的相互作用,繼而降低Tfeb mRNA的穩(wěn)定性,。這將抑制自噬流促進(jìn)心肌細(xì)胞的凋亡,。在另一項(xiàng)研究中,在哺乳動(dòng)物心力衰竭和缺氧型心肌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)FTO表達(dá)的下調(diào)以及m6A RNA修飾的上調(diào),。重要的是FTO的過(guò)表達(dá)在缺血型心臟中起保護(hù)作用,。結(jié)果顯示FTO缺失能夠引起異常的鈣穩(wěn)態(tài)和紋肌肌動(dòng)蛋白的變化。相反,,FTO過(guò)表達(dá)能夠選擇性提高收縮蛋白相關(guān)mRNAs的去甲基化,,誘導(dǎo)表達(dá)。此外在FTO過(guò)表達(dá)的缺血心肌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)心肌成纖維化降低,、血管生成提高,。未來(lái)的研究可能會(huì)發(fā)現(xiàn)潛在的機(jī)制,這將導(dǎo)致MI新的治療策略的確定,。目前為止,,mRNAm6A修飾與心臟疾病相關(guān),發(fā)現(xiàn)ncRNAsm6A修飾是否參與心臟疾病的發(fā)生是非常有意義的,。

mRNA翻譯的增加是心肌重塑的關(guān)鍵步驟,,包括AKTAMPK的關(guān)鍵信號(hào)通路參與其中。與m6A修飾能夠影響mRNA的轉(zhuǎn)錄活性相似,,PABPC1 mRNApolyA尾能夠編碼一個(gè)polyA結(jié)合的蛋白促進(jìn)翻譯,,在調(diào)節(jié)自身mRNA翻譯效率中起關(guān)鍵作用。成人心臟中Pabpc1 poly(A)尾的長(zhǎng)度短于胚胎心臟,,這一效應(yīng)與在生理?xiàng)l件下成人心臟中Pabpc1的翻譯沉默密切相關(guān),。變短的polyA尾在肥大心臟中回轉(zhuǎn),極大的提高了Pabpc1的翻譯水平以及整個(gè)mRNA的翻譯,。不幸的是,,這一修飾是如何調(diào)控的詳細(xì)機(jī)制并未全面探究。

RNA分子是心臟疾病臨床診斷和基因治療的潛在靶向

探究心臟疾病中RNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的最終目標(biāo)之一是利用RNA分子開(kāi)發(fā)臨床應(yīng)用,,將其作為疾病診斷/預(yù)后和治療靶向的生物標(biāo)記物,。在心臟疾病中除了作為調(diào)控因子,ncRNAs同樣與蛋白,、脂質(zhì)或者高密度脂蛋白相互作用形成RNA-蛋白復(fù)合體作為旁分泌因子發(fā)揮作用,,這些復(fù)合體是穩(wěn)定的,并且不易被RNA酶降解,。因此血液中ncRNAs的不同表達(dá)水平有望作為心臟疾病診斷的生物標(biāo)記物,。

AMI中有效的生物標(biāo)記物對(duì)于評(píng)估梗塞后風(fēng)險(xiǎn)和治療反應(yīng)是非常重要的。病人血漿中miR-1,、miR-126,、cTnT的表達(dá)水平顯著升高,這也提示miR-1miR-126可作為有價(jià)值的指示因子,。miR-499在心肌細(xì)胞中特異性表達(dá)并且只在AMI后升高,。因此,miR-499可能是MI的重要生物標(biāo)記物,,特別是在NSTEMI,。別的miRNAs,如miR-208,、miR-133,、miR-1254miR-99a,、miR-122-5p,、miR-874-3pmiR-19b,、miR-223,、miR-483-5p同樣可作為MI的生物標(biāo)記物。lncRNAs作為心臟疾病生物標(biāo)記物的潛能同樣被研究,。Vausort等人發(fā)現(xiàn)循環(huán)中的lncRNAs aHIF,、KCNQ1OT1MALAT1的水平在患者中明顯較高,,而lncRNA ANRIL的水平較低,。近期的研究表明血漿中ANRIL的水平與ISR的高危相關(guān)。其他的證據(jù)提示HOTAIR,、UCA1,、MHRTMIAT,、LIPCAR,、CDR1ASZFAS1能夠作為AMI或者CAD診斷和治療的潛在標(biāo)記物,。CircRNAs在循環(huán)的血液中含量豐富并且由于閉合的環(huán)狀結(jié)構(gòu)比線性RNAs更加的穩(wěn)定,。這些研究允許利用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行circRNAs的檢測(cè)。CircRNA MICAMI患者的外周血中低表達(dá),,對(duì)472AMI患者研究發(fā)現(xiàn)circRNA MICRA能夠提高多個(gè)臨床模型的預(yù)測(cè)價(jià)值,,并且提高MI患者的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí),。

研究者同樣探究了ncRNAs作為心力衰竭的生物標(biāo)記物。在晚期心力衰竭患者中與已經(jīng)建立的診斷蛋白標(biāo)記物cTnI一樣,,循環(huán)中心肌富集的miRNAs表達(dá)升高達(dá)140倍,。在慢性心力衰竭的患者心肌纖維細(xì)胞分離的miR-660-3pmiR-665,、miR-1285-3p,、miR-4491顯著升高。近期的研究也發(fā)現(xiàn)許多循環(huán)中的miRNAs在心力衰竭中表達(dá)水平不同,,包括miR-18a-5p,、miR-26b-5pmiR-27a-3p,、miR-199a-3p,、miR-499miR-155-5p,、miR-595,,其中許多對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估有效。例如在早期住院患者的血清中發(fā)現(xiàn)miR-18a-5pmiR-652-3p降低與180天內(nèi)死亡率風(fēng)險(xiǎn)升高相關(guān),。其他循環(huán)中的ncRNAs例如lncRNAs,,在心力衰竭中同樣被研究。之前的報(bào)道發(fā)現(xiàn)與BNP相比lncRNA UCA1 能夠預(yù)測(cè)慢性心力衰竭中類似的存活率,。同樣lncRNAs在血漿中的定量分析也發(fā)現(xiàn)NRONMHRT可作為心力衰竭的生物標(biāo)記物,。NcRNAs同樣可作為治療多個(gè)人類疾病的治療靶向。一些對(duì)心肌再生和miRNA的先導(dǎo)研究發(fā)現(xiàn)miR-17-92集簇在調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞增殖中發(fā)揮重要作用,。隨后探究了miR-19a/19b在保護(hù)心臟應(yīng)答MI中發(fā)揮治療作用,。在MI的小鼠模型中,直接注射miR-19a/19b模擬物或者AAV9-miR-19a/19b到梗塞的心臟能夠降低疤痕的形成,,提高心肌的功能,,促進(jìn)心肌細(xì)胞的增殖。同時(shí)瞬時(shí)轉(zhuǎn)染miR-19a/19b具有長(zhǎng)期的保護(hù)效應(yīng),。關(guān)于miR-19a/19b治療效應(yīng)的更多研究需要進(jìn)一步探索來(lái)說(shuō)明人類MI患者miRNA的治療潛能,。另一個(gè)miR-199a能夠調(diào)節(jié)心肌的再生。miR-199a能夠促進(jìn)心肌細(xì)胞的增殖,。有趣的是miR-199a在大型動(dòng)物模型中對(duì)MI表現(xiàn)出治療潛能,。在I/R受傷的豬模型中,miR-199a在心肌中利用腺病毒過(guò)表達(dá)能夠保護(hù)損傷的心臟整體的心肌功能和局部的收縮性,。更多的證據(jù)表明形態(tài)和功能的改善與miR-199a密切相關(guān),,能夠促進(jìn)細(xì)胞的增殖。但是miR-199a持續(xù)的不受控制的表達(dá)會(huì)導(dǎo)致心律不齊引發(fā)的突然死亡。因此,,一些關(guān)鍵的因子,,例如劑量、時(shí)間以及傳遞方式需要在人體試驗(yàn)之前調(diào)查,。

研究者致力于挖掘臨床診斷治療心臟疾病的靶向和方法,。盡管取得了很大的進(jìn)展但是仍然不能滿足臨床的需求。RNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的許多研究,,包括ncRNAs將會(huì)繼續(xù)探究具有治療價(jià)值的RNA靶向。RNA靶向具有獨(dú)自的優(yōu)勢(shì),,并不依賴于檢測(cè)的抗體以及合成轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的酶,。因此,結(jié)合蛋白的靶向RNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)極大了引領(lǐng)臨床心臟疾病應(yīng)用的突破,。

1 RNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的分子機(jī)制圖

結(jié)論與展望


人類基因組注釋后,,研究者驚奇的發(fā)現(xiàn)許多蛋白編碼的基因和編碼序列的長(zhǎng)度與其他脊椎動(dòng)物甚至非脊椎動(dòng)物具有可比性。然而,,人類含更多的非編碼DNA序列,,截止20年前開(kāi)始探究ncRNAs,在心肌病理中的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)包含多達(dá)數(shù)的蛋白,,似乎是冰山一角,。在本綜述中,研究者系統(tǒng)總結(jié)了RNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在心臟疾病中的主要發(fā)現(xiàn),,從人類基因組的暗物質(zhì)探索開(kāi)始,。很明顯,RNA分子是這些調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中不可缺少的成分,。未來(lái)的研究將幫助我們更好的了解其潛在的分子機(jī)制(圖1),,更重要的是為擊敗心臟疾病奠定基石。


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