综述 | 澳大利亚联邦大学: 心血管疾病中非编码RNA的作用
编译：思越，编辑：十九、江舜尧。
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论文ID
原名：A Guide to the Short, Long and Circular RNAs in Hypertension and Cardiovascular Disease
译名：高血压和心血管疾病中的短、长和环状RNA指南
期刊：International Journal of Molecular Sciences
IF：4.183
发表时间：2020年5月22日
通讯作者：Fadi J.Charchar
通讯作者单位：澳大利亚联邦大学健康与生命科学学院
DOI号：10.3390/ijms21103666
主要内容
在发达国家，高血压(HT)是成人死亡的主要原因，并是冠心病(CAD)、中风、心力衰竭(HF)、心房颤动等心血管疾病发展的危险因素。交感神经系统、内皮稳态和肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)参与正常血压的维持，这些机制的不稳定性被认为与HT的发生有关。遗传因素在HT的发生发展中起着关键作用，并与肥胖、胰岛素抵抗、高酒精摄入、高盐摄入量、久坐、压力、低钾和等因素有关。
1.遗传特征
高血压的遗传率约为30%。全基因组关联研究极大地扩展了我们对HT的遗传认知。 最近一项100多万欧洲人的研究中，确定了535个新的BP相关位点，部分位点与转化生长因子β（TGFβ）途径有关，该途径调节肾脏中的钠稳态，并影响心室重构，且TGFβ血清水平的升高与高血压的发展有关。通过对血管紧张素原、血管紧张素转换酶、血管紧张素Ⅱ1型和肾素基因的多态性及其血浆浓度的关系发现，两者共同影响血压的升高。另有研究发现，CRIP1，MYADM，TIPARP，TSC22D3，CEBPA，F12，LMNA和TPPP3等基因的mRNA水平也会影响血压的变化，且CRIP1基因与心肌肥大密切相关。此外，在非编码RNA（microRNA、lncRNA和circRNA）中，对高血压(HT)等其他心血管疾病（CVD）的表观遗传规律也做了深入的研究，并影响心脏分化、发育和重塑过程。
2.MicroRNA在心血管疾病和高血压中的作用
非编码RNA不参与蛋白质的翻译，通常在转录、转录后和翻译上调节基因的表达（图1）。MicroRNA是一种内源性的非编码RNA，具有22个核苷酸，是高度保守且稳定的单链RNA，在生物体的血浆和血清中都可以检测到（图2）。MicroRNA通过与目标mRNA的3’UTR结合，抑制目标mRNA的翻译或诱导其降解，并依据结合位点的数量，与不同的mRNA结合。MicroRNA表达水平的变化，通常与高血压、动脉粥样硬化、冠心病、心肌梗死(MI)、心力衰竭和心律失常等心血管疾病有关，提示其作为治疗靶点以及诊断和预后生物标志物的潜在用途。
研究发现，有超过50个MicroRNA与原发性高血压有关，超过30个MicroRNA与心衰竭和心梗有关。MicroRNA通常会影响肾素-血管紧张素系统，打破血压调节平衡。miR-34b、miR-361-5p、miR-362-5p和miR-181a的下调，以及miR-34c-5p、miR-449b、miR-571、miR-765、miR-483-3p、miR-143/145、miR-126、miR-196A、miR-132、miR-212、miR-451和miR-21的上调会影响肾素-血管紧张素系统，并引起血压升高。miR-21在血管平滑肌细胞(VSMC)、血管内皮细胞、心肌细胞、心脏成纤维细胞等多种细胞中表达。其表达与高血压（HT）以及靶器官损害的发生发展密切相关，包括肾素血管紧张素系统、炎性细胞因子和内皮功能的调节。此外，miR-21通过转化生长因子β/smad7信号通路参与心脏成纤维细胞的激活和心脏纤维化，进而影响心肌梗死后心功能障碍。在急性心梗中，发现血浆miR-1、miR-133a、miR-499和miR-208a水平的升高。miRNA-29a水平升高与肥厚性心肌病和心脏纤维化密切相关。
MicroRNA还通过调节脂蛋白稳态，进而影响动脉粥样硬化的进展。miR-145的下调，通过减少VSMC分化促进患者血管系统斑块形成，并成功使用慢病毒提高miR145的表达，成功治疗动脉粥样硬化的ApoE−/−小鼠，减少血管系统斑块的形成。MicroRNA可能还调控了血管紧张素转换酶2(ACE2)，ACE2通过将血压调节血管紧张素Ⅱ(Ang II)裂解为Ang1-7产物而使其失活。在高血压患者中，血管紧张素转换酶2（ACE2）的表达水平降低。研究发现，miR-200C-3p可以直接靶向ACE2的3’UTR并下调其蛋白表达。miRNA let-7b在缺氧性肺动脉高压中上调，从而降低ACE2水平。慢性肾病和血液透析患者具有较高的miR-421和较低的Ang1-7产物和ACE2水平，进而促进动脉粥样硬化的发展。miR-125b是高糖处理后ACE2的负调控因子，抑制人体肾细胞miR-125b的表达后，血管紧张素转换酶2的水平下降，从而减少活性氧与细胞凋亡。
图1 非编码RNA的调控机制
图2 非编码RNA的简要特征
3.lncRNA与心血管疾病和高血压的关系
LncRNA长度大于200bp，具有较强的组织特异性和较差的保守性，在转录和转录后基因调控和mRNA翻译中发挥作用。LncRNA参与表观遗传修饰、选择性剪接和转录的调节，或与细胞质中的mRNA和蛋白质相互作用以调节基因表达。
大量的lncRNA被鉴定参与心脏疾病的调节，影响心血管疾病的发生和发展。Alt1在组织缺氧条件中下调，进而影响人脐静脉内皮细胞生长，此外还影响ACE2的表达。lncRNA GAS5在动物模型中调节血管平滑肌细胞（VSMC）和内皮细胞(EC)，进而影响原发性高血压。另一项使用芯片分析的研究中，在自发性高血压大鼠的同侧肾皮质中鉴定出145个差异表达的lncRNA。Myh7是一种肌球蛋白重链相关RNA转录本(Mhrt)，在横向主动脉手术（TAC）诱发心脏肥大后，表达降低。Mhrt的过表达，减少了心肌肥大和纤维化，从而改善心功能。lncRNA CHAST在TAC手术引起的心肌细胞肥大小鼠和患者的心肌细胞中表达上调，沉默CHAST会促进心脏重塑，而Pleckstrin可以抑制心肌细胞自噬和肥大。
LncRNA心肌梗死相关转录本(MIAT)被认为是促进心肌梗死后心肌纤维化和重构的基因。心肌梗死后会出现心肌纤维化，而心梗区域的心脏重构是维持心肌完整性的关键。相反，心脏重塑引起的纤维化会增加心脏硬度，损害心功能，从而导致心衰。MIAT通过清除抗肥厚的miR-93和miR-150，在心肌细胞中发挥促肥大作用。心肌梗死引起的缺氧，会通过细胞死亡与凋亡，显著减少心肌细胞的数量。线粒体动态相关lncRNA(Mdrl)与心脏凋亡相关lncRNA(Carl)通过抑制miR-361和miR-539的表达，抑制细胞凋亡，进而缩小梗死面积。在心衰小鼠模型中，鉴定出lncRNA CHEAR对心肌肥厚的发展至关重要，敲低CHEAR抑制了化学诱导的心肌肥大。Chaer与多梳抑制物复合物2(PRC2)相互作用，PRC2抑制参与心肌肥大的下游基因，这种相互作用是激活心肌肥大有关基因的表观遗传重编程所必需的。
4. CircRNA及其在心血管疾病中的作用
CircRNA是一类不具有5' 末端帽子和3’ 末端poly(A)尾巴、并以共价键形成环形结构的客观存在于生物体内的非编码RNA分子。大部分CircRNA是内源性的，在哺乳动物细胞中高度保守和稳定，在疾病中普遍存在。相比于被移除内含子的mRNA，易被核酸外切酶裂解；CircRNA通过反向剪接形成，促进了外显子和内含子的环化过程，保护其不被核酸外切酶降解（图3）。
研究发现，CircRNA可通过直接或间接的方式调节mRNA转录本的表达。例如直接通过竞争剪接过程调控mRNA的生成，或CircRNA含有大量的miRNA结合位点，具有miRNA海绵作用，进而间接调控miRNA下游靶基因的表达，发挥转录后调控的作用（图4）。CircRNA约占总RNA的1%，在各种细胞类型中广泛表达，可能具有人类疾病的调节功能，在生物过程的发展中起到关键作用，基于以上特性，已经鉴定出了部分与心血管疾病相关的CircRNA（表1）。
图3 Pre-mRNA通过RNA剪接形成成熟mRNA，反向剪接形成CircRNA
图4 CircRNA功能。(A)CircRNA上调导致miRNA结合增多引起miRNA下降，mRNA的降解或抑制减少，进而增加蛋白质翻译。(B)CircRNA下调导致miRNA结合减少引起miRNA升高，mRNA降解或抑制增多，进而减少了蛋白质的翻译。
表1 心血管疾病相关的CircRNA总结
5.CircRNA与高血压
对于CircRNAs与高血压发展之间的研究仍十分有限。通过比较高血压病人与正常人之间的血样芯片，发现了13个下调和46个上调的circRNA，并验证了hsa_cic_0005870在高血压患者的血液中显著下调，CircRNA-miRNA网络预测出包括hsa-miR-619-5p在内的多个结合位点，而hsa-miR-619-5p可能参与转化生长因子β信号通路进而影响高血压的进展。有研究发现了hsa_circ_0037909和hsa_circ_0037911，与血压高于140/90mmHg的高血压表型密切相关，并验证存在miR-637的结合位点，miR-637被认为通过激活高血压患者的炎症途径来降低C反应蛋白水平，且hsa_circ_0037911和血清肌酐存在正相关关系。在高血压患者中，还发现hsa_circ_0126991和hsa_circ_0014243的上调，且与miR-10a-5p存在结合，miR-10a-5p被证明在高血压、冠心病与血管内皮功能障碍中下调。
6.CircRNA与心肌梗死和心力衰竭
最早有关心肌梗死与CircRNA的研究起始于2016年，在心肌梗死后小鼠模型中，鉴定出29个上调的CircRNA和34个下调的CircRNA与心衰有关，并存在大量CircRNA-miRNA相互作用。CircRNA Cdr1as在心肌梗死小鼠模型和缺氧后心肌细胞中上调，引起心肌细胞的梗死面积增大，并导致细胞凋亡。且Cdr1as充当miR-7a的分子海绵，而miR-7a的升高可以减少心肌梗死的损伤。同样的上调现象还在circTtc3中观察到。CircTtc3的过表达可减少缺氧引起的ATP消耗，且敲除CircTtc3会增加心肌缺血和功能障碍下心肌细胞的凋亡。CircRNA circNfix在人、大鼠和小鼠的成年心脏中表达增加，但可能受到转录因子结合的增强子介导， 敲除circNfix可以促进心肌细胞增殖和血管生成的增加，从而预防心肌梗死后的细胞凋亡，减少心肌功能障碍并改善心肌梗死后的预后。
相反的，CircFndc3b在心肌梗死后小鼠心脏和缺血性心肌病患者的人心肌组织中表达下调，其过表达减少了心肌细胞的凋亡，从而改善了血管形成和左心室功能。这些研究表明circRNA可能参与心肌梗死后的心脏修复，功能和重塑，为其治疗和预后提供了新的治疗靶点。然而，心肌梗死时血液中的CircRNA尚未鉴定，心肌肌钙蛋白水平仍然是目前心肌梗死的金标准。
7.CircRNA与动脉粥样硬化和冠心病
Chr9p21区域是动脉粥样硬化的公认的危险区域之一。位于该区域的INK4基因座(ANRIL)的反义非编码 RNA与动脉粥样硬化、调节分子通路和细胞功能有关。最近的研究表明，部分CircRNA的上调，作为海绵作用吸附miRNA，从而影响动脉粥样硬化相关的细胞增殖和侵袭。例如CircRNA-0044073靶向miR-107，circCHFR靶向mir-370，CircRNA-0003575靶向miR-148A-3P。有趣的是，CircRNA-0003575在受损的内皮细胞中表达上调，而内皮细胞是动脉粥样硬化发展的关键部分，并与低密度脂蛋白有关，敲除该CircRNA可减少人脐静脉内皮细胞(HUVEC)的凋亡。通过RNA测序，已经识别了大量有关冠状动脉疾病的CircRNA。Pan等描述了动脉粥样硬化病变中的1259个已被注释的CircRNA和381未知CircRNA，并通过组织学检查发现54个上调和12个下调的CircRNA可能参与了冠状动脉疾病的病理过程。Yu等鉴定的差异表达CircRNA中，前100个与新陈代谢和蛋白质修饰相关。在硬化性冠状动脉和外周血单核细胞中，鉴定出6个CircRNA可能是潜在的生物标志物。在病例对照研究中，HSA_CIRC_0001879、HSA_CIRC_0004104和HSA_CIRC_0001445在患者中的表达上调，可能是冠心病的潜在标志物。
8.CircRNA与心肌疾病
titin基因负责编码心肌细胞相关蛋白，并与80余个CircRNA相互作用。部分CircRNA在扩张型心肌病中差异表达，而在肥厚型心肌病中无差异。一项采用深度测序的研究，鉴定出82个未知的CircRNA，且在扩张型心肌病患者的活检组织中，CircATXN10、CircCHD7、CircDNAJC6和CircSLC8A1存在差异表达。此外，在扩张型心肌病引起的心肌肥大患者的心脏组织中，发现CircSLC8A1表达的上调。CircRNA HRCR的上调抑制了miR-223的表达，促进了活性调节细胞骨架相关蛋白(ARC)基因的上调，并减少由异丙肾上腺素诱导的心肌肥厚。在注射血管紧张素-II的小鼠中，CircRNA-000203作为miR-26b-5p和miR-140-3p的内源性海绵显著上调，引起靶基因GATA4水平变化导致心肌肥厚增加。一项有关人诱导多能干细胞(HiPSCs)及衍生心肌细胞(hiPSC-CMS)的研究鉴定出5602个CircRNA。而一项有关胎儿心脏组织的研究发现，CircSLC8A1、CircCACNA1D、CircSPHKAP和CircALPK2的表达存在差异，并且通过强有力的证据表明，CircSLC8a1可能成为值得进一步研究的治疗靶点。
总结
本篇综述主要介绍了在心血管疾病中非编码RNA的作用。虽然LncRNA和miRNA的作用已经被较多的研究，但CircRNAs在CVD和HT中的作用探究仍十分有限。CircRNA可能参与心脏发育、心脏正常生理以及发病过程。然而，有关CircRNA参与正常心脏功能的机制以及其失调所造成的影响仍值得进一步探究。
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