Circulation深度剖析：心力衰竭中的调控RNA

原创：Echo 转录组|微信公众号

编译：Echo，编辑：十九、江舜尧。

众所周知，心血管疾病对人类生命健康构成了严重的威胁和挑战，同时也给世界各国带来了巨大的经济负担，尽管在其治疗方面取得一些重要进展，但心血管疾病仍然是目前致死和致残的主要原因之一。心力衰竭（指各种原因引起的心脏收缩和/或舒张功能障碍，以致不能满足机体代谢需要的一个病理过程）是心血管疾病的主要表现形式。心力衰竭伴随着心脏稳态的失衡，而这其中依赖于基因表达的严格调控，其是在多种类型的RNA分子控制下进行的，这包含了一些能编码蛋白质的RNA(所谓的信使RNA, mRNA)和一些缺乏蛋白质编码功能的RNA（ncRNA）。这篇综述带领我们深入地了解和剖析调控RNA（regRNA）的概念、分类及其功能作用。并且讨论了mRNA、微小RNA（miRNA）、长链非编码RNA（lncRNA）和环状RNA（circRNA）在心力衰竭中的调控和功能方面的作用。最后，作者讨论regRNA在诊断、预防和治疗心力衰竭方面可能发挥的作用，并为今后的基础研究和临床应用提供新的思路与策略。

原名：Regulatory RNAs in Heart Failure

译名：心力衰竭中的调控RNA

期刊：Circulation

IF：23.054

发表时间：2020.1.28

通讯作者：Yvan Devaux

通讯作者单位：卢森堡卫生研究所心血管研究中心

DOI号：10.1161/CIRCULATIONAHA.119.042474.

背景介绍

心力衰竭是当今社会值得高度关注的问题，仍然需要新的治疗及干预措施。尽管我们对心力衰竭的理解、药物的研发生产（如血管紧张素转化酶抑制剂、β受体阻滞剂等药物）以及我们对疾病的管理方面取得了一些进展，但是其仍然对我们构成了巨大的威胁，那么心力衰竭有哪些挑战呢？主要面临两个问题：一是患者数目之庞大；二是尽管经过一段时间的治疗，但预后效果仍然很差。中国医学科学院阜外医院研究团队去年在Eur J Heart Fail上发表的最新调查结果显示，在我国≥35岁的居民中，加权后心力衰竭患病率为1.3%，即大约1370万人患心力衰竭。因此，对于心力衰竭的科学研究仍然有很长的路要走，本文作者整合目前regRNA的最新进展，包括在几种与心力衰竭相关的病理生理过程(如心肌肥大、炎症、再生和血管生成)中的作用，以期regRNA能成为心力衰竭临床治疗的生物标志物，为心力衰竭的诊疗、预防提供了一个全新的方向。

结果

1、 RNA家族：regRNA的重新审视

多年来，科学界主要关注的是与mRNA编码蛋白的外显子，对应的人类基因组约为2%。核糖体RNA、转运RNA、小核仁RNA和核仁RNA虽然已被人们研究多年，但其主要表现为负责mRNA成熟和蛋白合成的相对保守的管家功能。事实上，RNA已经成为诊断、治疗和个性化医疗领域的一个有非常有前途的方向。图1展示了到目前为止已知的RNA类别及其构成。其中有几个类别具有调节作用，可以单独作为一个分支，并其命名为regRNA。调控RNA主要由ncRNA组成，其中miRNA、lncRNA和circRNA因其能更好的调节细胞反应能力而引起心血管研究人员越来越多的关注。regRNA可以是复杂结构之中的一部分，其也可以与RNA结合蛋白、DNA和其他类型RNA相互作用并调节它们的活性。它们表现出独特的时空表达方式，其表达可以受到精确的调控（如甲基化等）。

图1 RNA家族和调控rna。（nt表示核苷酸）

此外，考虑到一些regRNA在血液中显示出相对较高的稳定性，且数量失调可以与不同的疾病状态相匹配，它们可能成为重要的潜在疾病生物标志物。ncRNA是根据其大小(小于或大于200个核苷酸)来分类的，分为lncRNA和sncRNA，图2总结了ncRNA的主要作用机制。

图2 ncRNA的主要作用机制。

（1）sncRNA：

sncRNA包括不同的RNA类别，其中siRNA、piRNA和miRNA是目前研究最为广泛的。无论其作用机制如何，每一个miRNA都可以调控数百个mRNA，而且是通常靶向整个通路，每个转录本都可以被1个以上的miRNA组合靶向。

（2）lncRNA：

lncRNA的分类没有统一的标准，其命名通常与实验特征相关，很多研究发现lncRNA在各类组织中的表达比mRNA更具有组织特异性，说明lncRNA与组织的功能特异性紧密联系。除此之外，可能其分类还和作用机制、分子功能等方面相关。虽然有少数lncRNA表现出保守的一级序列，但保守性普遍较弱。

虽然几十年前人们就已经知道了mRNA的化学修饰，但相关研究表明（如图3），ncRNA也会发生不同的修饰。然而，由于技术上的限制，对regRNA修饰及其后续的研究受到了一些限制。不过已有研究表明，regRNA中的表观转录组会影响其调控活性、稳定性、对降解的保护以及蛋白质对regRNA特定位点的募集。

图3 regRNAs中最常见的转录后修饰。

2、 regRNA在循环系统中的作用

由于在循环中有丰富的核酸外切酶，RNA分子通常被认为是不稳定的。编码RNA和ncRNA都通过不同的方式被保护而不被降解，例如包装在脂质囊泡中(如外泌体和微囊泡等)、与高密度脂蛋白或蛋白质结合、还可以通过其自身环状结构。RNA分子在循环中的稳定性增强了细胞间通讯和调节作用，与此同时，它们在细胞外囊泡中的存在为发挥生物功能提供了有力支撑。越来越多的证据表明，细胞在胞外囊泡中包装和输出不同的分子，包括regRNA。它们可以被受体细胞吸收，其携带的物质可以引起表达和功能的改变。

有许多关于miRNA、lncRNA和circRNA的报道，其水平的改变与不同的心血管疾病(如心力衰竭)相关。研究显示循环的regRNA也会因环境和生活方式因素而改变，如运动、饮食和昼夜节律。RegRNA尤其是miRNA，具有显著的临床生物标志物特征：稳定性、易用性、常规实验室检测的可能性以及对病理生理状态的特异性。事实上，不同的miRNA、lncRNA和circRNA几乎是所有心血管疾病的潜在生物标志物。循环的regRNA不仅可以作为疾病的预后和诊断性生物标志物，还可以作为治疗选择和监测以及治疗靶点

3、 regRNA在心脏肥大中的作用

心肌肥大是心力衰竭的标志，表1所示许多miRNA介导的心肌肥厚机制已被很多研究证实。分别从miRNA、lncRNA和RNA结合蛋白的3个方面做一总结，不难发现，许多regRNA和心脏肥大之间联系非常紧密。这其中运用最主要的模型包括主动脉弓缩窄术（TAC）和血管紧张素2泵注两种方法。

表1 与心肌肥厚相关的调节RNA和RNA结合蛋白。

4、 regRNA在心脏炎症中的作用

心脏的和全身的炎症与慢性心力衰竭也相互关联，同时炎症也是代谢综合征、2型糖尿病、动脉粥样硬化、主动脉瘤和衰老的促成因素。有一些regRNA受调控并参与了心脏炎症的调节，如表2所示分别从miRNA、lncRNA和circRNA做一总结归纳。在人类心肌炎样本中，芯片结果筛选发现107个miRNA的表达与对照心脏相比存在明显差异，其中21个上调，37个下调。miRNA-21在小鼠心肌梗死后重塑的早期炎症阶段的边缘和梗死区尤为增加，可防止炎症过度和心功能障碍。lncRNA也参与了心脏的免疫调节，一些涉及miRNA和lncRNA的调节网络与心脏炎症关联程度也较高。除此之外，circRNA也与炎症有关，急性心肌梗死患者炎性血细胞中circRNA的表达水平与心力衰竭的发生相关联。

表2 与心脏炎症相关的调节RNA

5、 regRNA在心肌再生中的作用

物种之间的再生能力高度保守，然而，由于出生后心肌细胞的早期细胞周期的退出和损伤后不能激活传统的再生程序，成年哺乳动物的心脏表现出有限的再生能力。诱导心肌细胞增殖和促进干细胞/祖细胞向心源性分化以用于治疗或直接将非肌细胞重编程为心肌细胞的策略目前正处于紧张的研究中，如表3所示所有这些过程都需要涉及regRNA的复杂基因调控。regRNA在心脏发育过程中发挥重要作用，这可能为细胞治疗和重新编程开辟新的途径。

表3 与心脏再生相关的调节RNA

6、 regRNA在血管系统中的作用

冠状动脉和周围血管的改变是心力衰竭发生的关键。冠状动脉血管重构导致心肌收缩力受损，而外周血管重构导致顺应性降低，阻力增加，动脉循环电容降低，从而增加后负荷，加重心力衰竭。内皮细胞功能障碍和血管平滑肌细胞的改变是血管结构和功能改变的核心。预防或逆转这种重建可能有助于恢复体内平衡和防止心力衰竭，利用血管生成机制促进新血管形成也是如此。如表4所示regRNA在血管细胞表型改变中的作用逐渐被人们认知。

表4 血管系统中的调节RNA

结语

regRNA研究的进展拓宽了我们对真核生物基因组多样性的认识，并激发了人们识别与人类病理相关的新机制的极大热情。越来越明显的是，RNA具有大量的调节功能，但其中一些还有待进一步深入研究探讨，以更好地为基于RNA方法治疗的方向和目标提供更有利的证据支持。虽然miRNA在心力衰竭发展和进展中的作用已被广泛研究，但关于lncRNA的相关研究却甚少。尽管RNA的深度测序揭示了lncRNA在衰竭的心脏中广泛调控，但仅有少数lncRNA参与了心力衰竭的过程。更不为人所知的是，circRNA在心力衰竭时似乎也受到调节，但其在心脏中的作用仍有待进一步深入研究。

与传统的小型化学药物或针对靶蛋白产品的治疗性抗体相比，基于RNA的药物具有概念上和实践上的优势。例如，小的化学药品缺乏绝对的目标特异性，而且需要昂贵的药物筛选程序。与抗体明显不同的是，RNA可以通过化学合成，因此比生物制剂更便宜、更容易制造药物，而生物制剂可能存在批次间的差异。抗体需要每隔几周注射一次，而且病人经常会产生免疫反应，这就限制了抗体治疗的有效性。虽然在过去已经有相当数量的临床前研究涉及ncRNA治疗心脏病，但迄今为止，只有非常少的基于RNA的治疗方法成功地进入了临床开发。与更传统的药物相比，以RNA为基础的治疗方法仍然面临一些威胁和挑战，由于预期靶点与其他基因的部分序列存在同源性，可能会因此表现出“脱靶效应”，导致RNA没有真正的发挥作用，反而会产生一些其他的影响。总之，基于RNA方法治疗心血管疾病并使之成为一项长期的临床应用还有很长的路要走，不过可以确定的是regRNA是一个尚未开发的潜在心血管疾病生物标志物和新的药物靶标。