综述│Genomics：心血管疾病中的circRNA-miRNA-mRNA轴（国人佳作）
编译：KT!，编辑：景行、江舜尧。
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非编码RNA（ncRNA）是在基因转录过程中产生的一种不编码蛋白但可以调控基因功能进而调控多种病理生理过程的RNA。ncRNA调控网络的动态平衡在机体稳态的维持中具有重要作用，异常调控将导致疾病的发生。环状RNA（circRNA）主要涉及心血管疾病（CVD）演化，对miRNA起海绵作用，继而调控miRNA以及其靶点mRNA功能。本文章将对circRNA- miRNA-mRNA轴在CVD中的新作用作一总结，重点介绍circRNA参与心脏保护作用的机制。
论文ID
原名：Revealing new landscape of cardiovascular disease through circular RNA-miRNA-mRNA axis
译名：心血管疾病中的环状RNA-miRNA-mRNA轴
期刊：Genomics
IF：6.205
发表时间：2019年10月
通讯作者：苏强
通讯作者单位：桂林医科大学，心内科
DOI号：10.1016/j.ygeno.2019.10.006
研究进展
1 前言
CVD致死率很高，早期精确诊断至关重要。目前针对CVD的诊断、治疗和预后方面的研究取得了很大进步，但是基于心脏保护作用机制的治疗策略还是有所匮乏。
新的证据表明遗传学和表观遗传学因素对于CVD的进展发挥重要作用。ncRNA在CVD机制研究方面引起了广泛关注。根据核苷酸长度可以将ncRNA分为tRNAs(74-95nt),rRNAs(121-5000nt),snRNAs(100-300nt),snoRNAs(100-300nt),gRNAs(55-70nt),miRNAs(19-23nt),piRNAs(24-30nt),siRNAs(21-25nt),lncRNAs(>200nt),和circRNAs(>200nt)。过去普遍认为circRNA的低丰度表达可能是剪接过程中的错误表达。而高通量测序分析和新的计算方式表明circRNA广泛存在于真核生物转录组学中。circRNAs呈一种共价闭合环结构，既没有5¢到¢极性，也没有多聚腺苷酸尾，广泛分布在哺乳动物体内，尤其是人类和小鼠中，在调控基因表达和各种细胞内过程中发挥重要作用。circRNA主要存在于胞浆中，在体内稳定高表达。circRNAs对于核苷酸酶不敏感，比同源线性RNA更加稳定，正因为如此，circRNAs在心血管疾病诊断标志物和分子靶向治疗方面的发展和应用具有广阔前景。
在分子生物学中，circRNAs，比如IncRNA和mRNA也包含大量miRNA的结合位点。作为竞争性内源性RNA, circRNA通过碱基互补海绵吸附miRNA的方式调控下游miRNA的靶基因。miRNA通过靶向mRNA的3'非翻译区（3’UTR）降低mRNA的稳定性或者抑制mRNA的翻译，进而负调控靶基因的表达。各种转录本包括mRNA、假基因，IncRNA和circRNA可以通过应答元件竞争性结合同一种miRNA，移除或者降低miRNA对于靶基因的抑制作用，从而调控靶基因表达。这些RNA转录本称为内源性竞争RNA（ceRNA），这种新的转录后调控模式称作ceRNA假说。ceRNA不仅参与到正常细胞的增殖、分化和衰老中，而且在肿瘤和CVD中也发挥重要作用。RNA通过ceRNA调控网络在转录水平上影响着CVD的病理进展。近3年来，circRNA-miRNA-mRNA轴在CVD中的病理作用得到了很大扩展，越来越多研究揭示了它们在CVD以及异常状态下的作用机制（表1、图1）。这些研究将为CVD的病理学、诊断和治疗提供新的方向。
表1. 心血管疾病中的circRNA-miRNA-mRNA轴
图1. 心血管疾病中的circRNA-miRNA-mRNA轴
2 CVD中的circRNA-miRNA-mRNA轴
2.1 冠心病
冠心病在CVD中发病率最高，但早期诊断仍然存在困难。非侵入性检查方式包括心电图（ECG）、运动踏板试验、动态心电检测、以及冠脉血管计算机成像（CTA），和侵入性冠脉血管造影（CAG）。但是每种方式均有其缺点，心电图敏感性和特异性较低，CTA昂贵，而CAG大多数病人不接受。circRNA由于其环状结构不易被核酸酶降解而在CHD的诊断中得到应用。Lin和pan等人系统分析了CHD中紊乱的circRNA相关内源性竞争RNA网络，发现circRNA可能是CHD中潜在的临床标志物。
2.2 动脉粥样硬化
动脉粥样硬化（AS）是心血管疾病的病理基础，由动脉血管壁上脂质沉积、炎症反应、瘢痕组织增生引起，可以导致血管狭窄、动脉管腔闭塞，进而导致组织和器官缺血性坏死，心绞痛甚至心脏猝死的发生。AS与心血管疾病中大多数死亡病例相关。张等人首次系统分析了紊乱的circRNA相关内源性竞争RNA网络在AS中的作用，发现circRNA可能是潜在的动脉粥样硬化临床标志物。
动脉粥样硬化具有三个病理过程，包括脂质浸润理论、内皮损伤理论，血管平滑肌细胞迁移和扩散理论。Circ-SATB2-miR-939-STIMI轴在血管平滑肌细胞增殖和迁移过程中发挥重要作用。过表达circ-SATB2可以诱导凋亡，而circ-SATB2结合到mir-939后可以减弱mir-939的活性，因此上调了靶基因STIMI，最终加剧了动脉粥样硬化的进展。同样的一个研究发现circRNA 0044073通过circRNA 0044073-mir-107-JAK/STAT轴促进了人血管平滑肌细胞增殖，过表达circRNA 0044073促进了人血管平滑肌细胞（HUVSMC）和人血管内皮细胞（HUVEC）增殖，而这种增殖可以被mir-107的过表达所抑制。此外，circRNA 0044073可以通过海绵作用抑制miR-107。过表达circRNA 0044073激活了HUVSMC、HUVEC中的JAK/STAT信号转导通路和炎症通路。miR-122是在颈部斑块破裂中低量表达的保守印记基因，据研究circRNA-284作用于mir-221轴在颈部斑块破裂中发挥作用，同样地，sun等人发现circ-RUSC2上调miR-661靶基因SYK进而调控血管平滑肌细胞的功能。
2.3 心肌损伤
心肌损伤和其并发症的发生为社会和康复治疗系统带来了沉重的经济负担。尽管许多研究表明，心脏干细胞移植可以改善缺血心脏的心功能，但心肌损伤的治疗仍在初始阶段。因此，心肌损伤的机制研究以及高效治疗策略的研发显得尤为重要。
心肌肥厚、心肌细胞凋亡、心肌细胞代谢失调和心肌纤维化是心肌损伤后的病理改变，但是其中的机制仍然不明。在心肌损伤过程中，氧化应激和心肌血供减少导致了氧气供应不足，心肌细胞不可逆性损伤。除了对于心肌细胞的直接生物学改变外，心肌细胞死亡后释放毒性物质导致左室重构，功能失调和心力衰竭。Jiang等人系统分析了房颤中的circRNA相关内源性竞争RNA网络。circRNA cdr1as 通过circRNA cdr1as -mir -7a–PARP或SP1 轴促进细胞凋亡，过表达circRNA cdr1as可以诱导凋亡，其与mi9-7a结合抑制了mi9-7a活性，导致mi9-7a靶基因PARP和SP1上调，最终促进了心肌损伤进展。SP1是SP/KLF家族成员中的一个转录因子，在心肌损伤包括心肌纤维化、心肌细胞凋亡和血管再生等的发生发展中起着重要作用，PARP也具有相似的作用。过表达miR-7a显著抑制了Cdr1as引起的变化，因此保护了心肌损伤引起的细胞凋亡。因此，circRNA cdr1as -mir-7a-PARP/SP1可能是早期心肌损伤诊断的新的生物学标志物，其表达水平与患者预后有关。MFACR在冠状动脉结扎诱导的心肌细胞凋亡大鼠模型中显著上调，其通过MFACR-miR-652-3p-MTP18促进了心脏线粒体分离和凋亡。miR-652-3p可以通过抑制MTP18阻断线粒体分裂和心肌细胞死亡。MFACR可以直接螯合胞浆中的miR-652-3p，抑制其活性。此外，有研究发现circ-Ttc3在心脏中的表达最高，其可以通过抑制miR -15b -Arl2调控心脏功能。Huang等人发现circRNA Nfix通过抑制Ybx1泛素依赖的降解以及挽救miR-214从而促进心肌细胞增殖和血管再生。MFACR, circRNA_ cdr1as, circ -Ttc3 和 circRNA Nfix为心肌损伤后的进一步研究和诊断、治疗提供了新的基础。
2.4 心肌肥厚
心力衰竭是全世界死亡的主要原因，心肌肥厚和心力衰竭紧密相关，心肌肥厚很大可能最终导致了心力衰竭的发生。已有很多因素影响并参与心肌肥厚过程中，如G蛋白偶联受体、肾上腺素和血管紧张素。
生物学应激和其它病理性刺激导致了心肌重构。心脏在不影响功能的情况下对这种刺激做出相应反应，表现为心肌肥厚，心肌细胞增大、细胞外基质形成而数量不变。这种短期应答是一种代偿性有利机制，但长期应答将导致心力衰竭和心脏猝死的发生。circRNA-HRCR通过HRCR-mir-223-ARC轴抑制心脏肥厚和心力衰竭。有研究表明，mir-223转基因小鼠能够发展成为心肌肥厚和心力衰竭，而敲除小鼠则不会产生这些病变，说明mir-223是心力衰竭的正向调控子。ARC具有胞浆肽酶富集域，它是mir-223调控的下游抗凋亡蛋白。HRCR海绵结构吸引mir-223消除了mir-223对于ARC蛋白的抑制作用，升高了心肌细胞和小鼠中ARC蛋白表达。Li等人发现circRNA_000203通过抑制miR-26b-5p 和miR-140-3p从而升高Gata4水平加重了心肌肥厚。此外，lim等人发现circSlc8a1在心脏中是上调的，可以通过对miR-133a的海绵作用改善压力负荷诱导的心肌肥厚。这些发现为心肌肥厚提供了新的治疗靶点。
2.5 心肌纤维化
心肌纤维化指大量心肌间质胶原网络的定性或者定量变化，这是心肌对于缺血性心脏损伤、系统性疾病、药物或者其它有害刺激影响到循环系统或者心脏本身的一种应答反应。心肌纤维化是成纤维细胞功能亢进引起心脏组织降解并分化成为心肌成纤维细胞的常见形式。长期作用下，如果细胞外基质过度分泌并聚集在心肌组织中，这种坚硬的纤维组织产生的压力将会导致心室重构。心肌纤维化改变了心肌结构，促进了心脏功能紊乱，诱使心律失常，影响着心衰患者的临床进展和预后。
CircRNA_010567通过circRNA_010567-mir-141-TGF-β1轴促进心肌纤维化。首次分析circRNA的团队采用芯片技术在糖尿病db/db小鼠的心肌中发现CircRNA_010567在血管紧张素干预的心肌组织和心脏成纤维细胞中显著上调。生物信息学分析发现CircRNA_010567可以竞争性结合mir -141，荧光素酶报告基因进一步验证了这一假说。敲除CircRNA_010567可以升高mir -141，并下调TGF-β1，接下来抑制胶原蛋白I、II和α -SMA。此外，Ni等人发现circHIPK3在血管紧张素II刺激后的心肌成纤维细胞和心脏组织中显著升高，而抑制CircRNA_010567通过对miR-29b-3P的海绵作用阻止了这种变化。Zhu等人发现circNFIB在体内和体外的心肌纤维化中下调，上调circNFIB a通过对miR-433的海绵作用改善了心脏纤维化。
2.6 糖尿病心肌病
糖尿病患者发生糖尿病心肌病的风险显著增加。CircRNA_000203在糖尿病小鼠心肌和血管紧张素诱导的小鼠心脏成纤维化细胞中上调，其包含有两个可以结合miR-26p-5p的位点，而miR-26p-5p可以结合Colla2 和CTGF发挥抗纤维化作用。CircRNA_000203的过表达减轻了miR-26p-5p的抗纤维化作用。抑制心脏成纤维细胞中的miR-26p-5p可以产生和过表达CircRNA_000203一样的心脏保护效应。因此，CircRNA_000203可以通过circRNA_000203-mirRNA-26p-5p-Colla2 /CTGF轴发挥抗心脏纤维化的作用。Yang等人发现circ_0076631在高糖处理的心肌细胞和糖尿病患者血清中均升高，其可以通过海绵作用与内源性miR-214 -3p/caspase-1结合来sequester 和抑制它的表达。
2.7 主动脉瘤
主动脉瘤，指主动脉的病理性扩张，其机制复杂，死亡风险较高。研究表明，has-circ-000595与主动脉平滑肌的凋亡有关，导致了主动脉瘤的发生。低氧条件下，has-circ-000595在主动脉平滑肌细胞中的表达上调，敲除has-circ-000595则减少了主动脉平滑肌细胞的凋亡。Has-circ-000595是mir-19a的海绵体，has-circ-000595的减少可以升高mir-19a的表达，减少平滑肌细胞凋亡。
2.8 缺血性心脏病
缺血性心脏病表现为冠脉狭窄引起冠脉血流和心肌氧供不平衡，以及缺血区域心肌细胞凋亡、坏死和纤维化。研究发现circRNA与缺血性心脏病中的心肌细胞再生和血管再生相关，circ-ncx1通过circ-ncx1-miR-133a-3p-CDIP1轴促进了心肌细胞凋亡。Zhou等人发现circRNA ACR通过调控Pink1/FAM65B通路抑制自噬改善了心肌缺血再灌注损伤。
总结
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