卓 云,雷 遷,黃曉波

心肌缺血再灌注損傷(myocardial ischemia-reperfusion injury,IRI)與嚴(yán)重的臨床表現(xiàn)有關(guān),主要包括心肌冬眠、急性心力衰竭、腦功能障礙、胃腸道功能障礙、全身炎癥反應(yīng)綜合征和多器官功能障礙綜合征.目前認(rèn)為心肌IRI的機(jī)制是在缺血缺氧狀態(tài)下誘導(dǎo)厭氧代謝,導(dǎo)致ATP產(chǎn)生降低和離子交換通道失效。離子交換通道的失效進(jìn)一步導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)中的酶活性受損和細(xì)胞腫脹,再灌注狀態(tài)下的線粒體損傷和電解質(zhì)失衡促進(jìn)氧化應(yīng)激導(dǎo)致細(xì)胞損傷及細(xì)胞死亡[1～4]。在心肌IRI的發(fā)病機(jī)制中缺氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia inducible factor-1,HIF-1α)HIF-1α/miR-210能夠在抗氧化應(yīng)激,促進(jìn)血管生成,改善線粒體功能方面發(fā)揮著重要作用,因此,深入探索HIF-1α/miR-210信號(hào)通路的作用機(jī)制,可以為IRI提供新的治療策略和理論依據(jù)。

1 HIF-1α與缺血再灌注損傷的關(guān)系

1.1 HIF-1α的分子結(jié)構(gòu)HIF是一種異二聚體轉(zhuǎn)錄因子,具有能促使需氧生物適應(yīng)缺氧的作用。研究表明,HIF由兩個(gè)亞基構(gòu)成,由氧敏感的HIF-α亞基和氧不依賴性的HIF-β亞基組成,后者也被稱為芳烴受體核易位器, 更明確地說(shuō),氧含量的水平可以影響HIF-α亞基的蛋白質(zhì)穩(wěn)定性,而HIF-β亞基在細(xì)胞核中組成型表達(dá),其活性不受缺氧的影響。目前哺乳動(dòng)物中的HIF-α蛋白主要分為三種,分別為HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α。其中HIF-1α是于1991年在研究促紅細(xì)胞生成素中最初確定的氧感應(yīng)途徑中的關(guān)鍵因子,在氧穩(wěn)態(tài)中具有高度特異性的調(diào)節(jié)作用。細(xì)胞內(nèi)氧濃度可以調(diào)節(jié)HIF-1α的蛋白質(zhì)穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)錄活性。氧傳感脯氨酰羥化酶結(jié)構(gòu)域酶(PHD)可控制其蛋白質(zhì)穩(wěn)定性,而天冬酰胺基羥化酶(FIH)可調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)錄活性。在常氧條件下,HIF-1α不斷合成,羥基化和降級(jí),HIF-1α在常氧的半衰期<5分鐘,PHD可將 HIF-α 亞基在特定脯氨酰殘基上羥基化。羥基化的HIF-α亞基被von-Hippel Lindau(VHL)腫瘤抑制因子E3連接酶識(shí)別,通過(guò)泛素-蛋白酶體途徑降解[5], 此外,因子抑制HIF(FIH)羥基化的HIF-1α,導(dǎo)致其轉(zhuǎn)錄活性降低。在缺氧條件下,PHD和FIH因缺乏底氧化氧而導(dǎo)致活性降低不能羥基化HIF-1α,因此HIF-1α能夠避免泛素-蛋白酶體途徑降解并且能夠轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中,在那里與芳烴受體核易位器(HIF-β)結(jié)合形成異二聚體復(fù)合物存在[6,7]。

1.2 HIF-1α與IRI

HIF-1α可以保護(hù)心肌細(xì)胞免于凋亡,許多研究也證實(shí)HIF-1α可預(yù)防心肌IRI并具有心臟保護(hù)作用[8]。

1.2.1改善線粒體的功能 線粒體是有氧呼吸的主要部位,也是缺血性損傷的主要靶點(diǎn)。線粒體功能障礙在心肌IRI中扮演著重要的作用。在IRI時(shí),一方面缺氧會(huì)破壞線粒體電子傳遞鏈,導(dǎo)致活性氧(ROS)增加,另一方面,缺氧會(huì)導(dǎo)致線粒體中的鈣離子的濃度增加,出現(xiàn)鈣過(guò)載[9],鈣過(guò)載和氧化應(yīng)激可能導(dǎo)致線粒體功能障礙,進(jìn)而誘發(fā)心肌細(xì)胞凋亡或壞死。在IRI期間,一方面,心肌細(xì)胞內(nèi)氧含量的降低可以抑制PHD和IFH來(lái)促進(jìn)HIF-1α的增加,另一方面,HIF-1α能調(diào)節(jié)線粒體特異性基因的表達(dá)水平,改善線粒體在IRI期間的功能。HIF-1α-frataxin信號(hào)可調(diào)節(jié)共濟(jì)蛋白的水平以達(dá)到減輕線粒體鐵過(guò)載和隨后的ROS產(chǎn)生,從而保護(hù)線粒體的功能和改善心肌細(xì)胞的活性,對(duì)IRI期間的心臟起保護(hù)作用。此外,在缺氧條件下,HIF-1α通過(guò)驅(qū)動(dòng)BCL2 /腺病毒E1B 19 kDa蛋白相互作用蛋白3線粒體自噬從而促進(jìn)IRI后心肌細(xì)胞的存活,但是這只在心肌IRI的早期能夠起到保護(hù)作用,長(zhǎng)時(shí)間的缺血會(huì)導(dǎo)致心肌細(xì)胞的死亡[10]。目前也有研究表明,通過(guò)打開(kāi)線粒體ATP敏感鉀通道激活HIF-1 / HRE通路來(lái)改善缺血再灌注損傷損傷[11]。

1.2.2改善氧化應(yīng)激 ROS通常被認(rèn)為是有氧代謝的有毒副產(chǎn)物,ROS的產(chǎn)生在缺血期間開(kāi)始,并且在再灌注過(guò)程中產(chǎn)生大量的ROS。ROS大量積累是IRI的重要原因之一[12,13]。減輕氧化應(yīng)激或減少ROS的積累能夠減少心肌細(xì)胞的死亡以達(dá)到改善心肌IRI的作用。在缺氧條件下,HIF-1α能夠調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞中ROS的產(chǎn)生以達(dá)到對(duì)在IRI期間對(duì)心肌細(xì)胞的保護(hù)作用。HIF-1α也可以調(diào)節(jié)Nrf2,然后通過(guò)增強(qiáng)內(nèi)在ROS清除率來(lái)激活抗氧化酶增強(qiáng)心肌細(xì)胞抗氧化能力以保護(hù)心肌細(xì)胞。HIF-1α還可以通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞中抗氧化劑谷胱甘肽水平,從而保護(hù)這些細(xì)胞免受ROS介導(dǎo)的細(xì)胞死亡。目前許多研究都認(rèn)為HIF-1α對(duì)維持細(xì)胞氧化還原平衡的有著積極的作用[14],但是也有研究認(rèn)為在缺血再灌注損傷期間通過(guò)多元醇途徑增加了胞質(zhì)NADH / NAD+比率,從而激活HIF-1α并加劇了增加脂質(zhì)過(guò)氧化的氧化損傷[15]。

1.2.3促進(jìn)血管生成及改善血管張力 缺血缺氧條件下, HIF-1α 表達(dá)上調(diào),可激動(dòng)靶基因 VEGF 的轉(zhuǎn)錄調(diào)控,HIF-1α 可通過(guò)上調(diào)VEGF表達(dá)促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞增殖和遷移以達(dá)到增加血管生成可以有效改善病變中的缺氧,從而保護(hù)心臟。HIF-1α也可以通過(guò)抑制NF-κB通路并誘導(dǎo)血紅素加氧酶-1,從而減弱促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生,抑制組織炎癥并降低缺血再灌注損傷的程度[16]。

2 miR-210與心肌IRI的關(guān)系

2.1 miR-210分子特性MicroRNA是一種單鏈非編碼RNA,長(zhǎng)度從 20-24個(gè)核苷酸不et al,在所有物種中普遍表達(dá)。第一個(gè)miRNA于1993年在秀麗隱桿線蟲(chóng)中發(fā)現(xiàn)。MiRNA通過(guò)充當(dāng)信使RNA(mRNA)基因表達(dá)中發(fā)揮重要作用,通過(guò)與其結(jié)合使其靶mRNA的偽互補(bǔ)序列不穩(wěn)定從而抑制其翻譯。這種機(jī)制在細(xì)胞代謝、分裂、凋亡和自噬方面有著重要作用。miR-210是miRNA的一種,miR-210的缺氧調(diào)控于2007年首次通過(guò)miRNA微陣列芯片鑒定,miR-210是低氧條件下反應(yīng)變化最為顯著的 miRNA 之一[17],在心肌的缺血再灌注損傷中發(fā)揮著重要作用。

2.2 miR-210與心肌IRImiR-210是所有已發(fā)表的研究中唯一在正常和轉(zhuǎn)化缺氧細(xì)胞中持續(xù)上調(diào)的miRNA。也被普遍認(rèn)為是一個(gè)強(qiáng)大的HIF-1α靶標(biāo)[18],在心肌IRI中發(fā)揮著抗細(xì)胞凋亡,促進(jìn)血管生成以及脫氧核糖核酸的修復(fù)中發(fā)揮著重要作用。

2.3 抗凋亡作用miR-210通過(guò)下調(diào)其靶目標(biāo)蛋白酪氨酸磷酸酶-1B(PTP1b),PTP1b是半胱天冬酶-8和半胱天冬酶-3的激活劑,從而抑制心肌細(xì)胞凋亡[19,20]。miR-210在心肌細(xì)胞中的過(guò)表達(dá)抑制了ROS的產(chǎn)生,從而抑制了氧化應(yīng)激導(dǎo)致的細(xì)胞凋亡。miR-210還可以通過(guò)調(diào)節(jié)Bcl-2腺病毒E1B 19kDa相互作用蛋白3減輕氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡。目前主流的觀點(diǎn)認(rèn)為miR-210在心肌IRI起到積極作用,但也有研究認(rèn)為miR-210在心肌IRI中有相反的作用,當(dāng)miR-210被抑制時(shí),缺氧誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞損傷得到有利緩解[21],因此miR-210在抗凋亡方面的機(jī)制需進(jìn)一步明確。

2.4 促進(jìn)血管生成與脫氧核糖核酸的修復(fù)miR-210通過(guò)靶向受體酪氨酸激酶配體Ephrin-A3(EFNA3),增強(qiáng)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的分化,在缺氧下進(jìn)入毛細(xì)血管樣結(jié)構(gòu),并使VEGF促進(jìn)血管生成,研究者通過(guò)將迷你圓圈載體注射到梗死小鼠的心臟中的動(dòng)物研究表明miR-210能夠促進(jìn)心肌細(xì)胞存活和新生血管的形成有著重要的作用[22],這表明在miR-210在有可能通過(guò)促進(jìn)血管生成在心肌的IRI中發(fā)揮重要的作用。缺氧條件下,MiR-210能夠抑制同源重組修復(fù)的關(guān)鍵基因RAD52的蛋白質(zhì)翻譯,但不抑制基因轉(zhuǎn)錄,這為缺氧下調(diào)細(xì)胞DNA損傷修復(fù)機(jī)制提供了一種新的機(jī)制,但目前這種機(jī)制尚不明確[18]。最近的一項(xiàng)研究表明,缺血性預(yù)處理提供的細(xì)胞保護(hù)可能是由miR-210的誘導(dǎo)介導(dǎo)的,miR-210通過(guò)阻斷半胱天冬酶-8相關(guān)蛋白-2來(lái)促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞存活以達(dá)到保護(hù)細(xì)胞的作用[23]。

3 HIF-1α/miR-210在心肌IRI發(fā)揮的作用

HIF-1αmiR-210與關(guān)系密切,雖然miR-210似乎是HIF-1α特異性調(diào)節(jié)的目標(biāo),但也有報(bào)道m(xù)iR-210受到HIF-2α依賴性調(diào)節(jié)。miR-210能由HIF-1α所調(diào)控, HIF-1α在接近 miR-210 啟動(dòng)子處直接與轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游大約 400 bp 的乏氧反應(yīng)元件結(jié)合,從而促進(jìn)miR-210的表達(dá)[24],目前有研究認(rèn)為HIF-1α/ miR-210信號(hào)通路與甘油-3-磷酸脫氫酶1(GPD1L)有關(guān),在缺氧條件下,HIF-1α誘導(dǎo)miR-210會(huì)導(dǎo)致GPD1L蛋白表達(dá)降低,進(jìn)而導(dǎo)致HIF-1α穩(wěn)定性增加。在正常生理?xiàng)l件下,GPD1L的作用是PHD的活性,從而確保HIF-1α脯氨酸羥基化,導(dǎo)致HIF-1α被泛素-蛋白酶體降解。由于 miR-210 靶向 GPD1L mRNA 3′ UTR,通過(guò)miR-210 靶向 GPD1L mRNA 3′ UTR 導(dǎo)致 GPD1L 蛋白表達(dá)降低,導(dǎo)致缺氧期間HIF-1α積累增加。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),在常氧條件下,當(dāng)HIF-1α蛋白表達(dá)低時(shí),miR-210的水平也較低,因此GPD1L表達(dá)上調(diào)。在缺氧時(shí),HIF-1α蛋白和轉(zhuǎn)錄活性增加,導(dǎo)致miR-210的積累,GPD1L的表達(dá)下調(diào),PHD失活,導(dǎo)致HIF-1α蛋白增加。該機(jī)制包括一個(gè)正反饋回路[25-28],表明miR-210也能夠誘導(dǎo)并維持HIF-1α蛋白水平。在體內(nèi),miR-210水平與缺氧的基因表達(dá)特征相關(guān),稱為缺氧亞基因[29]。miR-210的表達(dá)似乎是體內(nèi)HIF-1α活性的準(zhǔn)確讀數(shù)[30]。目前主流觀點(diǎn)認(rèn)為HIF-1α及miR-210在心肌IRI中發(fā)揮著積極的作用。在缺血缺氧條件下,一方面HIF-1α能夠通過(guò)自身的大量表達(dá),達(dá)到在心肌IRI中改善線粒體功能,降低細(xì)胞氧化應(yīng)激,促進(jìn)血管生成以保護(hù)心肌細(xì)胞的作用,另一方面,通過(guò)調(diào)控miR-210的產(chǎn)生,miR-210也能夠在心肌IRI中發(fā)揮到促進(jìn)細(xì)胞分裂分化,抗細(xì)胞凋亡及促進(jìn)血管生成的保護(hù)心肌細(xì)胞的作用。但HIF-1α及miR-210各自的機(jī)制尚不能確證,因此需要進(jìn)一步研究HIF-1α/miR-210在心肌IRI中發(fā)揮的作用。

4 展望

在生物醫(yī)學(xué)研究快速發(fā)展的今天,心肌IRI的機(jī)制得到了廣泛的研究。目前已證實(shí)心肌IRI有多種因素介導(dǎo)。在眾多參與IRI 的保護(hù)因子中[31]。HIF-1α及miR-210在IRI 中都扮演著積極的作用[23,32],且miR-210能夠受到HIF-1α的調(diào)控,我們有理由相信HIF-1α/miR-210信號(hào)通路在IRI 中發(fā)揮著重要的作用,但目前的研究尚不能完全明確其機(jī)制。因此,進(jìn)一步研究HIF-1α/miR-210在IRI 中的病理生理學(xué)中的作用及其潛在機(jī)制至關(guān)重要。