GSK-3α通过调控miRNA网络介导缺氧心肌细胞转录与代谢重编程的作用机制研究

本刊推荐：为解决缺血性心脏病中GSK-3α调控机制不明的问题，研究人员开展了GSK-3α过表达对缺氧条件下人心肌细胞miRNA表达谱影响的研究。通过miRNA测序分析发现GSK-3α通过调控hsa-miR-3934-5p、hsa-miR-139-5p等184个差异表达miRNA，影响MAPK、PI3K-Akt等信号通路及代谢过程，揭示了其在缺血性心肌损伤中的新机制，为心脏疾病治疗提供了新靶点。

　　

心脏缺血性疾病是全球致死的主要原因之一，其中心肌梗死和心力衰竭等病理过程与缺氧导致的细胞代谢紊乱、氧化应激和炎症反应密切相关。尽管已知糖原合酶激酶-3α（GSK-3α）在心脏疾病中调控细胞增殖、凋亡和代谢等过程，但其在缺氧条件下对心肌细胞中微小RNA（miRNA）网络的调控作用仍属未知。miRNA作为一类约20-22核苷酸的非编码RNA，通过转录后调控基因表达，在心脏发育、功能维持及疾病发生中扮演关键角色。例如，miR-1和miR-133调控葡萄糖代谢和线粒体功能，而miR-21通过PI3K-Akt通路促进细胞存活。然而，缺氧如何通过GSK-3α影响miRNA表达谱，进而调节心脏代谢和信号通路，尚待深入探索。

为回答这一问题，研究人员在《Biochemical Journal》上发表了题为“GSK-3α regulates miRNAs associated with transcriptional and metabolic processes in human cardiomyocytes under hypoxia”的研究。该研究通过在人AC16心肌细胞中过表达GSK-3α并施加缺氧处理，利用miRNA测序、生物信息学分析和实验验证，系统揭示了GSK-3α调控的miRNA网络及其在心脏缺血应激中的功能机制。

研究主要采用了以下关键技术方法：通过质粒转染在AC16人心肌细胞中过表达GSK-3α；使用Whitley H45缺氧舱模拟缺氧条件（1% O₂）；通过Western blot验证蛋白表达；利用miRNA测序和qRT-PCR分析差异表达miRNA；采用GO和KEGG通路富集分析靶基因功能；整合CVD Atlas和HMDD数据库分析miRNA-疾病关联；运用ChEA3和PROGENy平台预测上游转录因子和通路活性。

研究结果部分包括以下发现：

GSK-3α regulates unique miRNAs in cardiomyocytes

通过miRNA测序和热图聚类分析，研究发现GSK-3α过表达显著改变了缺氧条件下心肌细胞的miRNA表达谱。与对照组相比，缺氧导致184个差异表达miRNA（DEM），其中84个上调和100个下调，而常氧条件下变化较小。维恩图分析显示，缺氧特异性地调控了12个独特miRNA，表明GSK-3α在缺氧应激中优先调节miRNA网络。

GSK-3α differentially regulates miRNAs in cardiomyocytes under hypoxia

火山图分析进一步鉴定出关键miRNA：hsa-miR-3934-5p、hsa-miR-139-5p和hsa-miR-185-5p为最显著上调miRNA，而hsa-miR-193b-3p、hsa-miR-181a-2-3p和hsa-miR-369-3p为最显著下调。这些miRNA与细胞凋亡、炎症和代谢过程相关，例如miR-139-5p促进凋亡并抑制自噬，miR-185-5p促进心脏纤维化。

GSK-3α regulates miRNAs affecting genes associated with transcription and cellular metabolic processes

GO富集分析显示，GSK-3α过表达细胞的靶基因显著富集于转录调控（如GO:0006351）、细胞蛋白修饰过程、芳香化合物代谢和核苷酸结合等生物学过程，表明miRNA失调广泛影响基因表达和代谢重编程。

GSK-3α regulates pathways required for cell survival and metabolic adaptation in hypoxia

KEGG通路分析揭示，代谢通路、PI3K-Akt信号、MAPK信号、cAMP信号和细胞因子-受体相互作用通路在缺氧条件下高度富集。例如，代谢通路相关基因从常氧的197个增至缺氧的1222个，PI3K-Akt通路基因从60增至339个，凸显GSK-3α在调节细胞生存和炎症响应中的核心作用。

Integrated analysis of CVD Atlas and HMDD

整合分析表明，差异miRNA（如hsa-mir-21、hsa-mir-1和hsa-mir-199a）与多种心血管疾病（如心肌梗死、心力衰竭）显著相关，其中hsa-mir-21在76项研究中被关联，提示这些miRNA作为疾病生物标志物或治疗靶点的潜力。

Prediction of upstream transcriptional regulators of miRNAs

上游转录因子预测显示，HIF1A、BHLHE40和ATF3作为缺氧响应主调控因子，而TP53、ESR1和RUNX1参与GSK-3α介导的信号。PROGENy分析表明TNFα/NF-κB信号显著激活，支持炎症反应在缺氧应激中的主导地位。

Validation of top differentially expressed miRNAs

qRT-PCR验证证实了关键miRNA（如hsa-miR-3934-5p上调和hsa-miR-193b-3p下调）的表达变化，与测序结果一致，确保了发现的可靠性。

研究结论和讨论部分强调，GSK-3α过表达通过调控miRNA网络（如上调促凋亡miR-139-5p和促纤维化miR-185-5p，下调抗炎miR-193b-3p和miR-369-3p），显著影响缺氧心肌细胞的转录过程、代谢重编程、炎症信号和细胞死亡途径。这些发现揭示了GSK-3α在缺血性心脏损伤中的新机制，为其作为治疗靶点提供了理论依据。此外，研究提出的miRNA-疾病关联为心血管疾病的诊断和干预策略开发指明了方向。未来研究需深入探索GSK-3α调控miRNA生物合成的具体分子机制，例如通过磷酸化Drosha或Dicer等酶类，以及其在临床样本中的验证。