БИОХИМИЯ, 2019, том 84, вып. 3, с. 392–403

УДК 576.32/.36

Внеклеточные микроРНК и митохондриальная ДНК как потенциальные биомаркеры аритмогенной кардиомиопатии

© 2019 А.А. Худяков 1*, Н.А. Смолина 1, К.И. Перепелина 1,2, А.Б. Малашичева 1,2, А.А. Костарева 1

1 Национальный медицинский исследовательский центр им. В.А. Алмазова Минздрава России, 197341 Санкт-Петербург, Россия; электронная почта: khudyakov_aa@almazovcentre.ru

2 Санкт-Петербургский государственный университет, 199034 Санкт-Петербург, Россия

Поступила в редакцию 16.10.2018
После доработки 03.12.2018
Принята к публикации 03.12.2018

DOI: 10.1134/S0320972519030096

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: аритмогенная кардиомиопатия, кардиомиоциты, микроРНК, митохондриальная ДНК, индуцированные плюрипотентные стволовые клетки.

Аннотация

Дифференциальная диагностика аритмогенной кардиомиопатии во время скрытой фазы заболевания — сложная клиническая задача. В связи с этим актуален поиск биомаркеров аритмогенной кардиомиопатии. Известно, что внеклеточные нуклеиновые кислоты благодаря стабильности, специфичности и простоте выявления могут служить надежными биомаркерами различных заболеваний. В настоящем исследовании были определены уровни внеклеточных микроРНК и митохондриальной ДНК в кондиционированной среде, собранной с кардиомиоцитов. Кардиомиоциты были получены путем направленной дифференцировки из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток пациента с аритмогенной кардиомиопатией и здорового донора. Были выявлены микроРНК, уровень которых в анализируемых образцах значимо различался, что позволяет рассматривать их в качестве потенциальных биомаркеров аритмогенной кардиомиопатии.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (№ 18-315-00177\18 мол_а).

Благодарности

Авторы выражают благодарность Антону Федорову и Кириллу Кондратову за ценные рекомендации по планированию и постановке экспериментов с микроРНК.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Все процедуры, выполненные в исследовании с участием людей, соответствуют этическим стандартам институционального и/или национального комитета по исследовательской этике и Хельсинкской декларации 1964 года и ее последующим изменениям или сопоставимым нормам этики. От каждого из включенных в исследование участников было получено информированное добровольное согласие.

Список литературы

1. Thiene, G., Nava, A., Corrado, D., Rossi, L., and Pennelli, N. (1988) Right ventricular cardiomyopathy and sudden death in young people, N. Engl. J. Med., 318, 129–133, doi: 10.1056/NEJM198801213180301.

2. Lazzarini, E., Jongbloed, J.D.H., Pilichou, K., Thiene, G., Basso, C., Bikker, H., Charbon, B., Swertz, M., van Tintelen, J.P., and van der Zwaag, P.A. (2015) The ARVD/C genetic variants database: 2014 update, Hum. Mutat., 36, 403–410, doi: 10.1002/humu.22765.

3. Corrado, D., Basso, C., and Thiene, G. (2009) Arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy: an update, Heart, 95, 766–773, doi: 10.1136/hrt.2008.149823.

4. Bartel, D.P. (2004) MicroRNAs: genomics, biogenesis, mechanism, and function, Cell, 116, 281–297, doi: 10.1016/S0092-8674(04)00045-5.

5. He, L., and Hannon, G.J. (2004) MicroRNAs: small RNAs with a big role in gene regulation, Nat. Rev. Genet., 5, 522–531, doi: 10.1038/nrg1379.

6. Sohel, M.H. (2016) Extracellular/circulating microRNAs: release mechanisms, functions and challenges, Achiev. Life Sci., 10, 175–186, doi: 10.1016/j.als.2016.11.007.

7. Arroyo, J.D., Chevillet, J.R., Kroh, E.M., Ruf, I.K., Pritchard, C.C., Gibson, D.F., Mitchell, P.S., Bennett, C.F., Pogosova-Agadjanyan, E.L., Stirewalt, D.L., Tait, J.F., and Tewari, M. (2011) Argonaute 2 complexes carry a population of circulating microRNAs independent of vesicles in human plasma, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 108, 5003–5008, doi: 10.1073/pnas.1019055108.

8. Turchinovich, A., Weiz, L., Langheinz, A., and Burwinkel, B. (2011) Characterization of extracellular circulating microRNA, Nucleic Acids Res., 39, 7223–7233, doi: 10.1093/nar/gkr254.

9. Vickers, K.C., Palmisano, B.T., Shoucri, B.M., Shamburek, R.D., and Remaley, A.T. (2011) MicroRNAs are transported in plasma and delivered to recipient cells by high-density lipoproteins, Nat. Cell Biol., 13, 423–433, doi: 10.1038/ncb2210.

10. Wagner, J., Riwanto, M., Besler, C., Knau, A., Fichtlscherer, S., Roxe, T., Zeiher, A.M., Landmesser, U., and Dimmeler, S. (2013) Characterization of levels and cellular transfer of circulating lipoprotein-bound microRNAs, Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol., 33, 1392–1400, doi: 10.1161/ATVBAHA.112.300741.

11. Sommariva, E., D’Alessandra, Y., Farina, F. M., Casella, M., Cattaneo, F., Catto, V., Chiesa, M., Stadiotti, I., Brambilla, S., Dello Russo, A., Carbucicchio, C., Vettor, G., Riggio, D., Sandri, M.T., Barbuti, A., Vernillo, G., Muratori, M., Dal Ferro, M., Sinagra, G., Moimas, S., Giacca, M., Colombo, G.I., Pompilio, G., and Tondo, C. (2017) MiR-320a as a potential novel circulating biomarker of arrhythmogenic cardiomyopathy, Sci. Rep., 7, 4802, doi: 10.1038/s41598-017-05001-z.

12. Zhang, H., Liu, S., Dong, T., Yang, J., Xie, Y., Wu, Y., Kang, K., Hu, S., Gou, D., and Wei, Y. (2016) Profiling of differentially expressed microRNAs in arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy, Sci. Rep., 6, 28101, doi: 10.1038/srep28101.

13. Sun, J.-Y., Huang, Y., Li, J.-P., Zhang, X., Wang, L., Meng, Y.-L., Yan, B., Bian, Y.-Q., Zhao, J., Wang, W.-Z., Yang, A.-G., and Zhang, R. (2012) MicroRNA-320a suppresses human colon cancer cell proliferation by directly targeting beta-catenin, Biochem. Biophys. Res. Commun., 420, 787–792, doi: 10.1016/j.bbrc.2012.03.075.

14. Huang, K., Zhang, J.-X., Han, L., You, Y.-P., Jiang, T., Pu, P.-Y., and Kang, C.-S. (2010) MicroRNA roles in beta-catenin pathway, Mol. Cancer, 9, 252, doi: 10.1186/1476-4598-9-252.

15. Hashimi, S.T., Fulcher, J.A., Chang, M.H., Gov, L., Wang, S., and Lee, B. (2009) MicroRNA profiling identifies miR-34a and miR-21 and their target genes JAG1 and WNT1 in the coordinate regulation of dendritic cell differentiation, Blood, 114, 404–414, doi: 10.1182/blood-2008-09-179150.

16. Lin, C.-W., Chang, Y.-L., Chang, Y.-C., Lin, J.-C., Chen, C.-C., Pan, S.-H., Wu, C.-T., Chen, H.-Y., Yang, S.-C., Hong, T.-M., and Yang, P.-C. (2013) MicroRNA-135b promotes lung cancer metastasis by regulating multiple targets in the Hippo pathway and LZTS1, Nat. Commun., 4, 1877, doi: 10.1038/ncomms2876.

17. Yamada, S., Hsiao, Y.-W., Chang, S.-L., Lin, Y.-J., Lo, L.-W., Chung, F.-P., Chiang, S.-J., Hu, Y.-F., Tuan, T.-C., Chao, T.-F., Liao, J.-N., Lin, C.-Y., Chang, Y.-T., Te, A.L.D., Tsai, Y.-N., and Chen, S.-A. (2018) Circulating microRNAs in arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy with ventricular arrhythmia, Europace, 20, f37–f45, doi: 10.1093/europace/eux289.

18. Sagan, L. (1967) On the origin of mitosing cells, J. Theor. Biol., 14, 255–274, doi: 10.1016/0022-5193(67)90079-3.

19. Gray, M.W., Burger, G., and Lang, B.F. (2001) The origin and early evolution of mitochondria, Genome Biol., 2. doi: 10.1186/gb-2001-2-6-reviews1018.

20. Zhang, Q., Raoof, M., Chen, Y., Sumi, Y., Sursal, T., Junger, W., Brohi, K., Itagaki, K., and Hauser, C.J. (2010) Circulating mitochondrial DAMPs cause inflammatory responses to injury, Nature, 464, 104–107, doi: 10.1038/nature08780.

21. Chiu, R.W., Chan, L.Y., Lam, N.Y., Tsui, N.B., Ng, E.K., Rainer, T.H., and Lo, Y.M. (2003) Quantitative analysis of circulating mitochondrial DNA in plasma, Clin. Chem., 49, 719–726, doi: 10.1373/49.5.719.

22. Bliksoen, M., Mariero, L.H., Ohm, I.K., Haugen, F., Yndestad, A., Solheim, S., Seljeflot, I., Ranheim, T., Andersen, G.O., Aukrust, P., Valen, G., and Vinge, L.E. (2012) Increased circulating mitochondrial DNA after myocardial infarction, Int. J. Cardiol., 158, 132–134, doi: 10.1016/j.ijcard.2012.04.047.

23. Sudakov, N.P., Apartsin, K.A., Lepekhova, S.A., Nikiforov, S.B., Katyshev, A.I., Lifshits, G.I., Vybivantseva, A.V, and Konstantinov, Y.M. (2017) The level of free circulating mitochondrial DNA in blood as predictor of death in case of acute coronary syndrome, Eur. J. Med. Res., 22, 1, doi: 10.1186/s40001-016-0241-x.

24. Oka, T., Hikoso, S., Yamaguchi, O., Taneike, M., Takeda, T., Tamai, T., Oyabu, J., Murakawa, T., Nakayama, H., Nishida, K., Akira, S., Yamamoto, A., Komuro, I., and Otsu, K. (2012) Mitochondrial DNA that escapes from autophagy causes inflammation and heart failure, Nature, 485, 251–255, doi: 10.1038/nature10992.

25. Ye, W., Tang, X., Yang, Z., Liu, C., Zhang, X., Jin, J., and Lyu, J. (2017) Plasma-derived exosomes contribute to inflammation via the TLR9-NF-kappaB pathway in chronic heart failure patients, Mol. Immunol., 87, 114–121, doi: 10.1016/j.molimm.2017.03.011.

26. Худяков А.А., Костина Д.А., Костарева А.А., Томилин А.Н., Малашичева А.Б. (2015). Влияние мутаций в гене плакофиллина-2 на активность канонического сигнального пути Wnt, Цитология, 57, 868–875.

27. Khudiakov, A., Kostina, D., Zlotina, A., Yany, N., Sergushichev, A., Pervunina, T., Tomilin, A., Kostareva, A., and Malashicheva, A. (2017) Generation of iPSC line from patient with arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy carrying mutations in PKP2 gene, Stem Cell Res., 24, 85–88, doi: 10.1016/j.scr.2017.08.014.

28. Burridge, P.W., Matsa, E., Shukla, P., Lin, Z.C., Churko, J.M., Ebert, A.D., Lan, F., Diecke, S., Huber, B., Mordwinkin, N.M., Plews, J.R., Abilez, O.J., Cui, B., Gold, J.D., and Wu, J.C. (2014) Chemically defined generation of human cardiomyocytes, Nat. Methods, 11, 855–860, doi: 10.1038/nmeth.2999.

29. Rothfuss, O., Gasser, T., and Patenge, N. (2010) Analysis of differential DNA damage in the mitochondrial genome employing a semi-long run real-time PCR approach, Nucleic Acids Res., 38, e24, doi: 10.1093/nar/gkp1082.

30. Chen, X., Ba, Y., Ma, L., Cai, X., Yin, Y., Wang, K., Guo, J., Zhang, Y., Chen, J., Guo, X., Li, Q., Li, X., Wang, W., Zhang, Y., Wang, J., Jiang, X., Xiang, Y., Xu, C., Zheng, P., Zhang, J., Li, R., Zhang, H., Shang, X., Gong, T., Ning, G., Wang, J., Zen, K., Zhang, J., and Zhang, C.-Y. (2008) Characterization of microRNAs in serum: a novel class of biomarkers for diagnosis of cancer and other diseases, Cell Res., 18, 997–1006. doi: 10.1038/cr.2008.282.

31. Gupta, S.K., Bang, C., and Thum, T. (2010) Circulating microRNAs as biomarkers and potential paracrine mediators of cardiovascular disease, Circ. Cardiovasc. Genet., 3, 484–488, doi: 10.1161/CIRCGENETICS.110.958363.

32. Wang, K., Zhang, S., Marzolf, B., Troisch, P., Brightman, A., Hu, Z., Hood, L.E., and Galas, D.J. (2009) Circulating microRNAs, potential biomarkers for drug-induced liver injury, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 106, 4402–4407, doi: 10.1073/pnas.0813371106.

33. Casini, S., Verkerk, A.O., and Remme, C.A. (2017) Human iPSC-derived cardiomyocytes for investigation of disease mechanisms and therapeutic strategies in inherited arrhythmia syndromes: strengths and limitations, Cardiovasc. Drugs Ther., 31, 325–344, doi: 10.1007/s10557-017-6735-0.

34. Fu, J.-D., Rushing, S.N., Lieu, D.K., Chan, C.W., Kong, C.-W., Geng, L., Wilson, K.D., Chiamvimonvat, N., Boheler, K.R., Wu, J.C., Keller, G., Hajjar, R.J., and Li, R.A. (2011) Distinct roles of microRNA-1 and -499 in ventricular specification and functional maturation of human embryonic stem cell-derived cardiomyocytes, PLoS One, 6, e27417, doi: 10.1371/journal.pone.0027417.

35. Dubash, A.D., Kam, C.Y., Aguado, B.A., Patel, D.M., Delmar, M., Shea, L.D., and Green, K.J. (2016) Plakophilin-2 loss promotes TGF-β1/p38 MAPK-dependent fibrotic gene expression in cardiomyocytes, J. Cell Biol., 212, 425–438, doi: 10.1083/jcb.201507018.

36. Chen, S.N., Gurha, P., Lombardi, R., Ruggiero, A., Willerson, J.T., and Marian, A.J. (2014) The Hippo pathway is activated and is a causal mechanism for adipogenesis in arrhythmogenic cardiomyopathy, Circ. Res., 114, 454–468, doi: 10.1161/CIRCRESAHA.114.302810.

37. Kim, C., Wong, J., Wen, J., Wang, S., Wang, C., Spiering, S., Kan, N.G., Forcales, S., Puri, P.L., Leone, T.C., Marine, J.E., Calkins, H., Kelly, D.P., Judge, D.P., and Chen, H.-S.V. (2013) Studying arrhythmogenic right ventricular dysplasia with patient-specific iPSCs, Nature, 494, 105–110, doi: 10.1038/nature11799.

38. Sommariva, E., Brambilla, S., Carbucicchio, C., Gambini, E., Meraviglia, V., Dello Russo, A., Farina, F.M., Casella, M., Catto, V., Pontone, G., Chiesa, M., Stadiotti, I., Cogliati, E., Paolin, A., Ouali Alami, N., Preziuso, C., D’Amati, G., Colombo, G.I., Rossini, A., Capogrossi, M.C., Tondo, C., and Pompilio, G. (2016) Cardiac mesenchymal stromal cells are a source of adipocytes in arrhythmogenic cardiomyopathy, Eur. Heart J., 37, 1835–1846, doi: 10.1093/eurheartj/ehv579.

39. Kuwabara, Y., Ono, K., Horie, T., Nishi, H., Nagao, K., Kinoshita, M., Watanabe, S., Baba, O., Kojima, Y., Shizuta, S., Imai, M., Tamura, T., Kita, T., and Kimura, T. (2011) Increased microRNA-1 and microRNA-133a levels in serum of patients with cardiovascular disease indicate myocardial damage, Circ. Cardiovasc. Genet., 4, 446–454, doi: 10.1161/CIRCGENETICS.110.958975.

40. Thum, T., Gross, C., Fiedler, J., Fischer, T., Kissler, S., Bussen, M., Galuppo, P., Just, S., Rottbauer, W., Frantz, S., Castoldi, M., Soutschek, J., Koteliansky, V., Rosenwald, A., Basson, M.A., Licht, J.D., Pena, J.T.R., Rouhanifard, S.H., Muckenthaler, M.U., Tuschl, T., Martin, G.R., Bauersachs, J., and Engelhardt, S. (2008) MicroRNA-21 contributes to myocardial disease by stimulating MAP kinase signalling in fibroblasts, Nature, 456, 980–984, doi: 10.1038/nature07511.

41. Roy, S., Khanna, S., Hussain, S.-R.A., Biswas, S., Azad, A., Rink, C., Gnyawali, S., Shilo, S., Nuovo, G.J., and Sen, C.K. (2009) MicroRNA expression in response to murine myocardial infarction: miR-21 regulates fibroblast metalloprotease-2 via phosphatase and tensin homologue, Cardiovasc. Res., 82, 21–29, doi: 10.1093/cvr/cvp015.

42. Van Rooij, E., Sutherland, L.B., Thatcher, J.E., DiMaio, J.M., Naseem, R.H., Marshall, W.S., Hill, J.A., and Olson, E.N. (2008) Dysregulation of microRNAs after myocardial infarction reveals a role of miR-29 in cardiac fibrosis, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 105, 13027–13032, doi: 10.1073/pnas.0608791103.

43. Matkovich, S.J., Wang, W., Tu, Y., Eschenbacher, W.H., Dorn, L.E., Condorelli, G., Diwan, A., Nerbonne, J.M., and Dorn, G.W. (2010) MicroRNA-133a protects against myocardial fibrosis and modulates electrical repolarization without affecting hypertrophy in pressure-overloaded adult hearts, Circ. Res., 106, 166–175, doi: 10.1161/CIRCRESAHA.109.202176.

44. Gerin, I., Bommer, G.T., McCoin, C.S., Sousa, K.M., Krishnan, V., and MacDougald, O.A. (2010) Roles for miRNA-378/378* in adipocyte gene expression and lipogenesis, Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab., 299, E198–206, doi: 10.1152/ajpendo.00179.2010.

45. Beltrami, C., Besnier, M., Shantikumar, S., Shearn, A.I.U., Rajakaruna, C., Laftah, A., Sessa, F., Spinetti, G., Petretto, E., Angelini, G.D., and Emanueli, C. (2017) Human pericardial fluid contains exosomes enriched with cardiovascular-expressed microRNAs and promotes therapeutic angiogenesis, Mol. Ther., 25, 679–693, doi: 10.1016/j.ymthe.2016.12.022.