Embora recentemente tenha sido questionado o impacto do exercício na sobrevida de pacientes com insuficiência cardíaca, o treinamento físico melhora a qualidade de vida, a capacidade funcional, a inflamação, a função autonômica e a função endotelial. Nos últimos anos, vem crescendo o interesse em um grupo de pequenos RNAs não codificadores de proteína chamados microRNAs. Estudos têm demonstrado que a expressão dessas moléculas se modifica em diversas condições patológicas, como a hipertrofia miocárdica, a isquemia miocárdica e a insuficiência cardíaca, e, quando ocorre melhora clínica, elas parecem se normalizar. Com o potencial de aplicabilidade prática, já foram identificados marcadores que poderão ser úteis na avaliação diagnóstica e prognóstica da insuficiência cardíaca, como o miR-423-5p. Além disso, resultados de estudos experimentais indicam haver possíveis efeitos terapêuticos dos microRNAs. Implicados na regulação da expressão genética durante o desenvolvimento fetal e no indivíduo adulto, os microRNAs aumentam ou diminuem no coração em resposta a estresse fisiológico, injúria ou sobrecarga hemodinâmica. Assim, o estudo do comportamento dessas moléculas no exercício físico vem trazendo informações importantes quanto aos efeitos dessa modalidade terapêutica e representa uma nova era no entendimento da insuficiência cardíaca. Esta revisão tem por objetivo integrar as evidências sobre microRNAs na insuficiência cardíaca com maior relevância no estudo do exercício físico.
Exercício físico e microRNAs: novas fronteiras na insuficiência cardíaca
IInstituto do Coração do Hospital das Clínicas de São Paulo-INCOR, São Paulo, SP
IIHospital Cardiológico Costantini, Curitiba, PR, Brasil
Embora recentemente tenha sido questionado o impacto do exercício na sobrevida de pacientes com insuficiência cardíaca, o treinamento físico melhora a qualidade de vida, a capacidade funcional, a inflamação, a função autonômica e a função endotelial. Nos últimos anos, vem crescendo o interesse em um grupo de pequenos RNAs não codificadores de proteína chamados microRNAs.
Estudos têm demonstrado que a expressão dessas moléculas se modifica em diversas condições patológicas, como a hipertrofia miocárdica, a isquemia miocárdica e a insuficiência cardíaca, e, quando ocorre melhora clínica, elas parecem se normalizar. Com o potencial de aplicabilidade prática, já foram identificados marcadores que poderão ser úteis na avaliação diagnóstica e prognóstica da insuficiência cardíaca, como o miR-423-5p. Além disso, resultados de estudos experimentais indicam haver possíveis efeitos terapêuticos dos microRNAs.
Implicados na regulação da expressão genética durante o desenvolvimento fetal e no indivíduo adulto, os microRNAs aumentam ou diminuem no coração em resposta a estresse fisiológico, injúria ou sobrecarga hemodinâmica. Assim, o estudo do comportamento dessas moléculas no exercício físico vem trazendo informações importantes quanto aos efeitos dessa modalidade terapêutica e representa uma nova era no entendimento da insuficiência cardíaca.
Esta revisão tem por objetivo integrar as evidências sobre microRNAs na insuficiência cardíaca com maior relevância no estudo do exercício físico.
Diversos avanços no entendimento da fisiopatologia da Insuficiência Cardíaca (IC) permitiram desenvolver novas modalidades terapêuticas, ou até mesmo otimizá-las com consequente aumento na sobrevida. Apesar disso, a IC ainda é uma condição com elevada mortalidade e morbidade, sendo a principal causa de internação por doença cardiovascular no Brasil1.
Apesar de evidências recentes questionando o impacto do exercício na sobrevida2, o treinamento físico melhora a qualidade de vida3, a capacidade funcional4, a inflamação5, a função autonômica4 e a função endotelial4. Os mecanismos envolvidos nesse fenômeno ainda não estão totalmente esclarecidos. Nos últimos anos, vem crescendo o interesse em uma área de pesquisa que envolve aspectos relacionados à resposta do organismo ao exercício em âmbito genético, em que os microRNAs parecem exercer um papel fundamental.
Está cada vez mais evidente que os microRNAs têm um papel crítico em diversos processos biológicos, e as pesquisas em neoplasias e doenças cardiovasculares vêm sendo o principal foco na medicina translacional. Estudos recentes avaliaram a expressão de diversos microRNAs em hipertrofia miocárdica, infarto do miocárdio e insuficiência cardíaca, e isso permitirá melhorar o entendimento da fisiopatologia dessas condições clínicas, além de ter seu uso promissor no diagnóstico e prognóstico das principais doenças cardiovasculares6,7. Ainda, possibilidades de mimetizar microRNAs com sua expressão reduzida, ou de antagonizar aqueles cuja expressão aumentada teria uma relação causal com determinada patologia, representam um potencial terapêutico e um novo paradigma no manejo das doenças cardíacas.
Implicados na regulação da expressão genética durante o desenvolvimento fetal e no indivíduo adulto8,9, muitos desses microRNAs aumentam ou diminuem no coração em resposta ao estresse fisiológico, injúria ou sobrecarga hemodinâmica10. O estudo do comportamento dessas moléculas no exercício físico representa, portanto, um grande potencial de novas descobertas dessa modalidade terapêutica na IC.
Esta revisão tem por objetivo integrar as evidências sobre microRNAs na insuficiência cardíaca com maior relevância no estudo do exercício físico.
Em resposta a estímulos externos, como o exercício físico, a expressão dos genes pode ser modulada mediante diferentes mecanismos, entre eles o silenciamento gênico mediante pequenos RNAs, incluindo os chamados microRNAs (miRNAs)11.
Os miRNAs, descritos inicialmente em 1993 ao ser estudado o desenvolvimento de nematódeos12, são caracterizados como um grupo de pequenos RNAs, não codificadores de proteínas, com aproximadamente 19-25 nucleotídeos de extensão. Diferindo da ampla gama de RNAs codificados pelo genoma humano, essa variedade de RNA tem se destacado por sua singular habilidade de modular uma enorme e complexa rede regulatória de expressão dos genes13.
Atualmente sabe-se que, em geral, os miRNAs são sintetizados a partir de genes específicos ou de determinadas regiões gênicas que não estão associadas à produção de proteínas (introns)11. O processo de maturação dos miRNAs envolve uma complexa via metabólica que se inicia no núcleo e se estende até o citoplasma celular (
Em sua forma madura, os miRNAs, com o auxílio de um complexo enzimático denominado Complexo de Indução do Silenciamento do RNA (RISC), se ligam ao RNA mensageiro (RNAm)-alvo. Essa ligação impossibilita que os ribossomos consigam acessar a informação genética contida nos RNAm, acarretando na diminuição da síntese proteica do gene-alvo19,20. De modo geral, a função dos miRNAs é servir como um componente de reconhecimento para o complexo enzimático de silenciamento RISC, uma vez que eles se ligam ao RNAm, identificando-o como um alvo. A complexidade da regulação da expressão proteica pelo miRNA é ilustrada pelo fato de que um único miRNA pode regular centenas de genes-alvo distintos, e por outro lado, cooperam no controle de um único gene-alvo12,13.
Mais de 700 miRNAs humanos já foram identificados e parece haver 150 a 200 expressos no coração10. Esse número tende a crescer ainda mais, devido ao recente desenvolvimento de tecnologias de sequenciamento e métodos de predição computacional19,20.Embora as funções biológicas dos miRNAs não estejam totalmente compreendidas, acredita-se que 30% a 60% dos genes codificadores de proteína sejam regulados pelos miRNAs11.
Estudos mostraram que apesar de os miRNAs serem expressos em diversos tipos celulares, miRNAs específicos são sintetizados exclusivamente em determinados tecidos ou grupos de células19,20.
Nos últimos anos, tem se demonstrado que diversos miRNAs se expressam de maneira específica em algumas condições cardiovasculares. Especialmente, observa-se uma expressão diferenciada na hipertrofia, na isquemia miocárdica e na disfunção endotelial.
A IC sistólica é caracterizada por remodelamento e dilatação ventricular parecendo haver ativação de um programa genético fetal que desencadeia alterações patológicas no miocárdio associadas com disfunção ventricular progressiva21. No coração de pacientes com IC em estágio avançado, foi encontrado um padrão de expressão do miRNA muito similar ao encontrado nos corações fetais21. Além disso, em um estudo22 avaliando indivíduos com miocardiopatia dilatada, isquêmica e valvar (estenose aórtica), o perfil de expressão foi diferente conforme a etiologia da IC, e a assinatura do miRNA foi capaz de predizer o diagnóstico com uma acurácia de 70%.
Quatro famílias de miRNAs são altamente expressos no coração: miR-1, miR-133, miR-208 e miR-499. A família miR-1 representa 40% de todo o miRNA expresso no coração, enquanto o miR-208 é o único conhecido como cardiacoespecífico. A
O miR-1 está diminuído na hipertrofia miocárdica, e estudos
Por outro lado, a expressão do miR-1 tem achados divergentes na IC. Enquanto alguns autores22,27,28 observaram redução do miR-1 na cardiomiopatia dilatada isquêmica e não isquêmica, outros21,29 observaram aumento. Han e cols.25 sugerem a possibilidade de que o miR-1 esteja reduzido na hipertrofia, mas volta ao normal ou acima do normal quando evolui para IC.
A família do miR-208 é restrita ao coração e é composta pelos miRs-208a e -208b, os quais são codificados nos introns dos genes da cadeia pesada de miosina (MHC) α e β respecitivamente30,31. Interações desses miRNAs com os genes da MHC estão implicadas no desenvolvimento de hipertrofia em adultos.
Outros miRNAs também apresentam expressão diferenciada na hipertrofia e na isquemia miocárdica. Alguns exemplos estão descritos na
Modificações na expressão do miRNA em resposta a alterações cardíacas funcionais também já foi demonstrada. Em um estudo interessante29, foram avaliados os perfis de RNAm e do miRNA em 10 corações tratados com dispositivo de assistência ventricular esquerda (DAVE), 17 corações de indivíduos com IC não tratados com DAVE e 11 controles (sem IC). Nos corações dos indivíduos com IC sem DAVE, foi encontrado aumento significativo na expressão de 28 miRNAs, enquanto naqueles tratados com DAVE, 20 desses miRNAs estavam completamente normalizados, e os outros 8 apresentavam uma tendência a normalização.
Estudos experimentais32 têm demonstrado que é possível reverter um fenótipo, através da inibição de determinado miRNA que tem sua expressão aumentada nessa condição. Isso pode ser realizado pela administração de um oligonucleotídeo anti-miRNA, que age como inibidor competitivo do miRNA em questão e é chamado antagomiR. Recentemente, Montgomery e cols.33 demonstraram que a administração de um antagomiR anti-miR-208a foi capaz de prevenir a hipertrofia miocárdica, o remodelamento cardíaco e a letalidade por IC em ratos Dahl (sensíveis ao sal) submetidos a uma dieta hipersódica. O estudo sugere fortemente que os efeitos desse antagomiR foram decorrentes da redução dos níveis de miR-208a. Esse resultado estabelece não somente uma correlação causal desse miRNA no mecanismo da hipertrofia, mas também traz uma aplicação terapêutica bastante promissora na reversão do remodelamento. No entanto, em ratos adultos, o perfil miR-208a/α-MHC é predominante, e quando ocorre uma sobrecarga pressórica, há um desvio da produção de α para β-MHC30,31. Já em humanos, o papel desse mecanismo na hipertrofia ainda precisa ser esclarecido, já que essa espécie não é capaz de inverter as isoformas de MHC, além de o β-MHC já ser a forma predominante, juntamente ao miR-208b31. Além disso, modelos experimentais devem ser observados com cautela na extrapolação dos seus dados, já que eles são artificiais e podem não mimetizar com precisão as condições clínicas observadas em humanos10.
Para que haja uso disseminado do miRNA como biomarcador na insuficiência cardíaca, a sua determinação deve ser simples e confiável, dispensando, preferivelmente, a necessidade de realização de um procedimento invasivo como a biópsia. Embora a pesquisa dos miRNAs no tecido e células venha ocorrendo a algum tempo, somente recentemente é que vem se descobrindo a existência de uma série destes miRNAs no sangue circulante. Mitchell e cols.34 demonstraram em pacientes com câncer de próstata que miRNAs circulantes específicos do tecido poderiam ser detectados no plasma. Os mecanismos pelos quais eles são liberados são incertos, mas postula-se que seja por meio da secreção dentro de microvesículas chamadas exossomos35. Não se sabe se isso ocorre com outros miRNAs, mas características como especificidade e estabilidade no plasma tornam-no bastante promissor como marcador de lesão tecidual36.
Os miRs-208a, -208b e -499 são específicos do cardiomiócito e foram avaliados no diagnóstico de condições que provocam lesão miocárdica. Observou-se um aumento acima de 1.000 vezes no IAM6,37-39 dos miRs-208b e -499. Nessa condição, eles refletem injúria tecidual e morte celular. Além disso, o miR-208a apresentou acurácia diagnóstica semelhante à troponina, com a vantagem de ser detectado mais precocemente no plasma6.
No intuito de determinar qual(is) miRNA(s) poderiam ser biomarcardores na Insuficiência Cardíaca (IC), Tijsen e cols.40 compararam o perfil de expressão dos miRNAs no plasma de 12 indivíduos saudáveis com 12 pacientes admitidos por IC aguda. Dentre os 108 miRNAs que apresentaram diferença significativa entre os grupos, foram selecionados 16 e validados em um grupo maior, incluindo 30 pacientes com IC, 20 que tinham dispneia por outras causas que não a IC, e um terceiro grupo de 39 indivíduos saudáveis. Nessa coorte de validação, o aumento do miR-423-5p foi um forte preditor do diagnóstico de IC em um modelo de regressão logística, incluindo idade e sexo. Os mecanismos pelos quais existe aumento nesse marcador em pacientes com IC ainda é desconhecido. Se isto é decorrente de lesão celular e consequente liberação do mesmo no plasma, ou se está relacionado a uma via secretória específica de determinada célula ainda precisa ser esclarecido41. Em outro estudo7, concentrações plasmáticas do miR-126 apresentaram correlação inversa com os níveis de peptídeo natriurético cerebral (BNP). No entanto, a amostra de pacientes foi heterogênea e os critérios de definição de IC não foram muito bem estabelecidos. Mais estudos ainda são necessários para definir o papel desses miRNAs como biomarcadores na IC.
Exercício físico, gestação e o próprio crescimento do indivíduo são estímulos para o crescimento fisiológico do coração. Em meados do século XIX, descrições referentes ao chamado "coração de atleta" tinham conotação deletéria8. Mais recentemente, os diversos benefícios do treinamento físico na sobrevida e os efeitos maléficos da inatividade tornaram essa modalidade terapêutica obrigatória no tratamento de pacientes com doenças cardíacas, incluindo aqueles com disfunção ventricular sistólica, os quais já apresentam aumento patológico dos volumes e massas ventriculares. Seus benefícios na capacidade funcional podem ser explicados pelos efeitos na função endotelial, resistência vascular periférica e modificações na estrutura da musculatura esquelética, embora não tenha sido demonstrado melhora significativa na fração de ejeção do ventrículo esquerdo.
O estudo dos microRNAs pode gerar hipóteses quanto aos mecanismos pelos quais o exercício físico interfere na fisiopatologia da IC. Interessante notar que as vias de sinalização que levam a hipertrofia decorrente do estímulo fisiológico, como exercício, são diversas daquelas que provocam a hipertrofia patológica e, consequentemente, podem desencadear expressão diferente nos miRNAs8. O pré-condicionamento isquêmico e sua relação com o miRNA já começou a ser avaliada em estudos experimentais42.
Ao analisar as respostas individuais do treinamento físico, dúvidas são levantadas quanto às razões da variabilidade de seus resultados. Há indícios de que a adaptabilidade fisiológica ao exercício tenha um paralelo com a expressão genética43. Entretanto, a complexidade da interação genética limita a identificação de genes individuais que possam explicar essa variabilidade44. Além disso, a sua expressão se modifica de acordo com o estímulo que o organismo recebe e é nesse aspecto que o estudo dos miRNAs tem um papel promissor.
O músculo esquelético também é um órgão que apresenta uma elevada plasticidade, capaz de alterar o fenótipo em resposta a uma sobrecarga mecânica45. Estudos experimentais permitiram identificar mudanças no perfil muscular esquelético de miRNAs específicas do exercício aeróbico e do exercício resistido46 (
Há vários miRNAs presentes no músculo esquelético, e os miRs-1, -133a, -133b e -206 compreendem 25% deles, sendo muitas vezes referidos como "miomirs"47. Em indivíduos saudáveis,esses quatro miomirs diminuem significativamente após 12 semanas de treinamento aeróbico48, indicando que eles se ajustam rapidamente ao nível de atividade física. Interessante notar que esses níveis voltam aos valores basais após 14 dias da sua interrupção. Quando avaliada a resposta a uma única sessão de exercício, foi encontrado aumento na expressão dos miR-1 e -133a somente antes do período de treinamento.
Com relação a exercício resistido, o ganho em massa muscular também é altamente variável entre os indivíduos. Essa variabilidade é acompanhada por diferenças no comportamento dos miRNAs. Um estudo47 que analisou biópsias do músculo vasto lateral de 56 homens submetidos a treinamento resistido por 12 semanas encontrou que a expressão do miR-378 reduziu e a do miR-478 aumentou, ambos significativamente, somente naqueles que responderam pouco ao treinamento. Além disso, houve uma forte correlação entre a variação na expressão do miR-378 com o ganho em massa magra. Já os miomirs miRs-1 e -133 não se modificaram com o exercício resistido.
Com relação aos níveis de miRNAs no sangue circulante, Baggish e cols.49 estudaram o comportamento de miRNAs que foram previamente implicados na angiogênese (miR-20a, miR-210, miR-221, miR-222, miR-328), inflamação (miR-21, miR-146a), contratilidade muscular cardíaca e esquelética (miR- 21, miR-133a) e adaptação muscular á hipóxia e isquemia (miR-21, miR-146a, e miR-210). Os resultados deste e outros estudos envolvendo o comportamento dos miRNAs no exercício em humanos estão resumidos na
O estudo dos miRNAs pode contribuir também no entendimento dos efeitos do exercício na resposta imune, cujos mecanismos ainda não estão esclarecidos. Por exemplo, a partir da análise de citocinas, observou-se que ambas as vias pro-inflamatórias e anti-inflamatórias são ativadas após exercício estenuante50. Estudando o comportamento de neutrófilos no sangue periférico51 após uma sessão de exercício, foi possível observar alteração no perfil de expressão dos miRNAs, sugerindo que esses contribuem para alterações na expressão genética de células imunocompetentes52.
Até o momento da publicação desta revisão, não temos conhecimento de estudos que tenham avaliado o comportamento dos miRNAs em resposta ao treinamento físico especificamente em pacientes com IC.
Muito já foi descoberto quanto aos efeitos do treinamento físico na IC. Além da melhora na capacidade funcional e na sobrevida, evidências tem demonstrado outros resultados positivos dessa terapia, como aumento nas células progenitoras endoteliais circulantes53, efeitos anti-inflamatórios e no endotélio, com modificações nos níveis de interleucinas-1β54, -654,55, -1056, fator de necrose tumoral α e seus receptores 1 e 2 e da proteína C reativa56, óxido nítrico sintase induzível (iNOS)54, molécula de adesão intracelular solúvel (sICAM)55, adiponectina57,58, peptídeo natriurético cerebral (BNP)59 e outros (
Declaro não haver conflito de interesses pertinentes.
O presente estudo foi financiado pela Fundação de Apoio à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP).
Este artigo é parte do projeto de doutorado de Miguel Morita Fernandes da Silva pela Universidade de São Paulo.
Endereço para correspondência: Miguel Morita Fernandes da Silva Avenida Enéas de Carvalho Aguiar, 44, Bloco I, 1° Andar, Bairro Cerqueira Cesar CEP 05403-000, São Paulo, SP - Brasil E-mail:
Artigo recebido em 29/09/11
Revisado recebido em 25/10/11
Aceito em 03/11/11
Although the impact of exercise on survival of patients with heart failure has been recently questioned, exercise training improves quality of life, functional capacity, inflammation, endothelial and autonomic function. In recent years, interest has increased regarding a group of small non-protein coding RNAs called microRNAs. Studies have shown that the expression of these molecules changes in several pathological conditions, such as myocardial infarction, myocardial ischemia and heart failure, and when clinical improvement occurs, they seem to normalize. With the potential for practical applicability, markers that may be useful in diagnostic and prognostic assessment of heart failure have been identified, such as miR-423-5p. In addition, results of experimental studies have indicated that there are potential therapeutic effects of microRNAs. MicroRNAs are involved in the regulation of gene expression during fetal development and in adult individuals, increasing or decreasing in the heart in response to physiological stress, injury or hemodynamic overload. Thus, the study of the behavior of these molecules in physical exercise has brought important information about the effects of this therapeutic modality and represents a new era in the understanding of heart failure. This review aims to integrate the evidence on microRNAs in heart failure with greater relevance in the study of physical exercise.
IInstituto do Coração do Hospital das Clínicas de São Paulo-INCOR, São Paulo, SP
IIHospital Cardiológico Costantini, Curitiba, PR, Brasil
Correspondence
Although the impact of exercise on survival of patients with heart failure has been recently questioned, exercise training improves quality of life, functional capacity, inflammation, endothelial and autonomic function. In recent years, interest has increased regarding a group of small non-protein coding RNAs called microRNAs.
Studies have shown that the expression of these molecules changes in several pathological conditions, such as myocardial infarction, myocardial ischemia and heart failure, and when clinical improvement occurs, they seem to normalize. With the potential for practical applicability, markers that may be useful in diagnostic and prognostic assessment of heart failure have been identified, such as miR-423-5p. In addition, results of experimental studies have indicated that there are potential therapeutic effects of microRNAs.
MicroRNAs are involved in the regulation of gene expression during fetal development and in adult individuals, increasing or decreasing in the heart in response to physiological stress, injury or hemodynamic overload. Thus, the study of the behavior of these molecules in physical exercise has brought important information about the effects of this therapeutic modality and represents a new era in the understanding of heart failure.
This review aims to integrate the evidence on microRNAs in heart failure with greater relevance in the study of physical exercise.
Several advances in the understanding of the physiopathology of heart failure (HF) allowed the development of new therapeutic modalities, or even optimized them, with a consequent increase in survival. Nevertheless, HF is still a condition with high mortality and morbidity, being the leading cause of hospitalization due to cardiovascular disease in Brazil1.
In spite of recent evidence questioning the impact of exercise on survival2, physical training improves quality of life3, functional capacity4, inflammation5, and autonomic4 and endothelial function4. The mechanisms involved in this phenomenon are not yet fully understood. In recent years, interest has increased in the area of research involving aspects related to the body's response to exercise in the genetic scenario, in which microRNAs appear to play a key role.
It has become increasingly evident that microRNAs play a critical role in many biological processes, and research in cancer and cardiovascular diseases have been the main focus in translational medicine. Recent studies have evaluated the expression of several microRNAs in myocardial hypertrophy, myocardial infarction and heart failure, which will improve the understanding of the physiopathology of these clinical conditions, in addition to their promising use in the diagnosis and prognosis of major cardiovascular diseases6,7. Moreover, the possibility of mimicking microRNAs with reduced expression or antagonizing those of which increased expression would be causally linked to a specific pathology, represent a therapeutic potential and new paradigm in the management of heart diseases.
Implicated in the regulation of gene expression during fetal development and in adult individuals8,9, many of these microRNAs increase or decrease in the heart in response to physiological stress, injury or hemodynamic overload10. The study of the behavior of these molecules in physical exercise therefore represents a great potential for new discoveries of this type of therapeutic modality in HF.
This review aims to integrate the evidence for microRNAs in heart failure with greater relevance in the study of physical exercise.
In response to external stimuli such as exercise, gene expression can be modulated by different mechanisms, including gene silencing by small RNAs, including the microRNAs (miRNAs)11.
The miRNAs, initially described in 1993 when studying the development of nematodes12, are characterized as a group of small non-protein-coding RNAs, with approximately 19-25 nucleotides in length. Unlike the wide range of RNAs encoded by the human genome, this variety of RNA has been noted for its unique ability to modulate an enormous and complex regulatory network of gene expression13.
It is currently known that, in general, miRNAs are synthesized from specific genes or certain genetic regions that are not associated with protein production (introns)11. The maturation process of miRNAs involves a complex metabolic pathway that begins in the nucleus and extends to the cell cytoplasm (
In its mature form, miRNAs, with the help of an enzyme complex called RNA-Induced Silencing Complex (RISC), binds to the target messenger RNA (mRNA). This binding prevents the ribosomes from accessing the genetic information contained in the mRNA, resulting in decreased protein synthesis of the target gene19,20.
In general, the function of miRNAs is to act as a recognition component for RISC, as they bind to mRNA, identifying it as a target. The complexity of protein expression regulation by miRNA is illustrated by the fact that a single miRNA can regulate hundreds of distinct target genes, and otherwise cooperate to control a single target gene 2,13.
More than 700 human miRNAs have been identified and there seems to be 150 to 200 of them expressed in the heart10. This number is expected to grow even further, due to the recent development of sequencing technologies and computational prediction methods19,20. Although the biological functions of miRNAs are not fully understood, it is believed that 30% to 60% of the protein-coding genes are regulated by miRNAs11.
Studies have shown that although miRNAs are expressed in various cell types, specific miRNAs are synthesized exclusively in certain tissues or cell groups19,20.
In recent years, it has been shown that many miRNAs are expressed in a specific way in some cardiovascular conditions. Specifically, there is a differential expression in hypertrophy, myocardial ischemia and endothelial dysfunction.
Systolic HF is characterized by ventricular dilatation and remodeling and there seems to be an activation of a fetal gene program that triggers pathological changes in the myocardium, associated with progressive ventricular dysfunction21. A pattern of miRNA expression very similar to that found in fetal hearts has been identified in the heart of patients with advanced-stage HF21. Moreover, in a study evaluating22 patients with dilated, ischemic and valvular cardiomyopathy (aortic stenosis), the expression profile was different according to the etiology of HF, and the miRNA signature was able to predict diagnosis with an accuracy of 70%.
Four families of miRNAs are highly expressed in the heart: miR-1, miR-133, miR-208 and miR-499. The miR-1 family represents 40% of all miRNAs expressed in the heart, whereas the miR-208 is the only one known as cardio-specific.
The miR-1 is reduced in myocardial hypertrophy, and
On the other hand, the expression of miR-1 shows different findings in HF. While some authors22,27,28 observed a reduction in miR-1 in ischemic and non-ischemic dilated cardiomyopathy, others observed an increase21,29. Han et al25 suggest the possibility that miR-1 is reduced in hypertrophy, but returns to normal or above normal when the condition progresses to HF.
The family of miR-208 is restricted to the heart and consists of the miRs-208a and -208b, which are encoded in introns of genes of myosin heavy chains (MHC) α and β, respectively30,31. The interactions of these miRNAs with the MHC genes are involved in the development of hypertrophy in adults.
Other miRNAs also show a differentiated expression in hypertrophy and myocardial ischemia. Some examples are shown in
Changing in miRNA expression in response to heart functional alterations have also been demonstrated. An interesting study29 evaluated the profiles of mRNA and miRNA in 10 hearts treated with left ventricular assistance device (LVAD), 17 hearts of individuals with HF not treated with LVAD and 11 controls (no HF). In the hearts of individuals with HF without LVAD, a significant increase in the expression of 28 miRNAs was observed, while in those treated with LVAD, 20 of these miRNAs were completely normalized, and the other eight tended to normalization. Experimental studies32 have shown that a phenotype can be reversed through the inhibition of a specific miRNA that has an increased expression in this condition. This can be accomplished by administering an anti-miRNA oligonucleotide, which acts as a competitive inhibitor of that miRNA and is called antagomiR. Recently, Montgomery et al33 demonstrated that administration of an anti-miR-208a antagomiR was able to prevent ventricular hypertrophy, cardiac remodeling and mortality in Dahl rats due to HF (sensitive to salt) subjected to a hypersodic diet.
The study strongly suggests that the effects of antagomiR were due to reduced levels of miR-208a. This result not only establishes a causal correlation of this miRNA with the mechanism of hypertrophy, but also brings a very promising therapeutic use to reverse remodeling. However, in adult rats, the profile miR-208a/α-MHC is predominant, and when pressure overload occurs, there is a shift in the production from α to β-MHC30,31. In humans, the role of this mechanism in hypertrophy remains to be clarified, as this species is not able to reverse the MHC isoforms, and the β-MHC is the predominant form, together with the miR-208b31. In addition, experimental models must be viewed with caution when extrapolating data, as they are artificial and may not accurately mimic the clinical conditions observed in humans10.
For a widespread use of miRNA as a biomarker in heart failure, its determination must be simple and reliable, preferably dispensing with the need to perform an invasive procedure such as a biopsy. Although the research of miRNAs in tissues and cells have been carried out for some time, only recently it was found the existence of a series of these miRNAs in circulating blood. Mitchell et al34 demonstrated in patients with prostate cancer that tissue-specific circulating miRNAs could be detected in plasma. The mechanisms by which they are released are uncertain, but it has been postulated to be through the secretion within microvesicles called exosomes35. It is unknown whether this occurs with other miRNAs, but characteristics such as specificity and stability in plasma make it very promising as a marker of tissue injury36.
The miRs-208a, -208b and -499 miRNAs are specific to cardiomyocytes and were evaluated in the diagnosis of conditions that cause myocardial injury. There was an increase of more than 1,000-fold in acute myocardial infarction6,37-39 of miRs-208b and-499. In this condition, they reflect tissue injury and cell death. In addition, miR-208a showed diagnostic accuracy that was similar to troponin, with the advantage of being detected earlier in plasma6.
In order to determine which could be used as biomarkers in HF, Tijsen et al40 compared the expression profile of miRNAs in the plasma of 12 healthy subjects with 12 patients admitted for acute HF. Among 108 miRNAs that showed significant difference between the groups, 16 were selected and validated in a larger group, including 30 patients with HF, 20 who had dyspnea due to other causes rather than the HF, and a third group of 39 healthy individuals. In this validation cohort, an elevated level of mir-423-5p was strongly associated with the diagnosis of HF in a logistic regression model including age and sex. The mechanisms by which there is an increase in this marker in patients with HF remains unknown. Whether this is due to cell damage and subsequent release of that in plasma, or is related to a specific secretory pathway of a given cell, it remains to be clarified41. In another study7, plasma concentrations of miR-126 showed an inverse correlation with the levels of brain natriuretic peptide (BNP). However, the patient sample was heterogeneous and the criteria for HF were not well established. More studies are needed to define the role of these miRNAs as biomarkers in HF.
Physical exercise, pregnancy and the individual's growth are stimuli for physiological increase of the heart. In the mid-nineteenth century, descriptions of the so-called "athlete's heart" had deleterious connotations8. More recently, the multiple benefits of physical training on survival and the harmful effects of a sedentary lifestyle made this therapeutic modality required to treat patients with heart disease, including those with systolic ventricular dysfunction, who have already shown a pathological increasing in ventricular volumes and masses. Its benefits regarding functional capacity can be explained by effects on endothelial function, peripheral vascular resistance and changes in the structure of skeletal muscle, although significant improvement in left ventricular ejection fraction have not been demonstrated.
The study of microRNAs may generate hypotheses about the mechanisms by which exercise affects the pathophysiology of HF. Interestingly, the signaling pathways leading to hypertrophy due to physiological stimuli such as exercise, are different from those that cause pathological hypertrophy and thus may trigger different expressions in miRNAs8. Ischemic preconditioning and its relationship with the miRNA is already being evaluated in experimental studies42.
When analyzing individual responses to physical training, doubts are raised concerning the reasons for the variability of their results. There is evidence that physiological adaptability to exercise has a parallel with gene expression43. However, the complexity of the genetic interaction limits the identification of individual genes that may explain this variability44. Moreover, its expression changes according to the stimulus that the body receives and it is in this aspect that the study of miRNAs has a promising role.
The skeletal muscle is also an organ with high plasticity, capable of altering the phenotype in response to mechanical overload45. Experimental studies have identified changes in the skeletal muscle profile of specific miRNAs in aerobic and resistance exercises46 (
There are several miRNAs present in skeletal muscle, and miRs-1, -133a, -133b and -206 comprise 25% of them, often being referred to as "myomirs"47. In healthy subjects, these four myomirs decrease significantly after 12 weeks of aerobic training48, indicating that they adjust quickly to the level of physical activity. Interestingly, these levels return to baseline after 14 days of its discontinuation. When evaluating their response to a single exercise session, an increased expression of miR-1 and 133a was observed only before the training period.
With respect to resistance exercise, the gain in muscle mass is also highly variable among individuals. This variability is also accompanied by differences in the behavior of miRNAs. A study47 that analyzed biopsies of the vastus lateralis muscle of 56 men undergoing resistance training for 12 weeks found that the expression of miR-378 decreased and that of miR-478 increased, both significantly, only in those who responded little to the training. In addition, there was a strong correlation between the variation in the expression of miR-378 with the gain in lean body mass. With respect to myomirs, resistance exercise did not change miRs-1 and -133 in this study.
With respect to the levels of miRNAs in circulating blood, Baggish et al49 studied the behavior of miRNAs that were previously implicated in angiogenesis (miR-20a, miR-210, miR-221, miR-222, miR-328), inflammation (miR-21, miR-146a), cardiac and skeletal muscle contractility (miR-21, miR-133a) and muscular adaptation to hypoxia and ischemia (miR-21, miR-146a, and miR-210). The results of this and other studies involving the behavior of miRNAs in exercise in humans are summarized in
The study of miRNAs can also help to understand the effects of exercise on immune response, of which mechanisms remain unclear. For instance, based on the analysis of cytokines, it was observed that both pro-inflammatory and anti-inflammatory pathways are activated after strenuous exercise50. Studying the behavior of neutrophils in peripheral blood51 after a workout, it was possible to observe changes in the expression profile of miRNAs, suggesting that these contribute to changes in gene expression of immunocompetent cells52.
By the time of publication of this review, we are not aware of studies that have evaluated the behavior of miRNAs in response to physical training specifically in patients with HF.
Much has been discovered on the effects of exercise training on HF. In addition to improving functional capacity and survival, other evidence has shown positive results of this therapy, such as an increasing in circulating endothelial progenitor cells53, anti-inflammatory effects and effects on the endothelium, and changing in levels of interleukin-1β54, -654,55, -1056, tumor necrosis factor-α and its receptors 1 and 2 and C-reactive protein56, inducible nitric oxide synthase (iNOS)54, soluble intracellular adhesion molecule (sICAM)55, adiponectin57,58, brain natriuretic peptide (BNP)59 and others (
No potential conflict of interest relevant to this article was reported.
This study was funded by Fundação de Apoio à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP).
This article is part of the thesis of doctoral submitted by Miguel Morita Fernandes da Silva, from Universidade de São Paulo.