心肌肥厚相关信号通路的研究进展

刘丽娜综述，李法琦审校

(重庆医科大学附属第一医院老年科 400016)

心肌肥厚是心脏对各种刺激产生的适应性增生，表现为心肌细胞体积增大，心脏质量增加，是独立的心血管危险因素，最终导致心力衰竭，甚至猝死。其主要病理变化包括心肌细胞肥大、心肌间质增殖以及心肌细胞外基质重建等，即心肌重构。心肌肥厚时，心肌细胞蛋白合成增加、体积增大、直径增宽或长度增加;心肌肌节数量增多、纤维组织增生、胚胎基因再表达。心肌肥厚的分子机制尚未完全阐明，主要与细胞信号通路激活密切相关。致心肌肥厚刺激因素可激活Jak信号转导子和转录激活子(ST AT)信号通路﹑丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路、Ca2+及其依赖的信号通路、Wnt信号通路、AM P活化蛋白激酶(AMPK)和MicroRNAs(miRNA)等多条信号通路且信号通路之间相互作用，从而导致心肌肥厚。

1 致心肌肥厚刺激因素

多种细胞刺激因素均可导致心肌肥厚。主要包括:(1)机械牵张，机械牵张是心肌肥厚最重要的始动因素，它可以从心肌细胞、局部心肌和整体心肌水平激活其基因表达和促进蛋白质合成。机械牵张引起一些活性肽，如血管紧张素(Ang)Ⅱ、内皮素1(ET-1)及其他生长因子等的合成和释放，并且在转录水平调节一些即刻早期反应基因的表达，作用于次级应答基因，对心肌肥厚起着积极触发作用，能直接诱导心肌蛋白质合成，使心肌细胞体积增大。(2)压力负荷，压力负荷可以通过儿茶酚胺诱导心肌肥厚，也可以通过增加局部神经体液因子(如肾素-Ang系统和ET等)或通过跨膜的细胞外基质受体将刺激信号导入细胞内激活心肌肥厚相关信号通路(如p38MAPK信号通路)导致心肌肥厚。(3)缺血、缺氧、一氧化氮(NO)缺乏及各种炎症因子均可导致心肌细胞的应激反应，从而产生心肌肥厚。

2 致心肌肥厚信号通路

2.1 Jak-S TAT信号通路 该通路为直接通路，细胞因子受体通过Jak家族酪氨酸蛋白激酶磷酸化激活STAT，后者以二聚体形式进入细胞核调节基因表达。IL-6家族细胞因子与糖蛋白130(gp130)结合后激活该通路，参与一系列细胞生物过程，如炎症、凋亡、细胞周期等。在心肌梗死、心肌肥厚、扩张型心肌病等均可发现Jak-S TAT通路的激活。在离体新生小鼠心肌，机械牵张和增加IL-6、白细胞抑制因子(LIF)、心脏营养素-1(C T-1)m RNA 表达可介导 Jak1、Jak2、STAT 1、S TAT 3 及gp130等磷酸化，心肌细胞特异性表达S TAT 3的12周龄的转基因小鼠实验观察发现心肌肥厚伴心钠素(ANF)、β-肌球蛋白重链(β-M HC)、C T-1表达增加[1]。抑制 Jak2磷酸化可减轻压力负荷所致的向心性心肌肥厚[2]。细胞因子信号负调控因子3负性调控Jak-STAT通路，可以双向诱导压力超负荷及直接调节应激反应介导gp130细胞因子受体信号通路作为分子开关的负反馈环路所导致的心肌细胞代偿性肥大。IL-6、LIF、C T-1、S TAT 3表达上调可以增加心肌细胞对缺血、缺氧及应激刺激的耐受。在扩张型心肌病心力衰竭终末期，gp130和Jak-STAT呈动态变化，可见 STAT 1、STAT 3磷酸化增加，gp130磷酸化增加而 Jak2磷酸化降低[3]。因此，推测Jak-S TAT通路参与心肌肥厚及由心肌肥厚进展为心力衰竭的过程，扩张型心肌病心力衰竭终末期可能存在gp130下游通路受损或存在Jak-S TAT通路的负反馈调节。该通路对心肌有保护作用但机制尚不明确。

2.2 低分子量 GTPases(Ras、RhoA和 Rac1) 低分子量GTP包括多种单体蛋白，其相对分子量在 20～25 kD，主要分为5个亚型:Ras(Ras、Rap和 Ral)、Rho(RhoA、Rac1 和 Cdc42)、Rab、Arf和Ran。就致心肌肥厚而言，Ras、Rho A和Racl3个成员研究较多。(1)Ras家族作为GDP/GTP调节的分子开关，目前研究最多，也最为清楚。Ras活化后促进位于细胞溶质中的Raf蛋白趋向到质膜胞内侧并与其结合而被活化，Raf磷酸化并激活MAPK激酶(M EK/M KK)1/2，从而激活细胞外信号调节激酶(ERK)1/2通路介导心肌肥厚[4]。有研究发现制作Raf-1负显性转基因鼠模型，该鼠心脏形态正常但缺乏应激反射，压力超负荷介导的ERK 1/2受抑制通路，由此推断Raf-1的活化是压力负荷通过激活ERK1/2通路介导心肌肥厚所必须的[5]。(2)Racl是Rho家族成员，参与调节细胞膜折叠、细胞运动、肌动蛋白聚合、钙黏着蛋白介导的细胞锚链，此外Racl还通过C-jun N末端激酶(JNK)、p38M APK等通路参与调节转录。有报道Racl可能通过介导合成多种形式活性氧(ROS)作为触发器激活核转录因子NF-κB，活性 Racl还可以刺激成纤维细胞周期中DNA合成，以上均可能为Racl介导心肌肥厚过程的重要环节。在心肌细胞中，引起心肌肥厚反应的激动剂ET-1和苯肾上腺素(PE)可迅速激活Rac1。通过向心肌细胞分别转染具有组成活性和负显性的突变体(RacV12/RacN17)，从正反两方面详细说明了Racl是通过凋亡信号调节激酶1(ASK1)和NF-κB通路[G蛋白耦联受体(GPCR)-ASK 1-NF-κB]参与调节心肌肥厚[6]。Satoh等[7]推测Racl通过与吞噬细胞氧化酶相互作用，参与调节NADPH氧化酶激活和心肌氧化应激导致的心肌肥厚。通过特异性敲除Rac1基因与野生型小鼠对比，发现Rac1缺失的小鼠对AngⅡ介导的NADPH氧化酶激活和心肌氧化应激所导致的心肌肥厚反应减轻。(3)RhoA是Rho蛋白家族研究最多的成员之一，RhoA作为分子闸门与下游靶物质相互作用，诱导细胞应答。Rho相关的卷曲蛋白激酶(ROCKs)是RhoA的特征性效应物，参与众多细胞活动，如收缩、增生、凋亡等。异常激活RhoA/ROCKs通路可发现动脉粥样硬化、高血压、心肌肥厚等病理变化。ROCKs包括ROCK-1和 ROCK-2两种亚型，它们均可通过AngⅡ或 IL-1β激活调节蛋白激酶 C(PKC)及NF-κB依赖性通路。PTEN是最近确认的ROCKs的底物，在ROCKs刺激下PTEN磷酸化，后者的磷酸激酶被激活，从而参与调节磷脂酰肌醇3-激酶(PI-3K)/蛋白激酶B(Akt)通路。以上通路多在血管平滑肌增生过程中发现活化并复制，是否通过外周循环作用于心肌细胞需进一步研究阐明。在心肌肥厚方面目前发现ROCKs在胚胎发育期中胚叶含量丰富，给予ROCKs特异性抑制剂可导致心脏发育缺陷。ROCKs通过激活ERK 1/2信号通路，锌指转录因子(GATA4)作为下游细胞核调节物，致细胞生长，最终产生心肌肥厚。成年大鼠心肌压力超负荷后可见ROCKs快速活化，表明其参与心肌细胞对机械刺激的早期适应性反应的调节过程。抑制ROCKs活性可减轻盐敏性高血压大鼠的心肌肥厚，同时改善心室功能，长期药物抑制 ROCKs可减轻AngⅡ介导的心肌肥厚[8]。

2.3 PKC信号通路 该通路几乎参与了所有膜相关的信号传导，根据酶催化性质的不同，可将PKC分为:(1)经典型PKC(cPKC)(α，βⅠ，βⅡ，γ)，依赖于钙离子和二酰甘油(DAG)。(2)新型 PKC(n PKC)(ε，δ，θ，η)，需要 DAG 激活但不依赖钙离子。(3)不典型性 PKC(aPKC)(ζ，λ)，不依赖 DAG及钙离子，受脂类激活。一旦被激活，不同的PKC异构体将转移到不同的亚细胞部位。多种刺激因子如卟啉醇肉豆蔻酸乙酸酯(PMA)、AngⅡ、苯肾上腺素(PE)、ET-1等均被用以诱导心肌肥厚。PMA可以激活PKC-α介导心肌细胞特定形态的肥厚，包括增加蛋白质合成、蛋白/DNA比率、细胞表面积等。研究发现一类与βI PKC相互作用的蛋白(RBCK-1)在PE介导的心肌肥厚是必需的，减少 PE或者应用βI andβⅡ PKC特异性抑制因子可以阻止此反应[9]。

2.4 G蛋白家族 G蛋白是一种异源三聚体GTP结合蛋白，细胞内的G蛋白有许多种，可与不同的下游分子组成不同的信号转导途径，从而产生不同的效应。(1)PE、AngⅡ、ET等与受体结合后，通过Gq亚基激活三磷酸肌醇(IP3)、DAG、PKC、MAPK等多条信号通路引发心肌肥厚反应。(2)肾上腺素，去甲肾上腺素及异丙肾上腺素与β-肾上腺素能受体结合后能激活Gs通过激活腺苷酸环化酶cAMP和蛋白激酶A迅速提高心率和心肌的收缩性，引起心肌肥厚[10]。体内Gq通路低水平的激活导致心肌肥厚，但Gq信号的进一步激活却导致了心肌细胞凋亡和心功能衰竭。

2.5 MAPK信号通路 MAPKs是一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。该通路采用高度保守的三级激酶级联传递信号:MAPK激酶的激酶(MKKK)-MKK或MEK-MAPK。M APK通过一个三肽功能区苏氨酸(Thr)-x-酪氨酸(Tyr)的双磷酸化而活化，通过被双特异性蛋白磷酸酶将同样位点的Thr与Tyr残基去磷酸化而灭活。在心肌细胞中，MAPK的3个信号通路ERK1/2、JNK、p38MAPK分别由与 GPC R结合的神经内分泌因子(AngⅡ，ET等)所激活。目前激活 ERK 1/2对细胞的促肥大作用报道不一:Glennon等采取反义寡核苷酸阻断ERK1和ERK 2表达，可以抑制PE引起的肥大基因表达。在心脏，JNK的激活来自于肌细胞的延伸和GPCR的激活。腺病毒介导转染的MKK4(JNK的上游激酶)负显性突变基因，阻止ET-1诱导的蛋白合成增加，肌小节组织和ANP m RNA的增加。利用基因转染技术阻断压力超负荷引起的JNK激活，可减轻心肌肥厚[11]。在心肌细胞中，机械刺激、GPCR配体(AngⅡ、ET-1)都能活化p38MAPK通路，通过 ROS-ASKl-MKK 3/6-p38MAPK及转化生长因子(TGF)-β1-TGF-β1激活激酶(TAK)1-MKK3/6-p38M APK等通路介导心肌肥厚[12]。p38MAPK的2种异构体作用机制相互制约，p38-βMAPK激活后诱导心肌细胞肥大，而p38-αM APK则拮抗这种效应并引起心肌细胞凋亡，最终效应取决于两种亚型与MAPKs信号下游途径的竞争结果。

2.6 Ca2+及其依赖的信号通路 细胞内钙增加是导致心肌肥厚的最基本信号，主要存在2种机制参与钙介导的信号转导:(1)钙调神经磷酸酶(CaN)介导的活化 T细胞核因子(NFAT)3和GATA 4的激活;(2)钙调素依赖性蛋白激酶介导的心肌细胞强化因子22(M EF 22)的激活[13]。多种可导致胞内钙浓度增加的因素均可发现钙参与的相关信号通路被激活，祝之明等发现用IP3刺激心肌细胞IP3受体，能明显激活CaNNFAT 3-GATA4通路，促进心肌细胞肥大。CaN通路在缺氧、前列腺素F2α诱导下可致右心室肥厚，体外给予CaN特异性抑制剂环孢素可减轻该反应[14]。以上研究表明Ca2+及其依赖的信号通路参与了致左、右心室肥厚的过程，然而钙通道阻滞剂改善心肌肥厚的临床效果却不明显，可能与该通路下游分子的激活有关，机制尚不清楚。

2.7 Wnt信号通路 正常机体Wnt信号通路活化水平非常低，但是在压力负荷、动脉损伤、心肌梗死等外界因素诱导病理性心肌重构时，该通路则被激活，参与心肌重构。主要分为:(1)经典Wnt-frizzled信号通路[Wnt/β-连环蛋白(β-catenin)通路]Wnt蛋白与其受体frizzled结合后，激活了Dishevlled，使得糖原合成酶-3β(GSK-3β)的活性受到抑制，导致内源性β-catenin积聚，细胞内游离β-catenin水平升高，与其下游信号分子T细胞因子/淋巴细胞增强因子(Tcf/Lef)结合，进入细胞核发挥转录因子功能。(2)非经典Wnt信号通路，包括①Wnt/JNK通路，又称细胞极性通路(Wnt/JNK通路可激活低分子量GTPases如 Rac、Rho、Cdc42、ROCK 及 JNK[15])和②Wnt/Ca2+通路，该通路由G蛋白介导，通过激活下游PKC及Ca-CaN，从而导致Tcf磷酸化，并在细胞核内聚积，最终作用于靶基因，产生一系列病理生理反应[16]。有研究通过观察Dishevelled-1基因缺失的小鼠，14 d后发现结扎动脉所致的压力负荷导致的心肌肥厚反应减弱，并且在分子水平GSK-3β和Akt活性增加，β-catenin水平降低，此试验首次证明阻断Wnt-frizzled信号通路可以减轻压力负荷介导的心肌肥厚[17]。Chen等[18]在主动脉结扎致小鼠心肌肥厚模型中发现，β-catenin的下调将导致心肌肥厚。非经典Wnt/Ca2+通路通过激活低分子量GTPases、MAPK、PKC及Ca-CaN等介导心肌肥厚。该信号通路致心肌肥厚的机制尚未阐明，有待于进一步研究。

2.8 AMPK 在心肌细胞活化的AMPK通过调节糖类和脂肪酸代谢促进ATP生成，抑制心脏蛋白合成。众多证据显示AM PK可以保护心肌缺血损伤，限制各种因素所致的心肌肥厚，但是AMPK调节γ2亚基胱硫醚β合成酶(CBS)区域突变可致胞内糖原积聚，最终出现遗传性肥厚型心肌病和预激综合症(WPW)[19]。有研究发现结扎小鼠动脉制作压力超负荷模型17周后观察发现AMPK活性增加，心肌出现肥大反应。目前更多研究倾向于AMPK通过调控蛋白质合成抑制心肌肥厚，而上述试验未做其他致心肌肥厚通路的屏蔽处理，可能存在众多信号通路共同作用，该信号通路致心肌肥厚的机制有待进一步研究。

2.9 miRNA miRNA是非编码的RNA，它的作用主要是特异性地缄默m RNA转录模板。人类基因组约发现 400种miRNA。近年来miRNA在调节心肌肥厚过程中的中心地位正逐渐凸显。许多研究通过微阵列程序发现28种不同miRNA的表达同主动脉结扎及钙调神经磷酸酶(CaNA)介导的心肌肥厚类型相同，并发现它们在心力衰竭患者心脏过分表达。一项转基因工程发现miRNA-195表达导致左室肥厚，ANP、B型脑钠肽、β-M HC高表达并降低心输出量。众多在体、离体试验发现miRNA-1、133、208等参与心肌肥厚过程。由此可见miRNA参与心肌肥厚、心功能损害过程。随着众多研究的关注，越来越多的miRNA将会被发现，其如何使特异的m RNA作用缺失、作用靶点、是否参与编码相关转录信息、如何获得编码功能导致一系列病理生理变化均是未来的研究方向。

3 小 结

心肌肥厚是心肌细胞对外界刺激做出的适应性反应，在一定程度上代偿心脏的射血功能，然而多源、持续的外界刺激引起心肌肥厚不断进展，使心肌氧耗量增加及顺应性降低，最终导致心力衰竭甚至猝死。目前研究表明，导致心肌肥厚的信号通路主要有 Jak-STA T、低分子量 GT Pases、G蛋白、PKC、MAPK、CaN、Wnt、AMPK 和 miRNA 信号通路，且各信号通路及信号通路效应子之间相互作用。因此，全面而深入地探明心肌肥厚发生、发展的细胞信号网络机制对临床防治各种病因的心肌肥厚及开发逆转心肌肥厚的有效药物均具有十分重要的理论意义和实用价值。

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