信号转导及转录激活因子3与心肌重塑的研究进展

崔传珏， 魏英杰

(中国医学科学院北京协和医学院心血管病研究所,阜外心血管病医院，卫生部心血管疾病再生医学重点实验室， 北京 100037)

信号转导及转录激活因子3与心肌重塑的研究进展

崔传珏， 魏英杰△

(中国医学科学院北京协和医学院心血管病研究所,阜外心血管病医院，卫生部心血管疾病再生医学重点实验室， 北京 100037)

信号转导及转录激活因子3； 心肌重塑； 信号转导

信号转导及转录激活因子(signal transducer and activator of transcription, STAT)是一组存在于胞浆并在激活后能转入核内的DNA结合蛋白家族，具有信号转导和转录调控的功能。哺乳动物中已发现7种： STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5A、STAT5B和STAT6。STAT蛋白是JAK(Janus kinase)/STAT通路中重要的JAK的底物。JAK是一类非跨膜型的酪氨酸激酶，共有4个成员：JAK1、JAK2、JAK3和TYK2。STAT蛋白广泛表达于机体不同类型的细胞和组织中，参与细胞生长、分化、凋亡等多种生理功能的调控[1]。在正常情况下，STAT蛋白的激活表达是短暂的，而在心肌受损的病理过程中，可有STAT3的持续活化。心肌重塑是机体在心肌细胞的前后负荷过重情况下所采取的一种代偿方式，是引起心力衰竭的重要机制，本文就STAT3在不同原因引起的心肌重塑中的作用作一综述。

1 STAT3的结构与功能

STAT3是在1994年作为IL-6信号传递中的急性期反应因子被纯化出来的。编码STAT3的基因在人类定位于第17号染色体。STAT3蛋白大约有770个氨基酸组成，分子量约为90 kD。现已发现3种STAT3的异构体：STAT3α(即一般意义所指的STAT3)、STAT3β和STAT3γ。其基本结构可分为6个结构域：氨基末端结构域(amino-terminal domain，NH2)、螺旋-螺旋结构域(coiled-coiled domain，CCD)、DNA结合域(DNA-binding domain, DBD)、连接结构域(linker domain，LD)、SH2结构域(Src-homology-2 domain,SH2)、羧基端转录激活区(transcription activation domain, TAD)[2]。其中，SH2结构域是结构上最保守和功能上最重要的部分，其功能为：(1)参与STAT3的酪氨酸磷酸化(Y705磷酸化位点是STAT3活化的标志);(2)在STAT3的二聚体形成中起重要作用。STAT3的羧基端有1个丝氨酸磷酸化位点(Ser727)，是多种丝氨酸激酶的底物，其磷酸化水平可调节STAT3转录活性。STAT3是STAT家族的重要成员，在不同细胞和组织中广泛表达，是潜在的细胞质转录因子，可参与细胞存活、肥厚增生、能量代谢、新生血管的生成以及炎症过程等的调控。

2 STAT3的信号通路

2.1STAT3信号通路的激活 STAT3蛋白参与了多种细胞因子的信号转导过程，包括gp130受体家族、IFN受体家族。STAT3能被受体酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinases, RTKs)激活，如表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor,EGFR)、血小板源性生长因子受体(platelet-derived growth factor receptor,PDGFR)等，也能被非受体酪氨酸激酶(non-receptor tyrosine kinases, NRTKs)如JAK、Src、Ab1等激活[3]。给予小鼠红细胞生成素发生心梗后发现STAT3也可通过促红细胞生成素受体(erythropoietin -receptor，EpoR)激活[4]。另外，瘦素通过瘦素受体可激活STAT3，血管紧张素Ⅱ(angiotensinⅡ，AngⅡ)可通过AngⅡ的1型受体(AT1R)激活STAT3[5]。

细胞因子等配体与相应受体结合后，首先诱发受体的二聚化，在胞浆内结合JAK并引发自身和JAK的酪氨酸磷酸化。磷酸化的受体或JAK募集胞浆内的STAT3，使STAT3发生酪氨酸磷酸化而活化。活化的STAT3离开受体，通过分子间SH2区与酪氨酸磷酸化位点相互作用，在胞浆内形成同源或异源二聚体。STAT3蛋白二聚体迅速转位入核，结合在特定基因的启动子上，诱导相应基因表达[6]。

生长因子类受体(如EGFR等)本身就具有内在的酪氨酸激酶活性，与其配体结合而活化后，使 STAT3磷酸化。而非受体酪氨酸激酶则可直接引起STAT3酪氨酸磷酸化从而激活该信号通路，并且，激活途径间还具有协同作用，如PDGF可通过Src激活STAT3；而Src和JAK可协同介导STAT3持续活化[7]。

2.2STAT3信号通路的调节 (1)正调节：STAT3分子的Ser727磷酸化位点发生磷酸化，可使其获得最大的转录活性。另外,在受体水平也存在正调节机制，当配体和相应受体结合并活化后，其邻近的受体可通过交互磷酸化，或使非特异抑制因子的作用下调，从而加强信号通路。(2)负调节： STAT在发挥其信号转导作用的同时，也启动了该途径的负反馈环路，从而使STAT通路得到平衡与控制。目前已经清楚，至少有3 种蛋白质家族参与STAT 信号通路的负调节[8],它们是细胞因子信号抑制因子(suppressors of cytokine signaling，SOCS)、蛋白酪氨酸磷酸酶(protein tyrosine phosphatase，PTP)和STAT 活化抑制蛋白 (protein inhibitors of activated STAT，PIAS)。(3)STAT3信号通路与其它信号通路的交互作用：细胞内信号通路十分复杂，往往多条通路之间存在交叉，并可相互作用。如丝裂原激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)信号通路可对STAT3通路具有抑制作用。

3 STAT3在心肌重塑中的作用

目前，认为心肌重塑是心力衰竭病理发展过程中的基本机制和前兆。心肌重塑是心肌对心肌损伤及心脏超负荷的一种反应,反映了生长促进因子(如细胞因子、生长因子、血管紧张素等) 及内源性生长抑制因子(如心钠素、缓激肽及NO等) 之间效应的失衡。目前已有证明，STAT3参与心肌重塑的过程。

3.1STAT3与心肌肥大 在多种刺激引起的心肌肥大过程中，JAK/STAT3信号通路起着关键作用。Uozumi等[9]应用腹主动脉结扎制作小鼠压力负荷型心肌肥大模型中，发现gp130基因敲除的转基因小鼠的心脏重量指数(心重/体重)﹑心室壁厚度及心肌细胞横截面积及心肌组织脑钠肽(brain natriuretic peptide, BNP)表达与野生型小鼠相比均明显减弱,压力负荷可使野生型小鼠心肌的STAT3及ERK活化，而在gp130基因敲除的转基因小鼠的心肌中，压力负荷可显著抑制STAT3的活化，而不能抑制 ERK的活化程度。结果表明，STAT3通路在压力负荷诱导的心肌肥大的过程中具有重要作用。心肌特异性过表达STAT3基因的转基因小鼠可引起心肌呈自发的同心性肥大[10]，提示STAT3在心肌细胞生长中发挥重要作用。Yasukawa等[11]分别利用主动脉缩窄法和加入白血病抑制因子(leukemia inhibitory factor,LIF)制作体内和体外的心肌肥大模型，发现在体内实验中，急性反应期3 h和肥大反应期2 d可激活STAT3，同时激活gp130/JAK/STAT3的负调节因子SOCS3，说明STAT3和SOCS3关系密切；在体外实验中，发现LIF可激活gp130受体，当过表达SOCS3后，可抑制LIF诱导的心肌细胞肥大，并可抑制gp130的下游信号通路，包括STAT3通路,这些结果提示，SOCS3的负反馈调节和STAT3通路的激活之间的平衡作用，在心肌肥大转向心衰过程中起重要作用。从而抑制心肌肥大的生成。LIF主要是引起心肌的扩张性肥大，提示STAT3可能参与心肌细胞的结构变化。心肌过表达STAT3基因的转基因小鼠可明显表现心肌肥大，提示，STAT3信号通路的激活是心肌肥大发生的重要机制之一。但是，STAT3的活化和生理表现在心肌肥大的机制中，还不是十分清楚，有待进一步研究。

3.2STAT3与心肌细胞存活 有研究表明，心肌特异性过度表达STAT3基因的转基因小鼠能够耐受阿霉素引起的心肌损伤，直接证明了STAT3信号通路介导了心肌内源性细胞保护作用。有些学者认为这种保护作用的机制与STAT3上调锰超氧化物岐化酶(manganese superoxide dismutase, MnSOD)、抗凋亡蛋白Bcl-XL和细胞保护蛋白HSP70有关[12,13]。Lu等[14]在用H2O2预处理引起的心肌细胞适应性保护中，发现也有STAT3的高表达，证明了STAT3参与了心肌细胞的适应性保护作用。

3.3STAT3与线粒体能量代谢 心脏是一个高度需氧和耗能的器官，能量物质充分供应是维持心肌细胞正常功能和完整结构的保证。线粒体则是机体重要的“能量工厂”，因此，线粒体的生物能量功能在维持心肌功能和能量代谢中至关重要。

最近研究表明,STAT3在线粒体的能量产生过程中具有直接影响。维甲酸/干扰素诱导死亡相关基因(genes associated with retinoid-interferon-induced mortality,GRIM)-19的表达产物是纯化的线粒体呼吸链复合物I的组成成分，它可抑制STAT3的转录活性[15],Wegrzyn等[16]研究发现GRIM-19蛋白和STAT3的结合与STAT3的线粒体定位相关。在线粒体中，STAT3与含有GRIM-19蛋白的线粒体呼吸链复合物Ⅰ和Ⅱ相互作用，通过氧化磷酸化产生能量，并且STAT3主要是通过Ser727磷酸化位点来影响线粒体的功能。

3.4STAT3与缺血和缺血-再灌注损伤(ischemia/reperfusion injury, I/R) 在缺氧和心肌缺血情况下，能增加IL-6类细胞因子和gp130的表达，提示这条通路在I/R中起重要作用[17]。McCormick等[18]在进行大鼠缺血-再灌注的在体实验中，发现STAT3在缺血25 min时其酪氨酸磷酸化水平与假手术组比有明显升高，再灌注30 min可进一步升高，至少可持续6 h。过表达STAT3的转基因小鼠，在缺血1 h、再灌注2 h以及缺血30 min、再灌注24 h后，与野生型小鼠相比，心梗面积可减小[19]。另外， STAT3过表达的转基因小鼠在心梗2周的梗死面积比野生型的要小[20]。在STAT3基因敲除(STAT3-KO)小鼠中发现，在缺血30 min、再灌注2 h没有变化[21]，而在缺血1 h、再灌注24 h的心梗面积比野生型小鼠大[22]。STAT3-KO小鼠的存活率在第一个月与野生型小鼠差不多，到心梗慢性期，死亡率开始增加，提示STAT3在防止心肌重塑中起重要作用。

缺血预处理(ischemic preconditioning, IPC)是指反复短暂的缺血发作可使心肌在后续较长时程缺血中得到保护，从而减少心肌I/R所引起的心肌细胞损伤。在IPC的早期阶段，JAK2和STAT3广泛磷酸化，上调抗凋亡基因Bcl-2，下调促凋亡基因Bax，促进缺血后心室收缩功能的恢复，减少心肌细胞凋亡和心梗面积，预先使用JAK2抑制剂AG490，上述作用可完全被取消，提示JAK2/STAT3信号通路在早期IPC心肌保护中起重要作用[23]。在IPC后期阶段，STAT3的磷酸化水平及DNA结合活性增加，以及iNOS活性上调，提高了心肌细胞对缺血刺激的适应性，有利于心肌细胞对缺血的耐受，进而减少心梗面积[24]。因此，STAT3在心梗心脏的心肌保护机制中起重要作用。

3.5STAT3与炎症 STAT3作为一种转录因子，在炎症的发生发展过程中起着重要的调控作用。以往研究表明， STAT3可促进细胞因子的促炎症反应。但是，最近的研究表明，STAT3还参与抗炎作用，在IL-10和IL-11诱导下，通过与受体上的暂时锚靠位点结合而活化。活化的STAT3激活某些控制炎症靶点转录的基因,发挥抗炎症作用[20]。

3.6STAT3与心肌血管生成和细胞外基质(extracellular matrix , ECM) STAT3在调节心肌血管生成和组成中，也是一个关键的调节因子。完全敲除STAT3基因，可导致小鼠在胚胎发育早期(E6.5-7.5)，尤其是在胚胎血管形成之前死亡[25]。内皮细胞特异性STAT3基因敲除小鼠(Tie2-Cretg/-,STAT3flox/flox)，可在发育早期(E8)时将血管内的STAT3消除，但并没有发现明显的血管缺陷[26]。说明内皮的STAT3信号通路在血管形成发育中并未发挥作用。

然而，很多证据表明，STAT3在血管生成中起旁分泌介质作用。如心肌细胞特异性过表达STAT3，可增加毛细血管密度和升高血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)以及血管内皮(VE)-钙黏蛋白的表达[27]。幼年STAT3-KO小鼠的毛细血管密度减少且ECM组成发生改变，到成年后可发生心衰[28]。成年STAT3-KO小鼠的基质金属蛋白酶抑制因子-1(tissue inhibitor of metalloproteinases-1, TIMP-1)升高,可促进成纤维细胞的增殖[29]。另外，STAT3-KO小鼠的腱糖蛋白-C(tenascin-C, TNC)和纤溶酶原激活物抑制剂1(plasminogen activator inhibitor-1, PAI-1)有高表达[21]。在这个实验的基础上，Nishioka等[30]发现，TNC-KO小鼠心梗后可增速心室的重塑和增加剩余心肌的纤维化程度,同样，Zaman等[31]最近在心梗小鼠中发现PAI-1也可以增加左心室的纤维化。STAT3-KO小鼠可以增加心肌间质纤维化和胶原沉积，打破了ECM的动态平衡。因此，心肌细胞的STAT3是通过旁分泌方式参与调节心肌血管生成和ECM组成的过程。

3.7STAT3与心力衰竭 不同病因引起心力衰竭的病人，其心脏在晚期阶段STAT3表达和激活程度均减弱。另外，STAT3的上游激活因子，尤其是IL-6家族，如LIF和心肌营养素(cardiotrophin1,CT-1)在心力衰竭病人的血清中有高表达。Zolk等[32]发现，在心力衰竭病人的心脏中，CT-1的mRNA和蛋白水平均明显增高，而gp130受体蛋白却明显减少，提示心力衰竭时，gp130受体下调消除了CT-1过度表达对JAK/STAT通路的激活作用。因此，gpl30的丧失引起STAT3信号下调可能是肥大心肌转向衰竭的重要原因之一。

起负调节作用的SOCS家族在心力衰竭发生中也参与调节。在心力衰竭晚期患者的心脏中SOCS1蛋白表达增加，SOCS3降低[33]。压力负荷可诱导心肌SOCS3的表达上调，腺病毒载体介导的SOCS3基因转染心肌细胞可完全抑制LIF诱导的心肌细胞肥大[11]。因此，研究肥大心肌转向衰竭过程中JAK/STAT通路的负反馈调节通路，对阐明肥大心肌发生衰竭的机制和心力衰竭的防治同样具有重要意义。

4 总结与展望

综上所述，STAT3参与促进心肌细胞存活、心肌能量代谢、血管生成和ECM重塑等方面的调节。大量的动物实验和临床研究证实心力衰竭时有STAT3表达下调，表明STAT3在防止心肌重塑过程中发挥着重要作用。gp130/STAT3信号通路的激活，触发了心肌内源性的保护机制，抑制了心肌细胞凋亡并促进了心肌血管生成，为防治缺血性心脏病和心力衰竭提供了一个新思路。因此，了解如何调控STAT3信号通路以及在心肌重塑中STAT3的下游机制，将有助于我们最大程度地保护心脏，同时将有害程度降到最低。

[1] 孙 莹,于 浩,张 灵,等.STAT3-siRNA对胃癌细胞株SGC-7901增殖与凋亡的影响[J].中国病理生理杂志，2010，26(2)：393-395

[2] Vinkemeier U, Moarefi I, Darnell JE Jr, et al. Structure of the amino-terminal protein interaction domain of STAT-4[J].Science,1998,279(5353):1048-1052.

[3] Al Zaid Siddiquee K, Turkson J. STAT3 as a target for inducing apoptosis in solid and hematological tumors[J].Cell Res,2008,18(2):254-267.

[4] Li Y，Takemura G, Okada H, et al. Reduction of inflammatory cytokine expression and oxidative damage by erythropoietin in chronic heart failure[J].Cardiovasc Res,2006,71(4):684-694.

[5] McGaffin KR，Zou B, McTiernan CF, et al. Leptin attenuates cardiac apoptosis after chronic ischaemic injury[J].Cardiovasc Res,2009, 83(2):313-324.

[6] Horvath CM. STAT proteins and transcriptional responses to extracellular signals[J].Trends Biochem Sci,2000,25(10):496-502.

[7] Bowman T, Garcia R, Turkson J, et al. STATs in oncogenesis[J].Oncogene, 2000,19(21):2474-2488.

[8] Dabir S, Kluge A, Dowlati A. The association and nuclear translocation of the PIAS3-STAT3 complex is ligand and time dependent[J].Mol Cancer Res, 2009,7(11):1854-1860.

[9] Uozumi H，Hirai Y，Zou Y，et al.gp130 plays a critical role in pressure overload-induced cardiac hypertrophy[J].J Biol Chem,2001,276(25): 23115-23119.

[10]Kunisada K, Negoro S, Eiroh T, et al. Signal transducer and activator of transcription 3 in the heart transduces not only a hypertrophic signal but a protective signal against doxorubicin- induced cardiomyopathy[J].Proc Natl Acad Sci USA,2000,97(1):315-319.

[11]Yasukawa H, Hoshijima M, Gu Y, et al. Suppressor of cytokine signaling-3 is a biomechanical stress-inducible gene that suppresses gp130-mediated cardiac myocyte hypertrophy and survival pathways[J].J Clin Invest,2001, 108(10):1459-1467.

[12]Stephanou A, Latchman DS. Transcriptional regulation of the heat shock protein genes by STAT family transcription factors[J].Gene Expr,1999, 7(4-6):311-319.

[13]Yamauchi-Takihara K, Kishimoto T. A novel role for STAT3 in cardiac remodeling[J].Trends Cardiovasc Med,2000,10(7):298-303.

[14]Lu Y, Zhou J, Xu C, et al. JAK/STAT and PI3K/AKT pathways form a mutual transactivation loop and afford resistance to oxidative stress-induced apoptosis in cardiomyocytes[J].Cell Physiol Biochem, 2008, 21(4):305-314.

[15]Lu H, Cao X. GRIM-19 is essential for maintenance of mitochondrial membrane potential[J].Mol Biol Cell, 2008,19(5):1893-1902.

[16]Wegrzyn J, Potla R, Chwae YJ, et al. Function of mitochondrial Stat3 in cellular respiration[J].Science, 2009, 323(5915):793-797.

[17]Chandrasekar B, Mitchell DH, Colston JT, et al. Regulation of CCAAT/Enhancer binding protein, interleukin-6, interleukin-6-receptor, and gp130 expression during myocardial ischemia/reperfusion[J].Circulation,1999, 99(3):427-433.

[18]McCormick J, Sean PB, Ahila S, et al. Free radical scavenging inhibits STAT phosphorylation followinginvivoischemia/reperfusion injury[J].FASEB J, 2006,20(12):2115-2117.

[19]Oshima Y, Fujio Y, Nakanishi T, et al. STAT3 mediates cardioprotection against ischemia/reperfusion injury through metallothionein induction in the heart[J].Cardiovasc Res, 2005, 65(2):428-435.

[20]Obana M, Maeda M, Takeda K, et al. Therapeutic activation of signal transducer and activator of transcription 3 by interleukin-11 ameliorates cardiac fibrosis after myocardial infarction[J].Circulation,2010,121(5):684-691.

[21]Boengler K, Buechert A, Heinen Y, et al. Cardioprotection by ischemic postconditioning is lost in aged and STAT3-deficient mice[J].Circ Res,2008, 102(1):131-135.

[22]Hilfiker- Kleiner D, Hilfiker A, Fuchs M, et al. Signal transducer and activator of transcription 3 is required for myocardial capillary growth, control of interstitial matrix deposition, and heart protection from ischemic injury[J].Circ Res,2004,95(2):187-195.

[23]Negoro S, Kunisada K, Eiroh T, et al. Activation of JAK/STAT pathway transduces cytoprotective signal in rat acute myocardial infarction[J].Cardiovasc Res,2000,47(4):797-805.

[24]Smith RM, Suleman N, Lacerda L, et al. Genetic depletion of cardiac myocyte STAT-3 abolishes classical preconditioning[J].Cardiovase Res,2004, 63(4):611-616.

[25]Takeda K, Noguchi K, Shi W, et al. Targeted disruption of the mouseStat3 gene leads to early embryonic lethality[J].Proc Natl Acad Sci USA,1997, 94(8):3801-3804.

[26]Kano A, Wolfgang MJ, Gao Q, et al. Endothelial cells require STAT3 for protection against endotoxin-induced inflammation[J].J Exp Med,2003, 198(10):1517-1525.

[27]Osugi T, Oshima Y, Fujio Y, et al. Cardiac-specific activation of signal transducer and activator of transcription 3 promotes vascular formation in the heart[J].J Biol Chem,2002,277(8):6676-6681.

[28]Jacoby JJ, Kalinowski A, Liu MG, et al. Cardiomyocyte-restricted knockout of STAT3 results in higher sensitivity to inflammation, cardiac fibrosis, and heart failure with advanced age[J].Proc Natl Acad Sci USA,2003, 100(22):12929-12934.

[29]Ahmed MS, Øie E, Vinge LE, et al. Connective tissue growth factor-a novel mediator of angiotensin II-simulated cardiac fibroblast activation in heart failure in rats[J].J Mol Cell Cardiol,2004,36(3):393-404.

[30]Nishioka T, Onishi K, Shimojo N, et al. Tenascin-C may aggravate left ventricular remodeling and function after myocardial infarction in mice[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol,2010,298(3):H1072-H1078.

[31]Zaman AK, French CJ, David JS, et al. A profibrotic effect of plasminogen activator inhibitor type-1(PAI-1) in the heart[J].Exp Biol Med,2009, 234(3):246-254.

[32]Zolk O, Ng LL, O’Brien RJ, et al. Augmented expression of cardiotrophin-1 in failing human hearts is accompanied by diminished gp130 receptor protein abundance[J].Circulation,2002,106(12):1442-1446.

[33]Podewski EK, Hilfiker-Kleiner D, Hilfiker A, et al. Alterations in Janus kinase(JAK)-signal transducers and activators of transcription(STAT) signaling in patients with end-stage dilated cardiomyopathy[J].Circulation,2003, 107(6):798-802.

Signaltransducerandactivatoroftranscription3incardiacremodeling

CUI Chuan-jue, WEI Ying-jie

(KeyLaboratoryofCardiovascularRegenerativeMedicine,MinistryofHealth,CardiovascularInstituteandFuwaiHospital,CAMSandPUMC,Beijing100037,China.E-mail:weiyingjie@yahoo.com)

Signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3), a kind of potential nuclear factor in cytoplasm, is involved in myocardial protection and hypertrophy, and impacts on the vasculature and the extracellular matrix (ECM) via paracrine pathways. By collecting numerous data from experimental and clinical studies, we provide an overview on STAT3 signaling and summarize the current understanding of the role of STAT3 in cardiac remodeling in this review.

Signal transducer and activator of transcription 3; Cardiac remodeling; Signal transduction

1000-4718(2011)04-0808-05

R364.1

A

10.3969/j.issn.1000-4718.2011.04.037

2010-07-27

2010-10-27

△ 通讯作者 Tel:010-88398494; E-mail: weiyingjie@yahoo.com