HEY基因家族在哺乳动物心血管发育中的作用

化 冰 杨梦晗 池亚菲 王 超

(首都医科大学基础医学院实验动物学系，北京100069)

1922年，研究者［1］在果蝇中发现了一类具有转录抑制作用的基因，由于这类基因负责其躯干、肢体和翅膀上与感觉神经功能有关的鬃毛或毛发发育，因此被命名为Hairy基因。Hairy类基因编码的蛋白质为一种具有碱性螺旋-环-螺旋结构的转录抑制因子，因此统称为Hairy相关蛋白［2］。随后，在哺乳动物体内也发现了一类与Hairy相关蛋白结构和功能相似的HEY(Hairy and enhancer-of-split related with YRPW motif)基因。近年来研究［3］显示，HEY基因家族通过介导Notch信号系统影响心脏发育，与人类心脏瓣膜形成，心肌及大血管发育密切相关，如HEY2基因突变会引起人类诸多类型先天性心脏病。本文主要综述了HEY基因家族在人类心血管发育中的作用。

1 HEY基因家族及其编码蛋白的特点

1999年，Leimeister C等［4］在小鼠肾脏发育早期调节基因中，发现了一类编码蛋白结构与Hairy相关蛋白相似的基因，分别命名为HEY1、HEY2和HEYL (Hey-Like)，统称HEY基因家族。该家族编码蛋白质均属具有碱性螺旋-环-螺旋(basic helix-loop-helix，bHLH)的转录因子。蛋白结构分析［5］表明，HEY蛋白家族与其他的Hairy相关蛋白结构存在差异，导致其与DNA的结合存在特异性，因此被归为新的蛋白亚家族。其差别在于：①HEY1和HEY2的C-端的4个氨基酸序列不同于Hairy相关蛋白;HEYL则因为没有该基因序列而被称为Hey-Like基因;② Hairy相关蛋白bHLH结构域的碱性区依赖脯氨酸与DNA特异性结合，而HEY家族为甘氨酸;③HEY蛋白的C-端有一个特异的TE(I/V)GAF结构域。

2 HEY基因家族在哺乳动物心血管发育中的作用

2.1 在心脏发育中的作用

HEY基因家族参与了哺乳动物心脏发育，但所承担的角色和重要性有别。HEY1在心脏发育早期仅在心房细胞中表达，HEY2则在心室细胞中表达［6］。在出生后，HEY1和HEY2在心脏中的表达就逐渐减退［7］。当分别敲除小鼠HEY1和HEYL基因后，并不影响小鼠繁殖，且心血管系统也未表现功能异常［8］。但HEY2基因敲除后情况发生了变化，Kokubo H等［9］研究发现，HEY2－/－小鼠表现出严重的心血管畸形，包括法洛四联症、三尖瓣狭窄或闭锁或室间隔缺损等心脏畸形。在出生后早期，大部分纯合突变小鼠死于充血性心力衰竭并伴有心脏的明显扩大。对生后5 d的纯合突变小鼠行超声心动图检查发现有二尖瓣和三尖瓣返流，膜部室间隔缺损，继发孔房间隔缺损等畸形所导致的血流动力学异常。

1)参与心脏瓣膜的形成：心脏瓣膜形成的主要过程是瓣膜形成位置的内皮细胞特化、增生并分化为间质细胞，被称为内皮-间质转化(endothelial-to-mesenchymal transformation，EMT)［10］。单 独 研 究［11］HEY2－/－小鼠发现，HEY2－/－小鼠房室瓣的发育异常，HEY2－/－小鼠表现出一系列与瓣膜发育失控相关的心脏畸形，包括法洛四联症、三尖瓣闭锁和室间隔缺损。说明HEY2基因表达对心脏瓣膜的形成是必需的。HEY1和HEY2双敲除小鼠则仅有很少的细胞能进行EMT，提示HEY1和HEY2在EMT过程中均起作用。

研究［12］显示，在人类法洛四联症患儿HEY2基因的5个外显子中，未发现突变位点，只发现2个新的杂合性同义突变位点，说明HEY2基因可能不是人类法洛四联症发病的相关基因。其发病机制有待于深入研究。

2)参与心肌正常发育：HEY2在小鼠心肌细胞的正常发育中起重要作用，而且HEY1基因与HEY2基因之间的相互作用对心肌小梁的形成和维持是必需的。Kokubo H等［11］发现，HEY1－/－和HEY2－/－小鼠均表现出心室肌小梁的缺陷。实验初期，小鼠心室腔具有致密部和小梁部，其后小梁部心肌细胞凋亡，导致肌小梁的形成不良。正常情况下，如果二尖瓣出现返流，则左心室的收缩功能会代偿性增加。HEY2－/－小鼠超声心动图检查发现该类小鼠存在二尖瓣返流，但左心室收缩功能却降低了［13］。研究［14］发现HEY2－/－小鼠心肌细胞出现线粒体形态异常，糖原颗粒堆积和肌原纤维组织破坏等问题。存活的HEY2－/－小鼠有轻度畸形表现，且超声心动图表现出左心室射血分数的降低［15］。据此推测该小鼠心肌细胞发育不良是左心室收缩功能降低的主要原因。

2.2 在血管发育中的作用

在血管内皮细胞发育过程中，3种HEY基因表达有重叠结构域，提示它们之间功能上互补。成年小鼠血管损伤后，HEY2基因有调节血管平滑肌增生和迁移的功能［16］，而HEY2－/－小鼠未表现血管发育异常。HEY1－/－和 HEY2－/－小鼠胚胎表现出严重的血管畸形，血管畸形虽然不影响血管的初始形成，但会导致胚胎和卵黄囊中重要大血管的缺失。在正常小鼠胚胎大血管的发育形成过程中，左右背侧动脉向下向后融合为腹侧的降主动脉继而与前主静脉相连，HEY1－/－、HEY2－/－小鼠左右背侧动脉发育不良，其通过毛细血管及其他分支血管代替降主动脉发育直接与前主静脉相通，这一发现与斑马鱼grl基因突变或敲除的血管表现极为相似。与小鼠HEY2基因同源的斑马鱼gridlock(grl)基因突变后，斑马鱼表现出背侧躯干至尾部的血流中断［17］。由此可见，HEY基因是血管发育的关键基因之一。

3 HEY基因家族是Notch信号的重要靶基因

Notch信号通路在脊椎动物和无脊椎动物中高度保守，它在决定细胞的分化上起关键作用。Notch信号通路主要由 Notch受体、Notch配体和 RBP-Jκ (RBP-J kappa associated molecular)等组成。其中RBP-Jκ是DNA转录因子，也称CSL。哺乳动物分别有4种Notch受体(Notch1～4)和5种配体(Deltalike1、3、4和Jagged1、2)。当Notch受体与相邻细胞间的Notch配体结合后，通过早老素依赖的蛋白水解效应，Notch受体被蛋白酶切割，释放Notch胞内结构区(Notch intercellular domain，NICD)，进入细胞核在MAML转录复合物(MAML transcription complex)的作用下，与RBP-Jκ结合，使其由转录抑制物转变为激活物，调节下游靶基因HEY基因家族表达(Notch信号通路详见图1)。目前促进NICD释放的蛋白酶为γ—促分泌酶抑制剂DAPT，激活Notch途径可通过加入其重组的受体蛋白实现，如重组大鼠 Jagged1蛋白［18］。

目前已经证实，Notch受体在心血管系统有表达［19］。甄一松等［3］通过对小鼠的研究，发现Notch信号对于心室壁小梁心肌细胞的增生和分化起到非常关键的作用。Notch信号通路促进了血管发育过程中的动脉分化。在Notch配体Delta-like4的刺激下，激活Notch信号可诱导动脉内皮细胞表达的特异性标志如ephrinb2的表达［6］。

图1 Notch信号通路Fig.1 Notch signaling lineNICD：notchintercellular domin;RBP-J：RBP-J kappa associated molecular.

秦亚录等［20］通过对Notch信号通路的研究可知，在HEY基因家族中，HEY1、HEY2、HEYL均受到Notch信号调节，且是Notch为数不多的靶基因。HEY基因家族的所有基因也都在血管中表达［21］，其表达始于血管形成早期，其中HEY1的表达限制在内皮层，而HEY2和HEYL则在平滑肌细胞层中优势表达。HEY基因家族在 Notch胞内结构区 NICD与转录因子RBP-Jκ结合后被激活，作用于心血管系统影响其发育，如Notch信号的配体Jagged1突变小鼠均在胚胎期死于严重的血管畸形，提示了HEY基因家族介导Notch信号通路在血管形成、构建及动静脉分化中的作用［22］。由于HEY2－/－小鼠与人类Jagged1突变表型相似，而Jagged1是Notch的5种配体之一。因此可能是由HEY2基因缺失造成Notch信号通路传递障碍引起的心肌肥厚和心肌纤维紊乱。有研究［23］发现，HEY2－/－小鼠虽然没有导致心肌肥厚，但是出现左右心腔扩大，心房基因的错位表达。Pedrazzini实验室最近研究［24］表明，HEY基因家族介导Notch信号通路还参与了心肌肥厚形成过程中胁迫环境下的心肌保护。因此可以认为HEY基因家族是血管系统Notch途径中主要的转换分子。

综上所述，HEY基因在心血管发育中起到重要作用，尤其是HEY2基因的突变可引起多种先天性心脏病与心血管畸形的发生，但具体的作用机制有待于进一步研究，对HEY2基因功能的诠释有助于了解先天性心脏病与心血管畸形等疾病发生的规律和研究新的治疗方案。

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