转化生长因子-β/Smad信号通路在胸主动脉瘤中的研究进展*

李金综述，项海燕、唐燕华审校

转化生长因子-β/Smad信号通路在胸主动脉瘤中的研究进展*

李金综述，项海燕、唐燕华审校

转化生长因子-β（TGF-β）/Smad 信号通路主要作用包括：机体细胞增殖抑制、调节免疫功能和维持细胞外基质稳态等。近年来，已有大量文献报道该通路上的基因突变可能与胸主动脉瘤（TAA）发病相关。本文简要地回顾了通路的组成及信号转导过程，并重点介绍信号通路上的基因突变与胸主动脉瘤的关系及其相关的发病机理，为后继临床研究提供参考。

胸主动脉瘤;基因突变;发病机制;转化生长因子-β（TGF-β）;Smad

胸主动脉瘤（thoracic aortic aneurysm，TAA）是指胸主动脉病理性的扩张，超过正常血管直径50%的一类临床上较常见的主动脉疾病，其诊断若不及时或延误治疗，可最终导致并发症的出现而危及生命。然而，95%的TAA在急性事件如主动脉夹层（aortic dissection，AD）或动脉瘤破裂等并发症发生以前，患者通常在临床上不表现出明显的阳性症状[1]，因而其病程进展容易被忽视。TAA每年平均扩张 0.1～0.29 cm，一旦其达到或超过一定大小时（升主动脉 5.5 cm，降主动脉6.5cm），则出现夹层、破裂及死亡等并发症的风险急剧增加[2]，因此对TAA 易感人群的判定、疾病发展的监控和及时治疗干预则显得尤为重要。TAA病因多且复杂，目前对于其具体的发病机理仍不清楚。已有大量证据表明 TAA 存在遗传易感性，相关基因突变可能是 TAA 发病的高危因素[3]。尤其对于转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）/Smad信号通路在TAA 中的研究，更是成为近年来国内外学者竞相探讨的热点。本文就 TAA 相关疾病筛查 TGF-β/Smad 信号通路的基因突变及其可能的发病机理进行阐述。

1 转化生长因子-β/Smad 信号通路简介

TGF-β/Smad 信号通路是受体耦联丝氨酸/苏氨酸激酶信号转导的重要组成部分，其特点是具有丝氨酸/苏氨酸激酶的活性。通路由 TGF-β 家族，TGF-β受体（transforming growth factor-β receptor,TβR）及受体底物 Smad 蛋白家族组成[4]。

TGF-β 家族是一类分泌性的多肽信号分子，它们在氨基酸序列上高度同源，其中TGF-β1 在细胞中含量最丰富，可介导增殖抑制，诱导凋亡和调节细胞外基质等作用，TGF-β2 则参与调节免疫功能[4]。TβR 根据其结构和功能特点可分为3类：Ⅰ型受体（TβRⅠ）、Ⅱ型受体（TβRⅡ）和Ⅲ型受体（TβRⅢ），三者均为跨膜蛋白。起信号转导作用的是 TβRⅠ和 TβRⅡ，胞内含丝氨酸/苏氨酸激酶结构域，TβRⅢ主要调节 TGF-β 与其他受体结合[4-6]。受体下游信号分子Smad 家族，目前至少发现有9种，可分为受体调节型 Smad(R-Smad )、共同介质型 Smad(Co-Smad )和抑制型 Smad（I-Smad）。其中与 TGF-β/Smad 信号通路相关的R-Smad 主要是指 Smad2 和 Smad3,Co-Smad 在哺乳动物中仅有Smad4，I-Smad主要参与 TGF-β/Smad 信号通路自身负反馈调节[4,5]。

经典的 TGF-β/Smad 通路信号转导过程主要分以下步骤进行：①TGF-β 作为配体，先与 TβRⅡ结合，将其磷酸化激活后再激活 TβRⅠ,完成信号跨膜转导。②TβRⅠ的丝氨酸/苏氨酸激酶结构域活化后，可使下游R-Smad(Smad2/3)磷酸化并激活，其进一步与 Co-Smad（Smad4）结合，形成R-Smad/Co-Smad 复合物并核内转移。③R-Smad/Co-Smad复合物在细胞核内作为转录因子调控靶基因翻译，最终实现信号转导[4,6]。

2 胸主动脉瘤相关疾病概述

TAA 相关的疾病大多为常染色体显性遗传疾病,根据临床表征有无其他组织器官受累可分为综合征型和非综合征型。综合征型常伴有多组织器官受累，主要包括马凡综合征（marfan syndrome，MFS）,洛伊迪茨综合征（loey-dietz syndrome,LDS）,动脉瘤骨关节炎综合征（aneurysms-osteoarthritis syndrome,AOS）和幼年性息肉病综合征(juvenile polyposis syndrome,JPS)等。非综合征类是主要指单纯型或孤立型 TAA，一般可分为散发性 TAA（sporadic thoracic aortic aneurysm，STAA）和家族性 TAA(family thoracic aortic aneurysm，FTAA)等。

MFS 是最早发现的，也是最常见的 TAA 相关结缔组织疾病,其典型临床表现包括：高大身材、漏斗胸、蜘蛛指、细长四肢、晶状体异位、主动脉根部扩张及TAA 等多器官受累[3,6]，其中大部分 MFS 病例被确立与纤维连接蛋白-1基因突变的发生相关[3,7]。LDS 由Loeys 等[8]于2005年首次发现并描述，其临床特征除动脉迂曲、TAA 外还可伴有眼距增宽，悬雍垂/腭裂，颅缝早闭，半透明皮肤和皮肤萎缩性疤痕等异常，其中以颅面部畸形为主的称 LDSⅠ 型，以皮肤表现为主的称 LDSⅡ型[7,8]。AOS 及 TAA 相关的 JPS 则发现的更晚，于近期才被研究者们报道并关注[9-13]。AOS 除动脉迂曲、皮肤和轻度颅面部异常等与 LDS 表型重叠外，还可有早期（特别是婴幼儿期）即出现的 TAA 及骨关节炎等特征[9,11，12]。而JPS 的主要特点是胃肠道具有形成错构瘤性的息肉倾向，常伴有心脏二尖瓣功能异常、轻度胸主动脉扩张及遗传性出血性毛细血管扩张[10，13]。一个家族中有多个成员受累称 FTAA，其中 20% 以上的直系亲属可患有动脉瘤（包括颅内和腹主动脉动脉瘤等）[14]。STAA 则一般无家族史，可能与先天遗传[15]或后天性因素有关。

3 转化生长因子-β/Smad 信号通路上的基因突变与胸主动脉瘤

经典 TGF-β/Smad 信号通路的完整性是保证该通路信号转导的前提，通路中任一环节蛋白质的表达异常或相关基因的突变，都可能成为 TAA 发病的契机（ 表1）。

表1 TGF-β/Smad 信号通路上的基因突变与胸主动脉瘤的关系

3.1转化生长因子-β基因(TGFB)突变

TGF-β 由 TGFB 编码，其可作为配体启动整个通路信号转导。TGFB2 定位于人类染色体 1q41,用于编码翻译TGF-β2。自2012年 ，Boileau 等[16]首次在 FTAA 伴有轻度MFS表型的家族中检测出 TGFB2 突变以来，在 TAA 人群中开展 TGFB2 突变的研究已取得了较多突破。Renard 和他的同事利用直接测序法在146个 STAA 患者中发现了4种杂合突变[15]。Lindsay 等[17]在8个 LDS 家庭中也同样检测出了6种杂合突变，并在转染的小鼠模型中证实了 TGFB2 突变能引起小鼠主动脉根部瘤。这些突变被认为导致 TGFB2 功能丧失[15，16]或 mRNA 的衰变增强[17]。而对于其他 TGF-β 家族基因突变，国内外尚未报道。因此 TGFB2 突变可使信号转导在起始端受阻，并可能为 STAA，FTAA 及 LDS 发病的遗传易感因素之一。

3.2转化生长因子-β受体基因（TGFBR1/2）突变

TβRⅠ 和 TβRⅡ 均为跨膜蛋白，分别由 TGFBR1 和TGFBR2 编码表达。TGFBR1 定位于人类染色体 9q33-34,具有9个外显子，而 TGFBR2 定位于人类染色体 3p24-25，具有7个外显子，目前在 LDS、FTAA 等 TAA 患者中至少已检测出8种 TGFBR1[7,18,19]及27种 TGFBR2[7,19-22]突变。这些突变主要为错义突变，它们大部分都发生在用于编码丝氨酸/苏氨酸激酶结构的外显子区域[7,19-22]，因而可能导致受体激活功能受损。2014年，Gallo 等[23]成功利用两个分别敲除了 TGFBR1 和 TGFBR2 以及一个转染了突变 TGFBR2 的小鼠重现了LDS 的临床表型。这些现象表明 LDS 的发病可能与 TGFBR1/2 突变或功能丧失密切相关。此外，TGFBR2 突变还可在 MFS 患者中被检出，这类伴有 TGFBR2 突变的MFS与典型的 MFS 不同，其临床表现无眼部受累且基因筛查未发现纤维连接蛋白-1基因突变，因而被定义为 MFSⅡ 型[6,7]。综上可知，TGFBR1/2 突变及功能丧失将导致经典 TGF-β/ Smad 通路信号跨膜转运受阻，从而可能提供致病基础。其中TGFBR1/2 突变可能与 LDS、FTAA 等发病密切相关，并且TGFBR2 突变也可作为MFSⅡ 型的诊断要点。

3.3Smad基因（SMAD）突变

Smad 由 SMAD 编码翻译，为受体下游信号分子，介导信号由胞质向核内转导。TAA 人群中 SMAD 突变检测也是近年才逐渐被人们所关注，现已有不少文献报道了SMAD3 及 SMAD4 突变与 TAA 的发病相关[9-13,24]。SMAD3定位于 15q21-22,目前已在13个 AOS 家庭中检测出13种突变，其中有8个发生在介导 Smad3 和 Smad4 聚化形成R-Smad/Co-Smad 复合物的结构域[9,11,24]。SMAD4 定位于18 q21.1,2011年由 Andrabi 等[10]首次在一名有 TAA 家族史的 JPS 患者中检测到一个无义突变。随后，Teekakirikul等[13]在两名 JPS 合并轻度主动脉根部扩张的患者中也发现了重复序列突变和缺失突变。部分突变可诱导 mRNA 衰变加速或过早终止翻译[10,12]。这些信息提示，SMAD3 及SMAD4突变将影响 Smad 的表达及功能，使信号向核内转导受阻，并分别可能是 AOS 和 JPS 发病的遗传易感因素之一。

4 基因突变导致胸主动脉瘤发病的机制探讨：看似矛盾的结论

对于 TGF-β/Smad 信号通路上的基因突变导致 TAA 形成的机理，目前国际上还存有很大争议[17]。一方面研究认为突变可使通路上各蛋白质的功能和表达异常，导致信号转导受阻而引发疾病[7,9-22]。另一方面，在 TAA 小鼠模型及患者的组织蛋白测定的研究中，学者们却意外地发现了 TGF-β信号高表达[17,23,25-29]。该现象进一步说明病变组织中 TGF-β信号高表达可能是 TAA 发病的重要因素之一，这与先前的结果似乎构成了悖论。

4.1信号转导受阻

TGF-β/Smad 通路信号的完整转导，将上调靶基因表达结缔组织生长因子（connective tissue growth factor,CTGF）、纤溶酶原激活物抑制剂-1 (plasminogen activator inhibitor-1，PAI-1)和组织基质金属蛋白酶抑制因子(tissue inhibitor of metalloproteinases,TIMPs)等产物[6,17]。这些产物具有促胶原纤维合成、抗纤溶和抗蛋白水解等功能。另外，Inamoto 等[30]在体外移植培养 TGFRBR2 突变的血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cells，VSMC）中，发现 VSMC 收缩蛋白的表达较对照组明显减少，且成纤维细胞向肌纤维母细胞分化发育受阻。由此可认为完整 TGF-β/Smad 通路的作用可能与促进细胞外基质（extracellular matrix ECM）合成[6]、调节主动脉壁的稳态[17]及维持 VSMC 的正常功能有关，其信号转导受阻将可能导致血管壁的抗损伤和修复能力减弱。

4.2信号高表达

经典 TGF-β/Smad 通路功能丧失如何导致 TGF-β 信号高表达，目前尚无定论。近期的研究主要倾向于反馈调节机制[17,27,31]和 Smad2 自激活[23,32]这两种解释。

反馈调节的发生可能与机体长期缺乏信号转导激活，VSMC 通过补偿性自分泌或旁分泌的方式促使 TGF-β1 表达上调有关[17]，并且这种反馈调节通常呈现过度激活[17,31]。大量证据表明，过表达的 TGF-β1 可绕过经典途径的关键介质激活细胞外信号调节激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）来启动替代途径完成信号转导[17,27]。该通路的靶基因产物主要为基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase, MMP）,是 ECM 中重要的蛋白水解酶，其表达增多将协同激活的纤溶系统加速 ECM 降解[27,28]，从而可能参与血管壁的损伤破坏。

Smad2自激活可能是 TGF-β1 过表达[27]或过度降解的弹性纤维[25]作用的结果，自激活的 Smad2 能进一步上调靶基因表达 CTGF[32]以促胶原纤维合成。因而可推测 Smad2自激活可能是机体为应对血管损伤而产生的自我保护机制。然而这种保护机制矫枉过正，过表达的 CTGF 不仅促进机体产生功能缺陷的胶原纤维[27]，而且可能导致血管壁过度纤维化，其具体过程仍待考究。所以，Smad2 自激活可能也参与了加重血管损伤和退行性变。

总之，TGF-β/Smad 通路信号转导受阻与 TGF-β 信号高表达的两种结论可能并不矛盾，二者在致病过程中有着因果和协同关系。基因突变引发通路信号转导受阻是起因，信号高表达是反馈调节的后果，其介导 ERK 替代途径激活是关键，而血管壁破坏增加和抗损伤能力减弱则是二者协同作用的结局，由此而可能引发TAA。

5 展望

现已有大量文献报道称血管紧张素Ⅱ型受体抑制剂氯沙坦可通过抑制 TGF-β1 的过表达及 ERK 替代途径激活，来减轻小鼠模型 TAA 的进展[23,33]，同样 TGF-β1 中和抗体也能取得良好疗效[17]。由此可知，修改 TGF-β1 上游调控或干预其下游效应可为未来单纯运用药物缓解 TAA 提供可能[27]。目前有关人体的药物治疗还在试验研究中[26]，期待其能有好的结果呈现。此外，对 TAA 患者 TGF-β/Smad 信号通路上的基因突变筛查，有助于对易感人群的判定和 TAA 相关疾病的鉴别诊断，同时可为临床上疾病的监控和个体化管理治疗提供一定的参考价值。

[1] Kuzmik GA, Sang AX, Elefteriades JA. Natural history ofthoracic aortic Aneurysms. J Vasc Surg, 2012, 56: 565-571.

[2] Chau KH, Elefteriades JA. Natural history of thoracic aortic aneurysms: size matters, plus moving beyond size. Prog Cardiovasc Dis, 2013, 56 : 74-80.

[3] Halushka MK. Single gene disorders of the aortic wall. Cardiovasc Pathol, 2012, 21 : 240-244.

[4] 黄文林, 朱孝峰主编. 细胞信号转导与疾病. 第二版. 北京: 人民卫生出版社, 2012. 200-215.

[5] Lönn P, Morén A, Raja E, et al. Regulating the stability of TGFbeta receptors and Smads. Cell Res, 2009, 19 : 21-35.

[6] Jones JA, Spinale FG, Ikonomidis JS. Transforming growth factorbeta signaling in thoracic aortic aneurysm development: a paradox in pathogenesis. J Vasc Res, 2009, 46 : 119-137.

[7] Stheneur C, Collod-Béroud G, Faivre L, et al. Identification of 23 TGFBR2 and 6 TGFBR1 gene mutations and genotype-phenotype investigations in 457 patients with Marfan syndrome type I and II, Loeys-Dietz syndrome and related disorders. Hum Mutat, 2008, 29 : E284-295.

[8] Loeys BL, Chen J, Neptune ER, et al. A syndrome of altered cardiovascular , craniofacial, neurocognitive and skeletal development caused by mutations in TGFBR1 or TGFBR2. Nat Genet, 2005, 37: 275-281.

[9] Regalado ES, Guo DC, Villamizar C, et al. Exome sequencing identifies SMAD3 mutations as a cause of familial aortic aneurysm and dissection with intracranial and other arterial aneurysm. Circ Res, 2011, 109: 680-686.

[10] Andrabi S, Bekheirnia MR, Robbins-Furman P, et al. SMAD4 mutation segregating in a family with juvenile polyposis, aortopathy, and mitral valve dysfunction. Am J Med Genet A, 2011, 155A: 1165-1169.

[11] Wischmeijer A, Van Laer L, Tortora G, et al. Thoracic aortic aneurysm in infancy in aneurysms-osteoarthritis syndrome due to a novel SMAD3 mutation: further delineation of the phenotype. Am J Med Genet A, 2013, 161A: 1028-1035.

[12] van de Laar IM, Oldenburg RA, Pals G, et al. Mutations in SMAD3 cause a syndromic form of aortic aneurysms and dissections with early -onset osteoarthritis. Nat Genet, 2011, 43: 121-126.

[13] Teekakirikul P, Milewicz DM, Miller DT, et al. Thoracic aortic disease in two patients with juvenile polyposis syndrome and SMAD4 mutations. Am J Med Genet A, 2013, 161A: 185-191.

[14] Ripperger T, Tröger HD, Schmidtke J. The genetic message of a sudden, unexpected death due to thoracic aortic dissection. Forensic Sci Int, 2009, 187: 1-5.

[15] Renard M, Callewaert B, Malfait F, et al. Thoracic aortic-aneurysm and dissection in association with significant mitral valve disease caused by mutations in TGFB2. Int J Cardiol, 2013, 165: 584-587.

[16] Boileau C, Guo DC, Hanna N, et al. TGFB2 mutations cause familial thoracic aortic aneurysms and dissections associated with mild systemic features of Marfan syndrome. Nat Genet, 2012, 44: 916-921.

[17] Lindsay ME, Schepers D, Bolar NA, et al. Loss-of-function mutations in TGFB2 cause a syndromic presentation of thoracic aortic aneurysm. Nat Genet, 2012, 44: 922-927.

[18] Breckpot J, Budts W, De Zegher F, et al. Duplication of the TGFBR1 gene causes features of Loeys-Dietz syndrome. Eur J Med Genet, 2010, 53: 408-410.

[19] Drera B, Ritelli M, Zoppi N, et al. Loeys-Dietz syndrome type I and type II: clinical findings and novel mutations in two Italian patients. Orphanet J Rare Dis, 2009, 4: 24.

[20] Kiliç E, Alanay Y, Utine E, et al. Arterial tortuosity and aneurysm in a case of Loeys-Dietz syndrome type IB with a mutation p. R537P in the TGFBR2 gene. Turk J Pediatr, 2012, 54: 198-202.

[21] Gutman G, Baris HN, Hirsch R, et al. Loeys-Dietz syndrome in pregnancy: a case description and report of a novel mutation. Fetal Diagn Ther, 2009, 26: 35-37.

[22] Jamsheer A, Henggeler C, Wierzba J, et al. A new sporadic case of early-onset Loeys-Dietz syndrome due to the recurrent mutation p. R528Cin the TGFBR2 gene substantiates interindividual clinical variability. J Appl Genet, 2009, 50: 405-410.

[23] Gallo EM, Loch DC, Habashi JP, et al. Angiotensin II-dependent TGF-β signaling contributes to Loeys-Dietz syndrome vascular pathogenesis. J Clin Invest, 2014, 124: 448-460.

[24] van de Laar IM, van der Linde D, Oei EH, et al. Phenotypic spectrum of the SMAD3-related aneurysms-osteoarthritis syndrome. J Med Genet, 2012, 49: 47-57.

[25] Gomez D, Al Haj Zen A, Borges LF, et al. Syndromic and nonsyndromic aneurysms of the human ascending aorta share activation of the Smad2 pathway. J Pathol, 2009, 218: 131-142.

[26] van Bogerijen GH, Tolenaar JL, Grassi V, et al. Biomarkers in TAA-the Holy Grail. Prog Cardiovasc Dis, 2013, 56: 109-115.

[27] Ruddy JM, Jones JA, Ikonomidis JS. Pathophysiology of thoracic aortic aneurysm (TAA): is it not one uniform aorta? Role of embryologic origin. Prog Cardiovasc Dis, 2013, 56: 68-73.

[28] Borges LF, Gomez D, Quintana M, et al. Fibrinolytic activity is associated with presence of cystic medial degeneration in aneurysms of the ascending aorta. Histopathology, 2010, 57: 917-932.

[29] Holm TM, Habashi JP, Doyle JJ, et al. Noncanonical TGFbeta signaling contributes to aortic aneurysm progression in Marfan syndrome mice. Science, 2011, 332: 358-361.

[30] Inamoto S, Kwartler CS, Lafont AL, et al. TGFBR2 mutations alter smooth muscle cell phenotype and predispose to thoracic aortic aneurysms and dissections. Cardiovasc Res, 2010, 88: 520-529.

[31] Akhurst RJ. The paradoxical TGF-β vasculopathies. Nat Genet, 2012, 44: 838-839.

[32] Gomez D, Coyet A, Ollivier V, et al. Epigenetic control of vascular smooth muscle cells in Marfan and non-Marfan thoracic aortic Aneurysms. Cardiovasc Res, 2011, 89: 446-456.

[33] Habashi JP, Doyle JJ, Holm TM, et al. Angiotensin II type 2 receptor signaling attenuates aortic aneurysm in mice through ERK antagonism. Science, 2011, 332: 361-365.

2014-04-01)

(编辑:汪碧蓉)

国家自然基金（批准号81160019）

330006 江西省南昌市，南昌大学第二附属医院 心胸外科

李金 住院医师 硕士研究生 主要从事心脏各类疾病与基因突变相关性研究 Email:m15870005858@163.com 通讯作者：唐燕华Email:tyh6565@163.com

R54

A

1000-3614( 2014 ) 11-0957-04

10.3969/ j. issn. 1000-3614. 2014.11.028