心肌营养因子1的研究进展

付 珊，张翠丽(综述)，富 路(审校)

(哈尔滨医科大学附属第一医院心内科，哈尔滨 150001)

心肌营养因子1(cardiotrophin-1，CT-1)，又称心肌营养素1，是Pennica等[1]用小鼠心脏胚胎干细胞克隆获得的，它是白细胞介素(interleukin，IL)6家族的成员，因最初人们发现其具有诱导心肌细胞肥大的作用而得名。CT-1在体内分布广泛，心脏、肺脏、肾脏、胰腺、骨骼肌等组织中均有表达，其中心脏、卵巢等组织中表达水平较高，而脑、脾脏等处几乎无表达。在病理状态下(如高血压、心力衰竭、糖尿病、缺血、缺氧等)体内CT-1水平可显著升高。

1 CT-1的信号转导途径

CT-1的受体包括gp-130和LIFRβ亚基，在心肌细胞中CT-1与相应的受体结合产生gp-130与LIFRβ亚基的异源二聚体或gp-130同源二聚体并激活Janus活化激酶(janus activating kinase,JAK)/信号转导子及转录激活子(signal transducer and activator of transcription，STAT)、p42/p44丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)、磷脂酰肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase，PI3K)/AKT等信号转导途径，从而发挥相应的生物学作用。

CT-1可以通过激活不同信号途径产生不同的作用。其中CT-1可以激活MAPK相关的抗凋亡信号途径发挥心肌细胞保护作用[2-3]。Sheng等[3]证实,CT-1促进心肌细胞存活的同时，p42/p44MAPK信号途径也被激活，加用p42/p44MAPK信号途径抑制剂后上述作用受到抑制。这一结果表明，CT-1的心肌细胞保护作用是通过激活p42/p44MAPK途径来实现的。另外，该团队还发现CT-1可通过激活JAK/STAT、MAPK/Jun氨基端激酶(Jun N terminal kinase，JNK)促使心肌细胞肥大。除此以外，人们还发现PI3K/AKT、MAP激酶的激酶(MAP kinase kinase,MEK)1/细胞外信号调节激酶1/2(extracellular receptor kinase 1/2，ERK1/2)信号途径也具有调控心肌细胞肥大的作用。MEK1/ERK1/2途径具有负调控作用，CT-1通过激活该途径抑制STAT3磷酸化，这一作用可能与防治心肌细胞过度肥大有关[4-6]。

在众多信号转导途径中，人们一度认为JAK/STAT3、MEK1/ERK1/2是诱导心肌细胞肥大最主要的两条途径，Takahashi等[7]的研究结果却打破了这一观点。该实验采用腺病毒转染技术将STAT3显性失活突变体、细胞因子信号转导抑制因子(suppressor of cytokine signaling,SOCS)1、SOCS3、MEK5及MEK1显性失活突变体分别转染心肌细胞，结果显示：①SOCS1、SOCS3过度表达可以使CT-1诱导的STAT3磷酸化及心肌细胞肥大作用均受到抑制。而STAT3显性失活突变体过度表达则对心肌细胞肥大无抑制作用。②MEK1显性失活突变体能够抑制CT-1诱导的ERK1/2磷酸化而对ERK5无此作用。MEK5显性失活突变体能够抑制CT-1诱导的ERK5磷酸化而对ERK1/2无此作用。③在MEK5显性失活突变体过度表达的心肌细胞中观察到CT-1诱导的心肌细胞肥大受抑，而在MEK1显性失活突变体过度表达的细胞中却未发现这一抑制作用。上述结果表明,CT-1诱导心肌细胞肥大的作用主要通过激活MEK5/ERK5信号通路实现的，而非通过JAK/STAT3、MEK1/ERK1/2信号转导通路。虽然实验中还发现STAT3显性失活突变体过度表达的实验组中CT-1诱导的STAT3磷酸化受到了抑制，而CT-1所诱导的心肌细胞肥大无影响。但实验者认为这种矛盾结果的发生可能与细胞培养过程中出现了某些偏差有关。

2 CT-1的生物学作用

2.1促进心肌细胞肥大 CT-1是IL-6家族中体外诱导心肌细胞肥大最强的因子，研究表明仅0.1 nmol/L或更低浓度的CT-1即可诱导心肌细胞肥大[1]。CT-1所导致的心肌细胞肥大与容量超负荷诱导的心肌细胞肥大相似，即CT-1可增加心肌细胞长度而对宽度无显著影响，这与其诱导肌小节形成有关。

CT-1诱导细胞肥大作用除与上述信号转导途径有关外，还与其对热激蛋白56、心钠素等因素的调节有关。有文献表明，CT-1可以显著促进热激蛋白56信使RNA的合成，而过度表达的热激蛋白56可增加心肌细胞的大小、蛋白含量及蛋白合成速率并最终导致心肌细胞肥大[8]。Fukuzawa等[9]研究显示，CT-1诱导心肌细胞肥大作用与其上调血管紧张素原基因表达水平、增加肾素-血管紧张素-醛固酮系统的中间代谢产物血管紧张素Ⅱ水平有关。

2.2细胞保护作用

2.2.1心肌细胞保护作用 多项研究已经证实，缺血、缺氧环境下予以一定浓度的CT-1可以抑制细胞凋亡[10-11]。其细胞保护作用的机制可能如下：①促进心肌细胞合成热激蛋白70及热激蛋白90，抵抗温度、缺氧诱导的心肌细胞凋亡；②升高抗凋亡基因Bal-2，降低促凋亡基因Bax、fas、p53的表达水平，进而抑制细胞凋亡。Pablo等[10]还发现缺氧条件下心肌细胞会做出生存反应，即缺氧状态下，低氧诱导因子通过调控CT-1基因表达而增加CT-1的水平从而拮抗缺氧造成的细胞凋亡。

2.2.2胰岛β细胞保护作用 体内和体外实验均表明，CT-1不仅可以改善胰岛β细胞功能，还可以促进其存活，同时能够对抗链脲霉素的致糖尿病作用。Jiménez等[12]研究发现，CT-1可以抑制血清剥夺诱导的胰岛β细胞凋亡，增强葡萄糖刺激所产生的促胰岛素分泌作用。在用链脲霉素构建糖尿病小鼠模型中，CT-1基因敲除的小鼠出现了糖耐量受损的现象,并且更容易患糖尿病。

2.3心肌细胞钙通道 CT-1可以升高大鼠心肌细胞内L型Ca2+通道电流密度，引发胞质内Ca2+波动，促进细胞缩短。此外，CT-1还可以通过促进286位苏氨酸位点Ca2+/钙调素依赖性蛋白激酶II(Ca2+/Calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ，CaMKⅡ)磷酸化导致舒张期心室肌细胞Ca2+产生自发性震荡进而增加心律失常的发生频率。

Ruiz-Hartado等[13]发现，CT-1通过激活环磷酸腺苷/蛋白激酶A信号途径而非MAPK/ERK或CaMKⅡ途径来增加L型钙通道电流密度，这有别于IL家族其他成员通过激活cAMP/PKA及MAPK/ERK两条信号途径增加L型钙通道电流水平。

尽管在CT-1的作用下L型钙通道电流密度有所增加、肌质网钙泵摄取了更多的Ca2+，但是肌质网内的Ca2+浓度却不会显著增加，这与CT-1增加兰尼碱受体数量及开放频率从而提高舒张期Ca2+闪烁频率进而促进Ca2+外漏有关。

2.4调控糖脂代谢 CT-1是糖、脂肪代谢的关键调控因素，缺乏CT-1可以导致能量消耗降低、肥胖、胰岛细胞肥大、胰岛素抵抗、血糖水平升高、血清总胆固醇及低密度脂蛋白胆固醇水平升高。CT-1基因敲除不仅可引起小鼠肥胖，还会导致食欲下降，但这种重量的增加发生在食欲下降之前，这可能是由于能量消耗降低所致。CT-1引起食欲下降的机制目前尚不清楚，研究者认为，这可能是与抑制能量消耗所致过度肥胖有关[14]。

Moreno-Aliaga等[14]研究指出，CT-1可促进脂肪酸磷酸化，短时间使用可降低胰岛素依赖者的血糖水平，增强肌肉组织中胰岛素诱导AKT磷酸化的作用。长期使用不仅可以减少食物摄入、增加能量消耗，还可通过上调与脂肪分解、脂肪酸氧化、线粒体生物发生及棕脂肪相关基因的表达水平而诱导白脂肪重新分布。

CT-1不仅可以对糖、脂肪代谢产生影响，反之，能量物质也可以调控CT-1的表达水平。研究显示，禁食可增加白脂肪、肝脏、肌肉组织中的CT-1信使RNA含量；相反，摄食后则可使上述作用受到抑制[14]。近期Rendo-urteaga等[15]发现，超重/肥胖儿童在减肥之后代谢综合征的发生风险，血浆胆固醇及CT-1水平均下降。基于以上研究结果，研究者认为CT-1可能是诊断超重/肥胖儿童患有代谢综合征的间接指标。而此前Begoa等[16]同样发现体型肥胖的代谢综合征患者体内CT-1水平显著高于非肥胖代谢综合征患者，在动物水平的实验中发现，从前脂肪细胞到成熟脂肪细胞转变的过程中，小鼠体内CT-1基因表达及蛋白水平日渐增多。由此推断脂肪组织可能是CT-1的来源，这一结论可以很好地解释了体型肥胖的代谢综合征患者体内CT-1水平高的原因。

3 小 结

一定水平的CT-1对保障心脏的正常发育发挥重要作用，过度表达即可诱发心肌细胞肥大，并且该作用呈剂量依赖性。此外，CT-1长期刺激还可以造成心肌收缩功能异常[21]。因此，控制CT-1于正常水平对维持正常心脏的功能具有重要意义。研究发现，辛伐他汀可抑制CT-1激活JAK/STAT信号途径的作用，从而拮抗CT-1诱导的心肌细胞肥大，进而延缓心室重构。目前多种药物，如血管紧张素转换酶抑制剂/血管紧张素Ⅱ受体拮抗剂、β受体阻滞剂等对JAK/STAT信号途径均有调控作用，是否可以通过拮抗CT-1的作用进而抑制心肌细胞肥大目前尚不清楚，有待进一步研究。

[1] Pennica D,King KL,Shaw KJ,etal.Expression cloning of cardiotrophin 1,a cytokine that induces cardiac myocyte hypertrophy[J].Proc Natl Acad Sci U S A,1995,92(4):1142-1146.

[2] Stejskal D,Ruzicka V.Cardiotrophin-1 review[J].Biomed Pap Med Fac Univ Palacky Olomouc Czech repub,2008,152(1):9-19.

[3] Sheng Z,Knowlton K,Chen J,etal.Cardiotrophin 1 (CT-1) inhibition of cardiac myocyte apoptosis via a mitogen-activated protein kinase-dependent pathway.Divergence from downstream CT-1 signals for myocardial cell hypertrophy[J].J Biol Chem,1997,272(9):5783-5791.

[4] Kunisada K, Negoros,Tone E,etal.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 U S A,2000,97(1):315-319.

[5] Tian ZJ,Cui W,Li YJ,etal.Different contributions of STAT3,ERK1/2,and PI3-K signaling to cardiomyocyte hypertrophy by cardiotrophin-1[J].Acta Pharmacol Sin,2004,25(9):1157-1164.

[6] Li YJ,Cui W,Tian ZJ,etal.Crosstalk between ERK1/2 and STAT3 in the modulation of cardiomyocyte hypertrophy induced by cardiotrophin-1[J].Chin Med J,2004,117(8):1135-1142.

[7] Takahashi N,Saito Y,Kuwahara K,etal.Hypertrophic responses to cardiotrophin-1 are not mediated by STAT3,but via a MEK5-ERK5 pathway in cultured cardiomyocytes[J].J Mol Cell Cardiol,2005,38(1):185-192.

[8] Jamshidi Y,Zourlidou A,Carroll CJ,etal.Signal-transduction pathways involved in the hypertrophic effect of hsp56 in neonatal cardiomyocytes[J].J Mol Cell Cardiol,2004,36(3):381-392.

[9] Fukuzawa J,Booz GW,Hunt RA,etal.Cardiotrophin-1 increases angiotensinogen mRNA in rat cardiac myocytes through STAT3: an autocrine loop for hypertrophy[J].Hypertension,2000,35(6):1191-1196.

[10] Pablo A，Robador,San José G,etal.HIF-1-mediated up-regulation of cardiotrophin-1 is involved in the survival response of cardiomyocytes to hypoxia[J].Cardiovasc Res,2011,92(2):247-255.

[11] Garcia Cenador MB,Lorenzo Gomez MF,Herrero Payo JJ,etal.Transplantation,2013,96(12):1034-1042.

[12] Jiménez Gonzlez M,Jaques F,Rodríguez S.etal.Cardiotrophin 1 protects beta cells from apoptosis and prevents streptozotocin-induced diabetes in a mouse model[J].Diabetologia,2013,56(4):838-846.

[13] Ruiz Hurtado G,Gómez Hurtado N,Fernández Velasco M,etal.Cardiotrophin-1 induces sarcoplasmic reticulum Ca2+leak and arrhythmogenesis in adult rat ventricular myocytes[J].Cardiovasc Res,2012,96(1):81-89.

[14] Moreno Aliaga MJ,Pérez Echarri N,Marcos Gómez B,etal.Cardiotrophin-1 is a key regulator of glucose and lipid metabolism[J].Cell Metab,2011,14(2):242-253.

[15] Rendo Urteaga T,García Calzón S,Martínez-Ansó E,etal. EDecreased cardiotrophin-1 levels are associated with a lower risk of developing the metabolic syndrome inoverweight/obese children after a weight loss program[J].Metabolism，2013，62(10):1429-1436.

[17] Cunnane S,Nugent S,Roy M,etal.Brain fuel metabolism,aging,and Alzheimer′s disease [J].Nutrition,2011,27(1):3-20.

[18] Wang D,Li X,Gao K,etal.Cardiotrophin-1 (CTF1) ameliorates glucose-uptake defects and improves memory and learning deficits in a transgenic mouse model of Alzheimer′s disease[J]. Pharmacol Biochem Behav,2013,107:48-57.

[20] 陈新云，曾智，饶莉，等.心脏营养素-1对骨髓间充质干细胞分化为心肌样细胞的作用[J].四川大学学报,2009,40(1):85-88.

[21] Calabrò P,Limongelli G,Riegler L,etal.Novel insights into the role of cardiotrophin-1 in cardiovascular diseases [J].J Mol Cell Cardiol,2009,46(2):142-148.