Notch信号通路在心脏干/祖细胞中的研究进展

郑小宇 综述，石蓓 审校

（遵义医学院附属医院心内科，贵州遵义563000）

Notch信号通路在心脏干/祖细胞中的研究进展

郑小宇 综述，石蓓 审校

（遵义医学院附属医院心内科，贵州遵义563000）

心脏；干细胞；细胞分化；Notch信号通路；综述

Notch信号通路存在于机体细胞与细胞之间的复杂网络中，参与多种细胞的形成过程：如细胞分化、激活、凋亡/存活和增殖等，相邻的细胞可通过Notch配体与受体结合传递Notch信号，从而扩大并固化细胞间的分子差异，最终决定细胞命运[1]。由于心肌细胞的再生能力有限，各种原因致心肌坏死后愈合形成纤维化瘢痕，导致心功能进行性下降。心脏干/祖细胞（CSCs/CPCs）因其具有分化为心肌细胞的能力而成为心肌梗死后心脏修复的研究热点，在这一过程中，Notch信号通路的激活参与了心脏祖细胞的增殖、分化与凋亡，使心功能得以改善[2]。本文就该方面的研究进展作一综述。

1 Notch信号通路

1.1 Notch信号通路的组成Notch信号通路的受体和配体均是Ⅰ型跨膜蛋白。目前已在哺乳动物中鉴定出4种Notch受体（Notch1～4）和5种Notch配体，其中Jagged（Jag）1和Jag2来自Jagg/serrate家族，Dll1、3、4来自Delta样家族（Dll）[3]。Notch1受体及其配体Jagged1是位于成人心脏中主要的Notch家族成员，心脏发生缺血再灌注损伤时，缺血预处理及缺血后处理的方式均可使Notch1信号途径被激活，从而发挥稳定线粒体膜电位和减少活性氧的功能[4]；Notch2则参与了干细胞因子（SCF）介导的红细胞系增殖及分化[5]；肺动脉高压时，低氧诱导使Notch3表达上调，这在疾病的发展过程中是至关重要的[6]；Notch4和Dll4在成熟血管形成过程中扮演了主要角色，使其在肿瘤血管生成方面成为研究热点[7-8]。由此可见，Notch信号的不同受体与配体间相互组合可以产生不同效应。

1.2 Notch通路的信号转导途径目前研究较多的是Notch经典信号途径，由Notch跨膜配体与邻近细胞上Notch跨膜受体的胞外结构域相结合，首先催化TNF-α转化酶（ADAM/TACE）对受体的细胞外结构域进行水解，使跨膜区域分开，导致Notch膜捆绑分裂形式（NEXT）形成[9]。r-分泌酶复合物再对受体的胞内结构域进行水解，经过这2次水解后，受体的细胞内结构Notch受体活化形式（NICD/ICD）被释放到细胞质中[10]。Notch ICD转移定位到细胞核，并且与CBF1/Su（H）/Lag-1（CSL）家族中的DNA连接蛋白相结合，DNA连接蛋白是哺乳动物免疫球蛋白中kappa J区域（RBPJ-κ）或kappa连接因子2（KBF2）的重组信号连接蛋白，其与共激活剂Mastermind（MAM）协同作用促进下游目标基因：Hes和Hes相关家族（Hesr）的表达[11-12]，从而发挥多种功能，如细胞与细胞间通信，决定细胞命运，维持组织的稳态和再生。

Notch通路还可通过非经典途径进行信号转导，其与经典信号途径的主要区别在于由非经典配体激活，不需要水解Notch受体，并且部分形式中不包括CSL[13]。非经典途径中的配体Delta样同系1/2（Dlk1/2）与经典途径中的Dll配体结构类似但缺乏DSL结构域，此配体不能通过转录激活，而是通过cis-抑制剂与经典配体竞争而起作用[14]。非经典途径的具体作用机制还有待进一步研究。

2 Notch通路在心脏中的作用

从胚胎发育时期心脏形成开始，Notch对心外膜的形成和冠状动脉血管的形态发生均有着显著影响。使用基因调控胚胎期心肌细胞间的Notch信号可导致严重的心脏畸形，包括异常的心房和心室生长及心脏间隔缺损[15]。Notch1在心外膜中异位表达造成心外膜完整性缺失，心室肌变薄，并且冠状动脉平滑肌细胞和心外膜细胞出现过早分化[16]。然而，Notch亦能够在成年损伤心脏中发挥着积极有利的作用。心肌梗死后，移植胚胎干细胞及诱导多能干细胞至受损心脏，可以抑制心室重构，且Notch-1和Hes-1的表达显著增加，这表明Notch信号通路参与了这一过程，保护了心脏功能[17]。Li等[18]研究发现，骨髓衍生细胞移植能促进梗死心脏修复，其机制是Notch1介导了骨髓衍生细胞（主要是骨髓间充质干细胞）增殖、迁移和募集到梗死边缘区，并且可能增加了新生血管的形成。Notch还能够与PI3K/Akt以及NF-κB等信号通路交叉对话，从而在缺血预处理介导的心脏保护中起着主要调控作用[19]。Notch在心脏形成及发育的整个过程中都扮演着重要角色，一方面是因为其可以与其他信号通路之间相互通信；另一方面则是其能够调控心脏中各种细胞的功能。

3 CSCs/CPCs移植

研究发现，心脏中含有干细胞特征的细胞群，其具有多向分化潜能，能够自我更新并且维持心肌细胞内环境的稳定，被称之为CSCs/CPCs[20-21]。心肌梗死致心肌损伤后，外源性CSCs/CPCs可以被移植至损伤区域，分化为心肌细胞、内皮细胞和平滑肌细胞（SMC），从而修复受损心脏。Tang等[22]给陈旧性心肌梗死的大鼠冠脉内注射经体外扩增的CPCs后，发现心肌梗死部位的心肌细胞数量增加，纤维化程度减轻，心功能也有所提高，而且移植的CPCs还可以募集内源性CPCs到损伤心肌区域。CSCs移植虽然能从一定程度上弥补了丢失的心肌，改善了心脏功能，然而，心肌损伤使其微环境发生变化对移植后细胞存活带来巨大不利影响。有文献报道，干细胞通过心肌内或冠状动脉内注射到心肌后1周，仅有不到5%的移植细胞被检测到[23]，存活的干细胞未能向心脏表型进行分化。因此，如何增强移植后CSCs/CPCs的存活、增殖和分化，提高细胞治疗效果成为目前的研究热点。

4 Notch在CSCs/CPCs中的作用

相关的实验室数据表明，Notch信号通路可作为一条潜在的途径促进造血干细胞和祖细胞的扩增并应用于临床[24]。活化的Notch信号通路能够介导转化生长因子β1（TGF-β1）来调控骨髓间充质干细胞和人胚胎干细胞分化成为SMC[25]。Li等[26]从骨质疏松的大鼠中分离出牙周膜干细胞置于成骨诱导培养基中诱导其分化时，可以观察到Notch1和Jag1的mRNA及蛋白表达水平均增加，由此说明Notch能够维持牙周膜干细胞向成骨细胞分化。体外实验观察胚胎干细胞分化时发现，Notch信号通路是调控胚胎干细胞向心肌细胞分化的关键因子，上调Notch信号可促进胚胎干细胞向心肌细胞分化[27]。以上这些结果揭示，Notch信号通路能够调控不同干细胞的增殖及分化，同时，其对CSCs的功能也有调控作用。

4.1 Notch与CSCs/CPCs的存活及增殖急性或慢性的心脏缺血缺氧均会导致心肌损伤，同时激发强烈的炎性反应，分泌一系列促炎因子，如细胞因子和趋化因子等致使心肌细胞凋亡[28]。虽然CSCs移植至受损心脏能够弥补部分丢失的心肌，但是在缺血缺氧环境的影响下，外源性干细胞植入后存活率不理想，极大地影响了治疗效果。近年来研究表明，Notch1和Notch2在巨噬细胞中可抑制TLR-4介导的促炎因子的生成，并且通过ERK、MyD88/TRAF6及TRIF信号通路来促进抗炎因子产生[29]。然而，另有报道称，用抑制剂阻断Notch通路后可显著减少T细胞的增殖及浸润[30]。尽管Notch增加了炎症细胞的浸润，但其却能与抑制炎症的信号通路相互作用，从一定程度上改善炎症环境，增加移植后细胞的存活。同时，Notch还能调节干细胞增殖。Nemir等[31]在小鼠心肌细胞表面过度表达Jag1来持续激活Notch通路，活化的Notch能够促进scal-1+CSCs及NKX2.5+心脏前体细胞增殖，减轻转化生长因子-β/结缔组织生长因子介导的心脏纤维化，从而增强心脏应激反应和心肌细胞再生能力。Collesi等[32]证实，Notch信号通路激活后虽然不能将新形成的心肌细胞还原到祖细胞状态，但能够维持和延长未成熟心肌细胞的增殖期，并刺激其在数量上增加。心脏受到损伤时，激活Notch通路后不仅能够增加心肌细胞的存活，还能够促进心脏固有或外源性干细胞的增殖，修复和弥补受损心肌，进而使心功能得以改善。然而，Notch调节细胞增殖的潜在机制并不十分明确。有研究证实，Notch通路在心脏中促进细胞存活的潜在机制可能是由肝细胞生长因子/c-Met受体和PI3K/Akt生存信号所介导[33]。Notch在CSCs中的促增殖作用是否也由此通路介导，抑或是与其他通路有关则需要更多的证据来证实。

4.2 Notch与CSCs/CPCs的分化CSCs/CPCs具有自身多向分化潜能。在特定因素的刺激下，这种潜能可以被激发或者抑制。体外实验室研究发现，过表达Notch1活性成分ICD的心脏球形干细胞可被诱导分化为SMC，这个分化机制是RBP-J依赖性的[34]。Boni等[35]观察到Notch信号下游的RBP-J共有位点处于Nkx2.5的启动子区域内，Notch1受体激活后能够促进CPC中Nkx2.5的表达，有效刺激CPC向心肌细胞系分化，并维持新形成细胞的增殖状态。药物阻断梗死心脏中的Notch通路活化，会阻碍内源性CPC向心肌细胞分化，从而抑制心脏修复。Kwon等[36]利用染色质免疫共沉淀方法检测到心脏分化相关转录因子（Isl1、Myocd）的表达受到β-catenin的调控，Notch1可以通过负调控βcatenin，使其磷酸化失活，从而促进CPC分化为心肌细胞及SMC。上述文献报道表明了活化的Notch信号能够增强CSCs/CPCs的分化能力，促进其向心肌及SMC分化，亦有相关研究阐述Notch信号表达的强弱对CSCs的分化有着不同影响[37]。用不同密度培养CSCs时，可观察到低密度培养的CSCs中的Notch信号通路基因表达较低，能够更好地维持细胞干性及向心肌分化的潜能，而高密度培养的CSCs中Notch信号通路基因表达偏高，可以终止细胞周期，使CSCs向内皮细胞分化，由此说明减少细胞中的Notch信号表达更有利于CSCs向心肌细胞分化。结合以上研究结果，作者推测在CSCs中，Notch信号通过调控β-catenin通路，以及控制细胞分化相关转录因子而发挥促分化作用的。但是，在这一过程中是否涉及到其他的信号分子及传导通路则并不十分明确。

5 小结

Notch信号通路是一条广泛存在于细胞中的信号转导通路，贯穿于生物体的整个生理病理过程，对此信号转导通路的深入研究有助于增加对各种细胞功能及其作用机制的了解，也有助于增强对一系列疾病治疗方案的认识。目前的证据肯定了Notch信号通路激活后能够促进CSCs/CPCs的增殖，并且向心肌细胞系分化，有利于修复受损心脏。但此信号通路有多个受体和配体的组合形式，在不同类型细胞中的功能也并不完全相同，近年来主要研究了主要受体Notch1在CSCs中的作用，而其余受体与相应配体结合后对细胞的影响仍然需要进一步了解。Notch信号通路与许多生存信号、炎症通路间也存在着相叉对话，从而发挥了复杂又多重的作用。CSCs/CPCs具有向心肌细胞、内皮细胞及SMC分化的能力，移植CSCs/CPCs治疗心血管疾病是当前极具前景的治疗方案，通过对Notch通路的研究，希望能够用人工方法诱导CSCs/CPCs表面Notch信号通路活化，增强外源性及内源性CSCs/CPCs的存活、增殖及分化的能力，进而为心脏损伤修复的治疗提供新的策略。

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10.3969/j.issn.1009-5519.2015.05.025

:A

:1009-5519（2015）05-0707-04

2014-10-18）

郑小宇（1988-），女，重庆渝北人，硕士研究生，主要从事干细胞治疗缺血性心肌病相关研究；E-mail：1873832514@qq.com。

石蓓（E-mail：shibei2147@163.com）。