TGF-β1/Smad信号通路在心室重构中的调控机制研究进展

2016-03-09刘晨晨安徽中医药大学安徽合肥230038

广西中医药大学学报 2016年2期

刘晨晨，王　　靓，施　　慧，余　　爽（安徽中医药大学，安徽合肥　230038）

刘晨晨，王靓，施慧，余爽
（安徽中医药大学，安徽合肥230038）

TGF-β1/Smad信号通路；心室重构；慢性心力衰竭；综述

心血管疾病一直是人类健康的杀手，我国每年有百万余人死于慢性心力衰竭（HF）。虽然近年来溶栓及介入治疗技术发展迅速，可以有效地改善心梗患者濒临死亡的心肌，但仍有一些患者由于各种原因未能及时重建血运，造成心肌不可逆死亡，引起心室重构（VR），继而形成心力衰竭。心室重构是指心室形状、体积、重量的改变，主要特征包括心肌肥大，心肌细胞凋亡、自噬，心肌纤维化以及电生理的改变，是导致心血管疾病的重要危险因素。心室重构使心肌僵硬是心力衰竭发生的主要生理病理基础。近年来，随着研究的深入，越来越多的证据表明心室重构作为心脏疾病的独立危险因素［1-2］，促使心血管疾病的发生，导致心脏病患者的病死率升高。

从细胞水平上来说心室重构主要包括3个环节：分别为胞外信号刺激、胞内信号转导及核内基因转录的活化［3］。这些环节与TGF-β/Smads信号通路密切相关。TGF-β是一类由多种细胞分泌的具有多种生物学效应的生长因子，Smads蛋白是TGF-β的下游信号分子，介导TGF-β的信号转导。近年来，心肌组织局部的TGF-β1/Smad信号通路日益受到人们的重视。心脏中的TGF-β1主要由心脏成纤维细胞（CFs）和肌成纤维细胞产生，TGF-β1及其受体在心脏的心肌细胞和非心肌细胞中都有表达。在心脏胚胎发育期，TGF-β1能诱导一系列肌原蛋白合成，导致心室重构，当TGF-β1缺陷时，合成发生障碍，抑制了心室重构，继而延缓了心衰的发生和发展。通过对TGF-β1/Smads信号通路调控机制的深入研究，不仅使心室重构的发病机制得到进一步的阐明，也给心室重构的防治研究提供了新的方法。

1　TGF-β/Sm ad信号通路转导机制

TGF-β超家族是一类由多种细胞分泌的具有多重生物学效应的多肽生长因子，包括TGF-βs（狭义的TGF-β）、BMPs（骨形成蛋白）、Activins（活化素）、Inhibins（抑制素）及Mullerian（缪勒抑制物）等。TGF-βs是该家族中最重要的成员，有六种异构体，分为TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3、TGF-β4、TGF-β5和TGF-β6，其中TGF-β1在体细胞中含量最多、活性最高、功能最强，分布最广泛［4］。TGF-β将信号作用于受体，再通过细胞内的多种蛋白转导其信号。TGF-β可以激活多个信号通路，其中Smad蛋白是TGF-β受体激酶信号传导的唯一底物蛋白。Smad蛋白是TβRⅠ（Ⅰ型转化生长因子-β受体）的直接底物，是将信号由胞浆传导到胞核的中介分子。哺乳动物的Smads蛋白有8种，用Smad1-Smad8表示。Smads蛋白按照结构和功能分为三类，R-Smads（限制性Smads）、Co-Smad（共有型Smads）、I-Smads（抑制型Smads）。在信号转导中，TβR-Ⅱ（Ⅱ型转化生长因子-β受体）激酶的活性是可以持续活化的，而TβR-Ⅰ在没有配体的时候激酶是没有活性的，因此活化的TGF-β首先与TβR-Ⅱ结合，形成异源二聚体复合物，TβR-Ⅰ激酶的前段GS结构域的丝氨酸/苏氨酸被TβR-Ⅱ磷酸化而激活，能够识别并结合该异源二聚体复合物，同时R-Smads蛋白被激活的TβR-Ⅰ进一步磷酸化，之后与Co-Smads结合成为异源的转录复合物，进入细胞核内，结合DNA上面的Smads结合元件，激活特定的靶基因，完成整个信号转导的过程。另一方面I-Smads通过阻止R-Smads的磷酸化及Smads异源转录复合物的生成来抑制TGF-β信号的转导过程。由此可见，TGF-β/Smads信号通路中Smads类型不同其作用亦不同，如Smad3对心室重构有促进作用，Smad7对心室重构有抑制作用［5］，而Smad4对心脏发育相关组蛋白有调节作用［6］。各类型Smads蛋白之间相辅相成，共同协调完成TGF-β正常的生理状态表达和紊乱的病理状态表达。深入研究各状态下TGF-β发挥其生物学效应的分子机制，对探讨如何防治与该信号通路相关的心血管疾病具有重要意义。

2　TGF-β1/Smad信号通路在心室重构中的调控机制

2.1对心肌细胞的调控正常的心肌组织由心肌细胞和非心肌细胞两种成分组成，心肌细胞具有心脏泵功能，占据心肌结构的2/3。心肌细胞是一种分裂后期的细胞，其再生能力有限，所以心肌细胞的丢失引起心脏收缩功能下降，是心脏疾病发生的另一个重要原因。心肌细胞丢失的方式有很多种，如坏死、凋亡和自噬性细胞死亡。在急性心肌梗死（AMI）早期，细胞凋亡是心肌细胞死亡的主要形式，在早期心室重构中起非常重要的作用［7］。细胞凋亡引发心室重构，此过程与TGF-β1及TGF-β1/Smad信号通路的异常激活有着十分密切的关系。研究发现，Smads通过诱导心肌细胞的凋亡，可以增加TGF-β1对心脏的副作用。目前已知的与心脏功能的发挥有着密切关系的Smads包括Smad2、Smad3、Smad4和Smad7。研究表明，通过刺激AngⅡ（血管紧张素Ⅱ）激活一系列的转录因子，使得心肌细胞中TGF-β1的表达增强，再由TGF-β1通过Smads信号途径和自分泌方式诱导心肌细胞的凋亡。因此，TGF-β1和Smads之间通过血管紧张素Ⅱ诱导预凋亡信号途径影响心脏病的发生发展［8］。心衰模型中心肌细胞死亡另一个重要机制是细胞通过自噬死亡［9］，在心梗模型中，心肌细胞的自噬可以抑制心肌细胞肥大、增加内质网应激、恢复细胞内能量供应，进而发挥保护心肌细胞作用［10］。机体通过细胞自噬的方式将错误异常的蛋白质和受损老化的细胞器除去，促进物质新陈代谢及细胞自我更新，为细胞提供物质和能量，增强心肌活力、保护心脏功能。心肌细胞自噬对其心脏的功能具有双面性［11］，任何破坏心肌细胞正常的自噬功能的因素，都会引起心肌细胞功能的异常。如在心衰患者心脏中，心肌细胞自噬的程度会有不同，可出现上调和下调两种情况。适度的自噬上调可以帮助心肌细胞适应环境变化来抵抗外界的干扰破坏，保护心肌细胞；但过度上调则会诱导细胞主动死亡，加剧疾病的发展。相反如果自噬下调，会使大量有害物质聚集在细胞中，最终导致细胞损伤和死亡，也会加重疾病的发展。目前还没有更多证据证明在心肌中自噬上调和下调这两种机制是通过TGF-β1/Smads信号通路进行调控，但对心肌细胞凋亡的调控机制研究较多，也证实了TGF-β1/Smads信号通路对心肌细胞的调控与心室重构的发生有关。王越等［12］通过结扎冠状动脉左前降支建立大鼠心肌梗死模型，采用生物学技术检测心肌组织中TGF-β1的表达，得到心梗后TGF-β1表达明显上调，证实心肌细胞凋亡增加，是心室重构发生的重要机制。吴晨方［13］通过代谢综合征大鼠模型，证实患者心室重构的存在与TGF-β1等重构相关因子表达增加有关，通过使TGF-β1明显减少，借助TGF-β/Smads通路发挥作用，对心室重构改善有明显的意义。通过下调TGF-β1的表达，可抑制心肌细胞凋亡，进而延缓心室重构进程。陈章炜［14］通过构建猪冠状动脉微栓塞模型，采用分子生物学技术检测心肌组织的TGF-β1和Smad表达以及心肌中 TGF-β1、Smad3的mRNA水平，得到微栓塞的心肌TGF-β1及Smad3 mRNA表达增强，证实心室重构在冠脉微栓塞术后早期即已开始发生，机制与TGF-β1/Smad3信号通路中TGF-β1和Smad3表达增强有关。韩素霞等［15］通过结扎冠状动脉前降支建立心肌梗死模型，证实AngII通过与AT1受体结合后可增加大鼠心肌梗死后心室肌组织TGF-β1的蛋白表达，通过抑制心肌梗死后TGF-β1的表达，可以改善梗死心肌细胞重构。

2.2对心肌纤维化的调控非心肌细胞相较于心肌细胞，在心肌组织中占大多数，其中九成多是成纤维细胞。成纤维细胞在心肌中所合成的胶原等细胞外基质蛋白成分的重塑是心室重构存在的生理病理基础。心肌纤维化（MF）为心梗后心室重构的主要表现，是最具特征性的结构改变之一，可促使心肌收缩和舒张功能失调。心肌成纤维细胞（CFs）在心肌细胞外基质沉积中发挥非常重要的作用，CFs是心室重构的主要效应细胞，其增殖的特性以及功能的变化是心肌发生结构改变的决定因素，CFs长期激活可导致心肌纤维化。TGF-β1是非常重要的促纤维化生长因子，是各种原因所致MF的共同通路，在心肌纤维化时表达呈显著性的升高。在心肌受到外界不良刺激产生损伤进行自我修复的过程中，TGF-β1/Smads信号通路被激活，调节纤维化反应和炎症反应，参与结构性心室重构的过程。已有研究表明［16］，TGF-β1高表达与CFs的增多密切相关，直接以不同浓度的TGF-β1作用于体外培养的心肌成纤维细胞，可诱导心肌成纤维细胞增殖及胶原合成。而心肌梗死后，心室组织TGF-β1的表达明显升高，用抗TGF-β1抗体去中和TGF-β1可以抑制细胞外基质蛋白的表达，从而阻断心肌纤维化的发生［17］。目前较多的实验证实，抑制TGF-β1/Smads信号通路可以抑制心肌纤维化，也使得TGF-β1成为目前抗纤维化治疗的主要标靶之一。罗经宏等［18］通过结扎冠状动脉构建心肌梗死后心衰模型，证实改善心肌梗死后心衰大鼠的心肌纤维化，作用机制是通过阻断TGF-β1及R-Smads分子的表达。张友恩等［19］通过实验发现抑制TGF-β1/Smad3信号通路、抑制TGF-β1及活化Smad3蛋白表达水平，可显著抑制心成纤维细胞细胞增殖与迁移以及肌成纤维细胞的表型转化，而这些细胞均由TGF-β1所诱导，有调节细胞生长、减少胶原合成、阻断心肌纤维化的作用，研究结果为临床治疗心室重构提供了较强的理论依据。毛帅［20］通过实验表明抑制TβR-Ⅰ和 Smad2的磷酸化以及Smad4的核转位，即抑制与心肌纤维化相关的TGF-β1/Smad信号通路，可延缓心肌梗死大鼠心室重构的进展。梁逸强等［21］通过压力超负荷大鼠模型，采用多种生物学技术证实部分下调压力超负荷大鼠心肌TGF-β1、Smad3mRNA的表达，上调Smad7mRNA的表达，抑制TGF-β1、Smad3蛋白的表达，即抑制TGF-β1/Smads信号转导通路的活化，在一定程度上能够延缓或逆转压力超负荷大鼠心肌肥厚、心肌纤维化，从而起到抗心室重构的作用。喻正科等［22］通过心衰大鼠模型检测大鼠心脏组织TGF-β1基因表达情况，证实TGF-β1参与心衰大鼠心肌纤维化的发病，降低心肌TGF-β1的表达，可产生抗纤维化作用，改善心室重构。

2.3对心室电重构的调控离子通道是心室电生理的基础，离子通道的重构对心室电重构有很大的影响。心肌细胞动作电位的主要来源就是细胞膜上各种离子通道。心室电重构所涉及到的离子通道主要包括：瞬间外向K+电流、内向整流性K+电流、延迟整流性K+电流、ATP（三磷酸腺苷）敏感性K+通道电流、Na+通道电流、Ca+通道电流，除此之外，还有Na+/Ca+交换体重构以及缝隙连接重构。心衰患者的心室肌细胞具有动作电位时程延长的特点，研究发现，可能与心室肌细胞的慢性暴露、TGF-β1能够增加其自主节律、TGF-β1可以刺激肌浆网使得Ca+含量增加等因素有关。近年来TGF-β1影响成人心室肌细胞的研究很多，但对于电生理的机制研究非常少，根据有关文献的记载论述可知目前为止只有一项研究致力于发现TGF-β1及整个信号通路对心室重构电生理的调控机制。研究者通过实验发现，将心肌细胞暴露于TGF-β1中，四个小时可引起心肌细胞收缩功能障碍，具体表现为心肌细胞的伸展、收缩速度的严重减慢，此外，TGF-β1可减慢一过性Ca+流到达峰值的时间和衰减的速度［23］，从而达到通过影响心室电生理的作用来延缓心室重构。

3　结语

转化生长因子β1作为一种多功能的细胞因子，在心梗后的心肌修复过程中，TGF-β1/Smad信号通路激活，能诱导心肌肥厚、细胞凋亡、细胞自噬、心肌纤维化以及对心肌离子通道的调控，在心室重构发病学中起着非常重要的作用。目前研究表明可以通过调控TGF-β1/Smad信号通路来延缓心室重构引起的心衰的发生和发展，也能够通过调控TGF-β1/ Smad信号通路干预心房重构进程和治疗房颤［24］，并且可以通过靶向性阻断Smad2、Smad3信号和（或）加强由于疾病而减弱了的Smad7信号，有助于心室重构的基因治疗［25］。这些都是未来心室重构防治的研究方向，为诸多心血管系统疾病提出新思路，提供更多理论依据，在不久的将来为临床治疗开辟新的有效治疗途径。

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