Notch信号通路和心血管疾病研究进展

陶 敏 康品方 张 恒 (蚌埠医学院第一附属医院心血管科，安徽 蚌埠 233004)

·综述·

Notch信号通路和心血管疾病研究进展

陶 敏 康品方 张 恒 (蚌埠医学院第一附属医院心血管科，安徽 蚌埠 233004)

Notch信号通路；动脉粥样硬化；糖尿病心肌病

Notch信号传导途径首先是1900年早期在Otto L.Mohr的黑腹果蝇中观察到的。而Notch基因首次被克隆出来是在1983年。Notch可调节细胞分化、凋亡、增殖和形态发生，并且对细胞生物的生长发育至关重要〔1〕。Notch介导的信号传递在心血管发育和心血管疾病的发生发展过程中起着关键性作用。但是Notch信号传导是复杂的、多方面的，因为其受体、配体类型较多，功能也不十分清楚，且其下游靶基因没有被完全发现和认识。本文主要阐述Notch信号传导的基本特性及其在心血管疾病中的研究进展现状，重点介绍Notch信号传导与心血管相关疾病的相互作用关系。

1 Notch信号通路

1.1Notch结构 Notch是大多数细胞生物体中存在的保守配体-受体信号通路，涉及细胞命运决定、凋亡、增殖、促进干细胞自我更新等过程〔2〕。Notch配体、受体和细胞内效应分子共同组成了Notch。Notch是调节细胞发育过程中的单跨膜受体。在哺乳动物中，Notch信号传导由4种Notch受体(Notch1,2,3,4)和5种配体〔Delta 1,3,4和Jagged(Jag)1,2〕组成。Notch信号传导激活的根本是配体与受体的相互结合。CSL和Hes是主要的细胞效应分子，而CSL是Notch传导中起主要作用的转录抑制因子；Hes有6种，在Notch信号传导过程中发挥重要作用的是Hes-1 和Hes-5。

1.2Notch信号传导的活化 Notch信号的传递可在多种过程中发挥调节作用，例如血管发生，肌发生，神经生成和发生及造血，并且决定不同组织中各种细胞类型的生长、分化和存活。Notch信号通路的激活有两种方式：Notch经典传导途径和CSL非依赖途径。经典传导途径是Notch信号传导的主要方式。Notch配体与其受体的细胞外结构域结合，并在金属蛋白酶的介导下酶切受体靠近胞膜的胞外区域，然后在包括早老素在内的蛋白分泌酶复合体的介导下完成第2次蛋白裂解，释放Notch细胞内结构域进入细胞质，其随后转移到细胞核，随后Notch1与CSL结合以激活蛋白形成转录激活物复合体，从而激活下游一系列转录抑制因子家族的靶基因，Notch靶基因的表达启动。当缺少Notch信号转导时，CSL可与共抑制受体结合，无法启动Notch靶基因，细胞的分化、增殖和凋亡也会受到一定影响〔3〕。

最近发现的是非CSL依赖途径，即激活后的Notch没有进入细胞核，而细胞内的锌指蛋白Deltex与其受体ANK区结合，阻断转录因子E47的表达，目前为止研究有限，其详细作用机制尚不明确。Notch信号传导的调节是多水平、多层面的，包括胞内外水平和胞核水平、受体配体表达和相互作用等。Notch活化的结果是受体和配体的多种组合决定细胞类型和背景，起到不同的生物学效应〔4〕。

2 Notch信号传导与心血管疾病的关系

2.1Notch与心脏发育 胚胎发育过程中首先形成的器官是心脏，也是第1个发挥功能的器官，接下来就是血管系统，这两者共同形成心血管循环系统〔5〕。心内膜是心脏内部的特殊内皮组织，与心肌紧密并列，并与血管内皮直接连接。心内膜作为成人心脏功能的关键调节物的重要性基本上源于其通过调节心肌收缩性能和节律性来调节心脏泵血到血流动力学和激素需求的能力〔6〕。心内膜在心脏发育过程中起到关键作用，因为它提供心肌细胞畸形和压缩的图案信号，有助于冠状血管形成〔7〕，并且与来自心肌的区域化信号结合，来自心内膜特定区域的细胞将经历上皮-间质转化(EMT)以形成心内膜垫(EC)。研究可发现，Notch1主要表达于小鼠胚胎早期中的原始心管流出道的内膜层，因此其对原始心管内膜细胞的能力具有重要的调节作用〔8〕：主动脉瓣疾病的发生可由Notch1信号传导功能的缺失突变引起，证实了Notch1在心内膜细胞发育发展过程中的意义〔9〕。Notch信号传导在小鼠中期妊娠心脏中的关键特征是心内膜细胞表达泛素连接酶Mib1及Dll4配体和Notch1受体〔10，11〕，因此具有潜在的发送和接收信号的功能。在心内膜中Notch失活导致配体表达降低〔10〕。因此，RBP JK和Notch1突变体在内膜中显著降低Dll4的表达，而Notch GOF在组织中增强Dll4的表达〔12〕。这表明存在调节胚胎心内膜中Dll4表达的Notch依赖性阳性反馈回路。缺陷性心内膜Notch信号传导影响心脏瓣膜和心室发育，导致一系列疾病，如二尖瓣主动脉瓣形成和左心室非压缩性心肌病。Notch信号传导也参与心外膜和冠状动脉形成〔13〕。在心脏发育中，Notch3信号在血管平滑肌细胞存活和血管结构的发展中有着不可忽视的影响〔14〕。可见在人体的心脏发育和心血管系统疾病的致病机制中Notch信号传导发挥着不可忽略的作用。

2.2Notch与先天性心脏病 Notch参与了心脏发育的整个过程中，因此异常的Notch信号传导可诱导先天性心脏病的发生。先天性心脏病是心血管在胚胎时期的形成或发育障碍而造成的心脏结构、血管形态、功能等异常的疾病。它因发病率高、危害大而成为婴幼儿死亡的不可忽视的原因。研究可发现，随着小鼠胚胎期的发展，Notch1不断表达于心内膜、心室肌骨小梁、左右心室骨小梁和心房壁，因此可知，在心室腔和骨小梁生长的过程中Notch1发挥着显著作用〔10〕。室间隔、心脏传导组织以及乳突肌的一部分都是由骨小梁逐渐发展而来的，因此先天性心脏病的发生可由任何影响骨小梁发展的因素的改变导致。骨小梁的发育可由NRG1-ErbB2/4.、EphrinB2/EphB4与骨成型蛋白(BMP)10等调控。Notch可激活EphrinB2和NRG1的表达，加速骨小梁分化成熟，激活BMP10表达，促进骨小梁心肌细胞增殖。Notch信号的阻断则会下调NRG1-ErbB2/4、EphrinB2/EphB4与BMP10的表达，导致骨小梁发育畸形〔11〕。

Notch信号通路的激活是心室流出道(OFT)发育的重要因素，而血管平滑肌的形成可被Jagged1的激活促进，为主动脉壁的正常发育提供先决条件〔15〕。Notch1和Notch4存在于内皮细胞上，而Notch2和Notch3存在于平滑肌细胞上的情况发生在主动脉弓和升主动脉的发育中，其配体Jagged1、Jagged2、HRT1与HRT2在两种细胞中均有表达〔16〕。由此可知，OFT的发育受Notch信号表达的影响。研究发现，Notch1突变可发现于左室流出道发育不良的病例中，且突变的发生会导致Jagged1的数量减少和干扰Notch配体S1的分裂，但是其具体作用机制尚不清楚〔14〕。同时，Notch1的表达缺失可造成左室流出道发育缺陷。Notch信号传导的作用在右室流出道中的作用也逐渐被发现和认可，有研究发现在胚胎鼠心脏右流出室道的异常突变中有Notch1及Jagged2的表达，由此推测异常表达的Notch信号可造成EC和心肌的发育缺陷，最终导致冠心病(CHD)，如法洛四联症〔17〕。

2.3Notch与动脉粥样硬化 动脉粥样硬化是一种有复杂的疾病，可由多种危险因素诱发，其可造成代谢失调和病理条件下循环炎症介质的增多。脂质代谢异常是动脉粥样硬化的基础病变，首先是受累动脉出现病变，导致脂质和糖类积聚、出血和血栓形成，接着出现纤维组织增生、钙质沉着，同时伴有动脉中层的脱变和钙化，结果是动脉壁增厚变硬和血管腔狭窄。巨噬细胞在动脉粥样硬化发展过程中起重要作用，因为启动动脉粥样硬化发生的泡沫细胞是其脂质化后形成的。Notch信号传导和巨噬细胞之间相互作用，而不是单一的关系。Liu等〔18〕通过对大鼠及人类主动脉粥样硬化斑块的研究发现，Notch信号的激活可导致内皮细胞衰老和促进炎症反应，可知Notch信号传导与动脉粥样硬化之间存重要联系。

Notch及其下游目标基因和炎症效应因子可由激活的巨噬细胞介导，这一过程可促进炎症发生，诱发动脉粥样硬化的形成〔19〕。遗传或药理抑制Notch1能够通过减少核转录因子(NF-κB)的磷酸化和核易位来减少斑块形成和炎症反应。巨噬细胞发育及其由脂多糖(LPS)刺激引起的免疫应答也可被Notch调节，这一调节作用是通过调控巨噬细胞表面标记CD11b的表达来实现的。激活Notch1及其靶基因Hes1、Deltex、配体Delta1 和Delta4 均可增强巨噬细胞的表达〔20〕。Dll4-Notch轴不仅可以促进动脉粥样硬化的发生发展，还可以促进其急性血栓并发症的发生。实验证明：激活巨噬细胞中Notch信号传导可以通过促炎反应而加剧动脉粥样硬化病变。阻断Notch信号传导可抑制炎性病变，起到抗动脉粥样硬化的效果〔10〕。因此，Notch信号可以被认为是动脉粥样硬化抗感染作用的新研究靶标。

2.4Notch与糖尿病心肌病 糖尿病心肌病是由糖尿病诱发的葡萄糖体内稳态改变产生的心肌形态和功能恶化，与冠状动脉疾病、高血压等无关的心肌疾病。高血糖状态是糖尿病心肌病的主要诱发因素，可引起物质代谢紊乱、氧化应激、离子通道异常、信号通路活性异常等，进一步改变心肌结构，导致心肌纤维化、肥大、心脏收缩功能障碍，最终诱发心力衰竭、死亡。研究发现Notch信号调控心肌重构在这个过程中发挥着一定的作用，因阻断Notch信号可造成左心室肥大〔21〕。Hes1、Hey1和Hey2的表达降低可诱导心脏基因表达，导致心肌肥大。可见，Notch 信号是可通过下调心脏转录基因表达实现阻遏心肌肥大的作用。抑制Notch1的表达会激活心脏基因表达导致心肌肥厚出现，同时血流动力学会超负荷从而导致心肌壁薄凋亡显著增加。如前所述，Notch信号传导在心脏胚胎期即参与了心脏发育，介导心内膜、瓣膜和骨小梁的形成，传导中的主要组成缺失可导致严重的先天性心脏病。因此，Notch信号也会影响心脏干细胞的分化与增殖，参与心肌的再生修复。研究提示，Notch1的增强可加速心脏祖细胞和干细胞向心肌细胞的分化，抑制Notch1信号后，这种分化能力降低，显著减少了心肌数量，易引发扩张型心肌病〔22〕。增强Jagged1的表达，Notch1可被激活，心肌细胞的增殖能力明显增加，而当阻断Jagged1后这种增强效应会显著降低〔23〕。在小鼠体内应用γ分泌酶抑制剂阻断Notch通路，显著诱发扩张型心肌病的发生〔22〕。可见，激活Notch信号通路可促进心肌再生，保护受损心肌，减少心肌病的发生。

2.5Notch与心力衰竭 在心血管疾病中如心肌病、心肌梗死、血流动力学负荷过重等，都可引起心肌损伤，同时伴有心肌结构和功能的改变，最终降低心室舒缩功能。由此可见心力衰竭是心血管疾病发展的最终结果，而不是单一的疾病。研究证明，肝细胞生长因子及其同源受体c-Met，PI3K/Akt可与Notch信号传导互相作用保护心肌细胞，对抗缺血/再灌注引起的氧化应激导致的心脏损害〔20〕。研究显示，动物心肌组织中的保护性信号通路可被Notch1激活，且应激状态下的心脏损伤会随着Notch1的下调而加剧〔24〕。心肌受损时可观察到Notch信号通路的表达，如低氧诱导因子(HIF)-1α表达在心肌缺血缺氧时会显著增强，活性氧生成减少，线粒体通透性转换孔的开放被抑制，心肌缺血/再灌注损伤降低。研究表明，Notch信号可显著增强HIF-1α的表达，这一反应是由Hes1/Stat3的介导激活缺氧通路实现的〔25〕；同时，缺血组织中不断增多的HIF-1α可以启动Hes1的转录，而且与NICD结合，保持其稳定性〔26〕，因此，Notch的积极调控可减少组织的心肌缺血/再灌注损伤。

3 结语和展望

近几年，Notch信号传导在心血管疾病中的研究受到了更多关注，Notch信号可通过调控多种信号通路在心血管系统和心血管疾病中的各方面发挥重要功能，但是其具体调控机制并不是十分清楚。Notch信号传导在不同环境、时间或细胞系中的作用可能是不同的，其过高或过低表达都可能对机体造成消极影响。所以需深入了解Notch信号传导和各通路间的互相作用对心血管疾病的发生、发展的具体作用机制，为Notch信号成为临床治疗心血管疾病的新方案提供更多研究基础，进行针对性的、高效的临床治疗。

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R363.2

A

1005-9202(2017)24-6251-03；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.24.107

国家自然科学基金资助项目(81550036)；安徽省教育厅重点项目(KJ2016A484);蚌埠医学院研究生创新课题(Byycxz1605)

张 恒(1963-)，男，主任医师，硕士生导师，主要从事冠心病研究。

陶 敏(1989-)，女，在读硕士，主要从事冠心病研究。

〔2017-03-19修回〕

(编辑 袁左鸣)