GATA4对心脏结构影响研究进展

石润竹，王鑫，杨树森

作者单位：1 150000 哈尔滨,哈尔滨医科大学附属第一医院心内一科

心脏结构改变是多种心脏疾病发生的病理学基础，心肌肥大、心肌纤维化是心脏重构的危险因素。心肌细胞中的基因表达受各种核的调节转录因子，共同激活或抑制的相互作用。锌指蛋白GATA4是一种参与心肌肥大、心肌纤维化的核转录因子，响应于诸如涉及交感神经和肾素-血管紧张素系统的肥大刺激，同时增加氧化应激、促进炎症导致心肌纤维化，从而影响心脏的结构改变，增加心脏重构易感性。同时，GATA4参与胚胎时期心脏发育，其突变可造成心脏发育缺陷，导致先天性心脏病的发生。本文将对核转录因子GATA4对于心肌肥大及纤维化的作用，以及突变后对心脏发育的影响加以说明。

1 GATA4家族

GATA转录因子是含有的锌指结构域，与DNA序列5'-WGATAR-3'片段结合。GATA共有6个成员，其中GATA4与GATA6广泛存在于心脏中，GATA4在心脏的发育中起到重要作用，GATA4的突变被证实与先天性心脏病（CHD）的发生有关系[1,2]。GATA4敲除鼠在早期胚胎就死亡[3,4]。Chaitali等应用免疫染色证实了GATA4参与调控CDK4的表达，高度证实了GATA4参与心脏分隔的形成，其突变可导致先天性心脏病的形成[5]。有报道称GATA4在心肌细胞中对肥大基因的转录中起到重要作用，如α-肌球蛋白和β-肌球蛋白重链（α和β-MHC）、肌球蛋白轻链1/3（MLC1/3）、心肌肌钙蛋白C、心脏、肌钙蛋白I、心房利钠因子（ANF）、脑利钠肽（BNP）和内皮素1（ET-1）[6,7]。除了在调节心脏肥大中确定性作用，GATA4还可调节细胞存活和抗细胞凋亡信号传导。

在成人心肌细胞中，Kakita等报道了钙调神经磷酸酶/NF-1/GATA4途径是ET-1介导的途径，可抑制心肌细胞凋亡，心脏特异性表达的GATA4缺失通过改变压力超负荷后细胞凋亡中涉及的基因表达诱导细胞凋亡[8]。已显示GATA4的过表达可降低由蒽环类药物（如阿霉素、柔毛霉素）引发的心肌细胞凋亡[9]。 同时GATA4被证实可以调节Bcl-2的表达，BCL-2是一种在心肌中抗细胞凋亡的蛋白，在小鼠心脏中被证实参与红细胞生成素介导的抗心肌缺血的心脏保护作用[10,11]。

2 GATA4与心肌肥大

肥大是一种对于压力负荷和容量超负荷、肌节蛋白突变、心肌梗死导致收缩力丧失的适应，是心力衰竭发生的危险因素，交感神经兴奋和肾素-血管紧张素系统是心肌肥大发生的起始，配体与功能受体的结合，激活参与心肌细胞磷酸化和钙内流的细胞内信号转导，并改变心肌细胞核基因的表达。各种研究表明细胞核中的转录调节对于病理性心肌肥厚和心力衰竭的发展极为重要，转录因子如肌细胞增强因子2（MEF2）、血清反应因子（SRF）、GATA结合蛋白4（GATA4）、AP-1、神经元限制性沉默因子（NRSF）、活化T细胞核因子（NFAT）和心肌素，被认为与心脏肥大和心脏有关[12-17]。以往研究证实，GATA4介导的心脏肥大和心力衰竭的作用。在心脏肥大和心力衰竭期间，心脏中GATA4表达和翻译后修饰被改变，GATA4的翻译后修饰如乙酰化、磷酸化、泛素化对于GATA4的生物学活性十分重要，GATA4和其他蛋白质间的相互作用对于调节DNA结合活性和基因转录也非常重要。

2.1 乙酰化作用 目前已经证明了组蛋白乙酰转移酶（HAT）p300对GATA4存在乙酰化作用，乙酰化后的GATA4对于细胞肥大相关基因的转录、心肌肥大的发生及心力衰竭的发生必不可少[18]。心脏特异性p300转基因小鼠显示其发生心肌梗死后左心室重塑加速，但缺乏p300转基因小鼠的HAT活性心肌重塑能力减弱[19,20]。证实了p300对于左室重构起到重要作用。通过分析P300诱导的GATA4乙酰化作用，我们发现4种赖氨酸被乙酰化。同时也发现Cdk9亦与GATA4存在结合，Cdk9与心脏的肥厚发生有关，p300/GATA4通路可被磷酸化的p300结合提升HAT的活性，促进乙酰化发生。

2.2 肥厚相关刺激 GATA4活性的激活被认为于其磷酸化相关[21]。丝裂原蛋白活化激酶(MAPK)级联反应是介导肥厚发生的关键生物学信号[22]。存在S105A突变的GATA4不能被ERK磷酸化，在培养的心肌细胞中抑制了由MEK1介导的肥厚的发生，GATA4可能是ERK信号通路介导肥大发生的下游[23]。GATA4可被P38 MAPK通路激活，P38 MAPK是MAPK级联反应中的关键因素[24]。有报导称，Rho/Rho kinase（ROCK）途径是GATA4被ERK和p38 MAPK磷酸化的上游，在心肌细胞中Rho/ROCK通路被证实参与了GATA4磷酸化和心肌肥大的发生[25]。

3 GATA4与心肌纤维化

GATA4参与心肌纤维化是一个复杂的过程，一方面GATA4存在抗心肌纤维化的作用。最近研究发现心脏成纤维细胞可通过多种转录因子被转分化为诱导的心肌细胞样细胞（iCMs），如GATA4，Mef2c和Tbx5[GMT]，在大鼠心肌梗死模型中有效而且迅速的将肌成纤维细胞重新编程整合成心肌细胞，GATA4或GMT可通过这种作用降低心肌梗死后心肌纤维化，减少瘢痕组织形成从而恢复心脏功能[26]。另一方面，GATA4也可通过增加转录活性，参与促进纤维化形成。在高血压心肌肥厚大鼠模型中，GATA4转录活性增加，促进心肌肥厚和纤维化，下调GATA4的转录活性，抑制纤维化发生。在研究去SIRT3在老鼠寿命中的作用时发现，过表达SIRT3可通过抑制GATA4的转录活性，抑制细胞老化和纤维化[27]。2015 年《Science》报道GATA-4 在细胞中堆积，能通过TRAFIP2和IL-1A，激活细胞核因子κB（NF-κB），启动和分泌衰老相关分泌表型（SASP），促进炎症和氧化应激[28]。GATA-4 可与c-Rel相互作用促进心肌肥厚及纤维化的形成[29]。

4 GATA4突变与心脏发育

先天性心脏病是先天性疾病最常见的类型，发生率约8‰～9‰[30]，目前先天性心脏病成因仍未知，但大多数与环境及基因表型相关联。GATA4编码锌指蛋白，在心脏的形成及心脏形成相关的多种活动中起到重要作用[31]。GATA4与TBX5相互作用，在胚胎中调控心肌细胞增殖，且参与了房室间隔的形成[32]，Thomford等研究表明，GATA4（P193H），MTHFR 677TT的变异与房间隔缺损及室间隔缺损，法洛四联症和动脉导管未闭有关[33]。

5 总结

心脏结构的变化是许多心脏病包括心力衰竭、心房颤动及先天性心脏病形成的病理基础。在胚胎发育中，转录因子GATA4的突变与多种先天性心脏病（如心房、心室间隔缺损、法洛四联症及动脉导管未闭等）相关。而成年后，GATA4通过多种途径被激活参与了心肌纤维化及心肌肥厚而导致心脏结构的变化，从而为多种心脏疾病的发生提供病理学基础及发生条件。目前对于心脏结构改变的确切因素尚不清楚。对于GATA4在心脏结构变化的研究有望成为抑制心脏结构重构的新的治疗靶点，从而为治疗及预防心力衰竭，治疗房颤及为提高心房颤动发生后的射频消融成功率提供新的可能。同时在于胚胎时期，对于GATA4突变的基因检测有望为先天性心脏病的诊断提供新的诊断及治疗靶点。