Notch信号通路相关性心律失常研究进展

王宁 张桢烨 彭夏锋 王如兴

1919年，有研究在雌性果蝇中发现一种基因，其功能丧失可致果蝇翅膀边缘缺损，且雌性子代大多有翅膀缺损的特征，因此将该基因命名为Notch基因[1]。百年间，经过对Notch基因的结构及功能的不断探索，发现在生物体的生长发育过程中Notch基因起重要作用。近年来，研究发现Notch信号通路参与多种心律失常的发病机制[2]。因此，探讨Notch信号通路参与心律失常的发病机制对心律失常防治至关重要。

1 Notch信号通路

Notch是由Notch基因编码的单次跨膜受体蛋白，进化上高度保守且广泛存在于细胞表面介导细胞间信号传递。哺乳动物体内有4种Notch蛋白(Notch 1-Notch 4)和5种配体蛋白：Jagged 1、Jagged 2、Delta-like 1、Delta-like 3和Delta-like 4。Notch蛋白由胞内结构域(Notch intracellular domain，NICD)、跨膜区域和胞外结构域组成。NICD包含1个RBP-Jk相关的分子结构域，6个ankyrin/cdc10重复序列，2个核定位序列，1个转录激活结构域以及羧基端的1个富含脯氨酸、谷氨酸、丝氨酸和苏氨酸的序列。胞外结构域由29～36个串联表皮生长因子样重复序列和3个富含半胱氨酸的LIN12 / Notch重复序列组成。表皮生长因子样重复序列负责配体与Notch的结合，而LIN12 / Notch重复序列负责阻止配体单独激活[3]。配体主要由长短不等的表皮生长因子样重复序列和DSL结构域组成，DSL结构域可与Notch胞外结构域上的表皮生长因子样重复序列结合[4]。在与配体结合后，Notch被激活并发生构象变化，TNF-α转化酶在跨膜区域外催化肽键断裂，释放胞外结构域；γ-分泌酶使跨膜细胞内靠近跨膜区域处的蛋白水解，NICD从细胞膜释放移位至细胞核[5]。在细胞核中，NICD与DNA连接蛋白CSL(也称为RBJP)结合。当Notch信号未被激活时，CSL蛋白与其靶基因上的启动子结合，并募集组蛋白脱乙酰基酶和共抑制因子以抑制基因转录。Notch信号激活后，NICD和CSL相互作用以取代共抑制因子，并与共激活因子Mastermind 形成转录复合物进而刺激靶基因的转录[6]。Notch信号传导的靶基因包括Hes家族和Hrt家族。

Notch信号通路是通过细胞间相互作用来调节生物体生长发育的一个十分保守的信号通路。在动物发育过程中,Notch信号通路对于决定细胞命运、细胞发育、分化、增殖、凋亡、黏附和上皮 - 间充质转化都至关重要[7]。在心血管胚胎发生时期，Notch信号通路参与编程从心脏结构到心脏电生理特性等多个过程，特异性调节心内膜、心外膜、冠状动脉及心脏传导系统等多种细胞，并影响瓣膜区域的形成[8]。Notch 1和Notch 2是胚胎心脏中表达的主要受体，而Notch 3仅限于平滑肌，Notch 4仅限于血管系统的内皮细胞[9]。有研究表明，Notch2和配体Jagged1基因的突变会导致Alagille综合征(一种常染色体显性遗传疾病)，会影响包括心脏在内的多个器官，心脏病变主要以室间隔缺损和肺动脉狭窄导致的右心室肥大为主[10]。Notch 1受体单倍体不足可导致主动脉瓣疾病。此外，越来越多的证据表明，Notch还可能调节成年心脏的体内稳态，可以保护心脏避免过度和有害的肥大反应并增加心肌细胞的存活率。Notch信号传导可通过促进心肌再生，保护缺血性心肌，诱导血管生成并负向调节心脏成纤维细胞-成肌纤维细胞转化来修复心肌损伤[11]。生理条件下，胎儿时期心脏发育时Notch信号活跃，出生后Notch信号沉默[12]。在心肌缺血和心脏衰竭等病理情况下，Notch信号重新激活并可导致长期基因改变，引发如病态窦房结综合征、预激综合征和室性心律失常等疾病[13]。

2 Notch 信号通路与心律失常的关系

2.1 Notch信号通路与预激综合征的关系

预激综合征是因房室旁路的存在，心电脉冲快速从房室旁路传导至心室，致使心室预先激动。尽管预激综合征的病理学和电生理学特征已明确，但其发生机制尚不清楚。有研究表明，Notch信号的再激活可能会导致预激综合征的发生。Rentschler等[14]在小鼠胚胎心肌中发现，激活Notch信号可以产生房室旁道及心室预激。相反，小鼠胚胎心肌中Notch信号的抑制则会导致房室结发育障碍、慢传导细胞特异性丧失以及生理性房室结传导延迟的丧失。此外，Gillers等[15]给予αMHC-Cre和tetO-NICD双转基因小鼠多西环素以过度激活Notch信号，结果显示Notch过度激活小鼠心脏传导系统中出现房室旁道，且以右侧房室旁道为主。 相似地，Akazawa等[2]发现Notch 1激活的小鼠出生后表现出明显的心室预激且其房室不应期很短，在程序化电刺激下易发生房性心动过速。以上研究均指出Notch信号在小鼠胚胎心脏传导系统发育过程中起着重要作用，激活Notch可导致预激综合征的发生。

2.2 Notch信号通路与病态窦房结综合征的关系

病态窦房结综合征是一组以窦性心律障碍为主要表现的综合征，包括窦性心动过缓、窦性停搏以及对阵发性心动过速如心房扑动和房颤的易感性增加。病态窦房结综合征的发病机制尚不完全明确，目前认为可能与窦房结内离子通道表达的改变、窦房结细胞的减少和窦房结组织重构等因素相关[16]。John等[17]发现编码钠离子电流(Scn5a)和钙离子电流的任何基因发生突变都可能导致窦房结功能障碍。有研究[12]发现，在多西环素诱导的Notch信号激活小鼠模型出现明显的窦性心动过缓、频繁窦性停搏以及房性心律失常发生率增加，类似病态窦房结综合征的表现。进一步研究其发病机制时发现，虽然上述小鼠具有正常心房和窦房结结构，但窦房结和心房传导的关键转录调节因子(包括Nkx2-5、Tbx3和Tbx5)表达失调，编码心房传导速度的决定基因，包括Scn5a(Nav1.5)和Gja5(连接蛋白40)持续下调，小鼠房性心律失常的发生率增加。这些结果表明，Notch激活会改变离子通道基因的表达和心房细胞电生理，从而使心律失常容易发生。

2.3 Notch信号通路与Brugada综合征的关系

Brugada综合征是一种罕见的常染色体显性遗传性心脏病，心电图主要表现为右心前区导联ST段明显抬高、室性心律不齐，且有猝死倾向，在心脏结构正常的患者中突发心源性猝死的风险较高。其发病机制认为与右心室心肌细胞去极化或复极化离子电流改变相关。目前已鉴定出至少19个基因的突变与Brugada表型相关，这些基因的突变可引起心肌细胞膜上内向钠离子或钙离子电流的减少和外向钾离子电流的增加，从而导致动作电位早期出现更大的外向电流，动作电位时间延长[18]。目前已知的可导致钠离子通道功能丧失的基因包括Scn5a、Hey2、Scn1b等；可导致钙离子通道功能丧失的基因包括Cacna1c、Cacnb2b、Cacna2d1等；Kcne3、Kcnd3、Kcnj8等基因的突变可导致钾离子通道功能增强。已有研究证实Notch信号可能通过调节上述一些控制钠离子及钾离子通道的基因而导致Brugada综合征发生[19]。

Notch信号可通过对Scn5a基因及Hey2基因的调控而改变钠离子通道功能引发室性心律失常。Khandekar等[20]发现在房室交界心肌细胞中Notch信号的异位激活使Scn5a基因上调，重新编程心肌细胞，使心肌细胞成为“诱导的Purkinje样”细胞，表现为动作电位持续时间延长及Purkinje细胞基因表达增加，从而易于发生室性心律失常。Notch信号对Scn5a基因的调节也可通过其下游靶基因Hey2实现。Hartman等[21]发现Chf1/Hey2(HEY家族转录因子)可通过影响Scn5a的表达和心脏传导系统的形成而导致Brugada综合征。Notch信号对Hey2基因的直接调控亦与Brugada综合征的发生相关。Veerman等[22]从190份人左心室样本中获得的表达定量性状基因座数据中发现Brugada综合征风险等位基因与Hey2高表达之间存在关联。Notch信号对其下游Hey2的调控通过室性差异性转录实现。当Notch信号被激活时，Notch胞内段NICD转移至核内，结合心室特异性增强子和启动子区域并被特定的组蛋白-3-赖氨酸-4-三甲基(H3K4me3)甲基化修饰，从而对Hey2基因进行室性特异性差异性转录，导致左室中Hey2表达上调，而右室中Hey2表达下降，左室动作电位时间延长，易发生致命性室性心律失常[23]。

Notch信号亦可通过调节钾离子通道影响电冲动传导。有研究表明，Notch信号激活可使调控钾离子通道亚基的基因下调，并进一步发现Notch信号通过调节电压门控的钾离子通道亚基基因的转录和表观遗传来调节钾离子电流[20]。此外，Notch信号的激活可使编码钠离子通道、钙离子通道及心脏连接蛋白的基因发生改变，这些改变有助于延长动作电位并影响冲动传导[20]。Notch信号可通过Hey2基因影响钾离子电流[22]。在Notch功能增强模型中发现Hey2基因上调、编码钾离子通道亚基的基因(Kcnd3，Kcnip2，Kcna5和Kcnb1)则下调以及相应的钾离子电流减弱。研究表明，Hey2高剂量会影响心脏离子通道基因的表达，通过未知的途径间接影响Kcnip2的表达，从而影响心室肌细胞去极化和复极化[22]。

2.4 Notch信号通路与心肌梗死后交感神经重构的关系

室性心律失常是心肌梗死患者死亡的主要原因。近年来，临床和动物实验研究证实心肌梗死后心脏神经再生发生异常，包括交感神经支配过度和交感神经功能失调，这在心肌梗死后心律失常的发生中起重要作用。交感神经过度激活会增加心肌细胞自律性、触发活动以及心肌细胞不应期的离散度，从而加重心肌细胞电生理异质性，使心肌梗死后室性心律失常发生风险增加。因此，近年来，心肌梗死后交感神经再生越来越受到关注，随着心梗后交感神经重塑机制的揭示，有研究表明，炎症和相关的细胞因子如巨噬细胞在刺激神经突起生长和再生中起关键作用[24]。Foldi等[25]研究证实，Notch信号通路可与巨噬细胞表达的模式识别受体TLR协同作用，诱导Notch靶基因的表达并调节经典TLR靶基因(如IL-6和IL-12家族的细胞因子)的产生。Yin等[26]在大鼠心肌梗死模型中发现，心肌梗死急性期时大量巨噬细胞浸润，Notch信号过度激活，并参与巨噬细胞表型的转换。Notch信号的抑制可使巨噬细胞早期向抑制炎症的M2型转换，下调神经生长因子的表达，最终改善心肌梗死后交感神经过度增生。研究结果提示Notch信号可能是通过调控巨噬细胞参与心肌梗死后交感神经重构。

3 总结与展望

Notch信号对离子通道、炎症反应及信号通路等均具有重要调控作用，参与多种心律失常的发生发展，但不同Notch信号对不同的心律失常发生发展的机制各不相同。因此，研究Notch信号调控心律失常的发生机制及其作用，对揭示Notch信号通路与心律失常发生发展的关系，寻找有效干预措施以预防和治疗心律失常具有重要的临床意义。