TGF-β信号通路在心力衰竭中的作用

康 伊，张 艳

(1.辽宁中医药大学研究生院，沈阳 110032； 2.辽宁中医药大学附属医院心血管内科，沈阳 110032)

心力衰竭的主要诱因为左心室血流过载或由急性心肌梗死引发的心肌损伤。血流负荷过重导致高血压并引发心肌肥大，而心肌梗死初期导致心肌细胞死亡并引发残余心肌细胞的代偿性增大，最终产生纤维化和左心室扩张。因此，由血流压力过载和缺血引发的心脏重构过程是不同的。虽然诱因不同，但心脏重构均与一系列交感神经系统激活和细胞因子释放有关。转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)很早就被发现在心力衰竭患者中表达上调，这一现象在各种心力衰竭动物模型中从心肌补偿性肥大到心力衰竭阶段均被再次观察到[1]。分子生物学实验表明，TGF-β信号通路参与心力衰竭发展的各种过程，包括心肌肥大、心肌纤维化、心肌凋亡、炎症和心肌干细胞的分化[2]。虽然TGF-β信号通路广泛参与了心力衰竭过程，但全面抑制TGF-β信号通路并不能对阻止心力衰竭产生积极影响：在主动脉狭窄后注射TGF-β Ⅰ 型受体抑制剂SM16虽然能减少心肌纤维化和心肌功能失调，但却加剧了左心室扩张和炎症反应并导致患者死亡率升高[3]；同时在心肌梗死后给予可溶性TGF-β Ⅱ 型受体也可通过降低免疫反应导致致死率升高。现就TGF-β信号通路在心力衰竭中的作用予以阐述。

1 TGF-β信号通路概述

TGF-β信号通路主要通过TGF-β蛋白配体与特异性的异源四聚体受体(由TGF-βⅠ型受体和TGF-βⅡ型受体组成)结合并激活其丝氨酸/苏氨酸激酶活性，进而转导信号[4]。TGF-βⅠ型受体和TGF-βⅡ型受体均是单次跨膜的受体蛋白，分别由胞外配体结合域和胞内丝氨酸/苏氨酸激酶结构域组成，其中Ⅰ型受体包含7个蛋白[激活素受体样激酶(activin receptor like kinase，ALK)1～ALK7]，ALK5也称为TGF-βⅠ型受体；而Ⅱ型受体家族由5个蛋白(TGF-βⅡ型受体、骨形成蛋白受体Ⅱ、激活素受体ⅡA、激活素受体ⅡB等)组成[4]。Ⅰ型受体中的TGF-βⅠ型受体/ALK5和ALK1与Ⅱ型受体中的TGF-βⅡ型受体主要介导TGF-β配体的信号通路，而ALK1/2/3/6和Ⅱ型受体中的骨形成蛋白受体Ⅱ、激活素受体ⅡA/B主要介导骨形成蛋白配体信号通路[5-7]。通常TGF-β配体主要结合TGF-βⅡ型受体二聚体和TGF-βⅠ型受体二聚体的复合物，并促使TGF-βⅡ型受体磷酸化TGF-βⅠ型受体的GS结构域，激活TGF-βⅠ型受体的丝/苏氨酸激酶活性，进而磷酸化下游的转录因子Smad2和Smad3[8]。磷酸化Smad2和Smad3与Smad4结合转入细胞核内，与转录共激活因子p300和CREB结合蛋白一起激活TGF-β信号通路的靶基因，或通过转录共抑制因子c-Ski(sloan-kettering institute proto-oncogene)和SnoN(ski-related novel gene N)抑制靶基因的转录[8-9]。同时，在内皮细胞中TGF-β配体还可以结合ALK1和TGF-βⅡ型受体复合物，进而磷酸化激活Smad1/5/8转录因子，与Smad4结合转位进入细胞核调控不同于Smad2/3/4复合物的靶基因转录。

除ALK5-Smad2/3或ALK1-Smad1/5/8的经典信号通路外，TGF-β还可通过非经典的信号通路(即非依赖Smad信号通路)调控心脏重构。TGF-β通过TGF-βⅡ型受体可以直接磷酸化激活TGF-β激活激酶1(transforming growth factor-β-activated kinase 1，TAK1)，进而激活下游的c-Jun、c-Jun氨基端激酶和p38磷酸激酶。此外，TGF-β还可以激活胞外信号调节激酶、磷脂酰肌醇-3-激酶和小G蛋白激酶，进而调控细胞凋亡、线粒体功能和微RNA表达，最终影响心肌收缩功能和心肌纤维化[10]。

2 TGF-β信号通路通过调控血管内皮细胞和平滑肌细胞功能诱导心力衰竭

TGF-β信号通路对内皮细胞功能的影响是多向性的，内皮细胞表面主要表达TGF-βⅠ型受体/ALK5受体，但同时也表达ALK1受体，且只在高水平TGF-β配体存在时结合。而ALK5和ALK1这两个不同的Ⅰ型受体介导了不同的内皮细胞功能。因为ALK5和ALK1对诱导血管内皮生长因子表达的作用截然相反，由此形成TGF-β信号通路对内皮细胞增殖、迁移及血管新生的复杂影响[11]。

TGF-β信号通路的抗血管新生作用主要由TGF-βⅡ型受体和ALK5受体介导。持续在内皮细胞中过表达ALK5将抑制内皮细胞增殖和迁移，并促进血浆纤溶酶原激活物抑制剂1表达；而使用ALK5特异性小分子抑制剂SB-431542，将刺激内皮细胞增殖和体外血管形成[12]。TGF-β-ALK5信号抑制血管新生的作用也被诸多体内实验所证实[13-15]，敲除TGF-β1、TGF-βⅠ型受体/ALK5受体或TGF-βⅡ型受体的小鼠均由于卵黄囊血管丛形成异常而死于胚胎期10.5 d左右[16]。体外和体内实验均证实，TGF-β-ALK5信号通路能够维持内皮细胞处于静息状态且对血管网络成熟是必需的[17]。

TGF-β信号通路对血管新生的促进作用主要通过TGF-β-ALK1-内皮糖蛋白(Endoglin)信号通路实现，TGF-β通过结合TGF-βⅡ型受体、ALK1和Ⅲ型受体Endoglin可以促进内皮细胞的增殖、迁移和管腔形成[18]，且利用腺病毒稳定表达ALK1也可以促进内皮细胞的增殖和形成内皮细胞管腔状结构。研究显示，ALK1可存在于质膜微囊结构中与窖蛋白1相互作用，促进ALK1-Smad1/5/8信号转导，进而抑制ALK5-Smad2/3信号通路[19]。在小鼠胰腺癌模型中，杂合型ALK1+/-小鼠肿瘤中的血管密度降低[20]。以上证据表明，ALK1信号通路与促进血管形成和保持内皮细胞激活状态有关。

Endoglin在内皮细胞中高度表达，并在平衡TGF-β信号通路促进或抑制血管新生过程中扮演重要角色[21]。其能够促进TGF-β-ALK1-Smad1/5信号转导的激活，从而抑制TGF-β通过ALK5磷酸化激活Smad2/3[22]。敲除Endoglin的纯合子小鼠在胚胎期11.5 d死亡，并表现出卵黄囊和胚胎血管形成缺陷，表明Endoglin在胚胎期在促进血管形成中有重要作用[23]。

在心力衰竭病理进展过程中，内皮细胞中的TGF-β信号通路主要通过TGF-β-ALK1-Endoglin信号通路增加血管内皮细胞的增殖和血管紧张素转换酶、内皮素等内皮因子的分泌，导致血管舒缩活性改变，最终引发心肌肥大和心脏重构，从而加剧心力衰竭的病理进展[24]。

TGF-β信号通路除对内皮细胞具有调控作用外，还对周细胞和血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cells，VSMCs)具有浓度依赖的调控作用。适中浓度的TGF-β刺激VSMCs可以促进其增殖并诱导血小板衍生生长因子的表达，但高浓度的TGF-β会抑制VSMCs的增殖，且提高Smad3的蛋白水平可以促使高浓度TGF-β的抑制作用转化为促进作用[25]。高浓度TGF-β对VSMCs的增殖抑制主要通过非经典TGF-β信号通路实现，其诱导G0/G1期细胞阻滞需要依赖p38促分裂原活化的蛋白激酶信号通路的活性[26]。当血清剥夺后，TGF-β既可诱导也能抑制VSMCs细胞凋亡，这取决于VSMCs的细胞生理状态，如细胞外基质的相互作用。此外，TGF-β还可通过诱导神经钙黏素的表达抑制VSMCs迁移，并通过调节RhoA蛋白活性调控VSMCs的肌动蛋白细胞骨架[27]。

同时，TGF-β信号通路也可诱导VSMCs的分化，显著诱导α平滑肌肌动蛋白、钙调节蛋白1和VSMC1A等VSMCs分化特异性基因的表达[28]。TGF-β诱导这些特异性基因表达主要依赖Smad2和Smad3，以及血清应答因子和心肌蛋白共同作用。其诱导VSMCs分化主要通过激活Smad2/3和p38促分裂原活化的蛋白激酶，而RhoA激酶在此过程中发挥重要作用，抑制RhoA激酶活性可以阻止TGF-β诱导的VSMCs分化。体内外实验表明，敲除或使用小分子抑制剂干扰Smad2/3功能均能显著抑制VSMCs增殖、迁移和下调肌肉收缩靶基因表达[29]。而VSMCs的分化影响和控制了血管的直径及血流动力学变化，最终导致血管血流过载，加重心脏的负担，诱发心脏重构和慢性心力衰竭。

3 TGF-β-TAK1信号通路通过促进心肌肥大诱导心力衰竭

TGF-β在心力衰竭过程中起促进心肌肥大、心肌凋亡和心肌纤维化的作用，其中TAK1主要介导了TGF-β促进心肌肥大的作用。在动物主动脉狭窄模型中，TAK1的表达显著上调，过表达TAK1的转基因小鼠表现出心肌肥大的表型[30]。且在血管紧张素Ⅱ诱发心肌细胞肥大的体外实验中，利用小干扰RNA敲减TAK1可以显著阻止血管紧张素Ⅱ引发的心肌肥大，而敲减Smad2/3不能逆转这一过程，表明Smads通路并不介导血管紧张素Ⅱ诱发的心肌肥大病理过程[31]。在细胞水平上，肥大的心肌细胞表面积与重量比明显下降，而细胞表面的胞膜是Na+-Ca2+离子转运的必经部位，因此细胞表面积与体积比降低导致细胞表面Ca2+转运能力减弱，细胞内Ca2+水平降低，从而影响心肌细胞收缩能力，使心肌细胞长期功能低下，最终引发心力衰竭[32]。

此外，TAK1还具有抗程序性死亡和抗坏死的作用。在TGF-β刺激下，TAK1可以结合受体相互作用蛋白1，进而阻止受体相互作用蛋白1与其他死亡信号通路关键蛋白的相互作用，如抑制受体相互作用蛋白1与胱天蛋白酶8和RIP3的结合，最终导致细胞凋亡和细胞坏死减少[33]。

4 TGF-β信号通路通过促进心肌纤维化加剧心力衰竭

心肌纤维化是心力衰竭的重要诱因，几乎发生于所有心力衰竭患者中，其可以促进室壁僵硬程度增加、心肌细胞比例减少，进而导致收缩障碍和电偶联障碍。心肌纤维化可分为填空型纤维化和修复型纤维化，其中填空型纤维化不伴随心肌细胞的丢失，而修复型纤维化常发生在心肌梗死后并导致纤维斑块的形成[34]。心肌纤维化形成与局部TGF-β表达水平升高密切相关，如心肌肥大、扩张型心肌病、主动脉狭窄均能诱导TGF-β1表达水平升高[35]。利用基因工程小鼠可以研究不同TGF-β通路组成部分对心肌纤维化和心力衰竭的作用。在小鼠肝脏中，过表达TGF-β1配体可以导致血液循环系统中TGF-β1水平升高，进而引发小鼠心肌肥大和填空型纤维化[36]；而在敲除TGF-β1基因的小鼠或注射中和TGF-β1抗体的野生型小鼠中，血流过载引发的胶原纤维积累损伤明显减弱，进而改善心肌扩张失能现象。且通过表达可溶性的TGF-βⅡ型受体抑制TGF-β信号通路可以抑制心肌纤维化并改善心肌功能，而通过表达失活型TGF-βⅡ型受体抑制TGF-β信号通路虽然也能改善心肌纤维化，但却导致左心室扩张和扩张性功能失调[37]。此外，使用小分子抑制剂抑制ALK5的活性可同时改善心肌纤维化和心肌功能[38]。

同时，TGF-β信号通路Ⅲ型受体Endoglin也参与了心肌纤维化：过表达Endoglin的转基因小鼠可以增强血管紧张素Ⅱ诱发的心肌纤维化，而注射可溶性Endoglin能有效抑制主动脉狭窄引发的心肌纤维化，并延缓心力衰竭的发生[39]。此外，在左心室中过表达非编码RNA微RNA-208a能增加Endoglin的表达，进而在血流过载时诱发心肌肥大[40]；而杂合子Endoglin+/-转基因小鼠在右心室血流过载后，心肌纤维化水平和死亡率均降低[41]。与Ⅲ型受体功能一致，Smad3缺失可以在左心室血流过载发生后降低填空型纤维化并表现出细胞外胶原沉积减少，而在缺失Smad3基因的纤维细胞中TGF-β信号诱导的成肌纤维细胞转化和胶原纤维合成均明显受到抑制[42]。心肌纤维化可使心肌细胞外基质中的Ⅰ型和Ⅲ型胶原沉积，进而导致心肌细胞间兴奋电偶联失活，心肌细胞整体协作性和收缩性下降，最终导致心脏重构和心力衰竭。且心肌细胞纤维化还能加重残余心肌细胞负担，导致残余心肌细胞出现代偿性增大，因此心肌纤维化和心肌肥大常协同出现[43]。

除心肌纤维化外，TGF-β信号通路还对血流过载引发的心肌肥大具有重要作用。在先天性心肌肥大患者中，TGF-β1蛋白水平明显升高，与此一致的是TGF-β1配体过表达转基因小鼠也表现出心肌细胞肥大的特征。TGF-β1诱导的心肌肥大与β肾上腺素受体的密度过高相关，而使用β肾上腺素受体阻断剂可以治疗TGF-β1转基因小鼠的心肌肥大症状[44]。此外，血管紧张素Ⅱ也可通过诱导TGF-β1的过表达引发心肌肥大，而TGF-β1基因敲除小鼠可以阻止由血管紧张素Ⅱ诱发的心肌肥大[45]。

5 TGF-β信号通路作为心力衰竭治疗靶点的前景

TGF-β信号通路调控一系列从心肌梗死到血流过载引发心力衰竭的生理和病理过程，如激活TGF-β信号通路可以在心肌梗死发生后促进切口愈合、促进成肌纤维细胞转换和诱导血管新生[46]，但延长TGF-β信号活性持续时间会导致细胞外基质过度沉积，进而影响正常组织结构和功能。临床研究表明，在心肌梗死发生前或后立即抑制TGF-β信号通路会导致心肌功能恶化并增加死亡率，而在心肌梗死发生后24 h抑制TGF-β信号通路会改善心肌功能并降低由心肌梗死引发的心力衰竭发病率。

TGF-β信号通路除调控心肌纤维化和心肌肥大等病理过程外，还参与免疫和炎症调控过程，并作为单核细胞和中性粒细胞的直接招募者。这使得广泛或完全抑制TGF-β信号通路将产生严重的免疫调控不良反应、血管新生抑制、肿瘤监控体系隐患和创伤愈合障碍等严重威胁患者生存质量的副反应。因此，开发通过抑制TGF-β信号通路治疗心力衰竭的疗法必须精确设计调控TGF-β信号通路的具体靶点和对交叉领域功能影响的评估，在降低心肌纤维化和改善心肌功能的同时尽量减少其他负面影响并综合考虑各方面影响，精确设计用量和使用时间。目前，随着大规模基因功能筛选技术的出现，将为寻找精确调控TGF-β信号通路分子靶点提供技术支持。相信未来会寻找到既能改善心肌功能、降低心肌纤维化，同时又不影响免疫功能和心肌创伤修复的TGF-β信号通路精准调控因子。

6 小 结

TGF-β信号通路在心力衰竭的病理过程中发挥重要作用。其对血管内皮细胞和VSMCs均具有复杂、浓度依赖的多向性调控作用，且TGF-β信号通路广泛参与了从心肌纤维化、心肌肥大到心肌梗死创伤愈合、免疫反应等诱导心力衰竭的多个病理过程。目前，开发具有针对性的TGF-β信号通路抑制剂治疗心力衰竭面临靶点选择、不良反应多元化等困难，但随着基因编辑、诱导多能干细胞等新技术的应用和发展，利用成簇规律间隔的短回文重复序列及其相关蛋白9系统鉴定精细化调控TGF-β信号通路的药物靶点和分子，及利用诱导多能干细胞寻找TGF-β信号通路调控心肌细胞分化这两个方面表现出巨大前景。未来随着技术进步，将开发出更多可精确调控TGF-β信号通路治疗心力衰竭的新靶点。