Gremlin与肺动脉高压

张云霞 缪冉 翟振国 王辰

1首都医科大学呼吸病学系 北京市呼吸和肺循环重点实验室100020;2国家呼吸病学临床研究中心 中日友好医院呼吸与危重症医学科,北京100029;3中国医学科学院,北京协和医学院100029

肺动脉高压 (pulmonary hypertension,PH)是一种由异源性疾病和不同发病机制引起的以肺动脉压力增高为主要表现的疾病状态,严重者出现右心衰竭,预后差[1]。Gremlin是一种细胞外糖蛋白,作为骨形态形成蛋白 (bone morphogenetic protein,BMP)的拮抗剂,在胚胎气道和肺循环发育中发挥了关键作用。最近,大量研究表明Gremlin与PH 发病密切相关。本文将综合分析Gremlin在PH 发生发展中的作用,为今后PH 的研究提供方向。

1 PH与Gremlin概述

PH 的血流动力学诊断标准为：海平面、静息状态、右心导管检查平均肺动脉压≥25 mmHg (1 mmHg=0.133 kPa)。根据病理、病理生理、治疗策略的不同,PH 可分为动脉性肺动脉高压 (pulmonary arterial hypertension,PAH)、左心疾病所致肺动脉高压、肺部疾病和 (或)低氧所致肺动脉高压 (PH due to lung disease/hypoxemia,HPH)、 慢性血栓栓塞性肺动脉高压 (chronic thromboembolic pulmonary hypertension,CTEPH)及其他肺动脉阻塞性疾病、多种机制相关的PH 5类[2]。

PH 发病的病理学基础为肺动脉内皮细胞功能障碍、平滑肌细胞增殖、成纤维细胞增生、细胞外基质沉积、炎症细胞聚集等导致的肺血管重塑。基因突变、环境因素、代谢功能改变、炎症反应、表观遗传学差异、血管生成过程改变均在PH 的发病过程中发挥重要作用[3]。

Gremlin是一种高度保守的糖蛋白,由184 个氨基酸组成,相对分子质量大小为20 700。人Gremlin 基因(GREM1)位于染色体15q13-q15。作为BMP 拮抗剂,细胞内的Gremlin 在高尔基体内与BMP 前体结合,抑制BMP分泌。分泌至胞外的Gremlin 既可以连接在细胞表面,也可以存在于细胞间质,以不同的亲和力与不同类型的BMP成员 (主要为BMP2、BMP4、BMP7)非共价结合,阻止BMP结合其同源受体,从而改变了激活状态信号分子的有效浓度[4-5]。BMP 是转化生长因子β (transform growth factor-β,TGF-β)超家族中的重要成员。它通过调节一系列下游基因的活性,控制着许多重要的生物学过程。BMP信号传递主要通过Smad信号通路,BMP与细胞膜上的特异性受体结合,Ⅱ型受体 (bone morphogenetic protein type-Ⅱreceptor,BMPR-Ⅱ)能够活化Ⅰ型受体 (BMPR-Ⅰ),进一步将信号传递给细胞内的Smad 分子。活化的BMPR-Ⅰ进一步磷酸化Smad1/5/8 蛋白,与Smad4 结合形成复合物,在核孔蛋白的转运下进入细胞核,Smad多元复合物在其他DNA 结合蛋白的参与下作用于特异的靶基因,调控靶基因的转录[6]。此外,Gremlin还能够与内皮细胞表面的血管内皮生长因子受体2 (vascular endothelial growth factor receptor 2,VEGFR2)受体结合,或者细胞表面的裂隙孔蛋白结合,以BMP非依赖的方式发挥作用。

Gremlin在肺脏中主要表达于内皮细胞、成纤维细胞、肺泡上皮细胞、肺动脉平滑肌细胞[4]。Gremlin与BMP 之间的平衡对于肺脏正常发育十分重要,Gremlin表达过低或者过高都可引起肺部异常。研究表明,Gremlin可能在PH 的发生发展中发挥重要作用。PAH 患者血清中Gremlin-1表达增加,且与6 min 步行距离成负相关,Gremlin-1＞242μg/L的PAH 患者病死率较高,Gremlin-1成为提示PAH 患者预后的重要生物标志物[7]。特发性肺动脉高压 (idiopathic pulmonary arterial hypertension,IPAH)患者肺组织中Gremlin蛋白呈现高表达[8]。在低氧PH 模型中,Gremlin 在肺组织和右心组织中的表达均增高;增强的Gremlin抑制了BMP信号通路功能,导致PH发生[9]。

2 Gremlin与肺动脉内皮细胞

血管内皮细胞是保证血管正常舒缩,维持血管张力,调节血压的基础。内皮细胞损伤可破坏内皮屏障,使肺血管中层直接暴露于血液循环中的炎症因子及生长因子,且内皮细胞分泌保护性物质进一步减少,从而触发PH 的发生[10]。低氧是PH 的重要临床表现和刺激因素,肺血管内皮细胞在缺氧时的表现具有器官特异性。采用基因芯片的方法检测肺微血管内皮细胞和心脏微血管内皮细胞的在低氧条件下基因表达差异,发现GREM1基因在肺微血管内皮细胞中表达增加,而在心血管表达几乎不变。进一步在缺氧小鼠模型中进行验证,结果显示缺氧时小鼠肺组织Gremlin 表达增加,而心脏、肾脏、肝脏、脾脏组织Gremlin表达未见明显增加,这种Gremlin表达差异部分解释了肺血管床是唯一在低氧时肺血管阻力增加的器官这一现象[11]。此外,肺微血管内皮细胞分泌的Gremlin,可与BMP结合,抑制Smad1/5/8 磷酸化从而阻碍肺微血管内皮细胞的损伤修复和再生[11-12]。

内皮细胞间质转化(endothelial-mesenchymal transition,En MT)是指内皮细胞丢失内皮特性而获得间质细胞特性的过程。内皮细胞在缺氧、炎症、机械刺激下可以发生细胞间质转化促进PH 过程中肺血管重构。En MT 的发生机制与上皮细胞间质转化相似[13]。研究表明,TGF-β可以促进上皮细胞间质转化[14]。Gremlin表达增加,可以抑制BMP信号通路作用,而TGF-β和BMP通路相互制衡,BMP 信号通路减弱,则TGF-β通路相应增强,从而促进上皮细胞间质转化。TGF-β也可以刺激内皮细胞发生间质转化,Gremlin在内皮细胞间质转化中很有可能发挥着同样的作用[15]。

3 Gremlin与肺动脉平滑肌细胞

肺动脉平滑肌细胞增殖、迁移和凋亡在PH 血管重构中发挥重要作用。研究表明,Gremlin在IPAH 患者肺动脉平滑肌细胞中表达增加,血管紧张素Ⅱ、转化因子β1、血小板源性生长因子、内皮素可以提高Gremlin在血管平滑肌细胞中的表达含量。用内皮素刺激肺动脉平滑肌细胞,可以引起Gremlin表达增加,BMP4 表达降低,从而抑制Smad1/5/8、DNA 结合蛋白1 (DNA binding 1,Id1)的表达,增强p38MAPK 活性,促进肺动脉动脉平滑肌细胞增殖,抑制其凋亡[8]。

在体循环动脉平滑肌细胞中,Gremlin可以与BMP2、BMP4结合,抑制Smad1/5/8 磷酸化及Id1 基因表达,抑制动脉平滑肌细胞DNA 合成,促进增殖和迁移,而干扰GREM1基因表达,可以逆转该过程[16]。Gremlin 还可以通过与BMP结合,增强半胱氨酸蛋白酶3 (Caspase-3)含量,诱导血管平滑肌细胞凋亡,用GREM1基因干扰RNA转染平滑肌细胞,可以有效抑制其凋亡,但是加入BMP只能部分抑制凋亡,提示其他信号通路也参与Gremlin诱导的细胞凋亡[17]。Gremlin单独作用对肺动脉平滑肌细胞增殖、迁移的影响有待进一步研究。但是研究已表明BMP可以抑制肺动脉平滑肌细胞的增殖和迁移,所以作为BMP的拮抗剂,Gremlin很可能通过抑制BMP/Smad通路从而促进肺动脉平滑肌细胞的增殖、迁移,从而参与肺血管重构[18]。

4 Gremlin与炎症细胞

血管周围炎症细胞如巨噬细胞、淋巴细胞、树突状细胞、中性粒细胞聚积是PH 的主要病理表现之一,炎症细胞因子如IL-6、IL-1β、单核细胞趋化蛋白1 (monocyte chemotactic protein-1,MCP-1)、巨噬细胞炎症蛋白1α(macrophage inflammatory protein-1α,MIP-1α)等分泌增加,参与肺血管重构[19]。研究表明,Gremlin在单核细胞和巨噬细胞中表达[20],通过与巨噬细胞迁移抑制因子结合,调节单核细胞功能,抑制单核细胞渗出及浸润[21]。Gremlin还可以直接与细胞表面的裂孔膜蛋白结合,抑制单核细胞的迁移,使单核细胞在受损伤肺组织周围长期聚积,加重炎症反应[22]。Gremlin与VEGFR2结合,诱导趋化因子、黏附分子、细胞因子表达,促进炎症细胞如淋巴细胞、单核细胞浸润[23]。PH 中Gremlin表达增加,可能通过以上途径参与炎症反应,引起肺血管重构。

5 Gremlin与细胞外基质(extracellular matrix,ECM)沉积

在PH 发生过程,肺组织的ECM 如胶原、弹力蛋白、纤维结合素以及黏胶素增多,过度沉积,形成肺血管病理性重构[24]。研究表明,BMP4 可以抑制 TGF-β 诱导的ECM 沉积,而Gremlin-1可以与BMP4结合,抑制BMP4的该功能,诱导Ⅰ型、Ⅳ型胶原、弹力蛋白、粘连蛋白的表达。用Gremlin刺激肺上皮细胞,可以增加结缔组织生长因子、纤溶酶原激活物抑制物的含量,引起细胞外基质沉积,最终参与PH 的血管重构过程[25-27]。

ECM 处在不断代谢更新、降解重构的过程中,基质金属蛋白酶 (matrixmetalloproteinase,MMPs)是溶解ECM最为重要的酶。MMPs的水解活性受其内源性组织抑制因子 (tissue inhibitor of metalloproteinases,TIMPs)的严密调控。正常情况下MMPs和TIMPs保持适当的比例,使ECM 的分泌和降解处于动态平衡中。在PH 发生过程中,这种平衡遭到破坏,ECM 过度沉积,从而发生肺血管重构。TGF-β/BMP可通过激活下游的Smad及其信号蛋白的生成,调节 MMP 的 mRNA 表达,从而调节 MMPs 与TIMPs平衡[28]。Gremlin 作为 BMP 拮抗剂,通过调节MMPs与TIMPs平衡,影响细胞外基质沉积过程。

6 Gremlin参与血管生成

在PH 多种病理改变如新生内膜形成中均存在血管生成改变,与患者预后密切相关[19]。在体和离体实验均表明,Gremlin直接与VEGFR2结合,促进人微血管内皮细胞血管生成[29]。Gremlin还可以通过非依赖BMP通路的方式,与人微血管内皮细胞结合,促进内皮细胞迁移、侵袭,参与肺血管生成过程[30]。Gremlin与肺血管生成的研究目前仍较少,有待进一步深化研究。

7 前景与展望

综上,Gremlin通过抑制肺动脉内皮细胞损伤修复、促进平滑肌细胞增殖、迁移,细胞外基质沉积及炎症细胞浸润,参与PH 的发生发展过程。但具体的分子机制并不十分明确,深入研究Gremlin参与PH 疾病过程的相关信号通路,是今后研究的重要方向。研究表明,Gremlin 抗体可以改善低氧PH 小鼠模型的肺血管阻力数值及肺血管重构程度[30],提示Gremlin可能成为PH 治疗的新的靶点,而Gremlin抗体有可能成为新的PH 靶向治疗药物。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突