GATA5与心血管疾病

任安民 曲新凯

GATA5是GATA转录因子家族中的一个重要转录因子，GATA家族可分为GATA1/2/3和GATA4/5/6。GATA广泛存在于真核细胞生物中，其中GATA1/2/3主要调节造血组织发育，而GATA4/5/6主要调控心脏发育，心肌细胞增殖相关基因的表达[1]。其中，GATA5主要调控心血管细胞的分化，在心脏早期发育中有重要作用。近来研究发现，GATA5可以通过调节血管内皮细胞、心肌祖细胞等影响心血管疾病的发生发展。

1 GATA5概述

GATA5位于20号染色体20q13.3，是由397个氨基酸组成的转录因子，可特异性结合目的基因启动子区域的5′-(A/T)GATA(A/G)-3′核苷酸序列[2]。GATA5含有2个进化保守的锌指结构域，C端结构域介导与DNA的结合以及蛋白-蛋白相互作用，N端结构域维持与DNA结合的特异性和稳定性[3]。GATA5在心血管发育过程中发挥重要作用[4]。在胚胎发育时期，GATA5的表达有时效性，在未受精的卵细胞到桑葚胚阶段，GATA5几乎没有表达，至囊胚阶段开始少量表达，在囊胚发育阶段表达明显增加，在心脏搏动开始阶段表达增加至顶峰，在胚胎发育后期则逐渐回落至一个相对较高的水平[5]。GATA5在胚胎发育时期高表达于心脏中胚层和内胚层中，也表达于肺脏、泌尿生殖脊、膀胱和肠道的上皮组织中，成年后GATA5主要表达于心内膜，心肌组织，肝、肾、肠道、性腺等器官中。

2 GATA5在心血管疾病中的作用

2.1 GATA5在高血压中的作用

原发性高血压重要的病理机制之一是内皮细胞可以通过分泌血管紧张因子或者血管舒张因子来影响血压，同时内皮细胞的舒缩作用对血管弹性和血压调节也有重要作用。有研究通过单细胞RNA测序，发现GATA5在维持肾小球基底膜的完整性中发挥重要作用，并且与Tbx3、Prdm1和Pbx1等转录因子共同构成网络调控肾小球稳态[6]。Messaoudi等[7]发现敲除小鼠体内GATA5基因，或者特异性敲除小鼠内皮细胞GATA5基因，均能够引起血压升高。与对照组相比，这2种基因敲除动物体内均出现了更为严重的肾小球损伤，但是在特异性敲除平滑肌细胞GATA5的小鼠中未发现血压升高。研究认为，GATA5可通过调控内皮细胞内一氧化氮合酶3(NOS3)水平和活性，影响一氧化氮(NO)的释放，进而改变血管的舒缩功能，影响肾小球滤过率和肾小管重吸收，使血容量出现变化，促使血压改变。

GATA5可通过影响多条信号通路来影响内皮细胞稳态。内皮细胞在特异性敲除GATA5后，其蛋白激酶B(Akt)和NOS3的磷酸化被显著抑制，蛋白激酶A(PKA)的3个磷酸化底物蛋白激酶催化亚单位β(PRKACB)、蛋白激酶调节亚单位2β(PRKAR2B)、蛋白激酶AMP活化催化亚基α2(PRKAA2)的表达也被明显抑制，而促炎性因子白细胞介素(IL)-6、细胞间黏附分子-1(ICAM-1)和骨形态发生蛋白4(BMP4)的表达明显增高[7]。该研究中的队列研究分析提示，GATA5基因中一段区域存在6种基因变异(rs8113921、rs6061535、rs6142769、rs6587235、 rs6587239和rs6061245)，与抵抗血压升高的效应有密切关系，如GATA5外显子5区域(富含剪切调控位点的区域)存在基因变异rs6587239，它造成相应区域的鸟嘌呤被腺嘌呤取代，影响了GATA5的转录。Guo等[8]研究发现转录因子Nkx3.2可降低GATA5的胞内水平，特异性敲除动物内皮细胞的沉默信息调节因子6(SIRT6)可促进组蛋白H3第9位氨基酸残基(H3K9)乙酰化，这可增加Nkx3.2的表达水平，降低GATA5的表达水平，进而使NO释放减少，细胞膜通透性增加，内皮细胞功能失调，造成血压增高。Nkx3.2的表达受表观遗传修饰调控[9]，Nkx3.2是直接抑制GATA5表达还是通过激活GATA5的抑制物来间接抑制GATA5表达目前尚未明确，表观遗传修饰通过Nkx3.2-GATA5调控血压变化的机制有待进一步探讨。

2.2 GATA5在心脏发育中的作用

在心脏发育过程中，特异性基因的表达可调控细胞发育类型，最初的心脏祖细胞发育为心脏起搏细胞和工作细胞。正常的心脏发育需要转录因子、信号通路分子以及表观遗传调节因子的综合调节[10]。GATA5被认为是心脏形成过程中的看家调节基因，可调节相关心脏基因的表达，参与心肌细胞成熟、内膜形成及心脏各原始腔室的分化，GATA5呈动态调节模式，随着胚胎的发育该基因的表达逐渐减少。GATA5能促进小鼠胚胎干细胞在体外分化为心肌细胞并表达心肌细胞特有的蛋白，呈现心肌细胞的生理活性，而GATA4和GATA6没有这样的效应，这体现了GATA5在心肌细胞发育中的独特性[11]。

GATA5也参与自噬对心脏发育的影响。研究发现胚胎自噬增多可增加胚胎心脏脊柱裂的风险，其调控方式可能是抑制胚胎心脏管状组织发育时GATA4/5的表达[12]。Miyagi等[13]发现GATA4/5/6在斑马鱼心脏发育的早期阶段反式激活连接蛋白36.7(Cx36.7)启动子区域，加速Cx36.7的转录表达，促进胚胎心脏发育。也有研究指出GATA5的缺失能使染色质可及性发生明显改变，造成小鼠心脏发育畸形[14]。

小泛素相关修饰物(SUMO)作为泛素相关类似物(UBL)的重要成员，可与多种靶蛋白结合，发挥相应的生物学功能。SUMO化修饰是一种动态可逆的蛋白质翻译后修饰，在各种细胞过程如转录、复制、细胞周期和应激反应中起关键调节作用。在斑马鱼中，GATA5的SUMO化修饰是心脏发育必不可少的环节[15]。对GATA5基因324位赖氨酸(K324)和360位赖氨酸(K360)进行修饰，将赖氨酸转变为精氨酸，并不会影响GATA5的亚细胞定位，但能影响GATA5的转录活性。K324变异能够有效地修复斑马鱼体内损伤的心脏前体细胞的分化能力，在GATA5的SUMO化修饰缺失的模型中，心脏发育的前期标志质Nkx2.5和Mef2cb均出现异常表达，且这种异常表达可由GATA5 SUMO化修饰逆转。

作为调节心脏发育的关键因子，GATA5也参与多种药物干扰胚胎心脏发育的过程。6-苄基氨基嘌呤(6-BA)是农药的常用成分，广泛应用于农业生产中，研究发现6-BA可通过p53信号通路促进细胞凋亡，显著抑制GATA5的表达，破坏斑马鱼胚胎的心脏发育[16]。动物体内肠道菌群分泌的脂多糖(LPS)能够通过抑制体内GATA5表达，增加鸡胚胎心脏脊柱裂的发生率。研究认为LPS增加体内活性氧(ROS)水平，对发育中的胚胎心脏前体细胞造成损伤[17]。这给研究GATA5与ROS的关系带来启发。有研究发现中药物质α-细辛脑能够通过线粒体凋亡途径加速胚胎心脏细胞的凋亡，增加心脏畸形率，使静脉窦-动脉球间距发生改变，引发心包积液、心率减慢，而GATA5的mRNA水平出现异常升高[18]。

2.3 GATA5在心脏瓣膜疾病中的作用

GATA5能够影响心脏瓣膜疾病的发生发展。主动脉瓣二叶畸形(BAV)是最常见的先天性心脏病，Laforest等[19]敲除小鼠的GATA5基因，180 d后发现小鼠的BAV发病率达25%，高于GATA5+/+小鼠的5%，同时发现GATA5+/+小鼠的室间隔厚度[(0.643±0.028) mm对(0.814±0.030) mm，P=0.002]、左室后壁厚度[(0.658±0.021) mm对(0.772±0.014) mm,P<0.001]和左室质量 (3.840±0.168) mg/g对(4.524±0.183) mg/g，P<0.05]均小于GATA5-/-小鼠。该实验还发现GATA5-/-小鼠的心肌细胞数量减少，但体积明显增大，在特异性敲除内皮细胞上的GATA5后作用依旧明显，提示GATA5对内皮细胞也发挥显著作用。

心脏瓣膜的形成需要多种调控增殖、分化和瓣叶重构的转录调节因子的相互作用，GATA5在内皮细胞中有Tbx20和Notch两条下游调节通路，其中Notch1作用显著[19]。有研究指出内皮细胞释放的NO是Notch1通路的关键调控因子，NO能通过调节Notch1通路下游因子Hey1的表达，改变Notch1的核定位[20]。但是有临床试验发现，在主动脉瓣单叶畸形和主动脉瓣二叶畸形患者的主动脉中，GATA5和内皮一氧化氮合酶(eNOS)的mRNA表达水平显著高于正常对照组，且在单叶式主动脉瓣畸形组中GATA5和eNOS的表达水平最高[21]，这提示严重的瓣叶畸形可能代偿性刺激了GATA5的表达。

2.4 GATA5在先天性心脏病中的作用

GATA5基因序列的改变会使其功能部分或完全丧失，促进心脏疾病的发生发展。研究发现，GATA5的基因变异与家族性心房颤动[22]、法洛四联症、室间隔缺损、房间隔缺损和主动脉瓣二叶畸形等疾病有相关性。Alonso-Montes等[23]对122个主动脉瓣二叶畸形患者进行基因测序分析，在GATA5中发现1种罕见的错义突变p.Arg202Gln(rs782614097)，并推断该突变与人先天性主动脉瓣二叶畸形有关。Huang等[24]对85例法洛四联症患者进行GATA5基因突变研究，发现2例患者存在GATA5新型杂合突变。1例患者GATA5基因609位的胞嘧啶被鸟嘌呤替代 (c.609C>G)，使得203位氨基酸处的天冬氨酸转变为谷氨酸(p.D203E)；另一例患者GATA5基因624位胞嘧啶被腺嘌呤替代(c.624C>A)，导致蛋白截短，使得蛋白N端仅有207个氨基酸(p.Y208X)。GATA5的这两种突变能明显降低GATA5的转录活性，与患者的法洛四联症关系密切。Kassab等[25]对185例先天性心脏病患者进行研究，在1例右室双出口患者中首次发现GATA5基因的纯合突变p.Y142H，该突变会导致GATA5转录活性降低30%～40%。另有研究指出，GATA5基因杂合突变p.G240D与家族性扩张型心肌病相关[26]。Hempel等[27]对1例患有先天性房间隔缺损和室间隔缺损的女婴进行检测，发现2种新型GATA5杂合突变p.Ser19Trp和p.Arg202Gln，且2种突变与婴儿泌尿生殖系统发育障碍相关。进一步研究发现，p.Arg202Gln突变可使斑马鱼发生心脏脊柱裂，使HEK293细胞出现GATA5核内定位错误，转录活性降低。

综上所述，GATA5可调控内皮细胞舒缩功能和NO释放，进而调节血压，主要机制可能通过Akt和NOS3的磷酸化来实现。GATA5还对血管瓣膜以及心脏早期发育和生长有影响，同时有助于心肌细胞的存活。GATA5的SUMO化修饰在心脏发育过程中有重要作用，多种有关GATA5的基因变异能够导致各种先天性心脏病。近年来有研究发现GATA5能调控肝癌细胞增殖迁移，促进基质金属蛋白酶(MMP)-2、MMP-9的分泌[28]。GATA5对内皮细胞作用显著，而内皮细胞可通过分泌MMP-2、MMP-9参与内膜新生，促进动脉粥样硬化的发生发展。因此，GATA5在心血管疾病中的作用有待深入研究。