基质相互作用分子1特点及其在纤维化疾病发生发展中的作用机制研究进展

李丽霞，龙琦，袁璟

华中科技大学同济医学院附属协和医院心内科，武汉 430022

纤维化是一种以成纤维细胞异常增殖分化为肌成纤维细胞，细胞外基质（ECM）生成与降解失衡，胶原大量沉积及异常分布为特征的病理状态，它往往可导致组织结构受损而发生器官硬化和功能不全［1］，是许多慢性疾病致死的重要原因。许多疾病的发生发展与细胞Ca2+稳态的失衡有关［2-3］。基质相互作用分子1（STIM1）作为内质网膜上的Ca2+浓度感受器，通过调控Ca2+参与分化、迁移、凋亡和细胞因子信号转导等细胞活动，可在心脏、肺脏、肾脏、皮肤等多种器官和组织纤维化的病理生理过程中起重要作用，其具有作为纤维化疾病诊断和治疗靶点的潜力。现就STIM1特点及其在纤维化疾病发生发展中的作用机制研究进展情况综述如下。

1 STIM1的特点

1.1 STIM1的结构特点 STIM1是一种单次跨膜蛋白，也是Ca2+结合蛋白，主要位于内质网膜或肌浆网膜上，由685个氨基酸组成，其编码基因位于人的第11号染色体上［4］。STIM1的结构包括位于内质网或肌浆网内的N端、跨膜区和胞浆中的C端。其中N端包括EF手型结构（EF-hand）区和SAM结构域（SAM），EF手型结构域是Ca2+浓度的感受器，由Ca2+结合EF手型结构（cEF）和潜在的EF手型结构（hEF）这两部分组成；SAM与EF手型结构域相连接，可促进STIM1多聚体的形成。STIM1的C端可分为STIM1-Orai激活域（SOAR）、卷曲状结构域1（CC1）、抑制结构域（ID）、脯氨酸/丝氨酸富集区（P/S）以及赖氨酸富集区（K）。SOAR和CC1主要用途是稳定STIM1寡聚体结构、结合Orai1、以及与瞬时受体电位通道（TRPC）相互作用；ID介导钙池调控Ca2+内流（SOCE）通道失活；K区则是在STIM1寡聚体易位、Orai1失活及TRPC活化中发挥作用［5］。另外，Orai1作为细胞膜上Ca2+释放活化通道（CRAC）的成孔亚基还参与了CRAC通道构成［6］。

1.2 STIM1的功能特点 STIM1属于STIM家族蛋白的一个亚型，其因能介导造血细胞与骨髓基质细胞之间的相互作用而得名［7］。STIM1最早因具有肿瘤抑制作用而引起人们的广泛关注［8］，它在诸多肿瘤和免疫系统疾病中有重要作用，但是近年研究发现STIM1对细胞Ca2+内流也有重要调控作用。

早在2005年，ROOS等［9］和LIOU等［10］在果蝇S2昆虫细胞和人类HeLa细胞中通过RNA干扰技术筛选参与SOCE的功能基因，进而发现了STIM1，并在随后的研究中进一步证实STIM1是SOCE这一过程所必须的关键因子。STIM1广泛表达于包括心肌细胞、免疫细胞、成纤维细胞、上皮细胞和内皮细胞等在内的多种人体细胞中。目前主流观点认为，SOCE是哺乳动物细胞Ca2+内流的主要方式，它主要通过细胞内钙库的充盈与耗竭状态来调控［11］。而STIM1作为这一过程中的关键因子，控制SOCE通道的开启与关闭，从而影响细胞内外的Ca2+浓度，参与细胞分泌、增殖、凋亡和基因转录等多种生理过程［10］。

1.3 STIM1的调控特点 STIM1是细胞钙通道的主要调控者，它能感受细胞内外Ca2+水平的微小变化。当细胞处于静止状态时，Ca2+与STIM1的cEF结构相结合，促进STIM1形成二聚体后，分布于内质网膜上［12］。当内质网/肌浆网钙池中Ca2+减少时，Ca2+与STIM1的cEF结构解离，引起其发生构象变化，随后伸展CC1结构域，进而聚集形成多聚体，即形成颗粒状，接着以这种形式移位到质膜与内质网连接处，与质膜上的成孔蛋白Orai1相互作用，导致Orai1聚集。在这种情况下，胞膜上的SOCE通道被激活，介导胞外Ca2+进入细胞内，从而提高胞浆和钙库中的Ca2+水平。随着时间推移，内质网钙库重新充盈，STIM1多聚体发生解聚，恢复STIM1单体状态，这时STIM1与Orail的相互作用中断，导致SOCE通道关闭，胞内Ca2+内流终止，从而维持细胞内外的Ca2+平衡［13-14］。以往研究指出，STIM1寡聚化形成多聚体是激活SOCE通道的关键因素，它不依赖于内质网Ca2+浓度的变化，STIM1寡聚化之后即可引起胞外的Ca2+内流，触发后续一系列病理生理反应［15］。由此可见，STIM1与Orai1的相互作用影响着Ca2+在细胞内外的平衡。

2 STIM1在纤维化疾病发生发展中的作用机制

2.1 STIM1在心肌纤维化发生发展中的作用机制 心肌纤维化是多种心血管疾病如冠心病、高血压、心肌病等共同的病理生理进程，它作为心功能由代偿期向失代偿期转变的关键，其发生及进展由全身多个系统参与，并伴有心肌间质网络的重构和心脏舒缩功能障碍，可逐渐发展为心律失常和心力衰竭，严重威胁人类生命健康，STIM1在这个过程中扮演着极其重要的角色。

ZHENG等［16］在心肌肥厚小鼠心脏组织中发现STIM1表达显著上调，同时胶原纤维异常沉积；随后将天麻素注入小鼠体内，发现天麻素能够通过降低STIM1的表达和Ca2+内流，减少心肌胶原沉积量而起到改善心肌肥厚的作用；利用小干扰RNA（siRNA）沉默STIM1基因影响STIM1的表达后，心肌细胞肥大得到缓解。KASSAN等［17］也发现，与正常小鼠相比，高血压小鼠具有心肌肥厚和纤维化表现，并且心脏组织中STIM1蛋白呈现出高表达趋势。进一步研究显示，平滑肌细胞STIM1基因敲除后的高血压小鼠心脏组织中胶原沉积明显减少，收缩压和内质网应激的特异性标志物CHOP蛋白的表达均减低。以上研究结果表明，STIM1与心肌纤维化程度密切相关，其可能通过内质网应激调节血压参与高血压条件下心肌重构的发展。

ROSS等［18］发现，心衰患者左心室明显纤维化，并且心室成纤维细胞的胶原蛋白分泌量和沉积量高于健康者；另外共聚焦图像显示，心衰组中成纤维细胞的Ca2+内流水平比对照组增加了12%，推测衰竭心脏纤维化的发生与SOCE通道的Ca2+内流上调有关。同时CHUNG等［19-20］研究发现，全心衰大鼠的心脏左心房纤维化程度显著高于右心房，这与心脏左心房成纤维细胞显示出更强的氧化应激和Ca2+内流增多，以及STIM1、Ⅰ型胶原、转化生长因子β（TGF-β）、细胞外信号调节激酶1/2（ERK1/2）表达增加有关。还有研究报道，心肌缺血再灌注损伤的大鼠心脏梗死区出现明显的反应性纤维化，且伴随着STIM1的表达水平明显增高［21］。这些研究结果提示，STIM1与心肌纤维化的严重程度具有相关性，它通过Ca2+信号调节ERK1/2信号通路参与心肌纤维化发生发展过程。

体内研究发现，在血管紧张素Ⅱ（AngⅡ）诱导建立的心肌纤维化小鼠模型中，心肌组织STIM1表达显著增加；AngⅡ在体外还能够刺激心脏成纤维细胞增殖、分化，促进STIM1、纤维化标志分子Ⅰ型胶原、α平滑肌肌动蛋白（α-SMA）以及纤维连接蛋白（FN）表达上调，增加Ca2+内流；深入研究发现，细胞转染STIM1 siRNA或经SOCE抑制剂SKF-96365处理之后，AngⅡ诱导的Ⅰ型胶原、α-SMA和FN蛋白的表达以及Ca2+内流显著减少［22］。因此，STIM1可以通过Ca2+内流促进心脏成纤维细胞增殖、分化，进而调控心肌纤维化发生发展，其可能成为治疗心肌纤维化的新靶点。

2.2 STIM1在肺纤维化发生发展中的作用机制 肺纤维化的发生与肺泡上皮细胞的反复受损、凋亡，肌成纤维细胞的过度活化和积累以及肺结构进行性破坏和重塑有关，是一种持续进行性、难以治愈的间质性肺部疾病，其预后极差，晚期将导致心、肺功能衰竭。在此过程中，Ca2+作为细胞增殖分化的关键信号分子，在肺纤维化发生发展方面有着十分重要的作用。

STIM1介导的SOCE被认为是Ⅱ型肺泡上皮细胞Ca2+内流的途径之一［23］。WINTERS等［24］对肺纤维化小鼠模型的研究发现，博来霉素通过促进内质网Ca2+释放进入胞质，引起Ⅱ型肺泡上皮细胞凋亡和内质网应激，以及肺组织胶原致密沉积和结构破坏，继而导致肺纤维化的发生。Ca2+还可以促使肺成纤维细胞增殖、分化为肌成纤维细胞，上调ECM基因表达［25］。此外，钙通道阻滞剂硝苯地平能够干扰肺间质成纤维细胞内的Ca2+稳态，进而发挥抗纤维化作用［26］。有研究指出，阻断SOCE通道或许能够减轻气道炎症反应，预防气道重塑［27］。GAO等［28］用TGFβ1处理大鼠支气管平滑肌细胞后检测STIM1的表达，结果显示，与对照组相比，处理组细胞中STIM1的基因表达明显增加，SOCE通道活性增强，Ca2+内流增多，进而促进支气管平滑肌细胞的增殖，提示STIM1在TGF-β1介导的气道重塑过程中具有重要作用。

2.3 STIM1在肾纤维化发生发展中的作用机制 肾间质纤维化是各种原因引起的肾脏疾病慢性、持续发展至终末期肾衰的共同特征，其病理特点是炎细胞浸润、成纤维细胞持续增殖分化、ECM过度积聚和广泛的瘢痕形成。肾间质肌成纤维细胞可由上皮间充质转分化（EMT）而来，是肾纤维化发生发展的一个重要原因［29］。

研究表明，STIM1的表达异常可影响肾间质纤维化；狼疮性肾炎小鼠肾脏中存在明显的纤维化改变，肾组织中STIM1和FN蛋白及基因表达相对于正常组显著增加，而且STIM1的表达与FN、尿蛋白、血尿素氮和血清肌酐水平显著正相关；在小鼠肾小管上皮细胞，脂多糖（LPS）能够诱导STIM1、FN和α-SMA的表达，降低EMT标志分子E-钙黏蛋白的蛋白水平，而细胞内转染STIM1 siRNA之后发现，沉默STIM1基因后可以有效抑制LPS对FN表达和EMT的促进作用［30］。STIM1调控的Ca2+内流还可以促进肿瘤细胞内TGF-β介导的EMT过程［31］。这提示了STIM1介导的Ca2+内流能够促进肾小管EMT过程，增加ECM产生，导致肾间质纤维化，其有可能成为预测和评估肾纤维化严重程度的一个重要指标。

MAI等［32］研究发现，单侧输尿管梗阻（UUO）小鼠肾组织中出现明显的纤维化病变，同时病变组织中STIM1蛋白表达显著增加；进一步使用SOCE抑制剂SKF-96365抑制Ca2+通道活性后，UUO小鼠肾组织中α-SMA、FN和TGF-β1蛋白表达明显降低，说明STIM1和Ca2+在肾间质纤维化中起一定作用；此外，他们使用siRNA干扰技术在人近端肾小管上皮细胞和系膜细胞内沉默STIM1的表达后，TGF-β1通路中的效应蛋白Smad2/3和FN、I型胶原蛋白的表达、Ca2+内流以及肾间质组织中的胶原沉积也随之明显减少。由此可见，STIM1介导的Ca2+信号对肾间质成纤维细胞的转化有着重要作用，STIM1可能通过Ca2+和TGF-β1/Smads信号转导通路调控肾纤维化的发生发展。

2.4 STIM1在其他组织纤维化发生发展中的作用机制 已有研究表明，原发性骨髓纤维化（PMF）的发生也与STIM1的过度表达有关［33］。2019年WU等［34］研究了Ca2+和系统性硬化症（SSc）之间的关系，发现SSc患者的病变皮肤成纤维细胞中SOCE通道活性明显高于正常者，但是STIM1的蛋白表达没有明显变化，他们认为SSc病变皮肤成纤维细胞SOCE活性的增加可能是与TRPC有关，进一步抑制SOCE通道能够减少Ca2+内流，抑制成纤维细胞增殖、分化为肌成纤维细胞，继而降低TGF-β1、α-SMA、FN蛋白表达，减少胶原分泌。可见，STIM1在不同纤维化疾病中的表达并不一致，因此，仍需要更多的实验来探索STIM1在纤维化发生发展中的作用。

综上所述，STIM1作为细胞SOCE钙通道的主要调控者，通过影响细胞内外的Ca2+平衡介导成纤维细胞增殖分化、细胞凋亡、内质网应激和上皮细胞转分化，在心肌纤维化、肺纤维化、肾纤维化等纤维化疾病的发生和进展过程中发挥重要作用。以心肌为例，不论在心肌肥厚、心力衰竭还是心肌梗死后的心脏中，STIM1均能够促进上述心血管疾病的纤维化进程。STIM1还可以通过影响Ca2+内流促进肺成纤维细胞的增殖与分化。在肾脏疾病中，STIM1可能通过TGF-β1/Smads信号通路影响肾间质纤维化。相关研究还证实，PMF和SSc累及皮肤病变时STIM1也起到了重要作用。然而STIM1及其相关的钙信号在纤维化疾病中的具体作用机制仍未完全阐明。目前研究进展推测，胞外的Ca2+内流后可以激活ERK1/2［19-20］、TGF-β1/Smads［32］、活化T细胞核因子［35］等下游纤维化相关信号通路，进而调节ECM的表达水平，参与纤维化发生发展过程。值得注意的是，Ca2+在细胞增殖、分化等一系列生命活动中起着至关重要的作用，以STIM1为靶点的抗纤维化治疗不可避免地影响体内正常的生理过程，进一步研究STIM1的特性及其在纤维化过程中的作用机制，对于评估疾病纤维化程度，寻找潜在安全治疗靶点具有重要意义。