Notch1/Jagged1信号通路在慢性心力衰竭免疫炎症相关发病机制中的研究进展

徐 莲,庄光彤,秦亚录△,阳坤袁

(1.成都中医药大学,四川 610075;2.成都中医药大学附属第三医院/第三临床医学院/成都市郫都区中医医院心血管病科,四川 611730)

慢性心力衰竭(chronic heart failure,CHF)是指心脏在多种致病因素下,其收缩或舒张功能出现严重障碍,致使心脏射血功能降低,无法将回流血排出以满足机体代谢需要的一系列临床综合征[1]。据2019年流行病学调查显示,我国心力衰竭病发率约为1.3%,我国心血管病患病例数约为3.3亿,其中心力衰竭患者约为890万[2-3]。研究发现,心力衰竭的发病与免疫系统激活导致免疫损伤有关[4]。免疫激活损伤过程中产生的某些炎症细胞因子能促进心肌细胞肥厚、恶化心肌收缩功能及诱导细胞凋亡[5-6]。Notch1/Jagged1信号通路参与多细胞的调节与分化,在免疫细胞上也广泛表达。既往研究发现,该信号通路参与免疫炎症的调节,可能导致心力衰竭的发生和发展。本文就Notch1/Jagged1信号通路在CHF免疫炎症相关发病机制中的研究进展做一综述。

1 CHF的免疫炎症发病机制

临床对心力衰竭发病机制的认识不断改变。心力衰竭的发生、发展机制主要与交感神经张力的持续过高、肾素-血管紧张素-醛固酮系统异常激活引起的血流动力学紊乱,神经体液因子过分分泌、神经内分泌系统激活导致的心脏重塑有关。

心力衰竭的生理和病理机制是免疫炎症反应,身体出现免疫紊乱后,体内炎症细胞释放细胞因子,导致心力衰竭不断进展和恶化。研究显示,免疫炎症参与CHF的发病主要通过4个方面导致免疫损伤。(1)免疫炎症直接导致心肌损伤：CHF患者免疫细胞数量及活性下降,其与心力衰竭程度呈负相关[7]。CHF患者体内存在辅助性T细胞(T helper cell,Th)1/Th2细胞比例失衡,Th1细胞增多,Th2基本保持不变,体内原有的炎症反应加剧,促进了机体免疫应答,最终导致心肌的免疫损伤[8]。表面抗原分化簇4受体(cluster of differentiation 4 receptors,CD4)细胞水平下降提示人体细胞免疫功能受损。研究发现,CHF患者的CD4+T细胞水平随心功能下降而明显下降,表明CD4+T细胞参与了CHF的发生、发展过程,CD4细胞水平下降可能与左心室容量负荷增加、心肌纤维化、收缩功能失调及恶化有关[9-11]。(2)负性肌力作用：肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)能够直接损伤心肌纤维,使细胞间质分裂、重新分布,导致心肌收缩功能的下降[12]。研究发现,TNF-α损伤可促进白细胞介素(interleukin,IL)-6、IL-1β和IL-8等多种细胞因子的表达和释放,这些细胞因子反向通过增加组织对TNF-α的敏感性,减弱左心室射血分数并加重心肌的损伤[13]。(3)心肌细胞凋亡：IL-6可促进心肌成纤维化细胞增生,加速心肌细胞的凋亡[14]。研究表明,IL-18通过调控心脏骨桥蛋白的表达来促进心肌间质纤维化和导致舒张功能障碍,进而促进心力衰竭的形成[15]。(4)其他：IL-6还可诱导肝脏产生超敏反应蛋白,加重炎症反应,加速心肌的损伤。WU等[16]研究发现,心肌梗死后发生心力衰竭的患者热休克蛋白70(heat shock protein 70,HSP70)水平明显升高,其来源于自身损伤的心肌组织。HSP70还可作为细胞因子刺激单核细胞,上调TNF-α、IL-1、IL-6表达,与抗原递呈细胞表面CD40+结合,促进T细胞特异性免疫反应。

以上研究证实,心力衰竭的发生、发展与免疫相关,但具体机制仍然不明确,不同免疫细胞及细胞因子之间互相影响,既有联合又有拮抗,最终导致心力衰竭的发生和逐渐加重。

2 Notch信号通路的组成及作用机制

2.1 Notch1/Jagged1信号通路的组成

Notch信号通路是一个高度保守的信号途径,它通过与邻近细胞间的相互传导信号来调节各谱系细胞和组织的分化[17]。Notch信号通路不仅能维持干细胞的储备数量,也决定着细胞的分化、增殖、凋亡[18]。完整的Notch信号通路由Notch受体、Notch配体和细胞内效应分子DNA结合蛋白等效应物、Notch的调节分子等组成。哺乳动物包含4种跨膜受体的同工型(Notch1、Notch2、Notch3、Notch4)及5种配体(Jagged1、Jagged2、Delta-like1、Delta-like3和Delta-like4),它们共同形成Delta/Serrate/Lag2(DSL)蛋白家族[19]。

Notch受体是一种Ⅰ型单通跨膜蛋白,所有Notch受体均表现出相同的整体结构：36个同源表皮生长因子样串联重复序列(epidermal growth factor-like repeats,EGFR)和3个Lin Notch重复序列(lin notch repeats,LNR)、CSL结合结构域(C-promoter binding factor-1/suppresor of hairless/Lag1,CSL)RBP-J kappa Associated Molecular(RAM)、Proline/Glutamate/Serine/Threonine(PEST)序列和细胞内结构域中的7个锚蛋白样重复序列(ankyrinrepeat,ANK)。Notch受体主要分布于干细胞或原始细胞表面,在T细胞、B细胞、巨噬细胞和树突状细胞等免疫细胞表面也广泛表达。

Notch配体也是Ⅰ型跨膜蛋白,包含细胞外EGF样重复序列、一个DSL基序,用于Notch相互作用和短而不同的细胞内结构域。Jagged-l可表达于骨髓和胸腺上皮,在T细胞和抗原提呈细胞表面表达丰富,并可介导其成熟和分化。Jagged1与临近细胞表面的Notch受体的细胞外结合域结合,触发Notch信号通路,通过多毛增强子1(hairy and enhancer of split 1,HES1)、锌指蛋白、神经生长因子诱导的基因-B(nerve growthfactor-induced gene-B,NGFI-B)和核因子-κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)等转录因子调节靶基因的转录[20]。

2.2 Notch1/Jagged1信号通路的作用机制

Notch信号通路的激活[21]包括3个蛋白质裂解步骤。(1)高尔基复合体中的Furin蛋白酶裂解Notch单链前体,形成包含细胞外区的大片段和包含跨膜区、细胞内区的小片段,这些片段由Ca2+依赖非共价键形成成熟的异二聚体受体并转移到细胞膜。(2)当成熟受体与配体结合时,会受到TNF-α转换酶(TACE)或金属蛋白酶(metal loprotease,ML)的第2次裂解以释放细胞外片段。(3)剩余片段包含跨膜结构域和细胞内结构域,被γ分泌酶第3次裂解以释放可溶性Notch细胞内结构域(Notch intra-cellular domain,NICD)并转移到细胞核。NICD与细胞核中的转录因子CSL结合,导致下游基因转录。大多数Notch靶基因具有CSL结合位点,既有CSL依赖性激活,也有CSL非依赖性激活。Notch信号转导与第二信使无关,直接接受邻近细胞的信号并转移到细胞核,启动下游转录因子的表达。

3 Notch1/Jagged1信号通路在部分心血管疾病发病中的作用

Notch信号在心血管疾病细胞间信号转导方面发挥着重要作用,对细胞的分化、增殖、凋亡等均有影响。有研究发现,Notch1/Jagged1信号通路可能与冠心病、肺动脉高压(pulmonary arterial hypertension,PAH)、风湿性心脏病,高血压、Alagille综合征和先天性主动脉瓣二叶畸形的发病有关,Notch信号是跨内皮的脂肪酸转运的调节剂,并且是成人心脏中血管生成的必不可少的抑制剂[22]。在RBP-JK突变小鼠中,内皮脂肪酶和长链脂肪酸向肌细胞的跨内皮转运受损,而脂质不能转运会在血浆和肝脏中积累。内皮Notch信号抑制脂肪酶的表达,心肌细胞的长链脂肪酸供应减少,伴随着较高的葡萄糖摄取、糖酵解中间产物浓度增加和雷帕霉素靶蛋白(mTOR)-S6K信号传导。Notch信号通过控制内皮而介导心肌细胞的代谢和功能。研究表明,再生斑马鱼心脏通过上调心内膜和心外膜的Notch受体对损伤作出相应的表达[23],证明在斑马鱼的心肌细胞中抑制心内膜Notch信号会导致心肌细胞增殖并刺激纤维化。

ROCCA等[24]通过研究缺血再灌注的大鼠,发现通过激活Notch1可减少心肌梗死的面积,改善心功能。该研究证实,Notch1可抑制心室重构,减少心肌细胞凋亡。在心肌梗死模型小鼠中使用Notch1激活剂后,心脏丙二醛及一氧化氮(NO)合酶含量减少,凋亡细胞数目降低,提示Notch1可抑制心脏内氧化应激反应并改善心功能[25]。有研究使用阿托伐他汀钙治疗的PAH小鼠Notch1基因和蛋白表达均低于对照组,表明通过抑制Notch1信号的表达可抑制PAH[26]。

秦亚录等[27]采用流式细胞术研究风湿性心脏病患者外周血单个核细胞表面Notch1/Jagged1与外周血炎症细胞因子的相关性,发现风湿性心脏病患者外周血炎症细胞因子IL-1、IL-8、TNF-α高表达,且与外周血淋巴细胞上Jagged1/Notch2/Notch3/Notch4的表达呈正比,推测Jagged1通过结合临近细胞表面的Notch2、3、4受体的细胞外结合域,触发Notch信号通路,从而参与风湿性心脏病的发生和发展。

高血压中血管的舒张功能受损可使如可溶性鸟苷酸环化酶(soluble guanylate cyclase,sGC)等蛋白质水平降低。在自发性高血压小鼠中,抑制Notch配体(Jagged1)和Notch3能降低小鼠主动脉中的sGC表达,导致血压升高[28]。

Notch信号会影响瓣膜的重塑和成熟,并导致结构性先天性心脏病和心脏传导异常。Notch1信号的异位心肌表达会导致预激综合征[29]。人类Jagged1或Notch2的失活突变会导致Alagille综合征,后者系一种心脏受累的复杂肝病,导致瓣膜或瓣下肺动脉狭窄、室间隔缺损、主动脉骑跨和右心室肥厚等[30]。在钙化性主动脉瓣疾病中,激活Notch1将NO确定为钙化抑制剂,主动脉瓣间质细胞显示NO通过S-亚硝基化介导的机制减少钙化,并在钙化过程中暗示泛素特异性肽酶9(ubiquitin-specific protease 9,USP9X)的S-亚硝基化参与Notch调节[31]。

4 Notch1/Jagged1信号通路与CHF免疫炎症反应的相关性

CHF患者大多数为高血压、心肌病、冠心病、心脏瓣膜病等心血管疾病的最终阶段,而这些疾病一般伴有慢性炎症。免疫反应是一种适应性反应,会选择最适合的免疫靶向感染相应的受体,并产生特异性,有针对性地产生反应[32]。Notch信号通路不同的受体、配体在不同免疫细胞中的作用不同,使免疫细胞产生的促炎因子和抗炎因子表达分泌增多[33]。

4.1 Notch1/Jagged1信号通路参与CHF免疫细胞调节

在免疫细胞中,自然杀伤(natural killer,NK)细胞、T细胞、巨噬细胞、调节性T细胞(regulatory T cells,Tregs)等在CHF中发挥着重要作用[34]。

NK细胞是由多能骨髓造血干细胞发展而来,为非特异性杀伤病毒感染细胞和肿瘤细胞的淋巴细胞,并限制祖细胞向次级淋巴组织流动,如淋巴结和扁桃体。但祖细胞一旦进入次级淋巴组织,就将进入NK细胞发育中间体(NK cell developmental intermediates ,NKDIs)的连续阶段,在此阶段可出现差异性表达。而NKDIs被Notch信号所调配,在NKDIs 3期,Notch的激活促进NKDIs向非NK先天淋巴细胞分化,抑制其向NK细胞分化[35]。

T淋巴细胞来源于骨髓的多能干细胞,在胸腺激素的诱导下分化成熟。Jagged1在T淋巴细胞分化过程中能诱导其向NK细胞分化。Notch1决定T细胞、B细胞的命运,促进T细胞分化,抑制其向B细胞分化。而在进入胸腺中阳性选择和阴性选择阶段获取主要组织相容性复合体(major histocompatibility complex,MHC)限制性识别能力和对自身抗原的耐受性,发育为表面标志是CD4或CD8的单阳性T细胞(single positive cell,SP)阶段[36]。研究证明,Notch1信号转导被阻断可抑制CD8+细胞的发育,同时Notch信号可调控胸腺向NK细胞、巨噬细胞等转化。

Notch信号通路激活,促进巨噬细胞分泌从而产生炎症反应,或者巨噬细胞分泌导致Notch信号通路被激活,进一步加剧炎症反应。巨噬细胞分为M1和M2型,M1型主要产生炎症细胞因子,M2型主要参与免疫调节、组织修复、炎症消退等。相关研究显示,Notch信号通路能调节巨噬细胞向M1型分化,并能激活巨噬细胞,促进炎症的发生[37]。此外,γ分泌酶抑制剂是一种Notch信号抑制剂能抑制巨噬细胞活性,还可以使巨噬细胞明显减少[38]。

Tregs具有免疫抑制性及免疫无反应性,是心脏组织中的一种免疫抑制细胞,在心肌损伤时发挥抗炎保护作用[39]。一项研究中,CD4+与间充质干细胞同时培养时Notch1活化增加,如果抑制Notch1,则间充质干细胞诱导的CD4+减少[40]。

4.2 Notch1/Jagged1信号通路参与CHF细胞因子调节

Notch信号被激活时,细胞因子如TNF-α、IL-6、IL-10、IL-17、IL-35等相应水平的增加或减少,会加重或抑制炎症反应。

TNF-α在正常机体中为低表达水平,当机体出现炎症反应时会异常升高。在心力衰竭患者心功能持续降低后,心肌会进入缺氧缺血状态,心肌细胞大量坏死,原有的炎症反应加重。在缺血再灌注的小鼠中,发现TNF-α的升高可激活Notch1表达[41]。运用Notch抑制剂或靶向δ样配体4激活剂处理主动脉瓣膜内皮细胞的模型中,发现Notch被抑制后,TNF-α的水平也明显降低,且Notch1的失活导致主动脉瓣狭窄和左心室肥厚[42]。

IL-6是由巨噬细胞对特定微生物分子反应所分泌,存在于细胞表面和细胞内中,并诱导炎症的产生。研究表明,Notch1信号诱导巨噬细胞中IL-6的表达,IL-6反向又可诱导Notch1传导的激活[43]。FANG等[44]发现,抑制Notch信号传导标靶的表达后,再灌注损伤小鼠模型的心肌细胞内IL-6表达下降。

在炎性疾病中存在Tregs和Th17比例失衡。Tregs主要分泌IL-10和IL-35,抑制免疫及炎症反应;Th17主要分泌IL-17和IL-22,促进免疫及炎症反应[45]。QIN等[46]研究提示,抑制Notch信号通路后,Tregs分泌水平可明显升高,而Th17则不明显,提示增强Tregs的免疫抑制功能可进一步减少心肌损伤。

5 结语与展望

综上所述,心力衰竭的生理病理过程中,炎症反应机制发挥了重要作用。Notch1/Jagged1信号通路参与CHF炎症反应机制,且在不同的阶段发挥不同作用,不仅能促进免疫反应,释放炎症细胞因子加重心力衰竭,也能抑制炎症反应的发生。Notch1/Jagged1信号通路为治疗心力衰竭提供了新的思路,但其介导心力衰竭发生、发展机制中的具体过程仍不明确,还需进一步研究。