轉(zhuǎn)化生長因子-β1對心房結(jié)構重構及細胞骨架蛋白的影響

劉發(fā)金 綜述 肖驊 審校

(重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院心內(nèi)科，重慶 400016)

心房顫動是臨床最常見的持續(xù)性心律失常。心房顫動的發(fā)生過程同時伴有電重構和結(jié)構重構，電重構可進一步引發(fā)結(jié)構重構，導致永久性心房顫動的發(fā)生，即心房顫動本身又可促使心房顫動延續(xù)，稱為“心房顫動引發(fā)心房顫動”(“AF begets AF”)［1］。研究發(fā)現(xiàn)持續(xù)性心房顫動復律后短期內(nèi)心房電重構可完全消失，但結(jié)構重構持續(xù)存在，提示結(jié)構重構是心房顫動發(fā)生和發(fā)展的核心環(huán)節(jié)。轉(zhuǎn)化生長因子-β1(transforming growth factor beta 1，TGF-β1)已被證實可誘發(fā)心肌細胞肥大和心肌纖維化，在心房顫動的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用。

細胞骨架蛋白在維持細胞形態(tài)、保持細胞內(nèi)部結(jié)構的有序性中起重要作用。同樣，心肌細胞骨架蛋白在心肌舒縮功能的調(diào)節(jié)中發(fā)揮了重要作用，在擴張性心肌病、高血壓、急性心肌缺血性疾病、糖尿病心肌病、心房顫動等疾病中均發(fā)現(xiàn)心肌骨架蛋白的表達變化。

1 TGF-β1/SMAD 信號通路與心房結(jié)構重構的關系

心房顫動從陣發(fā)性到持續(xù)性，再發(fā)展成永久性的整個過程中，可引起心房動作電位(atrial action potential，APD)、有效不應期(effective refractory period，ERP)及有效不應期頻率適應性(effective refractory period-rate adaptability，ERP-RA)和心房傳導速度的變化，即心房電重構，同時可引起心房擴張、纖維化改變，即結(jié)構重構。結(jié)構重構主要表現(xiàn)為心房肌細胞肥大、溶解、肌纖維丟失、心房連接蛋白表達的改變、線粒體形狀和大小改變、肌漿網(wǎng)斷裂、核周糖原堆積，核染色質(zhì)離散等［2］。

心房纖維化是心房顫動發(fā)生和維持的一個重要因素，是心房顫動患者心房結(jié)構重構最突出的表現(xiàn)。TGF-β1作為最強的細胞外基質(zhì)沉積促進劑和關鍵的致纖維化因子扮演著關鍵性角色［3］。Verheule 等［4］發(fā)現(xiàn)TGF-β1可選擇性地引起心房間質(zhì)纖維化，而心室組織正常，提示在高TGF-β1表達水平下，心房具有心肌纖維化的更強易感性。Xiao 等［5］在風濕性心臟病繼發(fā)的心房顫動中，發(fā)現(xiàn)TGF-β1明顯上升。機械牽張可誘導膠原合成，同時伴有TGF-β1在心房成纖維細胞表達增加，而慢性心房擴張可發(fā)生結(jié)構重構，導致心房顫動的發(fā)生［6］。在轉(zhuǎn)基因小鼠構建過度表達TGF-β1的模型，可導致選擇性心房纖維化和心房顫動易損性增加，而拮抗TGF-β1的抗纖維化藥物或中和抗體，可防止心肌纖維化，減少易損性［7］。

上述研究表明，TGF-β1在心房顫動中可能擔任重要角色。而另一方面，心房顫動本身可通過TGF-β1表達的顯著增加，增加心房膠原蛋白產(chǎn)生，使心房顫動持久性和心房纖維化之間形成惡性循環(huán)［6-7］。這可解釋持續(xù)性心房顫動發(fā)生的結(jié)構重構和易復發(fā)性。

TGF-β1通過Ⅰ、Ⅱ型受體及經(jīng)典的SMAD 信號通路介導心房顫動患者選擇性心房纖維化［8］。SMAD 蛋白是TGF-β1下游的主要信號傳導分子，涉及SMAD蛋白有多種，如Smad2，3，4，6，7。信號傳導基本過程為:TGF-β1配體先與Ⅱ型受體(TβRⅡ)結(jié)合，再與Ⅰ型受體(TβRⅠ)結(jié)合形成TGF-β1受體復合物，并使TβRⅠ磷酸化?；罨腡GF-β1受體磷酸化激活Smad2 和Smad3，使二者構象發(fā)生變化，從受體上解離并與Smad4 結(jié)合形成低聚體復合物，復合物再轉(zhuǎn)移至胞核內(nèi)調(diào)節(jié)靶基因的表達［9］。在心臟主要是通過磷酸化Smad2 發(fā)揮作用，進一步研究發(fā)現(xiàn)，TGF-β1誘導的心房顫動，主要與下游的Smad2 和Smad7 的磷酸化水平改變有關。Smads 磷酸化，激活細胞外基質(zhì)分子表達，如CollagenⅥ、endoglin、金屬基質(zhì)蛋白酶家族成員(MMP-2、MMP-9 和TIMP-1)，從而引發(fā)結(jié)構重構［10］。因此，TGF-β1/ SMAD 被認為是心房顫動結(jié)構重構的關鍵信號通路。

2 骨架蛋白與心臟結(jié)構重構

2.1 細胞骨架蛋白概述

細胞骨架是細胞內(nèi)不同蛋白質(zhì)纖維的聚合物和各種調(diào)控蛋白交錯連接的網(wǎng)絡結(jié)構。主要由三種主要類型蛋白絲組成，包括微絲(microfilament，MF)、微管(microtubule，MT)和中間絲(intermediate filament，IF)。

α 輔肌動蛋白(α-actinin)，在細胞內(nèi)為反向平行的二聚體，具有N 末端肌動蛋白結(jié)合結(jié)構域、血影蛋白樣中央重復結(jié)構域和C 末端“EF 手”結(jié)構域，可以交聯(lián)肌動蛋白絲(actin)形成二聚體，“EF 手”結(jié)構可以結(jié)合Ca2+，是近年來在細胞骨架與細胞運動研究中的熱點蛋白［11］。

α-actinin 參與調(diào)節(jié)F-actin 的裝配與拆卸，調(diào)節(jié)Factin 的長度、極性、穩(wěn)定性和三維結(jié)構，并將F-actin與細胞質(zhì)和細胞膜的其他成分相連接，完成多種細胞功能［12］。目前發(fā)現(xiàn)α-actinin 有1，2，3，4 四種類型，呈細胞或組織特異性分布。通常根據(jù)其組織分布的不同而分成兩類:α-actinin-1(非肌型)，α-actinin-2(肌型)，α-actinin-3(肌型)和α-actinin-4(非肌型)。非肌型蛋白對Ca2+敏感，而肌型不結(jié)合Ca2+［13］。α-actinin因獨特的分布受到廣泛研究。在肌肉細胞，α-actinin-2、α-actinin-3 特異分布在肌節(jié)的Z 帶和閏盤;在非肌肉細胞，沿著應力纖維及黏著斑區(qū)域檢測到α-actinin-1、α-actinin-4，顯示此蛋白可能參與肌動蛋白微絲相互連接或與細胞膜連接［14-15］。

α-actinin-2 主要表達于心肌和骨骼肌，α-actinin-3只表達于骨骼?。?5］。α-actinin-2 編碼基因ACTN2 位于1q42-q43。α-actinin-2 是細胞骨架的關鍵成分，是應力纖維關鍵成分之一。與其他應力纖維一起，使細胞具有抗切應力和牽張力。α-actinin-2 作為肌原纖維中Z 線主要組成部分，它連接細胞膜與細胞核，能將細胞外的信號經(jīng)細胞膜離子通道直接傳遞至細胞核［11，16］。例如，在乳鼠心肌細胞中研究發(fā)現(xiàn)，α-actinin-2 在 維 持 Ca2+-activated K+channel (SK2 or KCa2.2)中起重要作用，α-actinin-2 特異性的siRNA可以影響SK2 通道在心肌細胞內(nèi)的分布和定位［17］。α-actinin 通過與其相關蛋白包括整合素、鈣黏素以及細胞信號傳導通路中的信號分子等的協(xié)同作用，在穩(wěn)定細胞黏附、調(diào)節(jié)細胞形狀及細胞運動中發(fā)揮著重要作用。

心肌細胞骨架系統(tǒng)不僅在維持心肌細胞形態(tài)、參與收縮活動中發(fā)揮作用，還對膜離子通道的錨定和功能有重要調(diào)控作用，如鈉通道等［18］。對小鼠心肌的研究發(fā)現(xiàn)，微絲結(jié)合蛋白α-actinin、dystrophin 與L型鈣通道共同存在并調(diào)節(jié)通道的活動。在非心肌細胞共同表達鈣通道與α-actinin，也出現(xiàn)通道失活變慢［19］。上述研究表明，細胞骨架蛋白不僅在結(jié)構重構的過程中發(fā)生可塑性變化，也能影響細胞的電生理活動。

2.2 心房顫動的心房重構中細胞骨架蛋白變化

心肌細胞骨架不僅作為細胞的支架，同時也參與細胞的一系列生理活動，因此，對心肌細胞骨架的研究日益受到重視。各種心血管疾病在心功能改變的同時，常伴有心臟形態(tài)的改變。在風濕性心臟病繼發(fā)的心房顫動中，心房擴大加上心房的搏動節(jié)律改變，使得心房肌細胞的結(jié)構與動力學均受到極大影響，必然會影響細胞骨架變化。

在心房顫動的早期，僅僅牽張力改變，就可能會導致心房顫動［20］。Abbott 等［21］研究認為，心房牽張力的改變，能導致心房運動的模式改變，細胞運動功能發(fā)生變化。心房肌細胞周期性收縮與擴張涉及到細胞骨架的周期性重組與解聚。運動模式的改變，細胞骨架重組也會相應發(fā)生變化，也可能直接引發(fā)電重構的發(fā)生。Huang 等［22］采用雙向凝膠電泳和串聯(lián)質(zhì)譜法鑒定風濕性心臟病繼發(fā)心房顫動患者和正常竇性心律患者心耳組織內(nèi)蛋白質(zhì)表達差異，發(fā)現(xiàn)一共有19種蛋白有明顯差異，這些蛋白可被分為三大類:參與細胞骨架和肌原纖維的蛋白;能量代謝相關蛋白;與氧化應激有關蛋白。Morillo 等［23］用22 只狗建立了快速心房顫動模型，試驗前后，用二維超聲心動圖檢查發(fā)現(xiàn)心房直徑都明顯增加;電子顯微鏡檢查顯示心房肌纖維排列紊亂。Thijssen 等［24］制作山羊心房顫動模型，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過16 周的持續(xù)心房顫動后，可見橫紋肌斷續(xù)分布，染色變淡，心肌細胞外周僅可見斑片狀殘留;閏盤染色變淡;暗視野顯微鏡下觀察，α-平滑肌肌動蛋白(α-SMA)總體表達水平顯著增加。

這些研究表明:心房結(jié)構暫時的改變對心房電活動具有明顯影響，心房持續(xù)性的結(jié)構改變可導致細胞骨架及相關蛋白的改變。

3 TGF-β1/SMAD 信號通路與細胞骨架蛋白

TGF-β1除了致纖維化的作用外，也可調(diào)控黏著斑蛋白和細胞骨架蛋白的表達。TGF-β1介導的肌成纖維細胞的分化及活化是人體纖維化疾病發(fā)病機制中一個關鍵事件。在心臟，TGF-β1被證實能促進成纖維細胞增殖并轉(zhuǎn)變?yōu)榧〕衫w維細胞，接著進一步誘導這兩種細胞產(chǎn)生大量的細胞外基質(zhì)，從而促進心肌纖維化［25］。肌成纖維細胞具有介于成纖維細胞和平滑肌細胞的超微結(jié)構特點，因具有表達收縮蛋白，特別是α-SMA 蛋白的能力而被定義［26］。因此，TGF-β1可能介導結(jié)構重構并引發(fā)細胞骨架變化。

在多種細胞株中發(fā)現(xiàn)，內(nèi)生性Smad2，3，4 與微管結(jié)合，TGF-β1觸發(fā)Smad2，3，4 從微管脫離，磷酸化，遷移至細胞核，啟動轉(zhuǎn)錄［27］。在小鼠乳腺上皮細胞、人乳腺癌MDA-MB-231 細胞、人腎HEK293T 細胞等研究中發(fā)現(xiàn)TGF-β1通過Smad 和p38MAPK，能夠促進細胞表型轉(zhuǎn)換、運動，以及促進細胞中應力纖維原肌球蛋白、α-actinin 和鈣調(diào)理蛋白的表達［17］。Zheng等［28］的研究結(jié)果和上述結(jié)果一致，并進一步指出，表達上調(diào)的原肌球蛋白主要是高分子量原肌球蛋白，參與的SMAD 蛋白為Smad3 和Smad4。用人類心肌細胞祖細胞向心肌細胞誘導分化的實驗中，向培養(yǎng)液中加入TGF-β1，Western blot 檢測結(jié)果顯示α-actinin-2 及p-Smad2 表達水平均升高，而抑制TGF-β1，α-actinin-2及p-Smad2 水平均下降，在培養(yǎng)液中加入阻礙TGF-β1信號通路的ALK5 激酶抑制劑，免疫熒光染色結(jié)果顯示α-actinin/nuclei ratio 較TGF-β1刺激條件下明顯下降［29］。這些研究表明，TGF-β1可能通過SMAD 信號通路影響細胞骨架蛋白α-actinin-2 的表達。

4 小結(jié)

心房重構與心房顫動關系密切，心房電重構促進了心房顫動的發(fā)生與維持，而結(jié)構重構包括心肌細胞及心肌間質(zhì)的結(jié)構和功能的改變，最終使心房顫動演變?yōu)槁猿掷m(xù)性心房顫動。因此，延緩心房的結(jié)構重構能有效地預防心房顫動的復發(fā)。

TGF-β1與心房纖維化以及心房纖維化與心房顫動的復雜關系表明，TGF-β1在心房的結(jié)構重構中起關鍵作用。心房的結(jié)構重構包括肌溶解、肌小節(jié)喪失、細胞骨架重塑及骨架蛋白表達改變等?，F(xiàn)已證實，TGF-β1/Smad2 能促進心房纖維化，而且無論結(jié)構重構還是纖維化，都伴隨細胞骨架的重塑過程。TGFβ1能通過SMAD 信號通路引起α-actinin-2 表達升高，α-actinin-2 不僅在維持細胞骨架穩(wěn)定、調(diào)節(jié)細胞形狀及細胞運動中發(fā)揮著重要作用，還能影響細胞的電生理活動。因此，α-actinin-2 可能參與TGF-β1介導的心房結(jié)構重構過程。綜上所述，TGF-β1可能在結(jié)構重構中通過α-actinin-2 影響電重構。其具體機制值得進一步研究。

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