TGF-β1/Smads信號(hào)通路在高血壓心肌纖維化中的調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

張國(guó)華

(南方醫(yī)科大學(xué)中醫(yī)藥學(xué)院，廣州 510515)

心肌纖維化(MF)是多種心血管疾病引發(fā)的病理?yè)p害，高血壓是引發(fā)MF最主要的原因之一，MF是高血壓導(dǎo)致心室重構(gòu)的基本特征。形成高血壓MF的機(jī)制較為復(fù)雜，受多種細(xì)胞生長(zhǎng)因子的調(diào)控，并與腎素—血管緊張素—醛固酮系統(tǒng)(RAAS)有關(guān)。在高血壓MF形成過(guò)程中，轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1(TGF-β1)是與高血壓MF的形成關(guān)系最密切的細(xì)胞因子之一，TGF-β1可促進(jìn)膠原基因表達(dá)和心肌成纖維細(xì)胞的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而導(dǎo)致心肌細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)合成、沉積增加，最終導(dǎo)致 MF［1，2］。TGF-β1/Smads信號(hào)傳導(dǎo)途徑與MF有著密切的關(guān)系，其通路的異?；罨瘏⑴c人類多種臟器纖維化的發(fā)病過(guò)程。本文對(duì)TGF-β1/Smads信號(hào)通路與高血壓MF之間的關(guān)系及中醫(yī)藥防治高血壓MF現(xiàn)狀進(jìn)行探討，希望為高血壓MF的中醫(yī)藥防治提供理論基礎(chǔ)。

1 TGF-β/Smads信號(hào)通路及轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制

1.1 TGF-β家族的組成及特性 TGF-β家族是由多種細(xì)胞分泌的一類多肽生長(zhǎng)因子，由TFG-βs、抑制素、激化素、骨形成蛋白(BMP)及苗勒抑制物等組成，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上有共同特征，因而在功能上有相似之處，與細(xì)胞的增殖分化、胚胎發(fā)育、胞外基質(zhì)形成以及骨的形成、重建等密切相關(guān)。在TGF-β超家族中，最重要且研究較為深入的是TFG-βs。TGF-β家族是相對(duì)分子質(zhì)量為25 kD的同源二聚體，由2條含有112個(gè)氨基酸的多肽鏈單體組成。新合成的TGF-β一般無(wú)活性，需在酶的作用下進(jìn)行酶解后，才能形成活性TGF-β，再與其受體結(jié)合發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)?，F(xiàn)有研究表明TGF-β有6種異構(gòu)體，在哺乳類動(dòng)物體內(nèi)主要有3個(gè)亞型:TGF-β1、TGF-β2和 TGF-β3，它們分別位于不同的染色體上，其中TGF-β1在體細(xì)胞系中比例最高、活性最強(qiáng)、功能最多、分布最廣泛，起主要的生物學(xué)作用。

1.2 TGF-β受體及其作用 TGF-β需通過(guò)與特異性的細(xì)胞表面受體相結(jié)合，才能發(fā)揮其相應(yīng)生物學(xué)效應(yīng)。TGF-β受體是存在于細(xì)胞表面的一類結(jié)構(gòu)相似跨膜糖蛋白，由富含半胱氨酸的胞外區(qū)、跨膜區(qū)和含絲氨酸/蘇氨酸激酶結(jié)構(gòu)域的胞內(nèi)區(qū)組成。其中與TGF-β有高親和力受體的是Ⅰ型(TβR-Ⅰ)、Ⅱ型(TβR-Ⅱ)和Ⅲ型(TβR-Ⅲ)。TβR-Ⅲ缺乏內(nèi)在活性，本身無(wú)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能，TGF-β家族蛋白主要以激活形式的 TβR-Ⅰ、TβR-Ⅱ受體作為傳導(dǎo)信號(hào)。TβR-Ⅱ可單獨(dú)與TGF-β結(jié)合，由5個(gè)已知的哺乳動(dòng)物基因編碼，連接配體以后，激活并磷酸化TβR-Ⅰ。TβR-Ⅰ負(fù)責(zé)下游特定的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，必須在TβR-Ⅱ與TGF-β結(jié)合的情況下才能與TGF-β結(jié)合。

1.3 Smads蛋白的分類及功能 Smads蛋白存在于胞質(zhì)內(nèi)，是受體下游的TGF-β1超家族信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子，是TGF-β1/Smads信號(hào)傳導(dǎo)途徑中的關(guān)鍵調(diào)控因子。Smads蛋白是目前研究較清楚的、惟一對(duì)TβR-Ⅰ受體激酶有信號(hào)傳導(dǎo)作用的底物。哺乳動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的Smads蛋白有8種，根據(jù)其功能的不同可以分為三類:①受體調(diào)節(jié)型 Smads蛋白(RSmads)，主要包括 Smad1、Smad2、Smad3、Smad5、Smad8等，其中 Smad2和 Smad3介導(dǎo) TGF-β1和激活素的信號(hào)，Smad1、Smad5、Smad8則介導(dǎo) BMP的信號(hào)。②共同介質(zhì)型Smads蛋白(Co-Smads)，在哺乳動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)中只存在 Smad4，Smad4參與所有TGF-β家族成員的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)［3］。③抑制型Smads蛋白(I-Smads)，主要有Smad6和Smad7;通過(guò)阻斷RSmads與TGF-β受體或 Co-Smads的結(jié)合，對(duì) TGF-β1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路發(fā)揮負(fù)調(diào)控作用［4，5］。I-Smads 與R-Smads競(jìng)爭(zhēng)性地結(jié)合受體，阻止R-Smads的磷酸化從而抑制TGF-β的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。

1.4 TGF-β1/Smads通路的轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制 TGF-β 有多種不同的激活通路。TGF-β1/Smads通路的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，首先是TGF-β與其受體結(jié)合。在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中，TGF-β首先與細(xì)胞膜表面的 TβR-Ⅱ二聚體結(jié)合，形成異源二聚體復(fù)合物，隨后TβR-Ⅰ識(shí)別也以二聚體形式加入到復(fù)合物中，與TGF-β結(jié)合，從而導(dǎo)致 TβR-Ⅱ 使 TβR-Ⅰ 的 GS 結(jié)構(gòu)域磷酸化［6］。TβR-Ⅱ的絲/蘇氨酸激酶活性是組成性的，而TβR-Ⅰ的絲/蘇氨酸激酶結(jié)構(gòu)域需經(jīng) TβR-Ⅱ使其GS結(jié)構(gòu)域磷酸化后才具激酶活性。在不存在TβR-Ⅱ的情況下，TβR-Ⅰ無(wú)法獨(dú)立與 TGF-β 結(jié)合。TβR-Ⅱ、TβR-Ⅰ依次與 TGF-β 結(jié)合形成受體復(fù)合物，使TβR-Ⅰ絲/蘇氨酸激酶激活是TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)必需的過(guò)程。在多數(shù)情況下，TβR-Ⅰ在TβR-Ⅱ下游發(fā)揮作用，故TβR-Ⅰ決定胞內(nèi)信號(hào)的特異性。

Smads蛋白作為一種在細(xì)胞內(nèi)傳導(dǎo)的信號(hào)蛋白，它可將自TGF-β獲得的信息傳遞至細(xì)胞核內(nèi)。TGF-β與受體結(jié)合后，TβR-Ⅰ作用于 R-Smads蛋白C＇端絲氨酸殘基，并使其磷酸化。TβR-Ⅰ 使R-Smads磷酸化后使之激活，隨后 Smads離開TβR-Ⅰ，從而介導(dǎo)不同的刺激信號(hào)［7，8］。R-Smads再與Co-Smads結(jié)合，變?yōu)檗D(zhuǎn)錄復(fù)合體進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，通過(guò)與DNA上的Smads結(jié)合元件結(jié)合，繼而與許多輔助活化因子和輔助抑制因子協(xié)同作用，發(fā)揮調(diào)節(jié)基因表達(dá)的作用［9，10］。I-Smads 在 TGF-β 家族的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中為一種負(fù)反饋調(diào)節(jié)信號(hào)［11，12］。TGF-β刺激細(xì)胞后，I-Smads的 mRNA轉(zhuǎn)錄被誘導(dǎo)，當(dāng)TβR-Ⅰ受體被激活后，I-Smads與TβR-Ⅰ受體結(jié)合，I-Smads與通路限制性Smads競(jìng)爭(zhēng)性地與TβR-Ⅰ結(jié)合，干擾通路限制性Smads與TβR-Ⅰ的相互作用及磷酸化，從而抑制信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。因此I-Smads通過(guò)抑制Smad2和Smad3的磷酸化和Smads轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的形成來(lái)阻斷 TGF-β的信號(hào)傳導(dǎo)?？梢娫赥GF-β1/Smads信號(hào)通路中，Smads蛋白之間相輔相成、緊密協(xié)調(diào)，共同完成TGF-β的生物學(xué)效應(yīng)。

2 TGF-β1/Smads信號(hào)通路在高血壓MF中的調(diào)控機(jī)制

2.1 TGF-β1/Smads信號(hào)通路與 MF 已有研究［13］表明，TGF-β1高表達(dá)與心肌成纖維細(xì)胞增殖密切相關(guān)，直接以不同濃度的TGF-β1作用于體外培養(yǎng)的心肌成纖維細(xì)胞，可誘導(dǎo)心肌成纖維細(xì)胞增殖及膠原合成，且TGF-β1與心肌肥大之間呈劑量依賴關(guān)系。心臟糜酶可上調(diào) TGF-β1表達(dá)、促進(jìn) Smad2、Smad3的磷酸化，使心肌成纖維細(xì)胞的3H-脯氨酸摻入率增加，促進(jìn)心肌成纖維細(xì)胞增殖，誘導(dǎo)ECM的合成，引起左室重構(gòu)，說(shuō)明糜酶是通過(guò)激活TGF-β1/Smad信號(hào)通路促進(jìn)心肌成纖維細(xì)胞膠原合成引發(fā) MF 的［14，15］。TGF-β1促進(jìn)心肌細(xì)胞增殖、分化以及ECM沉積的作用，是通過(guò)TGF-β1參與組織的修復(fù)實(shí)現(xiàn)的，在如壓力負(fù)荷等心肌反復(fù)損傷過(guò)程中，TGF-β1持續(xù)分泌造成其表達(dá)過(guò)高，TGF-β1過(guò)表達(dá)效應(yīng)超過(guò)其終止信號(hào)，從而形成TGF-β1過(guò)表達(dá)的惡性循環(huán)，ECM沉積增加，最終導(dǎo)致MF。在對(duì)異丙腎上腺素誘發(fā)的大鼠MF動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，依那普利可抑制TGF-β1的表達(dá)、減輕大鼠MF。可見異丙腎上腺素引發(fā)MF的作用與TGF-β1的介導(dǎo)相關(guān)。在大鼠心肌梗死模型的研究［16～18］中發(fā)現(xiàn)，曲尼司特可減少心肌組織TGF-β1的mRNA和蛋白表達(dá)，從而發(fā)揮抑制心肌梗死后MF的作用。此外，TGF-β1高表達(dá)引起MF尚與血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)密切相關(guān)，AngⅡ通過(guò)ATRⅡ1型受體調(diào)節(jié)TGF-β1的合成，并誘導(dǎo)TGF-β1表達(dá)導(dǎo)致 MF［19］。對(duì)心肌梗死大鼠模型的研究發(fā)現(xiàn)，心梗后大鼠左室重量指數(shù)增加，非梗死區(qū)Ⅰ/Ⅲ型膠原容積分?jǐn)?shù)及膠原比值均增加，Smad7的蛋白表達(dá)減少，提示Smad7表達(dá)下調(diào)可能與心梗后MF的形成有密切的關(guān)系。給予辛伐他汀進(jìn)行干預(yù)后，非梗死區(qū)Ⅰ/Ⅲ型膠原容積分?jǐn)?shù)及膠原比值均減低，Smad7 的表達(dá)均顯著增加［20，21］。Smad6、Smad7作為TGF-β1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的主要抑制性蛋白，在纖維化疾病過(guò)程中的作用越來(lái)越受到重視。提高Smad6、Smad7的表達(dá)，降低R-Smad或Co-Smads的表達(dá)，以阻斷TGF-β1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，可能成為纖維化疾病進(jìn)行基因治療的可行方向。

2.2 TGF-β1/Smads信號(hào)通路與高血壓MF 在誘發(fā)MF的眾多原因中，高血壓是最主要的因素之一，多項(xiàng)研究均表明，TGF-β1/Smads信號(hào)通路亦是介導(dǎo)高血壓MF的重要通路。如對(duì)自發(fā)性高血壓大鼠(SHR)的研究發(fā)現(xiàn)，SHR血管中 TGF-β1的mRNA表達(dá)及蛋白水平較正常血壓大鼠高，TGF-β1過(guò)表達(dá)可誘導(dǎo)SHR中血管平滑肌細(xì)胞的增殖，且隨著MF的進(jìn)展，TGF-β1的mRNA表達(dá)逐漸增加，而Smad7的蛋白表達(dá)逐漸減少。提示SHR的心室重構(gòu)與TGF-β1/Smad通路有關(guān);另一項(xiàng)有關(guān)脫氧皮質(zhì)酮和鹽敏感型高血壓大鼠的研究也發(fā)現(xiàn)，主動(dòng)脈中TGF-β1的 mRNA 表達(dá)水平明顯增加［22，23］。以上實(shí)驗(yàn)均表明TGF-β1/Smad信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路與高血壓MF密切相關(guān)。人群高血壓研究［24］也表明，高血壓患者血漿中總TGF-β1和活化的 TGF-β1水平均較正常血壓者顯著升高，且與高血壓引發(fā)的心腎等靶器官損害有關(guān)，這種變化與血壓無(wú)明顯相關(guān)性?？梢姴±硇訲GF-β1的增加在高血壓MF的發(fā)生發(fā)展中起著關(guān)鍵的作用，減少TGF-β1基因表達(dá)可減少心室重構(gòu)的發(fā)生。所以抗TGF-β1的基因治療將成為高血壓MF防治的重要策略，阻斷TGF-β1/Smad通路是抗高血壓MF的一個(gè)重要作用靶點(diǎn)。

研究亦發(fā)現(xiàn)，中醫(yī)藥在抗心肌纖維的過(guò)程中也有重要作用，如黃芪提取物黃芪甲苷Ⅳ對(duì)擴(kuò)張性心肌病小鼠體內(nèi)TGF-β1和Smad2、Smad3、Smad4的表達(dá)均有抑制作用，提示黃芪有抗MF的作用;苦參堿作用于心肌梗死引起的MF大鼠，可抑制TGF-β受體和Smad3的表達(dá);蛇床子素可以明顯抑制TGF-β1的表達(dá)。由此可見中藥有良好的抗MF作用，從TGF-β1/Smad通路入手，挖掘抗高血壓心肌纖維的中藥單體、單味中藥或復(fù)方，是一個(gè)可行的思路與方向。

高血壓是心臟病的第一高危因素，50%的心血管疾病是由高血壓導(dǎo)致的，MF是高血壓引發(fā)心臟損害的主要病理學(xué)特征，高血壓MF是目前致殘性最高的疾病之一。MF、心臟間質(zhì)重構(gòu)是該病致殘和預(yù)后不良的關(guān)鍵。高血壓MF的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，TGF-β1/Smads信號(hào)通路與高血壓 MF密切相關(guān)。從TGF-β1/Smad通路入手，探討防治高血壓心肌纖維化策略有一定的可行性。

［1］Derynck R，Akhurst RJ，Balmain A.TGF-beta signaling in tumor suppression and cancer progression ［J］.Nat Genet，2001，29(2):117-129.

［2］Whitman M.Smads and early developmental signaling by the TGF-beta superfamily［J］.Genes Dev，1998，12(16):2445-2462.

［3］Wu RY，Zhang Y，F(xiàn)eng XH，et al.Heteromeric and homomeric interactions correlate with signaling activity and functional cooperativity of Smad3 and Smad4/DPC4 ［J］.Mol Cell Biol，1997，17(5):2521-2528.

［4］Kim DH，Kim SJ.Transforming growth factor-beta receptors:role in physiology and disease［J］.J Biomed Sci，1996，3(3):143-158.

［5］Sun Y，Zhang JQ，Zhang J，et al.Angiotensin Ⅱ，transforming growth factor-beta1 and repair in the infarcted heart［J］.J Mol Cell Cardiol，1998，30(8):1559-1569.

［6］Luo K，Lodish HF.Signaling by chimeric erythropoietin-TGF-beta receptors:homodimerization of the cytoplasmic domain of the typeⅠTGF-beta receptor and heterodimerization with the typeⅡreceptor are both required for intracellular signal transduction ［J］.EMBO J，1996，15(17):4485-4496.

［7］Abdollah S，Macías-Silva M，Tsukazaki T，et al.TbetaRI phosphorylation of Smad2 on Ser465 and Ser467 is required for Smad2-Smad4 complex formation and signaling［J］.J Biol Chem，1997，272(44):27678-27685.

［8］Macías-Silva M，Abdollah S，Hoodless PA，et al.MADR2 is a substrate of the TGFbeta receptor and its phosphorylation is required for nuclear accumulation and signaling［J］.Cell，1996，87(7):1215-1224.

［9］Correia JJ，Chacko BM，Lam SS，et al.Sedimentation studies reveal a direct role of phosphorylation in Smad3:Smad4 homo-and hetero-trimerization［J］.Biochemistry，2001，40(5):1473-1482.

［10］Kawabata M，Inoue H，Hanyu A，et al.Smad proteins exist as monomers in vivo and undergo homo-and hetero-oligomerization upon activation by serine/threonine kinase receptors［J］.EMBO J，1998，17(14):4056-4065.

［11］Nakao A，Afrakhte M，Morén A，et al.Identification of Smad7，a TGFbeta-inducible antagonist of TGF-beta signaling［J］.Nature，1997，389(6651):631-635.

［12］Imamura T，Takase M，Nishihara A，et al.Smad6 inhibits signalling by the TGF-beta superfamily［J］.Nature，1997，389(6651):622-666.

［13］黃俊，覃國(guó)輝，劉啟功，等.轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1與大鼠心肌細(xì)胞肥大關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版)，2003，32(5):484-485.

［14］陳玲，胡建新，程曉曙.血小板反應(yīng)蛋白1在轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1誘導(dǎo)的大鼠心肌成纖維細(xì)胞中的作用［J］.中國(guó)病理生理雜志，2009，25(1):69-72.

［15］趙曉燕，趙連友，鄭強(qiáng)蓀，等.糜酶介導(dǎo)心臟成纖維細(xì)胞增殖中轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1的作用［J］.中華高血壓雜志，2008，16(5):455-459.

［16］袁國(guó)會(huì)，張穎，劉少榮.曲尼甜特對(duì)急性心肌梗死大鼠轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1的影響［J］.中西醫(yī)結(jié)合心腦血管病雜志，2008，6(8):932-933.

［17］張海嘯，史載祥.轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β信號(hào)傳導(dǎo)通路與心肌纖維化［J］.中日友好醫(yī)院學(xué)報(bào)，2007，21(2):110-112.

［18］Schultz Jel J，Witt SA，Glascock BJ，et al.TGF-beta1 mediates the hypertrophic cardiomyocyte growth induced by angiotensinⅡ［J］.J Clin Invest，2002，109(6):787-796.

［19］Yoo KH，Thornhill BA，Wolstenholme JT，et al.Tissue-specific regulation of growth factors and clusterin by angiotensin Ⅱ ［J］.Am J Hypertens，1998，11(6 Pt 1):715-722.

［20］Raman SV.The hypertensive heart.An integrated understanding informed by imaging［J］.J Am Coll Cardiol，2010，55(2):91-96.

［21］Rodríguez-Vita J，Sánchez-Galán E，Santamaría B，et al.Essential role of TGF-beta/Smad pathway on statin dependent vascular smooth muscle cell regulation［J］.PLoS One，2008，3(12):e3959.

［22］Xia CF，Bledsoe G，Chao L，et al.Kallikrein gene transfer reduces renal fibrosis，hypertrophy，and proliferation in DOCA-salt hypertensive rats［J］.Am J Physiol Renal Physiol，2005，289(3):F622-631.

［23］Jing L，Zhang JZ，Zhao L，et al.High-expression of transforming growth factor beta1 and phosphorylation of extracellular signal-regulated protein kinase in vascular smooth muscle cells from aorta and renal arterioles of spontaneous hypertension rats［J］.Clin Exp Hypertens，2007，29(2):107-117.

［24］Torun D，Ozelsancak R，Turan I，et al.The relationship between obesity and transforming growth factor beta on renal damage in essential hypertension［J］.Int Heart J，2007，48(6):733-741.