機(jī)械力對血管內(nèi)皮細(xì)胞一氧化氮合成的調(diào)控機(jī)制及致動脈粥樣硬化作用

李 慶 楊 漪

(石家莊市中醫(yī)院功能科，河北 石家莊 050051)

血流機(jī)械力變化導(dǎo)致的動脈粥樣硬化主要在于它破壞了血管內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞的一氧化氮(NO)生成的系統(tǒng)平衡〔1〕。本文重點討論血流機(jī)械力〔剪切力和環(huán)壁張力對內(nèi)皮細(xì)胞NO的生成和NO合酶(NOS)〕表達(dá)的調(diào)控機(jī)制，并強調(diào)其介導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞的感染、氧自由基的產(chǎn)生及最終引發(fā)血管壁重建(主要是平滑肌細(xì)胞參與)的機(jī)制。

1 剪切力對血管內(nèi)皮細(xì)胞NO生成及NOS表達(dá)的影響

1.1剪切力影響血管內(nèi)皮細(xì)胞生成NO 單向的剪切力通過兩個機(jī)制影響血管內(nèi)皮細(xì)胞生成NO。在剪切力開始作用后幾秒，NOS受刺激開始產(chǎn)生NO，與此同時，剪切力產(chǎn)生了一個短暫而強烈的細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的提高，隨之，高濃度的鈣調(diào)蛋白捆綁到NOS上并增強NOS的活性。當(dāng)胞內(nèi)鈣離子濃度提高到最大值后返回到剪切力刺激前的正常水平，NO的生成卻不斷提高，也就是說剪切力誘導(dǎo)的NO生成并不依賴于細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的改變。這個獨立的作用機(jī)制來源于NOS的特別位點的磷酸化作用，即磷酸化導(dǎo)致了電子從NOS的還原區(qū)域向酶的加氧區(qū)域移動〔2〕。磷酸化特別位點在NOS的第635和1 177個氨基酸(均為絲氨酸，由蛋白激酶A介導(dǎo))〔3〕。幾小時以后，剪切力引發(fā)了NOS mRNA轉(zhuǎn)錄和相應(yīng)的蛋白合成增加，結(jié)果是內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生大量的NO〔4〕。這個NOS的上調(diào)表達(dá)包括兩個過程，一個是短暫的NOS mRNA轉(zhuǎn)錄的提高，一個是穩(wěn)定的持續(xù)的NOS mRNA高表達(dá)〔5〕，前一個轉(zhuǎn)錄提高的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路主要是先刺激絡(luò)氨酸激酶cSrc，而后再刺激Ras，Raf，MEK 1/2和Erk 1/2四個通路；后一個穩(wěn)定過程主要是依賴cSrc通路，沒有絲裂原活化蛋白激酶(MAP)激酶通路參與。

2 剪切力對NOS mRNA轉(zhuǎn)錄的影響

剪切力刺激NOS mRNA 轉(zhuǎn)錄僅僅持續(xù)1 h左右。這個現(xiàn)象將會有巨大的生理學(xué)意義。如，簡單的身體鍛煉會提高人體內(nèi)的NOS產(chǎn)量，進(jìn)一步說，NOS mRNA短暫的高爆發(fā)表達(dá)類似一個藥物負(fù)荷劑量的作用，即通過提高 mRNA 穩(wěn)定性，一個穩(wěn)定狀態(tài)的NOS mRNA高表達(dá)將會持續(xù)出現(xiàn)。剪切力對NOS mRNA轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)主要是超激活NOS 刺激物(順勢作用元件)，這個刺激物在轉(zhuǎn)錄起始位點上游-984到-990之間〔6〕〔此區(qū)域包含剪切力反應(yīng)序列5-￠CCAGAG-3￠〔7〕，超激活通過核因子(NF)κB結(jié)合到此位點來實現(xiàn)〕。此剪切力特別反應(yīng)序列的突變將導(dǎo)致NOS 刺激物對剪切力刺激失去反應(yīng)。NF-κB存在于細(xì)胞質(zhì)，為一不活躍的三聚體(P50、P65、IκB三個獨立功能的活動區(qū)域)。當(dāng)抑制性子亞單位IκB被其上游的激酶所磷酸化時〔8〕，它便與P65、P50分離，而后P65、P50依次轉(zhuǎn)位到細(xì)胞核，在這與相關(guān)基因的順勢作用元件同源物結(jié)合。有實驗表明，在NOS mRNA激活過程中，剪切力引發(fā)了P65、P50轉(zhuǎn)位并提高了二者的遷移速度，在NOS基因的順勢作用元件上存在剪切力反應(yīng)序列，P65、P50將結(jié)合此序列上來完成上述剪切力刺激反應(yīng)。值得強調(diào)的是，在NF-κB對NOS表達(dá)的影響過程中，NF-κB的激活將會提高與感染相關(guān)的基因的表達(dá)，這些基因包括血管內(nèi)皮細(xì)胞黏附分子(VCAM)1、細(xì)胞內(nèi)黏附分子(ICAM)1、組織因子、單核細(xì)胞趨化因子(MCP)1。上述感染相關(guān)基因參與了動脈粥樣硬化的形成似乎與NF-κB刺激NO生成而有抗動脈粥樣硬化形成的作用矛盾。最近研究顯示存在一個負(fù)反饋機(jī)制調(diào)節(jié)了剪切力依賴的NF-κB激活NO的瞬時生成過程〔9〕。相關(guān)實驗顯示、向內(nèi)皮細(xì)胞體外補充NO將減弱剪切力對eNOS基因表達(dá)的促進(jìn)作用及降低NOS表達(dá)刺激物的活性；相反，向內(nèi)皮細(xì)胞體外補充NOS抑制劑將起到促進(jìn)的作用。除了激活NF-κB，剪切力同時也提高介導(dǎo)NO生成的相關(guān)酶的活性。如前所述，NF-κB的激活導(dǎo)致P50/P65二聚體轉(zhuǎn)位到細(xì)胞核，在這里二聚物結(jié)合到NOS基因的順式作用元件而提高NOS mRNA的轉(zhuǎn)錄和NOS蛋白合成。P50的亞硝化作用將抑制其轉(zhuǎn)位〔10〕，以此限制NF-κB在細(xì)胞核內(nèi)的活性，這個機(jī)制說明了是P50的亞硝化作用導(dǎo)致剪切力刺激下的NO大量生成返回到刺激前的水平。這個負(fù)反饋機(jī)制能用如下的實驗說明，用L-NG-硝基精氨酸甲酯抑制NO的生成將導(dǎo)致瞬間的P50向核內(nèi)轉(zhuǎn)位，而轉(zhuǎn)位不受剪切力刺激的影響，相反，用突變的P50基因(相關(guān)蛋白缺乏亞硝化作用位點)轉(zhuǎn)染內(nèi)皮細(xì)胞，內(nèi)皮細(xì)胞會產(chǎn)生大量的NOS表達(dá)。無論內(nèi)皮細(xì)胞是否會受到剪切力刺激，這個高表達(dá)不會減弱。以上結(jié)果說明在剪切力激活NF-κB、提高NOS表達(dá)、促進(jìn)NO生成之間存在一個負(fù)反饋通路。在基本的非病理生理狀態(tài)下，正常水平的NOS蛋白決定了剪切力依賴的NOS基因順式作用元件的超激活的時間。如果NOS蛋白處在一個高水平狀態(tài)，在剪切力刺激后不久它就能夠催化生成足夠數(shù)量的NO來終止NF-κB的激活作用。如果NOS蛋白處在一個較低水平，NF-κB的活性將持續(xù)保持在一定水平，NOS mRNA的轉(zhuǎn)錄活性也會不斷提高，這足以使NOS恢復(fù)并保持在正常水平。在不正常的病理生理狀態(tài)下，這個負(fù)反饋的抑制作用方面將會改變，此時剪切力刺激會變成一個病理性的炎性刺激〔11〕。例如，NOS基因促進(jìn)物的多態(tài)性能夠抑制剪切力依賴的NOS的轉(zhuǎn)錄，同理，在剪切力刺激下，NOS輔助因子四氫生物蝶呤(BH)4的缺乏能夠抑制NO生成和導(dǎo)致NF-κB活性持續(xù)保持。某些內(nèi)生的NOS抑制物，例如非對稱的二甲基精氨酸，能夠抑制NO生成和不斷促進(jìn)NF-κB的核轉(zhuǎn)位(在剪切力刺激下)。這些作用能夠?qū)е乱粋€剪切力刺激下持續(xù)內(nèi)皮細(xì)胞感染的病理現(xiàn)象(而不是剪切力刺激下的抑制內(nèi)皮細(xì)胞感染)。這些機(jī)制充分說明了剪切力刺激的NO生成是抑制內(nèi)皮細(xì)胞感染的關(guān)鍵因素，而在缺乏NO狀態(tài)下，剪切力刺激卻是一個致感染因素。

2 環(huán)壁張力對血管內(nèi)皮細(xì)胞NO的生成及NOS表達(dá)的影響

2.4內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)ROS含量的影響因素 NOS缺乏的高血壓小鼠體內(nèi)ROS含量降低，暗示NADPH氧化酶和脫耦聯(lián)的NOS是血管內(nèi)ROS不斷提高的重要源泉。雖然NOS缺乏的高血壓小鼠體內(nèi)ROS含量明顯降低，但仍然保持一些，這個事實暗示在鼠內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞內(nèi)，還有一些其他的生成ROS的資源，它包括黃嘌呤氧化酶、線粒體、細(xì)胞色素p450等，一個實驗已證實〔21〕，在NADPH氧化酶缺乏的小鼠內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)，ROS的生成沒有降低，而其對腫瘤壞死因子(TNF)-α和佛波醇酯的刺激反應(yīng)降低。

2.5環(huán)壁張力與內(nèi)皮細(xì)胞依賴的血管舒張機(jī)制的關(guān)系 研究提示〔22〕，在血管高張刺激下，NOS的脫耦聯(lián)也是血管內(nèi)過氧化氫(H2O2)產(chǎn)物不斷生成的重要源泉，同理，抑制BH4的合成將導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞依賴的血管舒張。有實驗〔22〕證實，在高血壓小鼠體內(nèi)，eNOS酶的輔因子BH4氧化將導(dǎo)致BH4含量降低。

兩個機(jī)制導(dǎo)致了H2O2刺激血管舒張，一個機(jī)制是H2O2刺激過氧化氫酶并使之與鳥苷酸環(huán)化酶結(jié)合形成復(fù)合物〔23〕，隨之復(fù)合物刺激環(huán)磷酸腺苷大量生成。另一個機(jī)制是H2O2是一個內(nèi)皮細(xì)胞依賴的超極化因子〔24〕。相比其他氧化物，H2O2是相對穩(wěn)定的，能從一個細(xì)胞擴(kuò)散到另一個細(xì)胞，在細(xì)胞內(nèi)H2O2也有靶目標(biāo)，因此，H2O2對血管平滑肌細(xì)胞的增生和肥大起著極其重要的作用。

3 參考文獻(xiàn)

1Pan S.Molecular mechanisms responsible for the atheroprotective effects of laminar shear stress〔J〕.Antioxid Redox Signal,2009；11：1669-82 .

2Rafikov R，F(xiàn)onseca FV，Kumar S，etal.eNOS activation and NO function：structural motifs responsible for the post translational control of endothelial nitric oxide synthase activity〔J〕.J Endocrinol,2011；210：271-84.

3Boo YC，Sorescu G，Boyd N，etal.Shear stress stimulates phosphorylation of endothelial nitric-oxide synthase at Ser1179 by Akt-independent mechanisms：role of protein kinase A〔J〕.J Biol Chem,2002；277：3388-96.

4Kawai Y，Yokoyama Y，Kaidoh M，etal.Shear stress-induced ATP-mediated endothelial constitutive nitric oxide synthase expression in human lymphatic endothelial cells〔J〕.Am J Physiol Cell Physiol,2010；298：C647-55.

5Moore JP，Weber M，Searles CD.Laminar shear stress modulates phosphorylation and localization of RNA polymerase Ⅱ on the endothelial nitric oxide synthase gene〔J〕.Arterioscler Thromb Vasc Biol,2010；30：561-7.

6Davis ME，Grumbach IM，F(xiàn)ukai T，etal.Shear stress regulates endothelial nitric-oxide synthase promoter activity through nuclear factor kappaB binding〔J〕.J Biol Chem,2004；279：163-8.

7Esnick N，Collins T，Atkinson W，etal.Platelet-derived growth factor B chain promoter contains a cis-acting fluid shear-stress-responsive element〔J〕.Proc Natl Acad Sci USA,1993；90：7908.

8Davis ME，Cai H，Drummond GR，etal.Shear stress regulates endothelial nitric oxide synthase expression throughc-Src by divergent signaling pathways〔J〕.Circ Res,2001；89：1073-80.

9Grumbach IM，Chen W，Mertens SA，etal.A negative feedback mechanism involving nitric oxide and nuclear factor kappa-B modulates endothelial nitric oxide synthase transcription〔J〕.J Mol Cell Cardiol,2005；39：595-603.

10Matthews JR，Botting CH，Panico M，etal.Inhibition of NF-kappaB DNA binding by nitric oxide〔J〕.Nucleic Acids Res,1996；24：2236-42.

11Cattaruzza M，Guzik TJ，Slodowski W，etal.Shear stress insensitivity of endothelial nitric oxide synthase expression as a genetic risk factor for coronary heart disease〔J〕.Circ Res,2004；95：841-7.

12Landmesser U，Dikalov S，Price SR，etal.Oxidation of tetrahydrobiopterin leads to uncoupling of endothelial cell nitric oxide synthase in hypertension〔J〕.J Clin Invest,2003；111：1201-9.

13Arora S，Vaishya R，Dabla PK，etal.NAD(P)H oxidases in coronary artery disease〔J〕.Adv Clin Chem,2010；50：65-86.

14Tanner FC，Meier P，Greutert H，etal.Nitric oxide modulates expression of cell cycle regulatory proteins：a cytostatic strategy for inhibition of human vascular smooth muscle cell proliferation〔J〕.Circulation,2000；101：1982-9.

15Weiss EP，F(xiàn)ontana L.Caloric restriction：powerful protection for the aging heart and vasculature〔J〕.Am J Physiol Heart Circ Physiol,2011；301：H1205-19.

16Cabral PD，Garvin JL.Luminal flow regulates NO and O2(-) along the nephron〔J〕.Am J Physiol Renal Physiol,2011；300：F1047-53.

17Lo J，Patel VB，Wang Z，etal.Angiotensin-converting enzyme 2 antagonizes angiotensin Ⅱ-induced pressor response and NADPH oxidase activation in Wistar-Kyoto rats and spontaneously hypertensive rats〔J〕.Exp Physiol,2013；98：109-22.

18Koba S，Watanabe R，Kano NO，etal.Oxidative stress exaggerates skeletal muscle contraction-evoked reflex sympathoexcitation in rats with hypertension induced by angiotensin Ⅱ〔J〕.Am J Physiol Heart Circ Physiol,2013；304：H142-53.

19Laursen JB，Somers M，Kurz S，etal.Endothelial regulation of vasomotion in apoE-deficient mice：implications for interactions between peroxynitrite and tetrahydrobiopterin〔J〕.Circulation,2001；103：1282-8.

20Patel KB，Stratford MR，Wardman P，etal.Oxidation of tetrahydrobiopterin by biological radicals and scavenging of the trihydrobiopterin radical by ascorbate〔J〕.Free Radic Biol Med,2002；32：203-11.

21Li JM，Mullen AM，Yun S，etal.Essential role of the NADPH oxidase subunit p47(phox) in endothelial cell superoxide production in response to phorbol ester and tumor necrosis factor-α〔J〕.Circ Res,2002；90：143-50.

22Cosentino F，Barker JE，Brand MP，etal.Reactive oxygen species mediate endothelium-dependent relaxations in tetrahydrobiopterin-deficient mice〔J〕.Arterioscler.Thromb Vasc Biol,2001；21：496-502.

23Norton CE，Jernigan NL，Kanagy NL，etal.Intermittent hypoxia augments pulmonary vascular smooth muscle reactivity to NO：regulation by reactive oxygen species〔J〕.J Appl Physiol,2011； 111：980-8.

24Matoba T，Shimokawa H，Nakashima M，etal.Hydrogen peroxide is an endothelium-derived hyperpolarizing factor in mice〔J〕.J Clin Invest,2000；106：1521-30.