Notch1在心血管疾病中的研究現(xiàn)狀

Notch1在心血管疾病中的研究現(xiàn)狀

馬建贏唐燕華

(南昌大學第二附屬醫(yī)院心胸外科，江西南昌333000)

關(guān)鍵詞〔〕Notch1；動脈粥樣硬化；先天性心臟病；心臟干細胞

中圖分類號〔〕R541〔文獻標識碼〕A〔

基金項目：國家自然科學基金(No.81160019)

通訊作者：唐燕華(1965-)，女，主任醫(yī)師，博士生導師，主要從事心臟病研究。

第一作者：馬建贏(1986-)，男，碩士，主要從事先天性心臟病與基因關(guān)系的研究。

心臟發(fā)育是一個極其復雜的過程，需要各種信號通路調(diào)節(jié)基因時間和空間的精確表達，常見的與心臟發(fā)育相關(guān)的信號通路包括骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)，Wnt /Wingless，轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)及Notch信號通路等。國內(nèi)外實驗研究提示Notch信號介導的細胞間通訊在心血管發(fā)育過程中起著非常關(guān)鍵的作用，而對于Notch同源分子之一的Notch1研究較少，現(xiàn)就 Notch1在心血管疾病研究現(xiàn)狀進行綜述。

1Notch信號通路

1.1Notch信號通路的組成1917年，Morgan及其同事在突變的果蠅中發(fā)現(xiàn)一種基因，該基因的部分功能缺失會使果蠅翅膀邊緣出現(xiàn)缺刻，隨后研究發(fā)現(xiàn)Notch在脊椎動物中也有表達，并在細胞分化、發(fā)育中起著關(guān)鍵作用。

1.2Notch信號通路的生化機制Notch信號轉(zhuǎn)導不需要第二信使和蛋白激酶的參與，可直接接收鄰近細胞的信號并傳到細胞核，激活相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的表達。配體與受體的結(jié)合導致受體產(chǎn)生兩次蛋白裂解是Notch信號通路的主要機制。第一次蛋白裂解由金屬蛋白酶(ADAM)家族成員之一的腫瘤壞死因子α轉(zhuǎn)化酶介導〔1〕，第二次裂解由包括早老素在內(nèi)的蛋白分泌酶復合體來完成。經(jīng)過上訴酶切過程，形成了可溶性的Notch胞內(nèi)段的活化形式(NICD)并轉(zhuǎn)移到核內(nèi)與初級轉(zhuǎn)錄因子CSL結(jié)合〔2，3〕。NICD與CSL結(jié)合并募集共活化物，如MAml和維生素D受體共激活因子ski相互作用蛋白(SKIP)，MAml動員組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶P300并誘導轉(zhuǎn)錄起始和延伸復合物的裝合物的裝配。缺乏Notch信號通路，CSL則與共抑制受體SMRT、MINT/SPEN、CtBP、組蛋白去乙?；附Y(jié)合后抑制Notch靶基因的啟動，最終影響細胞的分化、增殖和凋亡〔4，5〕。除了CSL經(jīng)典通路外，最近有發(fā)現(xiàn)非CSL依賴的Notch信號通路，它涉及到絲氨酸/蘇氨酸激酶特異性蛋白激酶(AKT)的激活，轉(zhuǎn)錄因子Stat3的磷酰化，Sonic和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)的激活，具體機制尚不清楚〔6〕。Notch信號轉(zhuǎn)導通路的調(diào)節(jié)是多層面的，包括配體-受體的表達，配體受體的相互作用和運輸以及共價性修飾(糖基化、磷酸化和泛素化)，部分泛素化途徑的Notch蛋白質(zhì)具有保守性的區(qū)域，并且Notch胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域的泛素最近被發(fā)現(xiàn)是可以降解的，Notch途徑的蛋白水解的異型衍生物也確定可能涉及到替代性的Notch途徑或者調(diào)節(jié)機制〔7〕。

2Notch1與心血管疾病的關(guān)系

2.1Notch1與瓣膜疾病的關(guān)系上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)是胚胎發(fā)育的基礎(chǔ)，所謂EMT就是緊密的上皮細胞失去之前的細胞形態(tài)，形成一種新的間質(zhì)細胞類型。心臟瓣膜的形成恰好是EMT轉(zhuǎn)化的一個比較好的例子，它也是心臟瓣膜發(fā)育的一個必經(jīng)過程。心臟瓣膜位于房室管和流出道的組織，在房室管的EMT發(fā)育成二尖瓣和三尖瓣，在流出道的EMT則發(fā)育成主動脈瓣和肺動脈瓣膜。心臟瓣膜的形成是多種因素共同調(diào)節(jié)形成的，比如Wnt、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(Bmp)、Notch等，目前普遍認為Notch、Wnt 和Bmp都參與EMT過程。Wang等〔8〕發(fā)現(xiàn)Notch1-jagged1信號通路在小鼠心臟EMT以及早期心臟瓣膜形成過程中起到?jīng)Q定性的作用，從分子水平上證實敲除Notch1或jagged1的小鼠胚胎引發(fā)EMT形成中關(guān)鍵性基因的表達減少，包括轉(zhuǎn)錄因子Hey1、Snai1、Snai2、Msx1和Msx2，同時在一定程度上證明了Notch，Wnt 和Bmp 信號通路相互關(guān)聯(lián)性的參與EMT過程。綜上可推測Notch1的突變將影響EMT的形成從而引起瓣膜疾病。主動脈瓣疾病是一個比較常見的瓣膜病變，鈣化瓣膜可導致狹窄或者反流。Acharya等〔9〕研究證實在人的鈣化主動脈瓣膜中激活的Notch1明顯減少，這個鈣化的過程伴隨著EMT的裂解。至于突變Notch1導致主動脈瓣鈣化的原因，有很多機制，Acharya等〔9〕認為Notch1突變引起Sox9表達的下調(diào)，Sox9是一種可以調(diào)節(jié)EMT基因表達的關(guān)鍵性轉(zhuǎn)錄因子，同時它亦是正常瓣膜形成所必須的，Sox9表達的下調(diào)導致主動脈瓣鈣化的發(fā)生。Zeng等〔10〕發(fā)現(xiàn)Notch1水平的升高和不斷激活可以調(diào)節(jié)細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK1/2)、核轉(zhuǎn)錄因子kappa B(NF-κB)的活性從而造成主動脈瓣間質(zhì)細胞的鈣化反應(yīng)。總之Notch1導致瓣膜病變的機制尚待進一步研究。

2.2Notch1與動脈粥樣硬化(AS)的關(guān)系A(chǔ)S是一種炎癥性疾病，是具有慢性炎癥反應(yīng)特征的病理過程。這種炎癥過程源于血漿脂蛋白、細胞組分(單核/巨噬細胞、T淋巴細胞、內(nèi)皮細胞和平滑肌細胞)與動脈壁細胞外基質(zhì)間的相互作用。病理變化主要累及體循環(huán)系統(tǒng)的大型肌彈力型動脈(如主動脈)和中型肌彈力型動脈(以冠狀動脈和腦動脈)。巨噬細胞在 AS起始發(fā)展的全過程中扮演著重要角色。巨噬細胞脂質(zhì)化后形成泡沫細胞是粥樣硬化發(fā)生的始動因素。但是巨噬細胞中Notch1信號通路調(diào)控介導AS發(fā)生、發(fā)展的機制仍然不是十分明確。Notch1在巨噬細胞分化過程中可以促進M1型巨噬細胞的激活和細胞因子的釋放引起炎癥反應(yīng)，導致AS，干擾Notch1信號通路則可明顯促進抗炎癥型M2型巨噬細胞的產(chǎn)生以及上調(diào)抗炎癥細胞因子的分泌〔11〕。血管內(nèi)皮細胞也是Notch1信號通路作用的一個靶點，Liu等〔12〕發(fā)現(xiàn)Notch1可抑制內(nèi)皮細胞的生長引起內(nèi)皮細胞衰亡，而且notch1信號通路可以正反饋調(diào)節(jié)內(nèi)皮細胞炎癥因子的表達，如白細胞介素6(IL-6)，IL-8，IL-1α，細胞間黏附分子-1(ICAM-1)等，這些機制最終都潛在性參與了AS的發(fā)生、發(fā)展。此外，淋巴細胞也被發(fā)現(xiàn)與AS的發(fā)生密切相關(guān)。T細胞的活化需要輸入信號和外部信號的整合，二者通過T細胞表面受體介導的NF-κB來形成CBM(由支架蛋白CARMA1、銜接蛋白BCL10和Paracaspase酶MALT1組成)復合物。細胞質(zhì)中的Notch1在早期通過激活NF-κB起到分子支架的作用，晚期則促進NF-κB基因的轉(zhuǎn)錄，故notch1對于T細胞的活化起到重要的作用〔13〕。Del Papa等〔14〕發(fā)現(xiàn)體外實驗中CD4+T細胞與間充質(zhì)干細胞(MSCs)同時培養(yǎng)時Notch1通路是活化狀態(tài)的，通過γ分泌酶抑制劑(GSI-I)或者 Notch1中和抗體來抑制Notch1信號通路，則Notch1信號下游的靶基因表達MSC誘導的CD4+CD25FOXP3+細胞百分比減少，實驗還表明FOXP3是Notch1信號通路下游的靶基因，并提示notch1信號通路的激活是人類MSC介導的調(diào)節(jié)性T細胞形成的新型機制。調(diào)節(jié)性T細胞具有兩種特征即免疫抑制性及免疫無反應(yīng)性，它通過以下兩個方面來抑制炎癥反應(yīng)延緩AS：(1)調(diào)節(jié)性T細胞可以促進M1型巨噬細胞向抗炎性M2型巨噬細胞轉(zhuǎn)化。(2)調(diào)節(jié)性T細胞可以下調(diào)清道夫受體 SR-A 和 CD36來抑制脂質(zhì)的沉積，最終阻礙巨噬細胞向泡沫細胞的轉(zhuǎn)化，而泡沫細胞的形成是AS最具有特征性的事件〔15〕。Notch1除了誘導產(chǎn)生調(diào)節(jié)性T細胞抑制AS的進展，它同期誘導產(chǎn)生的T細胞可以促進或者加重AS。 Zhou等〔16〕將有免疫缺陷的和有AS傾向的載脂蛋白E(Apoe-/-)小鼠進行雜交，其后代動脈脂肪紋損害的程度較正常免疫的小鼠下降73%，將CD4+T淋巴細胞從Apoe-/-轉(zhuǎn)移到有免疫缺陷的Apoe-/-損傷增加164%，說明CD4+T淋巴細胞能促進AS的形成。表達 CD41Th2的白變種實驗室老鼠(BALB/c)老鼠不易發(fā)生AS，而表達CD41Th1的老鼠傾向于發(fā)生AS，給予這兩種老鼠喂養(yǎng)高膽固醇飼料16 w后發(fā)現(xiàn)，通過抗體a-CD4或IL-4來減少Th1 cells可以使AS損害下降了80%，而Th2剔除的BALB/c 老鼠與CD41Th1老鼠發(fā)生AS的概率相當，這提示Th2對于AS的發(fā)生發(fā)展或許作用更大〔17〕。綜上所述，Notch1對于T細胞分化的調(diào)控最終可能導致AS的發(fā)生，若發(fā)生在冠狀動脈，則可引起冠心病，若發(fā)生在外周動脈，則可能引起高血壓等心血管疾病。

2.3Notch1與先天性心臟病(CHD)的關(guān)系

2.3.1CHD是指胚胎時心血管發(fā)育異常所致的心臟血管形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能、代謝的異常。它的發(fā)病率高，危害性大，也是嬰幼兒死亡的主要原因。到目前為止CHD的病因仍然不是十分明確，但是認為它是由環(huán)境和遺傳兩個關(guān)鍵因素造成的。環(huán)境因素主要為母親妊娠期疾病，宮內(nèi)感染及服用藥物和高溫、輻射暴露等因素。遺傳因素包括單基因、多基因、染色體等。由染色體畸形導致的疾病包括21三體綜合征、貓叫綜合征等，引起先天性心臟病的單基因有GATA4、NKX2-5、TBX5、notch。

2.3.2Notch1與CHD研究表明，在小鼠胚胎8.5 w，靠近心內(nèi)膜的心肌細胞更多的表達Notch1，而遠離心內(nèi)膜的組織較少表達Notch1。胚胎9.5 w，心房心內(nèi)膜表達Notch1，心室肌骨小梁在發(fā)育過程中不對稱性表達Notch1，到11.5 w時，左、右心室的骨小梁高度表達Notch1，13.5 w時心房壁開始表達Notch1〔18〕。Notch1對于心臟心室腔和骨小梁生長十分關(guān)鍵。骨小梁逐漸發(fā)展為室間隔、心臟傳導組織以及乳突肌的一部分。任何影響骨小梁的因素都最終可能導致先天性心臟病。Grego-Bessa等〔19〕發(fā)現(xiàn)Notch1和RBPJk的突變導致骨小梁形成受損，減弱Eph受體相互作用蛋白B2(EphrinB2)，NRG1(Neuregulin-1)和BMP10的表達以及抑制心肌的增長，并且認為在骨小梁的分化中Notch1獨立的調(diào)節(jié)心肌心包的增長和分化，這其中主要包括兩個過程，其一是原始心肌內(nèi)皮細胞向骨小梁和致密心肌的轉(zhuǎn)化，另外一個是在上述轉(zhuǎn)化過程中增值性骨小梁心肌細胞數(shù)目的保持。Notch1調(diào)節(jié)過程的紊亂都可以導致先天性心臟病的發(fā)生。

先天性主動脈瓣狹窄、主動脈縮窄和左心室發(fā)育不良綜合征都是與左室流出道有關(guān)的先天性畸形。McBride等〔20〕發(fā)現(xiàn)在左室流出道缺陷的病人中發(fā)現(xiàn)了Notch1突變，而且Notch1突變減少了Notch信號通路中配體jagged1的數(shù)量以及干擾Notch配體S1的分裂，其中的分子機制以及相關(guān)信號通路如何導致左室流出道的缺陷仍然不清楚。心臟右心室流出道形成中，血管內(nèi)皮生長因子和Notch的作用逐漸被認可，van den Akker等〔21〕用免疫組化的方法發(fā)現(xiàn)胚胎老鼠心臟右心室流出道的異常突變的血管內(nèi)皮細胞生長因子受體2(VEGFR-2)，Notch1以及Jagged2，并推測它們的異常會導致心內(nèi)膜墊和心肌的缺陷，并最終可導致CHD，比如法洛四聯(lián)癥。

2.3.3Notch1與心律失常的關(guān)系心臟正常激動起源于竇房結(jié)，沿著傳導系統(tǒng)下傳，依次傳入心房和心室，使心臟發(fā)生收縮和舒張反應(yīng)。如果竇房結(jié)激動異常或激動起源于竇房結(jié)以外，激動的傳導緩慢、阻滯或經(jīng)異常通道傳導，就會產(chǎn)生心律失常。至于心律失常的機制有很多，目前普遍認為離子通道和離子通道調(diào)控蛋白突變是心律失常的主要病因，包括長QT綜合征、Brugada綜合征(BS)、兒茶酚胺誘導的多形室性心動過速，心房顫動。已有多個離子通道基因被證明與心律失常的形成相關(guān)，包括SCN5A、KCNQ1、KCNE1、KC-NE2、HERG、KCNJ2等。Rentschler等〔22〕研究發(fā)現(xiàn)小鼠心肌生長過程中表達活化形式的Notch1 則會產(chǎn)生心室預激，心肌激活的Notch信號可以產(chǎn)生滲透性的附加徑路和心室預激。相反，抑制心肌Notch信號可使房室結(jié)發(fā)育不良，即特異性喪失表達連接蛋白30.2的慢傳導細胞(Cx30.2)和生理性房室傳導延遲的喪失，結(jié)果表明在心肌傳導組織形成過程中，Notch調(diào)節(jié)AV通路胚胎心肌細胞的功能性成熟。隨著研究的深入，越來越多的基因被發(fā)現(xiàn)，機制也將進一步被闡明，將為指導臨床診斷和治療提供更好的線索〔22〕。

2.3.4Notch1與心肌病的關(guān)系除了上述心血管疾病與Notch1存在一定的關(guān)聯(lián)外，目前還發(fā)現(xiàn)了Notch1與心肌病有一定關(guān)系。心臟干細胞(CSCs)是一種自我更新的多功能細胞，可以分化為心肌細胞、平滑肌細胞或者內(nèi)皮細胞。Notch1信號通路對于CSCs的生長以及分化非常重要。CSCs表達Notch1配體以及位于細胞核內(nèi)活化形式的Notch片段(N1ICD)，N1ICD的過度表達可以顯著擴增肌細胞的數(shù)目。在新生小鼠體內(nèi)使用 γ-secretase 抑制劑阻斷Notch通路，增加了擴張性心肌病的發(fā)生率以及高死亡率〔23〕。 Collesi等〔24〕發(fā)現(xiàn)體內(nèi)或體外實驗的未成熟心肌在增生過程中都表達Notch1，而且激活的Notch1在心臟的數(shù)量隨著時間會逐漸減少，抑制Notch通路會妨礙心肌的增生并引起心肌壞死。也有一些研究認為Notch1與肥厚性心肌病有聯(lián)系，但是仍缺乏足夠的證據(jù)，有待進一步研究。

3結(jié)語和展望

Notch1與心血管疾病關(guān)系密切，而且逐漸成為國內(nèi)外的研究熱點，比如最近有報道降主動脈夾層瘤患者的血管中層平滑肌組織標本中Notch1以及其配體Delta-like 1顯著減少，并提示Notch信號通路在降主動脈夾層動脈瘤中作用復雜〔25〕。目前就Notch信號通路來說，其配體、受體以及下游靶基因類型較多，且相關(guān)配體受體的功能不十分清楚，通路的組成成分復雜多樣，而且Notch1信號通路可以與Wnt信號/ B連環(huán)蛋白通路、TGF-β/Smads信號轉(zhuǎn)導通路構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)橋參與心血管疾病，故需大量的實驗去研究Notch1信號通路，對Notch1在心血管方面的機制有更清楚的認識，才能針對性的指導臨床治療。

4參考文獻

1Brou C，Logeat F，Gupta N，etal.A novel proteolytic cleavage involved in Notch signaling：the role of the disintegrin-metalloprotease TACE〔J〕.Mol Cell，2000；5(2)：207-16.

2De Strooper B，Annaert W，Cupers P，etal.A presenilin-1-dependent gamma-secretase-like protease mediates release of Notch intracellular domain〔J〕.Nature，1999；398(6727)：518-22.

3Fortini ME.Gamma-secretase-mediated proteolysis in cell-surfacerecept or signalling〔J〕.Nat Rev Mol Cell Biol，2002；3(9)：673-84.

4Wu L，Aster JC，Blacklow SC，etal.MAml1，a human homologue of Drosophila mastermind，is a transcriptional co-activator for NOTCH receptors〔J〕.Nat Genet，2000；26(4)：484-9.

5Wallberg AE，Pedersen K，Lendahl U，etal.P300 and PCAF act cooperatively to mediate transcriptional activation from chromatin templates by notch intracellular domains in vitro〔J〕.Mol Cell Biol,2002；22(22)：7812-9.

6Theotokis A，Leker RR，Soldner F，etal.Notch signalling regulates stem cell numbers in vitro and in vivo〔J〕.Nature,2006；442(7104)：823-6.

7Baron M，Aslam H，F(xiàn)lasza M，etal.Multiple levels of Notch signal regulation〔J〕.Mol Membr Biol，2002;19(1)：27-38.

8Wang Y，Wu B，Chamberlain AA，etal.Endocardial to myocardial notch-wnt-Bmp axis regulates early heart valve development〔J〕.PLoS One,2013;8(4)：e60244.

9Acharya A，Hans CP，Koenig SN,etal.Inhibitory Role of notch1 in calcific aortic valve disease〔J〕.PLoS One，2011;6(11)：e27743.

10Zeng Q，Song R,Ao L,etal.Notch1 promotes the pro-osteogenic response of human aortic valve interstitial cells via modulation of ERK1/2 and NF-κB activation〔J〕.Arterioscler Thromb Vasc Biol,2013；33(7)：1580-90.

11Singla RD，Wang J,Singla DK,etal.Regulation of Notch 1 signaling in THP-1 cells enhances M2 macrophage 2 differentiation〔J〕.Am J Physiol Heart Circ Physiol,2014;307(11):H1634-42.

12Liu ZJ，Tan Y,Beecham GW,etal.Notch activation induces endothelial cell senescence and proinflammatory response：implication of notch signaling in atherosclerosis〔J〕.Atherosclerosis,2012；225(2)：296-303.

13Shin HM，Tilahun ME，Cho OH,etal.Notch1 can initiate NF-κB activation via cytosolic interactions with components of the T cell signalosome〔J〕.Front Immunol,2014;5(2):249.

14Del Papa B，Sportoletti P，Cecchini D,etal.Notch1 modulates mesenchymal stem cells mediated regulatory T-cell induction，Eur〔J〕.J Immunol,2013;43(1)：182-7.

15Lin J，Li M，Wang Z，etal.The role of CD4+CD25+ regulatory T cells in macrophage-derived foam-cell formation〔J〕.J Lipid Res,2010；51(5)：1208-17.

16Zhou X，Nicoletti A，Elhage R,etal.Transfer of CD4 T cells aggravates atherosclerosis in immunodeficient apolipoprotein E knockout mice〔J〕.Circulation,2000；102(21)：2919-22.

17Huber SA，Sakkinen P，David C，etal.T helper-cell phenotype regulates atherosclerosis in mice under conditions of mild hypercholesterolemia〔J〕.Circulation,2001；103(21)：2610-6.

18Del Monte G，Grego-Bessa J，Gonzalez-Rajal A,etal.Monitoring notch1 activity in development：evidence for a feedback regulatory loop〔J〕.Dev Dyn,2007；236(9)：2594-614.

19Grego-Bessa J，Luna-Zurita L，del Monte G,etal.Notch signaling is essential for ventricular chamber development〔J〕.Dev Cell,2007；12(3)：415-29.

20McBride KL,Riley MF,Zender GA,etal.NOTCH1 mutations in individuals with left ventricular outflow tract malformations reduce ligand-induced signaling〔J〕.Hum Mol Genet,2008；17(18)：2886.

21van den Akker NM，Molin DG,Peters PP,etal.Tetralogy of fallot and alterations in vascular endothelial growth factor-A signaling and notch signaling in mouse embryos solely expressing the VEGF 120 Isoform〔J〕.Circ Res,2007；100(6)：842-9.

22Rentschler S，Harris BS，Kuznekoff L,etal.Notch signaling regulates murine atrioventricular conduction and the formation of accessory pathways〔J〕.J Clin Invest,2011；121(2)：525-33.

23Urbanek K，Cabral-da-Silva MC，Ide-Iwata N,etal.Inhibition of notch1-dependent cardiomyogenesis leads to a dilated myopathy in the neonatal heart〔J〕.Circ Res,2010；107(3)：429-41.

24Collesi C，Zentilin L，Sinagra G,etal.Notch1 signaling stimulates proliferation of immature cardiomyocytes〔J〕.J Cell Biol,2008;183(1):1117-28.

25Zou S，Ren P，Nguyen M，etal.Notch signaling in descending thoracic aortic aneurysm and dissection〔J〕.PLoS One,2012;7(12)：e52833.

〔2015-04-17修回〕

(編輯袁左鳴)