熱休克轉錄因子1對心臟的保護作用

張淑芳，陳 寧

(1.武漢體育學院 體育科技學院，湖北 武漢 430205；2.武漢體育學院 研究生院，湖北 武漢 430079；3.武漢體育學院 運動干預與健康促進協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079)

熱休克轉錄因子1對心臟的保護作用

張淑芳1，2，陳 寧3

(1.武漢體育學院 體育科技學院，湖北 武漢 430205；2.武漢體育學院 研究生院，湖北 武漢 430079；3.武漢體育學院 運動干預與健康促進協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079)

熱休克轉錄因子1(Heat Shock Transcription Factor 1,HSF-1)是調節(jié)應激反應的主要轉錄因子，它在應激條件下被激活。研究已證實，HSF-1在心肌細胞和其它組織器官中都有表達，它在心肌細胞抗炎、抗凋亡、抗缺血再灌注損傷中發(fā)揮著不可替代的作用。本文對HSF-1活性的調節(jié)以及其對心肌細胞的保護作用進行了綜述，以期為心血管疾病的治療拓展新思路。

熱休克轉錄因子1；應激反應；心肌保護；運動訓練

熱休克反應(Heat shock response,HSR)[1]是機體內普遍存在的一種分子應激反應，當生物細胞受到高溫、高壓、自由基、毒物或感染等應激原作用時，它能夠導致一系列基因表達的改變，并誘導一組熱休克蛋白(Heat shock protein,HSPs)的表達增加。HSPs具有分子伴侶功能，參與蛋白質的正確折疊、聚合、轉運、信號傳遞等生理功能[2]。HSPs的誘導表達受熱休克轉錄因子(Heat shock transcription factor,HSF)的調控。目前發(fā)現(xiàn)的HSF共有四種，分別為HSF-1、HSF-2、HSF-3和HSF-4。在熱休克反應中，起主要作用的是HSF-1。近期研究表明，HSF-1對于心肌細胞保護、抗炎、抗凋亡、抑制心肌纖維化等起著重要作用。本文將對HSF-1在心肌細胞保護中的作用進行總結和探討，以期為心血管疾病的發(fā)病機制、預防和治療提供一定的參考。

一、HSF-1

(一)HSF-1的結構

HSF-1主要由四個功能結構域組成，分別為DNA結合域(DNA binding domain,DBD)、三聚結構域(Timerization domain,TD)、轉錄活化結構域(Transcriptional activation domain,TAD)和調節(jié)結構域(Regulatory domain,RD)。DNA結合區(qū)域靠近HSF1的N-末端，位于HSF-1最保守的區(qū)域中。DNA通過主溝與HSF-1結合，具體的結合位點就是DNA上的熱休克元件(Heat shock element,HSE)，HSF-1能識別HSE上的特異性“-nGAAn-”結構[3]。一個完整的HSE結構上通常有3個“-nGAAn-”結構，而完整的HSF-1也是以三聚體的形式與HSE結合。相對于DNA結合區(qū)域，三聚結構域位于HSF-1的C-末端。當HSF-1活化時，相互間需要通過三聚結構域形成HSF-1三聚體。HSF-1具有2個轉錄活化結構域，分別為TAD1和TAD2。熱應激時HSF-1轉錄活化結構域獲得轉錄活性需要一個稱為調節(jié)結構域的輔助，它可能通過與其它蛋白相互作用特異性改變轉錄活化結構域。在正常溫度時調節(jié)結構域抑制轉錄活化結構域的轉錄活性，而在熱休克時提高轉錄活化結構域的轉錄活性，因此其作用是雙方面的。

(二)HSF-1的活化與調節(jié)

1.HSF-1的活化過程

HSF-1從無活性到有活性的這一活化過程現(xiàn)在研究得較為清楚，簡述如下：(1)正常情況下，HSF-1在胞漿中以無活性單體形式存在，當細胞處于應激狀態(tài)時，細胞內環(huán)境發(fā)生變化，解除了對HSF-1的活性抑制，促進HSF-1由單體向三聚體轉換。 (2)HSF-1三聚體移入核內，獲得與HSE的特異性結合[4]。 (3)兩者結合后，隨著HSF-1上活化區(qū)域的暴露，即可促進熱休克基因的轉錄。

2.HSF-1的調節(jié)

生物體調節(jié)HSF-1，主要通過控制HSF-1的活性。在影響HSF-1的多種因素中，HSPs是最重要的雙重調節(jié)因素。HSF-1調控熱休克蛋白70(HSP70)和熱休克蛋白90(HSP90)以及一些小熱休克蛋白家族，隨著HSPs濃度的增加，會降低HSF-1與DNA結合的活性，使HSF-1三聚體發(fā)生解離，導致HSF-1失活。細胞內某些因子、激素可能也與HSF-1的活化有關，如核因子-КB(NF-КB)、內源性腫瘤壞死因子、前列腺素等。近年來，又發(fā)現(xiàn)許多外源性因素能夠激活HSF-1，如：熱休克、pH變化、滲透壓變化、缺氧、缺血再灌注、過氧化氫、水楊酸鹽、表面活性劑、蛋白酶抑制劑[5]以及其它的理化試劑等。

二、HSF-1對心臟的保護作用

(一)HSF1對過度壓力負荷心臟的保護作用

HSF-1 在適應性心臟肥大以及在良性向非良性適應性心臟肥大轉變過程中可能起著重要的調控作用。研究顯示，在壓力超負荷模型中，持續(xù)高表達HSF-1的轉基因小鼠心功能表現(xiàn)更好，心肌肥厚程度、心肌纖維化、心肌細胞凋亡等均得到抑制；如果HSF-1活性被抑制，心肌功能將在壓力超負荷的早期階段明顯受損[6]。動物實驗發(fā)現(xiàn)，縮窄升主動脈(Constriction of transverse aorta,TAC)4周后，HSF-1轉基因小鼠的心臟比正常小鼠相比，其心臟機能得到了更好的保護，表現(xiàn)為適應性的心肌肥厚，心肌收縮能力加強，血管再生增多[7]。這些結果表明，HSF1對超負荷心臟的功能起到了很好的保護作用。

(二)HSF-1在心臟氧化應激損傷中的作用

肖為民等研究發(fā)現(xiàn)，熱休克預處理導致心肌細胞HSP70 及αB-晶狀體蛋白表達明顯增加，同時顯著抑制過氧化氫(H2O2)所致細胞色素C(Cytochrome C,CytC)從線粒體釋放,抑制Caspase28、Caspase29 和Caspase23 活化及相應的心肌細胞凋亡。在H2O2刺激下，心肌細胞內有細胞毒性作用的活性氧簇水平(Reactive oxygen species,ROS)增加，并激活HSF-l，而HSF-l可能通過負反饋機制抑制ROS的水平和作用，從實現(xiàn)而保護心肌細胞功能。HSF-1過度表達的新生小鼠能明顯地抑制H2O2誘發(fā)的ROS和細胞凋亡增加。

(三)HSF-1對缺血再灌注損傷心臟的保護作用

在小鼠體內利用RNA干擾技術特異性性阻斷HSF-1的表達，會使全身過熱療法(Whole body hyperthermia,WBH)小鼠的死亡率上升。即使存活的小鼠，對心肌缺血再灌注損傷的耐受能力也會下降，同時，HSF-1的阻抑會阻斷HSP家族的表達(除了HSP32,HSP47和H60)。另外，HSF-1轉基因小鼠心電圖ST段上升幅度比普通小鼠低，同時能夠使心肌得到更快的恢復，梗死面積相對減少，心肌細胞死亡率下降，這些表明HSF-1轉基因小鼠的心臟更能耐受缺血再灌注損傷，而且，實驗證明HSF-1轉基因小鼠的HSP27,HSP70和HSP90表達也有顯著升高。

(四)HSF-1在心肌細胞中的抗炎作用

HSF-1可以通過調節(jié)炎癥反應保護心肌細胞，這主要是通過與一些炎癥介質的相互作用而實現(xiàn)的。腫瘤壞死因子-α(Tumor necrosis factor-α,TNF-α)是一種重要的炎癥介質，可以介導心肌細胞凋亡、抑制心肌功能。實驗證明，心肌缺血會引起TNF-α基因的表達。而HSF-1可在TNF-α的上下游信號途徑中起作用并將其阻斷，從而在病理狀態(tài)下發(fā)揮其細胞保護作用。另外，NF-КB也是參與炎癥反應的重要信號轉導分子，與心肌的炎癥反應關系密切。有研究表明，HSP70能夠抑制NF-КB的活化，從而保護心血管免于炎癥反應的損害。而HSF-1也可能通過競爭性抑制作用阻止NF-КB誘導的信號轉導。小鼠多聚二磷酸核糖聚合酶-1(Poly(ADP-ribose) polymerase-1,PARP-1)基因敲除后，通過增強HSF-1的活性和下調活化劑蛋白-1 (Active protein-1,AP-1)的炎癥反應，從而起到顯著的心肌保護作用。

三、HSF-1的心臟保護作用的機制

研究表明，HSF-1是通過抗凋亡、抑制肌纖維化、促進心肌血管增生等發(fā)揮心臟保護作用。

蛋白激酶B(Protein kinase B,Akt)具有細胞保護作用，Jun氨基末端末端激酶(Jun N-terminal kinase,JNK)和Caspase-3會引起細胞凋亡。缺血再灌注后，Akt的磷酸化在轉基因鼠中強于野生鼠，JNK磷酸化在轉基因鼠中無明顯變化而野生鼠明顯增強。所以認為HSF-1的心肌保護作用機制主要是活化的HSF-1誘導多種熱休克蛋白的表達，熱休克蛋白抑制凋亡酶體復合物形成繼而抑制Caspase-3的活化；同時，可以激活Akt和抑制JNK的活性，實現(xiàn)對心肌細胞的保護作用。

研究指出，HSF-1是心肌微血管生長的關鍵因子。應用HSF-1基因敲除和轉基因小鼠研究發(fā)現(xiàn)，HSF-1通過調控缺氧誘導轉錄因子-1(Hypoxia-inducing transcription factor-1,HIF-1)和P53，調節(jié)血管內皮生長因子(Vascular endothelial growth factor,VEGF)、促血管生成素-1表達，從而促進血管新生，增強心臟對壓力超負荷的代償能力，延緩心室重構和心力衰竭進程。國內研究也證實，HSF-1通過調控心肌VEGF和HIF-1表達增加，增強心肌微血管增生，增強心肌功能。

四、運動與HSF-1

(一)運動與HSPs

大量研究表明，運動訓練能夠增加HSPs的表達。運動會使機體內環(huán)境發(fā)生一系列的改變，如體溫的升高、ROS的增加、代謝的變化、內分泌的改變等。這些變化與已經觀察到的其它一些能夠激活并誘導HSPs合成的應激因素相似。運動強度以及運動方式的不同，對機體的刺激也不一樣。一般來講，運動負荷越大，機體發(fā)生的反應越強。進一步研究發(fā)現(xiàn)，肌肉進行等張收縮后，HSP70和HSP60表達增加，而小分子HSP表達受到限制。相反，肌肉離心收縮后，HSP27和HSP25表達增加。HSPs表達的變化可能與運動對線粒體機能的保護、細胞骨架的維持、胰島素敏感性等機制相關。

運動的外在表現(xiàn)為肌肉活動，其實是人體各個系統(tǒng)功能共同作用的結果。目前，關于運動對HSPs表達的影響，研究比較深入的是骨骼肌和心肌。許多研究表明，1次跑臺運動能增加心肌HSPs的表達。耐力訓練也會增加心肌HSPs表達的增加，其表達水平隨運動強度的增加而增加。已經證明，增加心肌HSPs表達有助于其應對各種應激。運動過程中HSPs表達對心肌細胞的保護作用機制主要表現(xiàn)在：增強心肌細胞的抗氧化防御能力，參與心肌細胞新合成蛋白的折疊和裝配，抑制細胞凋亡等。

(二)運動與HSF-1

HSF-1在運動中被激活，在運動引起的適應性心肌肥厚中起關鍵作用，運動引起的心肌適應性肥厚中，HSF-1及其誘導的熱休克蛋白明顯增加，伴有較少的心肌纖維化及較好的收縮功能，抑制HSF-1活性，運動引起的心肌適應性肥厚也會發(fā)生心功能不全。

目前，有關運動延緩病理性心肌重構機制一直是運動心血管研究領域的熱點問題，激發(fā)內源性心肌保護因子是心血管研究領域的重要趨勢。袁凌燕等研究了HSF-1在運動改善病理性心肌重構中的作用，通過2周實驗觀察有氧運動對壓力超負荷代償期的干預效果，發(fā)現(xiàn)正常小鼠心肌HSF-1表達較少，2周有氧運動增強正常心肌、TAC小鼠心肌HSF-1的表達。通過射血分數(shù)測試，運動明顯增強了TAC小鼠的射血功能，肯定了2周有氧運動的心肌保護作用。

五、結語

綜上所述，HSF-1對各種心肌損傷時心臟的保護作用已經得到證實，但對其心臟保護作用機制到目前為止還不十分清楚，許多基本問題還有待于進一步深入研究，期待其能為一些心臟疾病的發(fā)病機制與預防或治療拓展新的思路。

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2095-4654(2015)04-0004-03

2015-02-11

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