Notch信號通路和心血管疾病研究進展

陶 敏 康品方 張 恒 (蚌埠醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院心血管科，安徽 蚌埠 233004)

·綜述·

Notch信號通路和心血管疾病研究進展

陶 敏 康品方 張 恒 (蚌埠醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院心血管科，安徽 蚌埠 233004)

Notch信號通路；動脈粥樣硬化；糖尿病心肌病

Notch信號傳導途徑首先是1900年早期在Otto L.Mohr的黑腹果蠅中觀察到的。而Notch基因首次被克隆出來是在1983年。Notch可調(diào)節(jié)細胞分化、凋亡、增殖和形態(tài)發(fā)生，并且對細胞生物的生長發(fā)育至關(guān)重要〔1〕。Notch介導的信號傳遞在心血管發(fā)育和心血管疾病的發(fā)生發(fā)展過程中起著關(guān)鍵性作用。但是Notch信號傳導是復雜的、多方面的，因為其受體、配體類型較多，功能也不十分清楚，且其下游靶基因沒有被完全發(fā)現(xiàn)和認識。本文主要闡述Notch信號傳導的基本特性及其在心血管疾病中的研究進展現(xiàn)狀，重點介紹Notch信號傳導與心血管相關(guān)疾病的相互作用關(guān)系。

1 Notch信號通路

1.1Notch結(jié)構(gòu) Notch是大多數(shù)細胞生物體中存在的保守配體-受體信號通路，涉及細胞命運決定、凋亡、增殖、促進干細胞自我更新等過程〔2〕。Notch配體、受體和細胞內(nèi)效應分子共同組成了Notch。Notch是調(diào)節(jié)細胞發(fā)育過程中的單跨膜受體。在哺乳動物中，Notch信號傳導由4種Notch受體(Notch1,2,3,4)和5種配體〔Delta 1,3,4和Jagged(Jag)1,2〕組成。Notch信號傳導激活的根本是配體與受體的相互結(jié)合。CSL和Hes是主要的細胞效應分子，而CSL是Notch傳導中起主要作用的轉(zhuǎn)錄抑制因子；Hes有6種，在Notch信號傳導過程中發(fā)揮重要作用的是Hes-1 和Hes-5。

1.2Notch信號傳導的活化 Notch信號的傳遞可在多種過程中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，例如血管發(fā)生，肌發(fā)生，神經(jīng)生成和發(fā)生及造血，并且決定不同組織中各種細胞類型的生長、分化和存活。Notch信號通路的激活有兩種方式：Notch經(jīng)典傳導途徑和CSL非依賴途徑。經(jīng)典傳導途徑是Notch信號傳導的主要方式。Notch配體與其受體的細胞外結(jié)構(gòu)域結(jié)合，并在金屬蛋白酶的介導下酶切受體靠近胞膜的胞外區(qū)域，然后在包括早老素在內(nèi)的蛋白分泌酶復合體的介導下完成第2次蛋白裂解，釋放Notch細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域進入細胞質(zhì)，其隨后轉(zhuǎn)移到細胞核，隨后Notch1與CSL結(jié)合以激活蛋白形成轉(zhuǎn)錄激活物復合體，從而激活下游一系列轉(zhuǎn)錄抑制因子家族的靶基因，Notch靶基因的表達啟動。當缺少Notch信號轉(zhuǎn)導時，CSL可與共抑制受體結(jié)合，無法啟動Notch靶基因，細胞的分化、增殖和凋亡也會受到一定影響〔3〕。

最近發(fā)現(xiàn)的是非CSL依賴途徑，即激活后的Notch沒有進入細胞核，而細胞內(nèi)的鋅指蛋白Deltex與其受體ANK區(qū)結(jié)合，阻斷轉(zhuǎn)錄因子E47的表達，目前為止研究有限，其詳細作用機制尚不明確。Notch信號傳導的調(diào)節(jié)是多水平、多層面的，包括胞內(nèi)外水平和胞核水平、受體配體表達和相互作用等。Notch活化的結(jié)果是受體和配體的多種組合決定細胞類型和背景，起到不同的生物學效應〔4〕。

2 Notch信號傳導與心血管疾病的關(guān)系

2.1Notch與心臟發(fā)育 胚胎發(fā)育過程中首先形成的器官是心臟，也是第1個發(fā)揮功能的器官，接下來就是血管系統(tǒng)，這兩者共同形成心血管循環(huán)系統(tǒng)〔5〕。心內(nèi)膜是心臟內(nèi)部的特殊內(nèi)皮組織，與心肌緊密并列，并與血管內(nèi)皮直接連接。心內(nèi)膜作為成人心臟功能的關(guān)鍵調(diào)節(jié)物的重要性基本上源于其通過調(diào)節(jié)心肌收縮性能和節(jié)律性來調(diào)節(jié)心臟泵血到血流動力學和激素需求的能力〔6〕。心內(nèi)膜在心臟發(fā)育過程中起到關(guān)鍵作用，因為它提供心肌細胞畸形和壓縮的圖案信號，有助于冠狀血管形成〔7〕，并且與來自心肌的區(qū)域化信號結(jié)合，來自心內(nèi)膜特定區(qū)域的細胞將經(jīng)歷上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)以形成心內(nèi)膜墊(EC)。研究可發(fā)現(xiàn)，Notch1主要表達于小鼠胚胎早期中的原始心管流出道的內(nèi)膜層，因此其對原始心管內(nèi)膜細胞的能力具有重要的調(diào)節(jié)作用〔8〕：主動脈瓣疾病的發(fā)生可由Notch1信號傳導功能的缺失突變引起，證實了Notch1在心內(nèi)膜細胞發(fā)育發(fā)展過程中的意義〔9〕。Notch信號傳導在小鼠中期妊娠心臟中的關(guān)鍵特征是心內(nèi)膜細胞表達泛素連接酶Mib1及Dll4配體和Notch1受體〔10，11〕，因此具有潛在的發(fā)送和接收信號的功能。在心內(nèi)膜中Notch失活導致配體表達降低〔10〕。因此，RBP JK和Notch1突變體在內(nèi)膜中顯著降低Dll4的表達，而Notch GOF在組織中增強Dll4的表達〔12〕。這表明存在調(diào)節(jié)胚胎心內(nèi)膜中Dll4表達的Notch依賴性陽性反饋回路。缺陷性心內(nèi)膜Notch信號傳導影響心臟瓣膜和心室發(fā)育，導致一系列疾病，如二尖瓣主動脈瓣形成和左心室非壓縮性心肌病。Notch信號傳導也參與心外膜和冠狀動脈形成〔13〕。在心臟發(fā)育中，Notch3信號在血管平滑肌細胞存活和血管結(jié)構(gòu)的發(fā)展中有著不可忽視的影響〔14〕?？梢娫谌梭w的心臟發(fā)育和心血管系統(tǒng)疾病的致病機制中Notch信號傳導發(fā)揮著不可忽略的作用。

2.2Notch與先天性心臟病 Notch參與了心臟發(fā)育的整個過程中，因此異常的Notch信號傳導可誘導先天性心臟病的發(fā)生。先天性心臟病是心血管在胚胎時期的形成或發(fā)育障礙而造成的心臟結(jié)構(gòu)、血管形態(tài)、功能等異常的疾病。它因發(fā)病率高、危害大而成為嬰幼兒死亡的不可忽視的原因。研究可發(fā)現(xiàn)，隨著小鼠胚胎期的發(fā)展，Notch1不斷表達于心內(nèi)膜、心室肌骨小梁、左右心室骨小梁和心房壁，因此可知，在心室腔和骨小梁生長的過程中Notch1發(fā)揮著顯著作用〔10〕。室間隔、心臟傳導組織以及乳突肌的一部分都是由骨小梁逐漸發(fā)展而來的，因此先天性心臟病的發(fā)生可由任何影響骨小梁發(fā)展的因素的改變導致。骨小梁的發(fā)育可由NRG1-ErbB2/4.、EphrinB2/EphB4與骨成型蛋白(BMP)10等調(diào)控。Notch可激活EphrinB2和NRG1的表達，加速骨小梁分化成熟，激活BMP10表達，促進骨小梁心肌細胞增殖。Notch信號的阻斷則會下調(diào)NRG1-ErbB2/4、EphrinB2/EphB4與BMP10的表達，導致骨小梁發(fā)育畸形〔11〕。

Notch信號通路的激活是心室流出道(OFT)發(fā)育的重要因素，而血管平滑肌的形成可被Jagged1的激活促進，為主動脈壁的正常發(fā)育提供先決條件〔15〕。Notch1和Notch4存在于內(nèi)皮細胞上，而Notch2和Notch3存在于平滑肌細胞上的情況發(fā)生在主動脈弓和升主動脈的發(fā)育中，其配體Jagged1、Jagged2、HRT1與HRT2在兩種細胞中均有表達〔16〕。由此可知，OFT的發(fā)育受Notch信號表達的影響。研究發(fā)現(xiàn)，Notch1突變可發(fā)現(xiàn)于左室流出道發(fā)育不良的病例中，且突變的發(fā)生會導致Jagged1的數(shù)量減少和干擾Notch配體S1的分裂，但是其具體作用機制尚不清楚〔14〕。同時，Notch1的表達缺失可造成左室流出道發(fā)育缺陷。Notch信號傳導的作用在右室流出道中的作用也逐漸被發(fā)現(xiàn)和認可，有研究發(fā)現(xiàn)在胚胎鼠心臟右流出室道的異常突變中有Notch1及Jagged2的表達，由此推測異常表達的Notch信號可造成EC和心肌的發(fā)育缺陷，最終導致冠心病(CHD)，如法洛四聯(lián)癥〔17〕。

2.3Notch與動脈粥樣硬化 動脈粥樣硬化是一種有復雜的疾病，可由多種危險因素誘發(fā)，其可造成代謝失調(diào)和病理條件下循環(huán)炎癥介質(zhì)的增多。脂質(zhì)代謝異常是動脈粥樣硬化的基礎病變，首先是受累動脈出現(xiàn)病變，導致脂質(zhì)和糖類積聚、出血和血栓形成，接著出現(xiàn)纖維組織增生、鈣質(zhì)沉著，同時伴有動脈中層的脫變和鈣化，結(jié)果是動脈壁增厚變硬和血管腔狹窄。巨噬細胞在動脈粥樣硬化發(fā)展過程中起重要作用，因為啟動動脈粥樣硬化發(fā)生的泡沫細胞是其脂質(zhì)化后形成的。Notch信號傳導和巨噬細胞之間相互作用，而不是單一的關(guān)系。Liu等〔18〕通過對大鼠及人類主動脈粥樣硬化斑塊的研究發(fā)現(xiàn)，Notch信號的激活可導致內(nèi)皮細胞衰老和促進炎癥反應，可知Notch信號傳導與動脈粥樣硬化之間存重要聯(lián)系。

Notch及其下游目標基因和炎癥效應因子可由激活的巨噬細胞介導，這一過程可促進炎癥發(fā)生，誘發(fā)動脈粥樣硬化的形成〔19〕。遺傳或藥理抑制Notch1能夠通過減少核轉(zhuǎn)錄因子(NF-κB)的磷酸化和核易位來減少斑塊形成和炎癥反應。巨噬細胞發(fā)育及其由脂多糖(LPS)刺激引起的免疫應答也可被Notch調(diào)節(jié)，這一調(diào)節(jié)作用是通過調(diào)控巨噬細胞表面標記CD11b的表達來實現(xiàn)的。激活Notch1及其靶基因Hes1、Deltex、配體Delta1 和Delta4 均可增強巨噬細胞的表達〔20〕。Dll4-Notch軸不僅可以促進動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展，還可以促進其急性血栓并發(fā)癥的發(fā)生。實驗證明：激活巨噬細胞中Notch信號傳導可以通過促炎反應而加劇動脈粥樣硬化病變。阻斷Notch信號傳導可抑制炎性病變，起到抗動脈粥樣硬化的效果〔10〕。因此，Notch信號可以被認為是動脈粥樣硬化抗感染作用的新研究靶標。

2.4Notch與糖尿病心肌病 糖尿病心肌病是由糖尿病誘發(fā)的葡萄糖體內(nèi)穩(wěn)態(tài)改變產(chǎn)生的心肌形態(tài)和功能惡化，與冠狀動脈疾病、高血壓等無關(guān)的心肌疾病。高血糖狀態(tài)是糖尿病心肌病的主要誘發(fā)因素，可引起物質(zhì)代謝紊亂、氧化應激、離子通道異常、信號通路活性異常等，進一步改變心肌結(jié)構(gòu)，導致心肌纖維化、肥大、心臟收縮功能障礙，最終誘發(fā)心力衰竭、死亡。研究發(fā)現(xiàn)Notch信號調(diào)控心肌重構(gòu)在這個過程中發(fā)揮著一定的作用，因阻斷Notch信號可造成左心室肥大〔21〕。Hes1、Hey1和Hey2的表達降低可誘導心臟基因表達，導致心肌肥大?？梢姡琋otch 信號是可通過下調(diào)心臟轉(zhuǎn)錄基因表達實現(xiàn)阻遏心肌肥大的作用。抑制Notch1的表達會激活心臟基因表達導致心肌肥厚出現(xiàn)，同時血流動力學會超負荷從而導致心肌壁薄凋亡顯著增加。如前所述，Notch信號傳導在心臟胚胎期即參與了心臟發(fā)育，介導心內(nèi)膜、瓣膜和骨小梁的形成，傳導中的主要組成缺失可導致嚴重的先天性心臟病。因此，Notch信號也會影響心臟干細胞的分化與增殖，參與心肌的再生修復。研究提示，Notch1的增強可加速心臟祖細胞和干細胞向心肌細胞的分化，抑制Notch1信號后，這種分化能力降低，顯著減少了心肌數(shù)量，易引發(fā)擴張型心肌病〔22〕。增強Jagged1的表達，Notch1可被激活，心肌細胞的增殖能力明顯增加，而當阻斷Jagged1后這種增強效應會顯著降低〔23〕。在小鼠體內(nèi)應用γ分泌酶抑制劑阻斷Notch通路，顯著誘發(fā)擴張型心肌病的發(fā)生〔22〕?？梢?，激活Notch信號通路可促進心肌再生，保護受損心肌，減少心肌病的發(fā)生。

2.5Notch與心力衰竭 在心血管疾病中如心肌病、心肌梗死、血流動力學負荷過重等，都可引起心肌損傷，同時伴有心肌結(jié)構(gòu)和功能的改變，最終降低心室舒縮功能。由此可見心力衰竭是心血管疾病發(fā)展的最終結(jié)果，而不是單一的疾病。研究證明，肝細胞生長因子及其同源受體c-Met，PI3K/Akt可與Notch信號傳導互相作用保護心肌細胞，對抗缺血/再灌注引起的氧化應激導致的心臟損害〔20〕。研究顯示，動物心肌組織中的保護性信號通路可被Notch1激活，且應激狀態(tài)下的心臟損傷會隨著Notch1的下調(diào)而加劇〔24〕。心肌受損時可觀察到Notch信號通路的表達，如低氧誘導因子(HIF)-1α表達在心肌缺血缺氧時會顯著增強，活性氧生成減少，線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的開放被抑制，心肌缺血/再灌注損傷降低。研究表明，Notch信號可顯著增強HIF-1α的表達，這一反應是由Hes1/Stat3的介導激活缺氧通路實現(xiàn)的〔25〕；同時，缺血組織中不斷增多的HIF-1α可以啟動Hes1的轉(zhuǎn)錄，而且與NICD結(jié)合，保持其穩(wěn)定性〔26〕，因此，Notch的積極調(diào)控可減少組織的心肌缺血/再灌注損傷。

3 結(jié)語和展望

近幾年，Notch信號傳導在心血管疾病中的研究受到了更多關(guān)注，Notch信號可通過調(diào)控多種信號通路在心血管系統(tǒng)和心血管疾病中的各方面發(fā)揮重要功能，但是其具體調(diào)控機制并不是十分清楚。Notch信號傳導在不同環(huán)境、時間或細胞系中的作用可能是不同的，其過高或過低表達都可能對機體造成消極影響。所以需深入了解Notch信號傳導和各通路間的互相作用對心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展的具體作用機制，為Notch信號成為臨床治療心血管疾病的新方案提供更多研究基礎，進行針對性的、高效的臨床治療。

1Meier-Stiegen F,Schwanbeck R,Bernoth K,etal.Activated Notch1 target genes during embryonic cell differentiation depend on the cellular context and include lineage determinants and inhibitors〔J〕.PLoS One,2010;5(7):e11481.

2Ranganathan P,Weaver KL,Capobianco AJ.Notch signalling in solid tumours:a little bit of everything but not all the time〔J〕.Nat Rev Cancer,2011;11(5):338-51.

3Wallberg 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.

4Kangsamaksin T,Murtomaki A,Kofler NM,etal.NOTCH decoys that selectively block DLL/NOTCH or JAGG/NOTCH disrupt angiogenesis by unique mechanisms to inhibit tumor growth〔J〕.Cancer Discov,2015;5(2):182-97.

5Srivastava D.Making or breaking the heart:from lineage determination tomorphogenesis〔J〕.Cell,2006;126(6):1037-48.

6Brutsaert DL.Cardiac endothelial-myocardial signaling:Its role in cardiac growth,contractile performance,and rhythmicity〔J〕.Physiol Rev,2003;83(1):59-115.

7Wu B,Zhang Z,Lui W,etal.Endocardial cells form the coronary arteries by angiogenesis through myocardial-endocardial VEGF signaling〔J〕.Cell,2012;151(5):1083-96.

8Loomes KM,Taichman DB,Glover CL,etal.Characterization of Notch receptor expression in the developing mammalian heart and liver〔J〕.Am J Med Genet,2002;112(2):181-9.

9Nemir M，Pedrazzini T.Functional role of Notch signaling in the developing and postnatal heart〔J〕.J Mol Cell Cardiol,2008;45(4):495-504.

10Grego-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.

11Del Monte G,Grego-Bessa J,González-Rajal A,etal.Monitoring notch1activity in development:Evidence for a feedback regulatory loop〔J〕.Dev Dyn,2007;236(9):2594-614.

12Luna-Zurita L,Prados B,Grego-Bessa J,etal.Integration of a notch-dependent mesenchymal gene program andbmp2-driven cell invasiveness regulates murine cardiac valve formation〔J〕.J Clin Invest,2010;120(10):3493-507.

13Del Monte G,Casanova JC,Guadix JA,etal.Differential Notch signaling in the epicardium is required for cardiac inflow development and coronary vessel morphogenesis〔J〕.Circ Res,2011;108(7):824-36.

14Wang W,Campos AH,Prince CZ,etal.Coordinate Notch3-hairy-related transcription factor pathway regulation in response to arterial injury.Mediator role of platelet-derived growth factor and ERK〔J〕.J Biol Chem,2002;277(26):23165-71.

15Manderfield LJ,High FA,Engleka KA,etal.Notch activation of Jagged 1 contributes to the assembly of the arterial wall〔J〕.Circulation,2012;125(2):314-23.

16High FA,Zhang M,Proweller A,etal.An essential role for Notch in neural crest during cardiovascular development and smooth muscle differentiation〔J〕.J Clin Invest,2007;117(2):353-63.

17van 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.

18Liu ZJ,Tan Y,Beecham GW,etal.Notch activation induces endothelial cell senescence and pro-inflammatory response:implication of Notch signaling in atherosclerosis〔J〕.Atherosclerosis,2012;225(2):296-303.

19Bansal K,Kapoor N,Narayana Y,etal.PIM2 Indneed COX-2 and MMP-9 expression in macrophages requires PI3K and Notchi1 signaling〔J〕.PLoS One,2009;4(3):e4911.

20Camelo S,Raoul W,Lavalette S,etal.Delta-like 4 inhibitschoroidal neovascularization despite opposing effects on vascularendothelium and macrophages〔J〕.Angiogenesis,2012;15(4):609-22.

21Towbin JA,Lorts A,Jefferies JL.Left ventricular non-compaction cardiomyopathy〔J〕.Lancet,2015;386(9995):813-25.

22Urbanek 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.

23Sassoli C,Pini A,Mazzanti B,etal.Mesenchymal stromal cells affect cardiomyocyte growth through juxtacrine Notch-1 /Jagged-1 signaling and paracrine mechanisms:clues for cardiac regeneration〔J〕.J Mol Cell Cardiol,2011;51(3):399-408.

24Croquelois A,Domenighetti AA,Nemir M,etal.Control of the adaptive response of the heart to stress via the Notch1 receptor pathwa〔J〕.J Exp Med,2008;205(13):3173-85.

25Lee JH,Suk J,Park J,etal.Notch signal activates hypoxia pathway through HESl-dependent SRC/signal transducers and activators of transcription 3 pathway〔J〕.Mol Cancer Res,2009;7(10):1663-71.

26Qiang L,Wu T,Zhang HW,etal.HIF-1 alpha is critical for hypoxia-mediated maintenance of glioblAstoma stem cells by activating Notch signaling pathway〔J〕.Cell Death Differ,2012;19(2):284-94.

R363.2

A

1005-9202(2017)24-6251-03；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.24.107

國家自然科學基金資助項目(81550036)；安徽省教育廳重點項目(KJ2016A484);蚌埠醫(yī)學院研究生創(chuàng)新課題(Byycxz1605)

張 恒(1963-)，男，主任醫(yī)師，碩士生導師，主要從事冠心病研究。

陶 敏(1989-)，女，在讀碩士，主要從事冠心病研究。

〔2017-03-19修回〕

(編輯 袁左鳴)