整合素β1家族參與心肌纖維化發(fā)生的關鍵細胞事件：進展與契機

于永慧 綜述 王承龍 審校

(中國中醫(yī)科學院西苑醫(yī)院 中國中醫(yī)科學院心血管病中心，北京 100091)

越來越多的證據表明，心肌纖維化是眾多心血管疾病，如冠心病、心肌梗死、風濕性心臟病、高血壓等發(fā)展至后期的共同病理改變，是影響心血管疾病預后和增加心血管疾病死亡率的重要原因[1]。2013年《JAMA》發(fā)表的一篇臨床研究，發(fā)現(xiàn)存在心肌中層纖維化的患者5年平均死亡率為26.8%，心律失常事件發(fā)生率為29.6%；而無纖維化的患者死亡率為10.6%，心律失常發(fā)生率為7.0%。多因素回歸分析提示，心肌纖維化是全因死亡、心血管死亡及心源性猝死發(fā)生的獨立預測因素[2]。如何防治心肌纖維化是當前世界醫(yī)學研究的難點和熱點。

1 心肌纖維化發(fā)生的細胞生物學基礎

心肌成纖維細胞是纖維化發(fā)生的關鍵效應器。成纖維細胞在氧化應激、血管緊張素Ⅱ、炎癥因子等因素刺激下經由轉化生長因子-β(transform growth factor-β，TGF-β)/Smad、Wnt/β-catenin等經典信號通路轉化為肌成纖維細胞表型。肌成纖維細胞具備發(fā)達的高爾基體和內質網，展現(xiàn)出活躍的蛋白分泌功能，導致以膠原蛋白為主的細胞外基質(extracellular matrix，ECM)蛋白合成與mRNA表達的增加[3]。同時，由于肌成纖維細胞具備增殖、遷移等細胞行為學特征，ECM得以在壞死心肌組織中持續(xù)存在并不斷向正常心肌組織滲透?？梢?，成纖維細胞的表型分化、增殖、遷移、分泌等細胞生物學事件的改變是導致心肌纖維化發(fā)生的核心病理環(huán)節(jié)，而其中最直接的表現(xiàn)是其活躍分泌功能引起的ECM大量沉積。

ECM不僅能夠參與細胞內外生物信號傳遞，而且其大分子結構可以為細胞提供結構支撐和組織架構[4]，發(fā)揮化學橋梁和機械支撐的雙重作用[5]。隨著脊椎動物的進化，ECM種類、結構和功能不斷擴展以適應復雜多變的外界環(huán)境[6]。特別是在修復各種條件下?lián)p傷的心肌組織中，ECM蛋白及其與成纖維細胞的交互作用是影響“細胞-ECM”穩(wěn)態(tài)的關鍵所在，也是決定心肌重構進行性發(fā)展的重要機制。研究發(fā)現(xiàn)，ECM蛋白表達譜的變化可通過整合素(integrin)介導的成纖維細胞分泌功能來實現(xiàn)[7]。

2 整合素β1在心肌纖維化形成中的橋梁作用

2.1 整合素家族概述

整合素屬于跨膜受體家族，是由α(相對分子質量12.0×104～18.5×104)和 β(相對分子質量9.0×104～11.0×104)亞單位組成的雜二聚體，在空間上形成兩條長鏈平行并于胞外尾端匯合的倒置“U”字形結構[8]。α亞單位的膝部有一個含半胱氨酸殘基的Genu序列和Calf區(qū)域，與整合素活性的調節(jié)有關；β亞單位含有多個長程域的二硫橋結構[7]。氧化應激等環(huán)境因素可以通過修飾這些氨基酸結構，使整合素由彎曲的無活性狀態(tài)轉變?yōu)橹绷⒌幕钚誀顟B(tài)[9]。目前在哺乳動物體內已發(fā)現(xiàn)18種α亞單位和8種β亞單位，它們按不同的組合構成了24種整合素[10]。整合素不僅是細胞與ECM的重要物理連接介質，亦是實現(xiàn)ECM和胞內力學信號及化學信號交流的樞紐，發(fā)揮ECM和細胞內生物信息溝通的橋梁作用。

2.2 整合素β1在心肌纖維化組織中的表達

正常心肌組織中主要表達含β1亞單位的整合素，如α1β1、α5β1和α7β1，分別與膠原蛋白、纖維粘連蛋白、層粘連蛋白結合，作為細胞受體介導成纖維細胞和ECM間的交流。在纖維化心肌組織中，整合素表達譜發(fā)生一些變化，α1β1、α2β1、α3β1、α4β1、α5β1、α6β1以及αvβ1、αvβ5都能夠被檢測到[11]。其中，Ⅰ型膠原蛋白受體整合素α2β1介導的細胞黏附是維持ECM穩(wěn)態(tài)最為重要的一部分[12]，整合素α7β1作為層粘連蛋白的受體對缺血應激的心肌組織有保護作用[13]。而α1β1、α3β1、α5β1、α8β1則通過不同程度地促進炎癥反應和肌成纖維細胞表型轉化[14]，產生對心肌纖維化病變的促進作用。

值得注意的是，整合素β1在心肌纖維化組織中的表達與導致纖維化的病理因素密切相關，如心肌梗死后心肌纖維化、壓力負荷性心肌纖維化、老齡性心肌纖維化等均具有其病理生理狀態(tài)相應的整合素β1表達情況。一項觀察鼠類心肌梗死模型中整合素β表達的實驗發(fā)現(xiàn)，梗死區(qū)整合素β1的表達在心肌梗死后3 d開始上升，第7天達到高峰，而后逐漸下降至基線水平[15]。在6周齡小鼠心肌中敲除表達整合素β1的基因，結果觀察到嚴重的心肌纖維化和對壓力負荷的過度反應而造成的擴張型心肌病[16]。同樣，過表達無活性整合素β1的轉基因小鼠也因心肌出現(xiàn)廣泛的纖維化病變而過早死亡[17]。同時心肌纖維化也是正常心臟老化的標志，在20月齡的小鼠心臟中，整合素α1和α5表達較2月齡和12月齡小鼠增多，而整合素β1表達減少。隨著年齡的增長，不僅成纖維細胞表面的整合素β1表達下調[18]，心肌細胞整合素β1的下降亦能夠導致老齡性心肌纖維化的發(fā)生?？梢?，整合素β1的存在對于修復心肌損傷和應對壓力負荷都具有至關重要的意義。

2.3 整合素β1與其相關蛋白的互作機制

2.3.1 整合素β1介導的成纖維細胞與ECM力學黏附

細胞與ECM交聯(lián)是維持多細胞生物體正常生理功能的必要環(huán)節(jié)，當細胞與ECM失去交聯(lián)時，就會引發(fā)名為“失巢”的程序性細胞死亡[19]。研究發(fā)現(xiàn)，主要有兩種受體參與成纖維細胞與ECM的黏附——整合素和圓盤狀受體(discoidin domain receptors，DDRs)[11]。DDRs屬于受體酪氨酸激酶家族，主要介導膠原蛋白與ECM的結合，而整合素不僅可以在與DDRs不同的結合域與膠原蛋白交聯(lián)[20]，還可以介導非膠原蛋白成分與成纖維細胞的黏附。

整合素的細胞外部分主要與ECM中含有“精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸”(arginine-glycine-aspartic acid，RGD)多肽結構的蛋白進行交聯(lián)。RGD多肽是1984年由Pierschbacher等在纖維粘連蛋白中首次發(fā)現(xiàn)，是目前證明最有效的促黏附多肽，被稱之為“黏附序列”[21]。在許多非膠原蛋白的ECM成分中發(fā)現(xiàn)了含有RGD的氨基酸序列，主要包括纖維粘連蛋白、層粘連蛋白等。整合素相對較短的細胞內部分與各種結合體蛋白，包括跨膜生長因子受體以及踝蛋白、紐帶蛋白、α-輔肌動蛋白等細胞骨架蛋白結合，形成組織良好的黏著斑結構[22]，從而在空間物理結構上形成穩(wěn)定的“ECM-整合素-肌動蛋白骨架”系統(tǒng)，發(fā)揮胞內外力學信號的雙向傳導功能[23]。

整合素在胞內應力纖維和ECM間介導的力學信號可以影響ECM剛硬程度、抗張強度、成纖維細胞表型。心肌組織受到損傷或應力改變后，整合素β1通過激活蛋白酪氨酸激酶-1和絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)產生細胞力學反應，對成纖維細胞生長及其表型轉化施加影響。敲除整合素β1或與整合素β1相關的機械敏感蛋白ITGB1BP2[24]后，細胞外信號調節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)1/2和糖原合成酶激酶-3β 信號通路發(fā)生異常，造成心肌抗壓力應激能力減弱，從而導致擴張型心肌病和心肌纖維化病變的出現(xiàn)。同樣，由于成纖維細胞內α-平滑肌肌動蛋白(α-smooth muscle actin，α-SMA)產生的細胞內應力可以經由黏著斑募集相關蛋白，如黏著斑蛋白(vinculin)、黏著斑激酶(focal adhesion kinase，F(xiàn)AK)[25]，從而調節(jié)整合素的胞內結構域，對其表達、活化以及與ECM的交聯(lián)產生影響。

2.3.2 整合素β1的胞內外生物學信號傳導功能

整合素不僅可以與ECM中含有RGD結構的蛋白結合形成ECM骨架，還能夠經由交聯(lián)作用調節(jié)胞外其他ECM成分的表達。研究發(fā)現(xiàn)，當ECM中的纖維粘連蛋白配體與整合素α4β1、α5β1和αvβ3受體結合后，負反饋調節(jié)基質金屬蛋白酶(matrix metallo preteinases，MMPs)的表達和酶解。即當蛋白配體與整合素結合后MMPs表達和酶解增強，反過來增強的MMPs又會使整合素結合體分解失活，二者維持在一定的平衡范圍內。

除了與RGD蛋白交聯(lián)產生對胞外ECM成分的調節(jié)，整合素還可以為細胞提供有關周圍環(huán)境的關鍵信息，影響細胞內多種信號通路的轉導，從而參與細胞的增殖、遷移、分化和凋亡[26]，稱為“外至內信號”(outside-in signaling)。同樣，細胞胞質內的調控信號也可以經由整合素，對受體外部配體的結合域產生影響，如引起多種整合素在細胞膜的聚集，稱為“內至外信號”(inside-out signaling)。可見，整合素雖然不具備酶學活性，但可以作為雙向信號受體參與細胞內外生物信號的傳導。TGF-β、FAK、MAPK-ERK等，都以不同形式參與到這種信號傳導機制中。

2.3.2.1 TGF-β：是心肌纖維化中激活的經典信號通路之一，在成纖維細胞轉化為肌成纖維細胞，及其增殖、遷移、分泌過程中發(fā)揮重要作用[27]。研究發(fā)現(xiàn)，整合素αvβ5、αvβ3、αvβ6以及β1均可以不同程度地激活TGF-β信號通路[28]。TGF-β與其潛在連接前肽(latency associated peptide，LAP)通過TGF結合蛋白-1并入ECM中，整合素(αvβ5、αvβ3、αvβ6)可以通過與LAP結構域中的RGD結合，引起LAP構象改變，從而釋放活性的TGF-β[29]。體外研究發(fā)現(xiàn)，經膠原凝膠培養(yǎng)的肌成纖維細胞可以通過不同剛度的ECM中表達的多種整合素(β1、β3、αvβ5)激活TGF-β信號通路[30]。在人心肌成纖維細胞中拮抗整合素αvβ5和αvβ3表達，會降低TGF-β的活性，從而阻斷α-SMA表達為標志的肌成纖維細胞表型轉化[31]。整合素α2β1還可以經由TGF-β的激活增加賴氨酰氧化酶蛋白和基因表達，從而加強膠原蛋白與彈性蛋白的黏附[32]。

2.3.2.2 FAK：是一種相對分子質量大小為12.5×104的非受體酪氨酸激酶。當ECM配體與整合素受體結合后，與整合素相連的FAK發(fā)生構象改變，并在Y397位發(fā)生自磷酸化，隨之活化環(huán)中的Y576位和Y577位亦發(fā)生磷酸化，活化FAK的C-末端與樁蛋白、踝蛋白結合[33]，引發(fā)肌動蛋白聚合、肌絲組裝和肌苷重鏈的表達，亦可以通過雷帕霉素靶蛋白復合體1、蛋白激酶B途徑促進ECM蛋白合成。

2.3.2.3 整合素連接激酶(integrin linked kinase，ILK)：是一種絲蘇氨酸蛋白激酶，與整合素β1的胞內區(qū)域結合，同時連接新型半胱氨酸-組氨酸富集蛋白和小細胞蛋白(parvin)等肌動蛋白成分，將ECM與胞內肌動蛋白細胞骨架融為一體。研究發(fā)現(xiàn)，急性心肌梗死后梗死區(qū)ILK表達上調[34]。過表達ILK的重組腺病毒轉染[35]或間充質干細胞注射[36-37]能夠降低梗死和纖維化面積，減少心肌細胞凋亡，保護心功能。

2.3.2.4 蛋白磷酸化酶2A和張力蛋白同源體：是一種重要的絲/蘇氨酸磷酸酶，對于細胞生長、分化具有重要意義。研究表明，敲除Ⅰ型膠原蛋白的受體整合素α2β1后，蛋白磷酸化酶2A和張力蛋白同源體磷酸化狀態(tài)失穩(wěn)，并引起了蛋白激酶B的活化以及α-SMA表達的增加，從而造成纖維化組織中肌成纖維轉化表型的出現(xiàn)和大量增殖[38]。

3 以整合素β1為干預靶點的心肌纖維化治療機遇

由于ECM膠原纖維的形成往往意味著心血管疾病晚期的開始，尋求ECM惡性累積的先兆是現(xiàn)階段心肌纖維化研究的主要方向和治療靶點。在診斷方面，ECM重構的等離子體檢測、纖維母細胞特異表型的標志性蛋白(ED-A纖維粘連蛋白變體)等[39]被證實可以用于心肌纖維化的早期發(fā)現(xiàn)。在治療方面，傳統(tǒng)的心肌纖維化治療思路是拮抗腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)、TGF-β、纖維母細胞生長因子等神經-內分泌途徑，然而事實證明，這些治療手段雖然可以作用于導致ECM病理重構的部分關鍵性細胞事件，但其療效卻存在爭議。

成纖維細胞和肌成纖維細胞代表心肌重構的陰和陽，成纖維細胞的增殖和表型變化是心肌損傷后機體自適應的保護性事件。氧化應激、炎癥因子、神經內分泌因子、壓力應激等促進肌成纖維表型轉化的化學信號和力學信號經由整合素β1介導的“細胞-ECM”連接，一方面?zhèn)鬟f著減輕炎癥反應、增強組織韌性等保護心肌組織的信息，另一方面也將纖維增生、膠原合成等需求進一步放大，造成ECM病理產物的爆發(fā)式堆積。因此，除了開發(fā)針對標志性成纖維細胞亞群的特定的治療方法，靶向轉化成纖維細胞的來源，也可以針對特定功能的整合素家族進行調節(jié)，如增加保護性整合素α2β1、α7β1的表達，降低病理性整合素α1β1、α3β1、α5β1等的表達，同時拮抗促進成纖維細胞群擴張、遷移的神經生物學刺激，將有助于逆轉異常的ECM重建，為心肌纖維化的治療帶來突破。

4 總結

整合素家族是維持“細胞-ECM”穩(wěn)態(tài)的一種跨膜黏附分子。整合素通過“ECM-整合素-肌動蛋白骨架”系統(tǒng)能夠實現(xiàn)力學信號在胞內外的雙向傳遞，還可以作為信號受體參與細胞內外TGF-β、FAK、MAPK/ERK、ILK等生物信號的傳導。隨著造成心肌纖維化的病理因素的不同，整合素β1家族呈現(xiàn)出不同的表達譜，傳遞著促進纖維化和保護心肌組織的雙重信息，影響著成纖維細胞的表型、增殖、遷移、分泌等多種細胞生物學事件。選擇性地調節(jié)整合素β1家族表達譜、優(yōu)化成纖維細胞對環(huán)境信息的處理能力，將可能是未來心肌纖維化研究的一個重要方向。在充分認清整合素β1分子結構和功能的基礎上，開發(fā)針對特定β1亞種的干預手段，將為心肌纖維化的治療帶來新的機遇。

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