Gremlin基因與纖維化疾病關(guān)系的研究進(jìn)展

帥張麗，石國(guó)慶

(遵義醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，貴州遵義 563000)

組織纖維化是多種疾病進(jìn)展到終末期的重要環(huán)節(jié)。隨著分子生物學(xué)的進(jìn)展，多種途徑被發(fā)現(xiàn)參與纖維化疾病的發(fā)生、發(fā)展，包括轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、血管源性生長(zhǎng)因子β(PDGF-β)受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路及前列腺素內(nèi)氧化還原酶2(COX-2)、彌漫性細(xì)胞外基質(zhì)及氧化應(yīng)激介導(dǎo)途徑等，其中TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是影響纖維化的發(fā)生、發(fā)展最重要的途徑之一。Gremlin屬于TGF-β超家族成員，是TGF-β的下游成員之一，與多種纖維化疾病的發(fā)生有關(guān)。本研究就Gremlin及其與纖維化疾病的關(guān)系作一綜述。

1 Gremlin基因的基本結(jié)構(gòu)及功能

Gremlin基因也被稱(chēng)為Drm基因，其編碼的蛋白質(zhì)具有高度保守性，屬于TGF-β超家族，是骨形態(tài)形成蛋白(BMP)拮抗劑家族成員。Gremlin基因最早從蟾蜍中樞神經(jīng)脊中克隆出來(lái)，其編碼的蛋白有Gremlin-1、Gremlin-2和Gremlin-3。人類(lèi)Gremlin-1基因位于染色體15q13-q15，為BMP拮抗劑；人類(lèi)Gremlin-2基因位于染色體1q43，與心臟纖維化及抑制動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生相關(guān)；人類(lèi)Gremlin-3基因位于染色體19q13.2，與小鼠的CKTSF1B3(DANTE)基因有61.9%的氨基酸序列相同。Gremlin-1以分泌和細(xì)胞相關(guān)的形式存在，依賴(lài)性抑制BMP對(duì)胚胎肢體、腎臟及肺等器官的發(fā)育非常重要，Gremlin-1基因敲除小鼠可由于缺乏部分腎臟和肺等缺陷而死于子宮內(nèi)。研究表明，在骨鈣蛋白啟動(dòng)子的控制下，過(guò)度表達(dá)Gremlin-1的轉(zhuǎn)基因小鼠骨形成明顯減少[1～3]。BMP最早是由Urist[4]從脫鈣的皮質(zhì)骨提取物中獲得的，是一種對(duì)成骨至關(guān)重要的相關(guān)因子，其與TGF-β同屬一個(gè)蛋白超家族，兩者介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)都是通過(guò)活化Smads蛋白胞內(nèi)信號(hào)分子而實(shí)現(xiàn)的。Gremlin不僅可以通過(guò)胞外綁定BMP，而且可通過(guò)胞內(nèi)Gremlin/BMP相互作用，阻止BMP分泌，從而抑制BMP活性。Gremlin可阻斷BMP信號(hào)通路，抑制Smad1/Smad5/Smad8蛋白磷酸化，從而發(fā)揮拮抗BMP的作用，而TGF-β則主要是通過(guò)激活Smad2/Smad3蛋白信號(hào)通路而發(fā)揮作用[5]。

2 Gremlin與纖維化疾病的關(guān)系

2.1 Gremlin與肺纖維化 Gremlin-1在人體出生后可在肺中特異性檢測(cè)到，但不會(huì)導(dǎo)致呼吸功能不全的發(fā)生。Gremlin-1在大鼠肺臟中過(guò)表達(dá)可導(dǎo)致上皮活化和成纖維細(xì)胞病灶的出現(xiàn)，在小鼠肺動(dòng)脈高壓模型中使用Gremlin-1中和抗體進(jìn)行預(yù)防性和治療性干預(yù)可增強(qiáng)BMP信號(hào)傳導(dǎo)并減輕肺血管重構(gòu)[6]。血管內(nèi)皮釋放的Gremlin-1可抑制內(nèi)源性BMP信號(hào)傳導(dǎo)，并促進(jìn)肺動(dòng)脈高壓的發(fā)展；抗Gremlin-1單克隆抗體預(yù)防性治療可減輕肺血管重構(gòu)和右心室肥大[7]。近年來(lái)，Koli等[8]使用表面活性蛋白C啟動(dòng)子和Cre-LoxP基因重組技術(shù)，在Ⅱ型肺上皮細(xì)胞中建立了表達(dá)Gremlin-1的轉(zhuǎn)基因小鼠模型，發(fā)現(xiàn)Gremlin-1與抗纖維化趨化因子10 mRNA表達(dá)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。在遠(yuǎn)端肺上皮組織中，Gremlin-1過(guò)度表達(dá)可導(dǎo)致遠(yuǎn)端肺小管的近端化，并促進(jìn)肺組織中炎性細(xì)胞募集和抗纖維化趨化因子產(chǎn)生。Gremlin-1可通過(guò)與細(xì)胞表面和細(xì)胞外基質(zhì)中的多糖硫酸乙酰肝素結(jié)合，以時(shí)間空間受限的方式調(diào)節(jié)BMP活性[9]。Graham等[10]發(fā)現(xiàn)，miR-27b可直接作用于Gremlin-1，降低其mRNA表達(dá)。TGF-β信號(hào)傳導(dǎo)通路可降低miR-27b表達(dá)，并引起Gremlin-1水平升高，表明TGF-β信號(hào)通路可通過(guò)調(diào)節(jié)miR-27b表達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)Gremlin-1在肺纖維化組織中的表達(dá)。Gremlin-1為BMP拮抗劑，對(duì)BMP-7的親和力較低，但可以高親和力與BMP-2、BMP-4結(jié)合，該結(jié)合可阻斷BMP同種型受體結(jié)合和信號(hào)傳導(dǎo)[11]。

2.2 Gremlin與腎纖維化 Gremlin在多種與纖維化相關(guān)的慢性腎臟疾病中均表達(dá)上調(diào)[12]。2000年Sanai等[13]提出，腎小管上皮細(xì)胞功能異常是各種腎纖維化發(fā)生的主要因素。一項(xiàng)關(guān)于近端腎小管上皮細(xì)胞的體外研究發(fā)現(xiàn)，在糖尿病腎病的進(jìn)展過(guò)程中，TGF-β可誘導(dǎo)Gremlin 表達(dá)上調(diào)，從而拮抗BMP-7及其受體——活化素受體樣激酶3表達(dá)，抑制BMP/Smad信號(hào)通路(尤其是BMP-7/Smad5信號(hào)通路)，導(dǎo)致腎小管上皮細(xì)胞纖連蛋白和Ⅲ型膠原α1鏈mRNA表達(dá)升高，從而參與腎間質(zhì)纖維化及腎功能減退。Gremlin可通過(guò)TGF-β信號(hào)通路加重足細(xì)胞病變，促使正常TGF-β信號(hào)通路組分(包括Smad2/Smad3蛋白和絲裂原活化蛋白激酶)磷酸化，并促進(jìn)活化型半胱天冬酶3表達(dá)[14]。Mezzano等[15]研究發(fā)現(xiàn)，Gremlin可作為VEGF信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)的激動(dòng)劑而發(fā)揮作用，其通過(guò)與血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子受體2(VEGFR2)的相互作用直接刺激血管生成，參與與腎臟炎癥反應(yīng)有關(guān)的下游機(jī)制，阻斷VEGFR2可減輕Gremlin誘導(dǎo)的腎臟炎癥反應(yīng)及纖維化。另一方面，Gremlin可引起早期腎損傷，并促進(jìn)促炎因子的上調(diào)和免疫炎性細(xì)胞浸潤(rùn)有關(guān)NF-κB途徑的活化[16]。

2.3 Gremlin與肝纖維化 肝纖維化是由于各種急慢性病因?qū)е赂螕p傷，而后機(jī)體對(duì)損傷進(jìn)行修復(fù)的病理過(guò)程。早在2006年Boers等[17]發(fā)現(xiàn)，除了那些已被公認(rèn)的肝纖維化進(jìn)程中的標(biāo)志性基因表達(dá)發(fā)生改變外，Gremlin在三種不同狀態(tài)(靜止、激活、肌樣成纖維細(xì)胞狀態(tài))下的表達(dá)亦有明顯差異。當(dāng)肝星狀細(xì)胞處于肌樣成纖維細(xì)胞狀態(tài)時(shí)，Gremlin表達(dá)急劇升高，而處于靜止及激活狀態(tài)時(shí)則表達(dá)較少，甚至無(wú)表達(dá)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)，纖維化肝組織中TGF-β1和Gremlin mRNA、Gremlin蛋白表達(dá)均升高，而B(niǎo)MP-7 mRNA和BMP-7蛋白表達(dá)均降低[18]。肝星狀細(xì)胞活化在肝纖維化發(fā)生中具有重要作用，肝臟受損后，庫(kù)普弗細(xì)胞及肝竇內(nèi)皮細(xì)胞被激活，并釋放大量炎癥介質(zhì)介導(dǎo)炎性因子，并可分泌多種細(xì)胞因子，包括直接刺激因子(TGF-β、血小板衍生生長(zhǎng)因子、胰島素樣生長(zhǎng)因子Ⅰ、表皮生長(zhǎng)因子、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子等)及間接刺激因子(TNF-α、IL-4、IL-6、IL-8、血小板活化因子等)，細(xì)胞因子通過(guò)旁分泌及自分泌途徑作用于鄰近的肝星狀細(xì)胞，導(dǎo)致星狀細(xì)胞發(fā)生上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致肝纖維化的發(fā)生。Gremlin可引起肝組織分泌大量的細(xì)胞外基質(zhì)，打破肝細(xì)胞外環(huán)境動(dòng)態(tài)平衡，使大量細(xì)胞外基質(zhì)沉積；此外Gremlin可直接刺激并促進(jìn)肝星狀細(xì)胞增殖，合成膠原，從而促進(jìn)肝纖維化的發(fā)生[19]。TGF-β1是纖維化發(fā)生的關(guān)鍵因子，BMP-7/Smads信號(hào)通路可抑制肝纖維化，其機(jī)制可能與拮抗TGF-β1的促纖維化作用有關(guān)[20]。Gremlin屬于TGF-β超家族成員，是TGF-β下游產(chǎn)物，也是BMP拮抗劑。Gremlin可直接與BMP-2、BMP-4、BMP-7結(jié)合，拮抗BMP的功能，參與肝纖維化發(fā)生[21]。這就意味著，肝臟組織炎癥發(fā)生時(shí)可產(chǎn)生異常增強(qiáng)的TGF-β，通過(guò)上調(diào)Gremlin基因表達(dá)，反饋性抑制BMPs的功能，并由此進(jìn)一步強(qiáng)化TGF-β信號(hào)通路活性，加速肝纖維化的形成[22]。

2.4 Gremlin與心肌纖維化 Gremlin-2與心肌纖維化程度和左心室功能不全有關(guān)，可獨(dú)立預(yù)測(cè)心力衰竭患者的預(yù)后，其預(yù)測(cè)效能甚至優(yōu)于臨床指標(biāo)和血清標(biāo)志物[23]。在人類(lèi)心臟多能干細(xì)胞分化過(guò)程中，中胚層穩(wěn)定不久后Gremlin-2可在心臟前體細(xì)胞中被誘導(dǎo)。Gremlin-2依賴(lài)于特異性后續(xù)應(yīng)激活化蛋白激酶激活途徑而抑制BMP信號(hào)傳導(dǎo)，是促進(jìn)心臟前體細(xì)胞增殖所必需的相關(guān)因子。

2.5 Gremlin與胰腺纖維化 慢性胰腺炎的特征在于進(jìn)行性胰腺炎和纖維化，最終導(dǎo)致外分泌和內(nèi)分泌功能障礙。BMP拮抗劑Gremlin-1參與了胰星狀細(xì)胞活化，由TGF-β誘導(dǎo)的Gremlin-1可通過(guò)拮抗慢性胰腺炎組織中BMP的活性而促進(jìn)其纖維化。研究發(fā)現(xiàn)，人胰腺癌組織中Gremlin-1表達(dá)高于正常胰腺組織，但其具體機(jī)制目前尚未研究清楚[24]。同肝纖維化一樣，胰星狀細(xì)胞從靜止細(xì)胞中被激活，可導(dǎo)致纖維化和器官功能的喪失。目前所知的促胰纖維化因子包括TGF-β1、BMP2、G蛋白偶聯(lián)受體APJ的內(nèi)源性配體apelin和甲狀旁腺激素相關(guān)蛋白。Rastellini等[25]研究發(fā)現(xiàn)，TGF-β通過(guò)Smad3依賴(lài)途徑增加腺泡細(xì)胞和胰星狀細(xì)胞中的甲狀旁腺激素相關(guān)蛋白表達(dá)。甲狀旁腺激素相關(guān)蛋白可增加腺泡細(xì)胞Gremlin-1表達(dá)，阻斷Gremlin-1可抑制IL-6和細(xì)胞間黏附分子1等促纖維化因子表達(dá)[26]。因此，Gremlin-1在誘導(dǎo)胰腺組織炎癥和纖維化信號(hào)傳導(dǎo)中具有關(guān)鍵作用[27]。

2.6 Gremlin與晶狀體及視網(wǎng)膜纖維化 晶狀體后囊混濁是白內(nèi)障術(shù)后最常見(jiàn)的并發(fā)癥，其病理機(jī)制是由于殘留的晶狀體上皮細(xì)胞在囊膜上轉(zhuǎn)分化、增生、移行而產(chǎn)生膠原纖維。多種細(xì)胞因子均可參與晶狀體后囊混濁的發(fā)生過(guò)程， Gremlin是其中新發(fā)現(xiàn)的一類(lèi)細(xì)胞因子。Gremlin可以時(shí)間和濃度依賴(lài)性地誘導(dǎo)小梁細(xì)胞及人晶狀體上皮細(xì)胞表達(dá)α-SMA、腎小管上皮細(xì)胞纖連蛋白和Ⅰ型膠原蛋白等纖維化相關(guān)因子，特異性抑制Gremlin表達(dá)，并可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)有效地抑制TGF-β2對(duì)晶狀體上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)分化、小梁細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)合成作用[28]。

2.7 Gremlin與骨纖維化 骨髓中骨軟骨網(wǎng)狀干細(xì)胞可自我更新并產(chǎn)生成骨細(xì)胞，集中在長(zhǎng)骨的干骺端內(nèi)，是骨骼發(fā)育、骨重建和骨折修復(fù)所必需的。Gremlin-1不僅是骨骼發(fā)育所必需的，而且也是人體出生后骨骼穩(wěn)態(tài)的必要條件[4,29]。近年研究發(fā)現(xiàn)，血清和關(guān)節(jié)滑液中Gremlin-1表達(dá)與膝關(guān)節(jié)炎的發(fā)病及嚴(yán)重程度密切相關(guān)[30]。

綜上所述，Gremlin在肺纖維化、腎纖維化、肝纖維化、心纖維化、胰腺纖維化、晶狀體及視網(wǎng)膜纖維化等疾病的發(fā)生、發(fā)展中均有重要作用，其主要機(jī)制多與BMPs/Smads信號(hào)傳導(dǎo)通路、TGF-β/Smads信號(hào)傳導(dǎo)通路有關(guān)，主要通過(guò)Smads胞內(nèi)信號(hào)通道影響纖維化的發(fā)生，與Gremlin-VEGFR2軸、NF-κB信號(hào)通路等關(guān)系密切。在促纖維化發(fā)生過(guò)程中，Gremlin可能依賴(lài)于應(yīng)激活化蛋白激酶途徑的激活，受miR-27b/30-UTR的正向調(diào)節(jié)、抗纖維化趨化因子10的負(fù)調(diào)節(jié)、多糖硫酸乙酰肝素的適當(dāng)調(diào)節(jié)；在眼視網(wǎng)膜病變的發(fā)生過(guò)程中，Gremlin可能受甲狀旁腺激素相關(guān)蛋白水平的正向調(diào)節(jié)。