GSK-3β在心肌纖維化發(fā)展中的研究進(jìn)展

宋 鵬 馬振國(guó) 張 鑫 袁雨培 唐其柱

一、GSK-3家族概述

糖原合成激酶-3(GSK-3)是一種廣泛表達(dá)并且高度保守的絲氨酸/蘇氨酸激酶，是心肌細(xì)胞生長(zhǎng)和凋亡主要的調(diào)節(jié)因子,并且參與許多心臟病理過(guò)程,包括心肌肥厚、心力衰竭及缺血再灌注損傷等[1]。GSK-3家族包括兩種亞型GSK-3α和GSK-3β，在激酶結(jié)構(gòu)域中他們有98%是相同的，但是他們的N末端和C末端序列有很大差異，因此他們總的序列同源性達(dá)到了85%[2]。雖然GSK-3亞型間有非常相似的結(jié)構(gòu)和重疊的功能，但他們還是有各自獨(dú)特的特征。與其他蛋白激酶不同，GSK-3在未刺激細(xì)胞中保持特異性活化，并且在受到多種刺激后被抑制。雖然GSK-3是少數(shù)幾個(gè)通過(guò)磷酸化失活的激酶之一，但是調(diào)節(jié)GSK-3的分子機(jī)制非常復(fù)雜，目前還沒(méi)有被完全研究清楚。GSK-3通過(guò)N端絲氨酸殘端磷酸化被負(fù)性調(diào)節(jié)，GSK-3α磷酸化位點(diǎn)為絲氨酸21而GSK-3β為絲氨酸9[3]。

從最初對(duì)GSK-3在心臟疾病發(fā)生、發(fā)展中所起作用的研究到現(xiàn)在已經(jīng)過(guò)去了一個(gè)多世紀(jì)，而隨著對(duì)GSK-3家族研究的不斷深入，GSK-3β在心臟疾病的發(fā)生、發(fā)展中起到的重要作用逐漸被發(fā)現(xiàn)，同時(shí)近幾年的研究發(fā)現(xiàn)GSK-3β可能在心臟纖維化發(fā)生過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

二、心臟纖維化

在幾乎所有的心臟疾病中都存在纖維化，纖維化的發(fā)生是由于心臟纖維母細(xì)胞產(chǎn)生了過(guò)量的細(xì)胞外基質(zhì)蛋白，這些細(xì)胞外基質(zhì)的積累在減弱了心肌順應(yīng)性的同時(shí)加速了心力衰竭的進(jìn)程。心臟纖維母細(xì)胞是一種必須的細(xì)胞類型，主要存在于心肌間質(zhì)、心外膜和血管周區(qū)域[4]。在生理?xiàng)l件下心臟纖維母細(xì)胞保持細(xì)胞外基質(zhì)的平衡，并且為心肌細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)支架，通過(guò)心肌組織分散機(jī)械力并且調(diào)節(jié)電傳導(dǎo)[5]。雖然以前的研究表明在成年齲齒動(dòng)物和人類心臟中纖維母細(xì)胞是主要的細(xì)胞類型，但是最近的研究表明纖維母細(xì)胞在成年齲齒動(dòng)物總細(xì)胞中占比小于20%[6]，遠(yuǎn)低于已有報(bào)道。

與其他器官不同，在受到損傷后，心臟的再生能力非常有限，因此在心臟受損傷后修復(fù)的程序主要包括壞死的心肌細(xì)胞的清除以及纖維化疤痕組織的替代修復(fù)，這些都有效地保持了心臟結(jié)構(gòu)和功能的完整。為了執(zhí)行這些功能，在結(jié)締組織中纖維母細(xì)胞轉(zhuǎn)化為肌成纖維細(xì)胞，通過(guò)分泌大量的細(xì)胞外基質(zhì)蛋白來(lái)提供纖維化的環(huán)境[5]。

病理性的心肌重構(gòu)包括纖維母細(xì)胞的聚集以及過(guò)量細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的堆積，這些都導(dǎo)致了器官結(jié)構(gòu)的損壞以及心肌功能的紊亂。纖維化產(chǎn)生的大量細(xì)胞外基質(zhì)增加了心室壁硬度并且導(dǎo)致心肌收縮功能紊亂，從而導(dǎo)致心臟功能的損壞。同時(shí)過(guò)多的細(xì)胞外基質(zhì)和纖維母細(xì)胞損壞了心臟電生理，從而減弱了心臟的收縮，增加了發(fā)生心律失常和死亡的風(fēng)險(xiǎn)[7]。這一病理過(guò)程同樣能通過(guò)旁分泌途徑導(dǎo)致心肌肥厚和功能失調(diào)，更進(jìn)一步損害心臟功能。此外血管周圍區(qū)域的感染和纖維化可能減弱組織攝取氧氣和營(yíng)養(yǎng)的能力并且增加心肌重構(gòu)的病理性應(yīng)答[8]。

隨著最初的損傷修復(fù)過(guò)程的完成，大量纖維母細(xì)胞發(fā)生凋亡，只留下成熟的瘢痕組織包括橫向交聯(lián)膠原及其他的基質(zhì)成分。在這一過(guò)程中，心臟瘢痕組織中的肌成纖維細(xì)胞持續(xù)釋放多種促炎性和心肌肥厚的細(xì)胞因子，導(dǎo)致心肌肥厚以及壞死區(qū)域被纖維組織替代[9]。同時(shí)，在心臟發(fā)生急性損傷后，活化的纖維母細(xì)胞不僅大量存在于受損傷區(qū)域，同時(shí)還存在于受損傷區(qū)域周圍的健康組織中，這種現(xiàn)象通常被稱為反應(yīng)性的纖維化[4, 5]。反應(yīng)性的纖維化加強(qiáng)了急性心肌損傷后的病理生理反應(yīng)，減弱了心室的順應(yīng)性并同時(shí)增強(qiáng)了心室壁的強(qiáng)度。一部分的肌成纖維細(xì)胞在心肌損傷后很長(zhǎng)時(shí)間依然持續(xù)存在于成熟的心肌瘢痕組織中，可能是為了應(yīng)對(duì)細(xì)胞的凋亡，這樣也使這些病理過(guò)程長(zhǎng)久存在[10]。

三、GSK-3β在心肌纖維化發(fā)生、發(fā)展中的作用

心臟纖維化在心肌重構(gòu)的發(fā)生、發(fā)展中起到重要作用，同樣也是導(dǎo)致心力衰竭的重要原因之一。多種因素均能夠引起心臟纖維化，研究發(fā)現(xiàn)GSK-3β是引起心臟纖維化的重要因素之一。許多模型也證明GSK-3β在心臟纖維化發(fā)生、發(fā)展中起著重要作用。Wang等[11]通過(guò)構(gòu)建心臟特異性金屬硫蛋白過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)基因模型來(lái)抑制心臟GSK-3β的表達(dá)，并且實(shí)驗(yàn)證明GSK-3β的失活抑制了糖尿病引起的心臟纖維化的發(fā)生。同時(shí)給野生糖尿病小鼠使用特異性GSK-3β抑制劑后發(fā)現(xiàn)由糖尿病引起的心臟纖維化被完全抑制，從而驗(yàn)證了GSK-3β與糖尿病后病理性改變的直接聯(lián)系。因此也證明了全心臟敲除GSK-3β后可以抑制糖尿病引起的心肌纖維化的發(fā)生。Yan等[12]通過(guò)構(gòu)建Mindin過(guò)表達(dá)模型發(fā)現(xiàn)Mindin可以抑制GSK-3β的表達(dá)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在壓力負(fù)荷下Mindin過(guò)表達(dá)組的小鼠心臟纖維化程度明顯減弱，心臟間質(zhì)纖維化程度減弱，同時(shí)膠原分泌也大量減少，而Mindin過(guò)表達(dá)抑制壓力負(fù)荷后心臟纖維化發(fā)生是通過(guò)GSK-3β-TGF-β1通路實(shí)現(xiàn)的，因此也證明了在壓力負(fù)荷下GSK-3β的過(guò)表達(dá)促進(jìn)心臟纖維化的發(fā)生、發(fā)展。

而隨著對(duì)心臟疾病發(fā)生過(guò)程中各種研究的不斷深入，人們對(duì)心臟纖維母細(xì)胞在心臟相關(guān)疾病發(fā)生過(guò)程中的研究越來(lái)越深入，因此心臟纖維母細(xì)胞基因特異性敲除也越來(lái)越受到關(guān)注。Takeda等[13]首次使用以骨膜蛋白(Postn)啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的Cre重組酶構(gòu)建了心臟纖維母細(xì)胞特異性基因敲除的老鼠系，并且在研究中證明了纖維母細(xì)胞在壓力負(fù)荷下的適應(yīng)性改變是非常重要的，更有意義的是，在相同情況下敲除心肌細(xì)胞中相同的基因位點(diǎn)并沒(méi)有發(fā)生任何表型的改變，從而證明了心臟纖維母細(xì)胞在不同的心臟病理變化中都起著重要作用。同樣Duan等[14]使用他莫昔芬誘導(dǎo)的Colla2Cre(T)特異性敲除全身纖維母細(xì)胞中的β-連環(huán)蛋白，從而證明了纖維母細(xì)胞在保護(hù)急性缺血損傷后的心功能的過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用。

Hind等[15]發(fā)現(xiàn)在心肌梗死發(fā)生后心臟中GSK-3β的磷酸化水平升高，作者同時(shí)使用Postn和Colla2Cre兩種方法特異性敲除纖維母細(xì)胞中的GSK-3β，這也是首次對(duì)心臟纖維母細(xì)胞特異性敲除GSK-3β的研究。與對(duì)照組比較，心肌梗死后GSK-3β敲除組心臟發(fā)生明顯的纖維化并且形成大量的瘢痕組織，證明心臟纖維母細(xì)胞特異性敲除后促進(jìn)了心臟纖維化的發(fā)生。同時(shí)在離體實(shí)驗(yàn)中敲除纖維母細(xì)胞中的GSK-3β后發(fā)現(xiàn)纖維化程度增強(qiáng)以及肌成纖維細(xì)胞的分化加快，從而證明了GSK-3β在心肌梗死后可以抑制心臟纖維化的產(chǎn)生，并且保護(hù)心臟功能。

對(duì)于GSK-3β是如何調(diào)控心肌纖維化發(fā)生的，研究認(rèn)為主要通過(guò)β-連環(huán)蛋白依賴性的信號(hào)通路和TGF-β1-SMAD-3依賴性信號(hào)通路[11]?，F(xiàn)在已經(jīng)清楚地證明GSK-3β是Wnt/frizzled 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的重要組成部分并且以β-連環(huán)蛋白為第二信使，而GSK-3β作用于β-連環(huán)蛋白使其泛素化和自酶體降解，使β-連環(huán)蛋白在正常情況下處于一個(gè)較低水平。在纖維化的發(fā)生中β-連環(huán)蛋白導(dǎo)致纖維母細(xì)胞的活化并且造成多個(gè)器官系統(tǒng)的纖維化，因此GSK-3β可以通過(guò)抑制β-連環(huán)蛋白來(lái)抑制纖維化的發(fā)生。

在TGF-β1-SMAD-3依賴性信號(hào)通路中TGF-β1是有效的促纖維化因子，是纖維母細(xì)胞活化的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，并且在纖維化疾病中促進(jìn)異常的細(xì)胞外基質(zhì)的合成。TGF-β1信號(hào)通路主要分為SMAD依賴的經(jīng)典通路和SMAD非依賴性的或者非經(jīng)典通路，在SMAD依賴性通路中GSK-3β可以通過(guò)控制SMAD-3的穩(wěn)定性來(lái)調(diào)節(jié)TGF-β1信號(hào)通路，從而促進(jìn)纖維化表型的發(fā)生。

四、GSK-3β在纖維化發(fā)生、發(fā)展中的重要作用

纖維化不僅存在于心臟疾病的發(fā)生過(guò)程中，同樣也普遍存在于其他多種疾病的病理變化中，并且許多實(shí)驗(yàn)證明GSK-3β在纖維化發(fā)生、發(fā)展中起到了重要作用。Bergmann等[16]在體外培養(yǎng)纖維母細(xì)胞時(shí)發(fā)現(xiàn)GSK-3β參與纖維母細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化的調(diào)節(jié)以及參與纖維化發(fā)生的信號(hào)通路，使用GSK-3β抑制劑后引起了真皮纖維化的發(fā)生，實(shí)驗(yàn)中使用特異性的GSK-3β抑制劑SB216763與纖維母細(xì)胞共培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)Col1a1的合成和釋放增加，并且在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中使用GSK-3β抑制劑后同樣發(fā)現(xiàn)皮膚纖維化的增強(qiáng)，而GSK-3β抑制纖維化的過(guò)程可能與GSK-3β激活后抑制經(jīng)典的Wnt通路有關(guān)。Kapoor等[17]構(gòu)建了全身GSK-3β特異性敲除的小鼠模型，研究發(fā)現(xiàn)在皮膚受損后GSK-3β敲除組小鼠纖維產(chǎn)生增多，傷口愈合加快并且出現(xiàn)更多的瘢痕組織。實(shí)驗(yàn)證明了GSK-3β敲除后促進(jìn)了纖維母細(xì)胞的增殖以及向肌成纖維細(xì)胞的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)了纖維化的產(chǎn)生。以上研究都表明GSK-3β與纖維化的發(fā)生、發(fā)展有著密切的關(guān)系，同樣GSK-3β在心臟纖維化的發(fā)生、發(fā)展中也起著重要的作用。

五、展 望

隨著對(duì)纖維母細(xì)胞研究的不斷深入，纖維母細(xì)胞不僅僅是心臟生理病理發(fā)生中的非必需細(xì)胞，而恰恰相反的，越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)纖維母細(xì)胞積極地參與了心臟結(jié)構(gòu)和功能的塑造過(guò)程。并且由于纖維母細(xì)胞的聚集，塑造表型，與不同類型的細(xì)胞相互聯(lián)系，并且積極參與心臟結(jié)構(gòu)和電生理，心臟纖維母細(xì)胞被認(rèn)為是心臟修復(fù)和再生中的重要受體細(xì)胞。因此更好地了解纖維母細(xì)胞的表型和特征以及纖維化發(fā)生過(guò)程的特征對(duì)心臟各種疾病的治療具有更加重要的意義。而GSK-3β在心臟疾病的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮了重要的調(diào)控作用，尤其是在心臟纖維化的發(fā)生過(guò)程中，而目前對(duì)于GSK-3β在心臟疾病發(fā)生中的研究還不是非常徹底，尤其是在纖維化發(fā)生過(guò)程中，全身GSK-3β敲除模型甚至與纖維母細(xì)胞特異性GSK-3β敲除模型中得到不同甚至相反的結(jié)果，因此對(duì)GSK-3β發(fā)揮的根本作用需要更加深入的研究，而未來(lái)通過(guò)對(duì)GSK-3β干擾來(lái)治療心臟疾病以及心臟纖維化的發(fā)生具有更加廣泛的前景。