TGF-β信號(hào)通路在心力衰竭中的作用

康 伊，張 艷

(1.遼寧中醫(yī)藥大學(xué)研究生院，沈陽(yáng) 110032； 2.遼寧中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科，沈陽(yáng) 110032)

心力衰竭的主要誘因?yàn)樽笮氖已鬟^(guò)載或由急性心肌梗死引發(fā)的心肌損傷。血流負(fù)荷過(guò)重導(dǎo)致高血壓并引發(fā)心肌肥大，而心肌梗死初期導(dǎo)致心肌細(xì)胞死亡并引發(fā)殘余心肌細(xì)胞的代償性增大，最終產(chǎn)生纖維化和左心室擴(kuò)張。因此，由血流壓力過(guò)載和缺血引發(fā)的心臟重構(gòu)過(guò)程是不同的。雖然誘因不同，但心臟重構(gòu)均與一系列交感神經(jīng)系統(tǒng)激活和細(xì)胞因子釋放有關(guān)。轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)很早就被發(fā)現(xiàn)在心力衰竭患者中表達(dá)上調(diào)，這一現(xiàn)象在各種心力衰竭動(dòng)物模型中從心肌補(bǔ)償性肥大到心力衰竭階段均被再次觀察到[1]。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，TGF-β信號(hào)通路參與心力衰竭發(fā)展的各種過(guò)程，包括心肌肥大、心肌纖維化、心肌凋亡、炎癥和心肌干細(xì)胞的分化[2]。雖然TGF-β信號(hào)通路廣泛參與了心力衰竭過(guò)程，但全面抑制TGF-β信號(hào)通路并不能對(duì)阻止心力衰竭產(chǎn)生積極影響：在主動(dòng)脈狹窄后注射TGF-β Ⅰ 型受體抑制劑SM16雖然能減少心肌纖維化和心肌功能失調(diào)，但卻加劇了左心室擴(kuò)張和炎癥反應(yīng)并導(dǎo)致患者死亡率升高[3]；同時(shí)在心肌梗死后給予可溶性TGF-β Ⅱ 型受體也可通過(guò)降低免疫反應(yīng)導(dǎo)致致死率升高。現(xiàn)就TGF-β信號(hào)通路在心力衰竭中的作用予以闡述。

1 TGF-β信號(hào)通路概述

TGF-β信號(hào)通路主要通過(guò)TGF-β蛋白配體與特異性的異源四聚體受體(由TGF-βⅠ型受體和TGF-βⅡ型受體組成)結(jié)合并激活其絲氨酸/蘇氨酸激酶活性，進(jìn)而轉(zhuǎn)導(dǎo)信號(hào)[4]。TGF-βⅠ型受體和TGF-βⅡ型受體均是單次跨膜的受體蛋白，分別由胞外配體結(jié)合域和胞內(nèi)絲氨酸/蘇氨酸激酶結(jié)構(gòu)域組成，其中Ⅰ型受體包含7個(gè)蛋白[激活素受體樣激酶(activin receptor like kinase，ALK)1～ALK7]，ALK5也稱(chēng)為T(mén)GF-βⅠ型受體；而Ⅱ型受體家族由5個(gè)蛋白(TGF-βⅡ型受體、骨形成蛋白受體Ⅱ、激活素受體ⅡA、激活素受體ⅡB等)組成[4]。Ⅰ型受體中的TGF-βⅠ型受體/ALK5和ALK1與Ⅱ型受體中的TGF-βⅡ型受體主要介導(dǎo)TGF-β配體的信號(hào)通路，而ALK1/2/3/6和Ⅱ型受體中的骨形成蛋白受體Ⅱ、激活素受體ⅡA/B主要介導(dǎo)骨形成蛋白配體信號(hào)通路[5-7]。通常TGF-β配體主要結(jié)合TGF-βⅡ型受體二聚體和TGF-βⅠ型受體二聚體的復(fù)合物，并促使TGF-βⅡ型受體磷酸化TGF-βⅠ型受體的GS結(jié)構(gòu)域，激活TGF-βⅠ型受體的絲/蘇氨酸激酶活性，進(jìn)而磷酸化下游的轉(zhuǎn)錄因子Smad2和Smad3[8]。磷酸化Smad2和Smad3與Smad4結(jié)合轉(zhuǎn)入細(xì)胞核內(nèi)，與轉(zhuǎn)錄共激活因子p300和CREB結(jié)合蛋白一起激活TGF-β信號(hào)通路的靶基因，或通過(guò)轉(zhuǎn)錄共抑制因子c-Ski(sloan-kettering institute proto-oncogene)和SnoN(ski-related novel gene N)抑制靶基因的轉(zhuǎn)錄[8-9]。同時(shí)，在內(nèi)皮細(xì)胞中TGF-β配體還可以結(jié)合ALK1和TGF-βⅡ型受體復(fù)合物，進(jìn)而磷酸化激活Smad1/5/8轉(zhuǎn)錄因子，與Smad4結(jié)合轉(zhuǎn)位進(jìn)入細(xì)胞核調(diào)控不同于Smad2/3/4復(fù)合物的靶基因轉(zhuǎn)錄。

除ALK5-Smad2/3或ALK1-Smad1/5/8的經(jīng)典信號(hào)通路外，TGF-β還可通過(guò)非經(jīng)典的信號(hào)通路(即非依賴(lài)Smad信號(hào)通路)調(diào)控心臟重構(gòu)。TGF-β通過(guò)TGF-βⅡ型受體可以直接磷酸化激活TGF-β激活激酶1(transforming growth factor-β-activated kinase 1，TAK1)，進(jìn)而激活下游的c-Jun、c-Jun氨基端激酶和p38磷酸激酶。此外，TGF-β還可以激活胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶、磷脂酰肌醇-3-激酶和小G蛋白激酶，進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞凋亡、線粒體功能和微RNA表達(dá)，最終影響心肌收縮功能和心肌纖維化[10]。

2 TGF-β信號(hào)通路通過(guò)調(diào)控血管內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞功能誘導(dǎo)心力衰竭

TGF-β信號(hào)通路對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞功能的影響是多向性的，內(nèi)皮細(xì)胞表面主要表達(dá)TGF-βⅠ型受體/ALK5受體，但同時(shí)也表達(dá)ALK1受體，且只在高水平TGF-β配體存在時(shí)結(jié)合。而ALK5和ALK1這兩個(gè)不同的Ⅰ型受體介導(dǎo)了不同的內(nèi)皮細(xì)胞功能。因?yàn)锳LK5和ALK1對(duì)誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子表達(dá)的作用截然相反，由此形成TGF-β信號(hào)通路對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞增殖、遷移及血管新生的復(fù)雜影響[11]。

TGF-β信號(hào)通路的抗血管新生作用主要由TGF-βⅡ型受體和ALK5受體介導(dǎo)。持續(xù)在內(nèi)皮細(xì)胞中過(guò)表達(dá)ALK5將抑制內(nèi)皮細(xì)胞增殖和遷移，并促進(jìn)血漿纖溶酶原激活物抑制劑1表達(dá)；而使用ALK5特異性小分子抑制劑SB-431542，將刺激內(nèi)皮細(xì)胞增殖和體外血管形成[12]。TGF-β-ALK5信號(hào)抑制血管新生的作用也被諸多體內(nèi)實(shí)驗(yàn)所證實(shí)[13-15]，敲除TGF-β1、TGF-βⅠ型受體/ALK5受體或TGF-βⅡ型受體的小鼠均由于卵黃囊血管叢形成異常而死于胚胎期10.5 d左右[16]。體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)均證實(shí)，TGF-β-ALK5信號(hào)通路能夠維持內(nèi)皮細(xì)胞處于靜息狀態(tài)且對(duì)血管網(wǎng)絡(luò)成熟是必需的[17]。

TGF-β信號(hào)通路對(duì)血管新生的促進(jìn)作用主要通過(guò)TGF-β-ALK1-內(nèi)皮糖蛋白(Endoglin)信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)，TGF-β通過(guò)結(jié)合TGF-βⅡ型受體、ALK1和Ⅲ型受體Endoglin可以促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、遷移和管腔形成[18]，且利用腺病毒穩(wěn)定表達(dá)ALK1也可以促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和形成內(nèi)皮細(xì)胞管腔狀結(jié)構(gòu)。研究顯示，ALK1可存在于質(zhì)膜微囊結(jié)構(gòu)中與窖蛋白1相互作用，促進(jìn)ALK1-Smad1/5/8信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，進(jìn)而抑制ALK5-Smad2/3信號(hào)通路[19]。在小鼠胰腺癌模型中，雜合型ALK1+/-小鼠腫瘤中的血管密度降低[20]。以上證據(jù)表明，ALK1信號(hào)通路與促進(jìn)血管形成和保持內(nèi)皮細(xì)胞激活狀態(tài)有關(guān)。

Endoglin在內(nèi)皮細(xì)胞中高度表達(dá)，并在平衡TGF-β信號(hào)通路促進(jìn)或抑制血管新生過(guò)程中扮演重要角色[21]。其能夠促進(jìn)TGF-β-ALK1-Smad1/5信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的激活，從而抑制TGF-β通過(guò)ALK5磷酸化激活Smad2/3[22]。敲除Endoglin的純合子小鼠在胚胎期11.5 d死亡，并表現(xiàn)出卵黃囊和胚胎血管形成缺陷，表明Endoglin在胚胎期在促進(jìn)血管形成中有重要作用[23]。

在心力衰竭病理進(jìn)展過(guò)程中，內(nèi)皮細(xì)胞中的TGF-β信號(hào)通路主要通過(guò)TGF-β-ALK1-Endoglin信號(hào)通路增加血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和血管緊張素轉(zhuǎn)換酶、內(nèi)皮素等內(nèi)皮因子的分泌，導(dǎo)致血管舒縮活性改變，最終引發(fā)心肌肥大和心臟重構(gòu)，從而加劇心力衰竭的病理進(jìn)展[24]。

TGF-β信號(hào)通路除對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞具有調(diào)控作用外，還對(duì)周細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞(vascular smooth muscle cells，VSMCs)具有濃度依賴(lài)的調(diào)控作用。適中濃度的TGF-β刺激VSMCs可以促進(jìn)其增殖并誘導(dǎo)血小板衍生生長(zhǎng)因子的表達(dá)，但高濃度的TGF-β會(huì)抑制VSMCs的增殖，且提高Smad3的蛋白水平可以促使高濃度TGF-β的抑制作用轉(zhuǎn)化為促進(jìn)作用[25]。高濃度TGF-β對(duì)VSMCs的增殖抑制主要通過(guò)非經(jīng)典TGF-β信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)，其誘導(dǎo)G0/G1期細(xì)胞阻滯需要依賴(lài)p38促分裂原活化的蛋白激酶信號(hào)通路的活性[26]。當(dāng)血清剝奪后，TGF-β既可誘導(dǎo)也能抑制VSMCs細(xì)胞凋亡，這取決于VSMCs的細(xì)胞生理狀態(tài)，如細(xì)胞外基質(zhì)的相互作用。此外，TGF-β還可通過(guò)誘導(dǎo)神經(jīng)鈣黏素的表達(dá)抑制VSMCs遷移，并通過(guò)調(diào)節(jié)RhoA蛋白活性調(diào)控VSMCs的肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架[27]。

同時(shí)，TGF-β信號(hào)通路也可誘導(dǎo)VSMCs的分化，顯著誘導(dǎo)α平滑肌肌動(dòng)蛋白、鈣調(diào)節(jié)蛋白1和VSMC1A等VSMCs分化特異性基因的表達(dá)[28]。TGF-β誘導(dǎo)這些特異性基因表達(dá)主要依賴(lài)Smad2和Smad3，以及血清應(yīng)答因子和心肌蛋白共同作用。其誘導(dǎo)VSMCs分化主要通過(guò)激活Smad2/3和p38促分裂原活化的蛋白激酶，而RhoA激酶在此過(guò)程中發(fā)揮重要作用，抑制RhoA激酶活性可以阻止TGF-β誘導(dǎo)的VSMCs分化。體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)表明，敲除或使用小分子抑制劑干擾Smad2/3功能均能顯著抑制VSMCs增殖、遷移和下調(diào)肌肉收縮靶基因表達(dá)[29]。而VSMCs的分化影響和控制了血管的直徑及血流動(dòng)力學(xué)變化，最終導(dǎo)致血管血流過(guò)載，加重心臟的負(fù)擔(dān)，誘發(fā)心臟重構(gòu)和慢性心力衰竭。

3 TGF-β-TAK1信號(hào)通路通過(guò)促進(jìn)心肌肥大誘導(dǎo)心力衰竭

TGF-β在心力衰竭過(guò)程中起促進(jìn)心肌肥大、心肌凋亡和心肌纖維化的作用，其中TAK1主要介導(dǎo)了TGF-β促進(jìn)心肌肥大的作用。在動(dòng)物主動(dòng)脈狹窄模型中，TAK1的表達(dá)顯著上調(diào)，過(guò)表達(dá)TAK1的轉(zhuǎn)基因小鼠表現(xiàn)出心肌肥大的表型[30]。且在血管緊張素Ⅱ誘發(fā)心肌細(xì)胞肥大的體外實(shí)驗(yàn)中，利用小干擾RNA敲減TAK1可以顯著阻止血管緊張素Ⅱ引發(fā)的心肌肥大，而敲減Smad2/3不能逆轉(zhuǎn)這一過(guò)程，表明Smads通路并不介導(dǎo)血管緊張素Ⅱ誘發(fā)的心肌肥大病理過(guò)程[31]。在細(xì)胞水平上，肥大的心肌細(xì)胞表面積與重量比明顯下降，而細(xì)胞表面的胞膜是Na+-Ca2+離子轉(zhuǎn)運(yùn)的必經(jīng)部位，因此細(xì)胞表面積與體積比降低導(dǎo)致細(xì)胞表面Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)能力減弱，細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平降低，從而影響心肌細(xì)胞收縮能力，使心肌細(xì)胞長(zhǎng)期功能低下，最終引發(fā)心力衰竭[32]。

此外，TAK1還具有抗程序性死亡和抗壞死的作用。在TGF-β刺激下，TAK1可以結(jié)合受體相互作用蛋白1，進(jìn)而阻止受體相互作用蛋白1與其他死亡信號(hào)通路關(guān)鍵蛋白的相互作用，如抑制受體相互作用蛋白1與胱天蛋白酶8和RIP3的結(jié)合，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡和細(xì)胞壞死減少[33]。

4 TGF-β信號(hào)通路通過(guò)促進(jìn)心肌纖維化加劇心力衰竭

心肌纖維化是心力衰竭的重要誘因，幾乎發(fā)生于所有心力衰竭患者中，其可以促進(jìn)室壁僵硬程度增加、心肌細(xì)胞比例減少，進(jìn)而導(dǎo)致收縮障礙和電偶聯(lián)障礙。心肌纖維化可分為填空型纖維化和修復(fù)型纖維化，其中填空型纖維化不伴隨心肌細(xì)胞的丟失，而修復(fù)型纖維化常發(fā)生在心肌梗死后并導(dǎo)致纖維斑塊的形成[34]。心肌纖維化形成與局部TGF-β表達(dá)水平升高密切相關(guān)，如心肌肥大、擴(kuò)張型心肌病、主動(dòng)脈狹窄均能誘導(dǎo)TGF-β1表達(dá)水平升高[35]。利用基因工程小鼠可以研究不同TGF-β通路組成部分對(duì)心肌纖維化和心力衰竭的作用。在小鼠肝臟中，過(guò)表達(dá)TGF-β1配體可以導(dǎo)致血液循環(huán)系統(tǒng)中TGF-β1水平升高，進(jìn)而引發(fā)小鼠心肌肥大和填空型纖維化[36]；而在敲除TGF-β1基因的小鼠或注射中和TGF-β1抗體的野生型小鼠中，血流過(guò)載引發(fā)的膠原纖維積累損傷明顯減弱，進(jìn)而改善心肌擴(kuò)張失能現(xiàn)象。且通過(guò)表達(dá)可溶性的TGF-βⅡ型受體抑制TGF-β信號(hào)通路可以抑制心肌纖維化并改善心肌功能，而通過(guò)表達(dá)失活型TGF-βⅡ型受體抑制TGF-β信號(hào)通路雖然也能改善心肌纖維化，但卻導(dǎo)致左心室擴(kuò)張和擴(kuò)張性功能失調(diào)[37]。此外，使用小分子抑制劑抑制ALK5的活性可同時(shí)改善心肌纖維化和心肌功能[38]。

同時(shí)，TGF-β信號(hào)通路Ⅲ型受體Endoglin也參與了心肌纖維化：過(guò)表達(dá)Endoglin的轉(zhuǎn)基因小鼠可以增強(qiáng)血管緊張素Ⅱ誘發(fā)的心肌纖維化，而注射可溶性Endoglin能有效抑制主動(dòng)脈狹窄引發(fā)的心肌纖維化，并延緩心力衰竭的發(fā)生[39]。此外，在左心室中過(guò)表達(dá)非編碼RNA微RNA-208a能增加Endoglin的表達(dá)，進(jìn)而在血流過(guò)載時(shí)誘發(fā)心肌肥大[40]；而雜合子Endoglin+/-轉(zhuǎn)基因小鼠在右心室血流過(guò)載后，心肌纖維化水平和死亡率均降低[41]。與Ⅲ型受體功能一致，Smad3缺失可以在左心室血流過(guò)載發(fā)生后降低填空型纖維化并表現(xiàn)出細(xì)胞外膠原沉積減少，而在缺失Smad3基因的纖維細(xì)胞中TGF-β信號(hào)誘導(dǎo)的成肌纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化和膠原纖維合成均明顯受到抑制[42]。心肌纖維化可使心肌細(xì)胞外基質(zhì)中的Ⅰ型和Ⅲ型膠原沉積，進(jìn)而導(dǎo)致心肌細(xì)胞間興奮電偶聯(lián)失活，心肌細(xì)胞整體協(xié)作性和收縮性下降，最終導(dǎo)致心臟重構(gòu)和心力衰竭。且心肌細(xì)胞纖維化還能加重殘余心肌細(xì)胞負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致殘余心肌細(xì)胞出現(xiàn)代償性增大，因此心肌纖維化和心肌肥大常協(xié)同出現(xiàn)[43]。

除心肌纖維化外，TGF-β信號(hào)通路還對(duì)血流過(guò)載引發(fā)的心肌肥大具有重要作用。在先天性心肌肥大患者中，TGF-β1蛋白水平明顯升高，與此一致的是TGF-β1配體過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)基因小鼠也表現(xiàn)出心肌細(xì)胞肥大的特征。TGF-β1誘導(dǎo)的心肌肥大與β腎上腺素受體的密度過(guò)高相關(guān)，而使用β腎上腺素受體阻斷劑可以治療TGF-β1轉(zhuǎn)基因小鼠的心肌肥大癥狀[44]。此外，血管緊張素Ⅱ也可通過(guò)誘導(dǎo)TGF-β1的過(guò)表達(dá)引發(fā)心肌肥大，而TGF-β1基因敲除小鼠可以阻止由血管緊張素Ⅱ誘發(fā)的心肌肥大[45]。

5 TGF-β信號(hào)通路作為心力衰竭治療靶點(diǎn)的前景

TGF-β信號(hào)通路調(diào)控一系列從心肌梗死到血流過(guò)載引發(fā)心力衰竭的生理和病理過(guò)程，如激活TGF-β信號(hào)通路可以在心肌梗死發(fā)生后促進(jìn)切口愈合、促進(jìn)成肌纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)換和誘導(dǎo)血管新生[46]，但延長(zhǎng)TGF-β信號(hào)活性持續(xù)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)過(guò)度沉積，進(jìn)而影響正常組織結(jié)構(gòu)和功能。臨床研究表明，在心肌梗死發(fā)生前或后立即抑制TGF-β信號(hào)通路會(huì)導(dǎo)致心肌功能惡化并增加死亡率，而在心肌梗死發(fā)生后24 h抑制TGF-β信號(hào)通路會(huì)改善心肌功能并降低由心肌梗死引發(fā)的心力衰竭發(fā)病率。

TGF-β信號(hào)通路除調(diào)控心肌纖維化和心肌肥大等病理過(guò)程外，還參與免疫和炎癥調(diào)控過(guò)程，并作為單核細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的直接招募者。這使得廣泛或完全抑制TGF-β信號(hào)通路將產(chǎn)生嚴(yán)重的免疫調(diào)控不良反應(yīng)、血管新生抑制、腫瘤監(jiān)控體系隱患和創(chuàng)傷愈合障礙等嚴(yán)重威脅患者生存質(zhì)量的副反應(yīng)。因此，開(kāi)發(fā)通過(guò)抑制TGF-β信號(hào)通路治療心力衰竭的療法必須精確設(shè)計(jì)調(diào)控TGF-β信號(hào)通路的具體靶點(diǎn)和對(duì)交叉領(lǐng)域功能影響的評(píng)估，在降低心肌纖維化和改善心肌功能的同時(shí)盡量減少其他負(fù)面影響并綜合考慮各方面影響，精確設(shè)計(jì)用量和使用時(shí)間。目前，隨著大規(guī)?；蚬δ芎Y選技術(shù)的出現(xiàn)，將為尋找精確調(diào)控TGF-β信號(hào)通路分子靶點(diǎn)提供技術(shù)支持。相信未來(lái)會(huì)尋找到既能改善心肌功能、降低心肌纖維化，同時(shí)又不影響免疫功能和心肌創(chuàng)傷修復(fù)的TGF-β信號(hào)通路精準(zhǔn)調(diào)控因子。

6 小 結(jié)

TGF-β信號(hào)通路在心力衰竭的病理過(guò)程中發(fā)揮重要作用。其對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞和VSMCs均具有復(fù)雜、濃度依賴(lài)的多向性調(diào)控作用，且TGF-β信號(hào)通路廣泛參與了從心肌纖維化、心肌肥大到心肌梗死創(chuàng)傷愈合、免疫反應(yīng)等誘導(dǎo)心力衰竭的多個(gè)病理過(guò)程。目前，開(kāi)發(fā)具有針對(duì)性的TGF-β信號(hào)通路抑制劑治療心力衰竭面臨靶點(diǎn)選擇、不良反應(yīng)多元化等困難，但隨著基因編輯、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞等新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，利用成簇規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列及其相關(guān)蛋白9系統(tǒng)鑒定精細(xì)化調(diào)控TGF-β信號(hào)通路的藥物靶點(diǎn)和分子，及利用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞尋找TGF-β信號(hào)通路調(diào)控心肌細(xì)胞分化這兩個(gè)方面表現(xiàn)出巨大前景。未來(lái)隨著技術(shù)進(jìn)步，將開(kāi)發(fā)出更多可精確調(diào)控TGF-β信號(hào)通路治療心力衰竭的新靶點(diǎn)。