Gremlin與肺動(dòng)脈高壓

張?jiān)葡?繆冉 翟振國(guó) 王辰

1首都醫(yī)科大學(xué)呼吸病學(xué)系 北京市呼吸和肺循環(huán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室100020;2國(guó)家呼吸病學(xué)臨床研究中心 中日友好醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科,北京100029;3中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院,北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院100029

肺動(dòng)脈高壓 (pulmonary hypertension,PH)是一種由異源性疾病和不同發(fā)病機(jī)制引起的以肺動(dòng)脈壓力增高為主要表現(xiàn)的疾病狀態(tài),嚴(yán)重者出現(xiàn)右心衰竭,預(yù)后差[1]。Gremlin是一種細(xì)胞外糖蛋白,作為骨形態(tài)形成蛋白 (bone morphogenetic protein,BMP)的拮抗劑,在胚胎氣道和肺循環(huán)發(fā)育中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。最近,大量研究表明Gremlin與PH 發(fā)病密切相關(guān)。本文將綜合分析Gremlin在PH 發(fā)生發(fā)展中的作用,為今后PH 的研究提供方向。

1 PH與Gremlin概述

PH 的血流動(dòng)力學(xué)診斷標(biāo)準(zhǔn)為：海平面、靜息狀態(tài)、右心導(dǎo)管檢查平均肺動(dòng)脈壓≥25 mmHg (1 mmHg=0.133 kPa)。根據(jù)病理、病理生理、治療策略的不同,PH 可分為動(dòng)脈性肺動(dòng)脈高壓 (pulmonary arterial hypertension,PAH)、左心疾病所致肺動(dòng)脈高壓、肺部疾病和 (或)低氧所致肺動(dòng)脈高壓 (PH due to lung disease/hypoxemia,HPH)、 慢性血栓栓塞性肺動(dòng)脈高壓 (chronic thromboembolic pulmonary hypertension,CTEPH)及其他肺動(dòng)脈阻塞性疾病、多種機(jī)制相關(guān)的PH 5類[2]。

PH 發(fā)病的病理學(xué)基礎(chǔ)為肺動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙、平滑肌細(xì)胞增殖、成纖維細(xì)胞增生、細(xì)胞外基質(zhì)沉積、炎癥細(xì)胞聚集等導(dǎo)致的肺血管重塑?；蛲蛔儭h(huán)境因素、代謝功能改變、炎癥反應(yīng)、表觀遺傳學(xué)差異、血管生成過程改變均在PH 的發(fā)病過程中發(fā)揮重要作用[3]。

Gremlin是一種高度保守的糖蛋白,由184 個(gè)氨基酸組成,相對(duì)分子質(zhì)量大小為20 700。人Gremlin 基因(GREM1)位于染色體15q13-q15。作為BMP 拮抗劑,細(xì)胞內(nèi)的Gremlin 在高爾基體內(nèi)與BMP 前體結(jié)合,抑制BMP分泌。分泌至胞外的Gremlin 既可以連接在細(xì)胞表面,也可以存在于細(xì)胞間質(zhì),以不同的親和力與不同類型的BMP成員 (主要為BMP2、BMP4、BMP7)非共價(jià)結(jié)合,阻止BMP結(jié)合其同源受體,從而改變了激活狀態(tài)信號(hào)分子的有效濃度[4-5]。BMP 是轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β (transform growth factor-β,TGF-β)超家族中的重要成員。它通過調(diào)節(jié)一系列下游基因的活性,控制著許多重要的生物學(xué)過程。BMP信號(hào)傳遞主要通過Smad信號(hào)通路,BMP與細(xì)胞膜上的特異性受體結(jié)合,Ⅱ型受體 (bone morphogenetic protein type-Ⅱreceptor,BMPR-Ⅱ)能夠活化Ⅰ型受體 (BMPR-Ⅰ),進(jìn)一步將信號(hào)傳遞給細(xì)胞內(nèi)的Smad 分子?；罨腂MPR-Ⅰ進(jìn)一步磷酸化Smad1/5/8 蛋白,與Smad4 結(jié)合形成復(fù)合物,在核孔蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)下進(jìn)入細(xì)胞核,Smad多元復(fù)合物在其他DNA 結(jié)合蛋白的參與下作用于特異的靶基因,調(diào)控靶基因的轉(zhuǎn)錄[6]。此外,Gremlin還能夠與內(nèi)皮細(xì)胞表面的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子受體2 (vascular endothelial growth factor receptor 2,VEGFR2)受體結(jié)合,或者細(xì)胞表面的裂隙孔蛋白結(jié)合,以BMP非依賴的方式發(fā)揮作用。

Gremlin在肺臟中主要表達(dá)于內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、肺泡上皮細(xì)胞、肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞[4]。Gremlin與BMP 之間的平衡對(duì)于肺臟正常發(fā)育十分重要,Gremlin表達(dá)過低或者過高都可引起肺部異常。研究表明,Gremlin可能在PH 的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用。PAH 患者血清中Gremlin-1表達(dá)增加,且與6 min 步行距離成負(fù)相關(guān),Gremlin-1＞242μg/L的PAH 患者病死率較高,Gremlin-1成為提示PAH 患者預(yù)后的重要生物標(biāo)志物[7]。特發(fā)性肺動(dòng)脈高壓 (idiopathic pulmonary arterial hypertension,IPAH)患者肺組織中Gremlin蛋白呈現(xiàn)高表達(dá)[8]。在低氧PH 模型中,Gremlin 在肺組織和右心組織中的表達(dá)均增高;增強(qiáng)的Gremlin抑制了BMP信號(hào)通路功能,導(dǎo)致PH發(fā)生[9]。

2 Gremlin與肺動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞

血管內(nèi)皮細(xì)胞是保證血管正常舒縮,維持血管張力,調(diào)節(jié)血壓的基礎(chǔ)。內(nèi)皮細(xì)胞損傷可破壞內(nèi)皮屏障,使肺血管中層直接暴露于血液循環(huán)中的炎癥因子及生長(zhǎng)因子,且內(nèi)皮細(xì)胞分泌保護(hù)性物質(zhì)進(jìn)一步減少,從而觸發(fā)PH 的發(fā)生[10]。低氧是PH 的重要臨床表現(xiàn)和刺激因素,肺血管內(nèi)皮細(xì)胞在缺氧時(shí)的表現(xiàn)具有器官特異性。采用基因芯片的方法檢測(cè)肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞和心臟微血管內(nèi)皮細(xì)胞的在低氧條件下基因表達(dá)差異,發(fā)現(xiàn)GREM1基因在肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞中表達(dá)增加,而在心血管表達(dá)幾乎不變。進(jìn)一步在缺氧小鼠模型中進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果顯示缺氧時(shí)小鼠肺組織Gremlin 表達(dá)增加,而心臟、腎臟、肝臟、脾臟組織Gremlin表達(dá)未見明顯增加,這種Gremlin表達(dá)差異部分解釋了肺血管床是唯一在低氧時(shí)肺血管阻力增加的器官這一現(xiàn)象[11]。此外,肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞分泌的Gremlin,可與BMP結(jié)合,抑制Smad1/5/8 磷酸化從而阻礙肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞的損傷修復(fù)和再生[11-12]。

內(nèi)皮細(xì)胞間質(zhì)轉(zhuǎn)化(endothelial-mesenchymal transition,En MT)是指內(nèi)皮細(xì)胞丟失內(nèi)皮特性而獲得間質(zhì)細(xì)胞特性的過程。內(nèi)皮細(xì)胞在缺氧、炎癥、機(jī)械刺激下可以發(fā)生細(xì)胞間質(zhì)轉(zhuǎn)化促進(jìn)PH 過程中肺血管重構(gòu)。En MT 的發(fā)生機(jī)制與上皮細(xì)胞間質(zhì)轉(zhuǎn)化相似[13]。研究表明,TGF-β可以促進(jìn)上皮細(xì)胞間質(zhì)轉(zhuǎn)化[14]。Gremlin表達(dá)增加,可以抑制BMP信號(hào)通路作用,而TGF-β和BMP通路相互制衡,BMP 信號(hào)通路減弱,則TGF-β通路相應(yīng)增強(qiáng),從而促進(jìn)上皮細(xì)胞間質(zhì)轉(zhuǎn)化。TGF-β也可以刺激內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生間質(zhì)轉(zhuǎn)化,Gremlin在內(nèi)皮細(xì)胞間質(zhì)轉(zhuǎn)化中很有可能發(fā)揮著同樣的作用[15]。

3 Gremlin與肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞

肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞增殖、遷移和凋亡在PH 血管重構(gòu)中發(fā)揮重要作用。研究表明,Gremlin在IPAH 患者肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞中表達(dá)增加,血管緊張素Ⅱ、轉(zhuǎn)化因子β1、血小板源性生長(zhǎng)因子、內(nèi)皮素可以提高Gremlin在血管平滑肌細(xì)胞中的表達(dá)含量。用內(nèi)皮素刺激肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞,可以引起Gremlin表達(dá)增加,BMP4 表達(dá)降低,從而抑制Smad1/5/8、DNA 結(jié)合蛋白1 (DNA binding 1,Id1)的表達(dá),增強(qiáng)p38MAPK 活性,促進(jìn)肺動(dòng)脈動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞增殖,抑制其凋亡[8]。

在體循環(huán)動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞中,Gremlin可以與BMP2、BMP4結(jié)合,抑制Smad1/5/8 磷酸化及Id1 基因表達(dá),抑制動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞DNA 合成,促進(jìn)增殖和遷移,而干擾GREM1基因表達(dá),可以逆轉(zhuǎn)該過程[16]。Gremlin 還可以通過與BMP結(jié)合,增強(qiáng)半胱氨酸蛋白酶3 (Caspase-3)含量,誘導(dǎo)血管平滑肌細(xì)胞凋亡,用GREM1基因干擾RNA轉(zhuǎn)染平滑肌細(xì)胞,可以有效抑制其凋亡,但是加入BMP只能部分抑制凋亡,提示其他信號(hào)通路也參與Gremlin誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[17]。Gremlin單獨(dú)作用對(duì)肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞增殖、遷移的影響有待進(jìn)一步研究。但是研究已表明BMP可以抑制肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞的增殖和遷移,所以作為BMP的拮抗劑,Gremlin很可能通過抑制BMP/Smad通路從而促進(jìn)肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞的增殖、遷移,從而參與肺血管重構(gòu)[18]。

4 Gremlin與炎癥細(xì)胞

血管周圍炎癥細(xì)胞如巨噬細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、中性粒細(xì)胞聚積是PH 的主要病理表現(xiàn)之一,炎癥細(xì)胞因子如IL-6、IL-1β、單核細(xì)胞趨化蛋白1 (monocyte chemotactic protein-1,MCP-1)、巨噬細(xì)胞炎癥蛋白1α(macrophage inflammatory protein-1α,MIP-1α)等分泌增加,參與肺血管重構(gòu)[19]。研究表明,Gremlin在單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中表達(dá)[20],通過與巨噬細(xì)胞遷移抑制因子結(jié)合,調(diào)節(jié)單核細(xì)胞功能,抑制單核細(xì)胞滲出及浸潤(rùn)[21]。Gremlin還可以直接與細(xì)胞表面的裂孔膜蛋白結(jié)合,抑制單核細(xì)胞的遷移,使單核細(xì)胞在受損傷肺組織周圍長(zhǎng)期聚積,加重炎癥反應(yīng)[22]。Gremlin與VEGFR2結(jié)合,誘導(dǎo)趨化因子、黏附分子、細(xì)胞因子表達(dá),促進(jìn)炎癥細(xì)胞如淋巴細(xì)胞、單核細(xì)胞浸潤(rùn)[23]。PH 中Gremlin表達(dá)增加,可能通過以上途徑參與炎癥反應(yīng),引起肺血管重構(gòu)。

5 Gremlin與細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)沉積

在PH 發(fā)生過程,肺組織的ECM 如膠原、彈力蛋白、纖維結(jié)合素以及黏膠素增多,過度沉積,形成肺血管病理性重構(gòu)[24]。研究表明,BMP4 可以抑制 TGF-β 誘導(dǎo)的ECM 沉積,而Gremlin-1可以與BMP4結(jié)合,抑制BMP4的該功能,誘導(dǎo)Ⅰ型、Ⅳ型膠原、彈力蛋白、粘連蛋白的表達(dá)。用Gremlin刺激肺上皮細(xì)胞,可以增加結(jié)締組織生長(zhǎng)因子、纖溶酶原激活物抑制物的含量,引起細(xì)胞外基質(zhì)沉積,最終參與PH 的血管重構(gòu)過程[25-27]。

ECM 處在不斷代謝更新、降解重構(gòu)的過程中,基質(zhì)金屬蛋白酶 (matrixmetalloproteinase,MMPs)是溶解ECM最為重要的酶。MMPs的水解活性受其內(nèi)源性組織抑制因子 (tissue inhibitor of metalloproteinases,TIMPs)的嚴(yán)密調(diào)控。正常情況下MMPs和TIMPs保持適當(dāng)?shù)谋壤?使ECM 的分泌和降解處于動(dòng)態(tài)平衡中。在PH 發(fā)生過程中,這種平衡遭到破壞,ECM 過度沉積,從而發(fā)生肺血管重構(gòu)。TGF-β/BMP可通過激活下游的Smad及其信號(hào)蛋白的生成,調(diào)節(jié) MMP 的 mRNA 表達(dá),從而調(diào)節(jié) MMPs 與TIMPs平衡[28]。Gremlin 作為 BMP 拮抗劑,通過調(diào)節(jié)MMPs與TIMPs平衡,影響細(xì)胞外基質(zhì)沉積過程。

6 Gremlin參與血管生成

在PH 多種病理改變?nèi)缧律鷥?nèi)膜形成中均存在血管生成改變,與患者預(yù)后密切相關(guān)[19]。在體和離體實(shí)驗(yàn)均表明,Gremlin直接與VEGFR2結(jié)合,促進(jìn)人微血管內(nèi)皮細(xì)胞血管生成[29]。Gremlin還可以通過非依賴BMP通路的方式,與人微血管內(nèi)皮細(xì)胞結(jié)合,促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞遷移、侵襲,參與肺血管生成過程[30]。Gremlin與肺血管生成的研究目前仍較少,有待進(jìn)一步深化研究。

7 前景與展望

綜上,Gremlin通過抑制肺動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞損傷修復(fù)、促進(jìn)平滑肌細(xì)胞增殖、遷移,細(xì)胞外基質(zhì)沉積及炎癥細(xì)胞浸潤(rùn),參與PH 的發(fā)生發(fā)展過程。但具體的分子機(jī)制并不十分明確,深入研究Gremlin參與PH 疾病過程的相關(guān)信號(hào)通路,是今后研究的重要方向。研究表明,Gremlin 抗體可以改善低氧PH 小鼠模型的肺血管阻力數(shù)值及肺血管重構(gòu)程度[30],提示Gremlin可能成為PH 治療的新的靶點(diǎn),而Gremlin抗體有可能成為新的PH 靶向治療藥物。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突