Hedgehog通路在急性心肌梗死后血管再生及細(xì)胞保護(hù)中的作用*

董彬昌 岳佳敏 徐會(huì)圃

濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科 濱州 256603

Hedgehog(Hh)基因于1980年首次在果蠅體內(nèi)發(fā)現(xiàn)，該基因被歸類為分節(jié)基因，是一種編碼過(guò)度保守的糖蛋白。果蠅胚胎在該基因突變后成多毛團(tuán)狀，形似受驚嚇的刺猬因而得名。Hedgehog信號(hào)通路通常以惰性狀態(tài)存在于脊椎動(dòng)物和非脊椎動(dòng)物中，在表達(dá)上高度保守，但在許多生物體生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中起著不可或缺的作用[1]。近年研究證實(shí)，Hedgehog信號(hào)通路在很多器官可以促進(jìn)血管再生及發(fā)揮組織修復(fù)作用[2]，在成人心血管系統(tǒng)里，Hedgehog信號(hào)通路主要參與動(dòng)脈血管的形成并且促進(jìn)血管再生，心肌梗死后，該信號(hào)通路可以在缺氧條件下引起細(xì)胞自噬，并且能夠延長(zhǎng)心肌細(xì)胞存活時(shí)間[3]。本文就Hedgehog信號(hào)通路在心血管系統(tǒng)的形成、心肌梗死后血管再生以及促進(jìn)心梗心肌細(xì)胞存活中的作用進(jìn)行綜述。

1 Hedgehog信號(hào)通路的組成

Hedgehog信號(hào)通路由配體Hedgehog(Hh)、膜蛋白受體Patched(Ptc)與 Smoothened(Smo)、膠質(zhì)母細(xì)胞瘤轉(zhuǎn)錄因子(glioblastoma transcriptional factor，Gli)及下游靶基因組成。配體Hedgehog屬于分泌型糖蛋白，在脊椎動(dòng)物中Hedgehog家族由Indian hedgehog(Ihh)、Sonic hedgehog(Shh)和Desert hedgehog(Dhh)3種配體組成[4]，其中Ihh表達(dá)于內(nèi)臟及軟骨細(xì)胞[5]，Dhh表達(dá)于間質(zhì)細(xì)胞，而Shh廣泛表達(dá)于多個(gè)發(fā)育過(guò)程，是最具典型特征的一個(gè)分支。 Ptc和Smo均為Hedgehog下游細(xì)胞膜上的重要受體。Ptc在人體中有Ptc1、 Ptc2 2種類型，作為一種12次跨膜蛋白其中Ptc1在人體中表達(dá)更多，既能夠結(jié)合 Hedgehog配體，又能夠抑制Smo，具有雙重功能。當(dāng)Hedgehog信號(hào)通路被外來(lái)因素(如缺血、缺氧)激活時(shí)其自身便會(huì)與Ptc1結(jié)合，使Ptc1不能夠?qū)mo起到抑制作用，此時(shí)下游的靶基因逐步被激活；當(dāng)Hedgehog信號(hào)不能夠被激活時(shí)，Ptc1與Smo結(jié)合從而抑制下游信號(hào)的傳導(dǎo)。Smo隸屬于G蛋白偶聯(lián)受體家族，結(jié)構(gòu)上為一種7次跨膜蛋白，在信號(hào)通路內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及下游靶基因激活中起到關(guān)鍵性作用，Hedgehog、 Ptc等因素會(huì)影響Smo的功能表達(dá)。Gli作為一種多功能轉(zhuǎn)錄因子，大多存在于細(xì)胞核及細(xì)胞質(zhì)，起到傳遞信號(hào)并激活下游目的基因表達(dá)的作用。在脊椎動(dòng)物有Gli1、Gli2和Gli3 三種核轉(zhuǎn)錄因子，并各司其職。Gli1在轉(zhuǎn)錄上起主要功能，能夠轉(zhuǎn)錄激活靶基因，Gli2、Gli3則起激活或脅制等次要作用。

2 Hedgehog信號(hào)通路與心血管系統(tǒng)的形成

胚胎最早具有功能的系統(tǒng)是心血管系統(tǒng)，心血管系統(tǒng)的發(fā)育形成主要分成兩個(gè)階段：第一階段是從受精卵成長(zhǎng)為兩條心內(nèi)膜管；第二階段是從豎直的原始心管發(fā)育為成熟心臟過(guò)程。左、右兩條縱行的心內(nèi)膜管隨著胚胎中胚層生心區(qū)細(xì)胞逐漸分化而形成，隨后二者逐漸向中線會(huì)合形成豎直的原始心管，原始心管每個(gè)部位逐漸出現(xiàn)串珠樣局限性膨隆樣改變，一般從頭側(cè)向足側(cè)依次發(fā)育為：圓錐動(dòng)脈干、心球、原始心室、房室管、原始心房、靜脈竇。Hedgehog信號(hào)通路中的Shh在心血管胚胎發(fā)育和器官形成過(guò)程中發(fā)揮及其重要作用，Shh作為分泌蛋白家族中一類細(xì)胞間信號(hào)分子決定著眾多組織及器官的細(xì)胞命運(yùn)和形態(tài)發(fā)生。Hedgehog家族終單位為45 kDd前體蛋白，其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用機(jī)制如下：首先29 KD的C末端片段由受體的C末端部分進(jìn)行催化自我剪切形成，膽固醇共價(jià)連接到19 KD的N末端片段(Hh- N，該片段具有足夠的Shh蛋白信號(hào)活性)的C端，稱為Hh- Np。為促進(jìn)自身信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)Hh-Np在N端半胱氨酸進(jìn)一步棕櫚酰化，最后Hh蛋白通過(guò)Ptc和Smo兩個(gè)跨膜蛋白向臨近細(xì)胞傳遞信號(hào)。在動(dòng)物生長(zhǎng)過(guò)程的形態(tài)發(fā)育和器官形成中Shh信號(hào)通路細(xì)胞間分泌信號(hào)分子家族起著重要的調(diào)控作用，參與了中樞神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、肺、胰腺等的發(fā)生調(diào)控。多項(xiàng)試驗(yàn)研究顯示：打掉小鼠Shh后，小鼠肺臟在發(fā)育中缺乏正常血管化的能力，斑馬魚突變Shh缺失后，不但其胚胎中內(nèi)皮前體呈現(xiàn)破壞，而且不能正常形成背主動(dòng)脈和軸靜脈，突變后的斑馬魚胚胎動(dòng)脈分化也不能夠正常進(jìn)行，其血管中不產(chǎn)生特異性標(biāo)志物，而將編碼Shh的mRNA轉(zhuǎn)到斑馬魚中，則可誘導(dǎo)其特異性標(biāo)志物的表達(dá)，與此相反，Shh在小鼠背神經(jīng)管中的過(guò)表達(dá)則會(huì)引起神經(jīng)外胚層的高度血管化。近期研究發(fā)現(xiàn)，Shh在以下心血管系統(tǒng)胚胎時(shí)期的發(fā)育過(guò)程中表達(dá)：①誘導(dǎo)心血管系統(tǒng)循環(huán)形成是自右向左的順序，心血管能夠建立從右向左的循環(huán)過(guò)程源于Shh可在心管左側(cè)部位誘導(dǎo)生成節(jié)狀形成素，起誘導(dǎo)作用。而在突變小鼠中Smo和Shh-Ihh復(fù)合后右向左的循環(huán)則不能形成[6]；②促進(jìn)心肌細(xì)胞形成，Liu等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)miR-30c(心肌細(xì)胞特性的miRNAs)過(guò)表達(dá)時(shí)Gli2基因表達(dá)則會(huì)被抑制，進(jìn)而P19細(xì)胞分化成心肌細(xì)胞過(guò)程不能正常進(jìn)行，進(jìn)一步打破細(xì)胞增殖與凋亡兩者發(fā)育的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，導(dǎo)致胚胎心臟間隔缺損等發(fā)育畸形情況出現(xiàn)[7]。在哺乳動(dòng)物中，Shh對(duì)于心臟神經(jīng)脊細(xì)胞、心臟流出道內(nèi)膜墊、冠狀血管系統(tǒng)[8]、心房和心室壁的發(fā)育不可或缺，故 Shh信號(hào)缺乏時(shí)會(huì)導(dǎo)致心臟不能正常發(fā)育。

3 Hedgehog信號(hào)通路與急性心肌梗死后血管再生

在眾多組織和器官上均可發(fā)生血管再生，如創(chuàng)傷后機(jī)體的組織愈合過(guò)程及各系統(tǒng)的缺血性疾病等。研究表明心梗后心肌發(fā)生缺血損傷后，為緩解心肌組織局部的缺血缺氧，其自身會(huì)逐漸發(fā)展形成側(cè)枝循環(huán)，但是心臟組織中血管再生過(guò)程進(jìn)行特別緩慢，尚不足以滿足缺血組織自身的需求，對(duì)梗死的心肌及心功能獲益甚微。因此，人類越來(lái)越重視額外提高血液循環(huán)或局部組織中促血管生成因子的水平。有學(xué)者提出治療性血管生成的方法，通過(guò)促進(jìn)心血管的再生而從根本上提高缺血區(qū)血供來(lái)消除缺血狀態(tài)，從而減少心肌梗死面積。多個(gè)研究已經(jīng)證明Hedgehog信號(hào)通路參與動(dòng)物體多個(gè)組織及腫瘤發(fā)生過(guò)程，并參與了包括心肌缺血、腦缺血、骨骼肌缺血、角膜及肢體缺血等在多種動(dòng)物缺血模型中的血管再生。Shh在心肌梗死后血管再生過(guò)程中是最具代表意義的一個(gè)分支。Shh在參與移植靜脈再狹窄的發(fā)生、增強(qiáng)自體血管的增殖活性以及加快血管平滑肌細(xì)胞的分化發(fā)育的過(guò)程中，可直接調(diào)控細(xì)胞期周期，與血管平滑肌密切相關(guān)[8]。研究表明Shh能夠促進(jìn)血管再生和改善血流灌注得益于缺血缺氧后Shh上調(diào)，其下游基因的上調(diào)也十分明顯，此過(guò)程伴有Ang-1及VEGF等促進(jìn)血管生成因子的表達(dá)。心臟組織缺血、缺氧時(shí)，在Shh和 Ptc表達(dá)水平增加的基礎(chǔ)上[9]，不僅能夠促進(jìn)骨髓來(lái)源的內(nèi)皮祖誘發(fā)血管生成[10]，而且促進(jìn)心臟微血管內(nèi)皮細(xì)胞中血管生成因子：包括血管生成素和血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子的表達(dá)。通過(guò)特殊試驗(yàn)方法將心肌細(xì)胞Smo信號(hào)阻斷后，冠狀動(dòng)脈血管生成基因的表達(dá)以及血管數(shù)量會(huì)相應(yīng)減少[11]，另有試驗(yàn)證明，通過(guò)使用Hedgehog信號(hào)通路激動(dòng)劑Purmorphamine則能夠使梗死后心肌組織中冠脈血管的密度增加，可以增加冠狀動(dòng)脈的供血，進(jìn)一步改善心功能。Shh在缺血性血運(yùn)重建中的作用十分復(fù)雜，目前已經(jīng)證明通過(guò) COUP- TFII通路、依賴 GLI的通路和 PI-3激酶通路來(lái)調(diào)控冠脈血管的再生。也有研究認(rèn)為，Hedgehog信號(hào)通路作為血小板衍生生長(zhǎng)因子BB(platelet-derived growth factor BB，PDGF-BB)的靶基因能夠使ERK1/2上調(diào)的同時(shí)可以將Akt磷酸化，進(jìn)而在PDGF-BB誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞的遷移和募集過(guò)程中表達(dá)發(fā)揮作用[12]。已經(jīng)有研究通過(guò)Shh基因療法可以激活Shh通路從而調(diào)節(jié)血管再生，提升冠狀血管再生速度及數(shù)量，進(jìn)而增加冠脈血供，改善心功能。

4 Hedgehog信號(hào)通路在急性心肌梗死后細(xì)胞保護(hù)中的作用

急性心肌梗后30 min鏡下即可見(jiàn)心肌組織病變區(qū)細(xì)胞核固縮破裂，肌絲斷裂溶解以及炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)，病變區(qū)心肌收縮舒張功能受損，多個(gè)心梗造模試驗(yàn)研究證明Shh通路在急性心肌梗死后表達(dá)增加，并且在Shh通路激活情況下會(huì)增加心肌細(xì)胞的存活率，激活Shh通路可以減少心肌缺血造成的細(xì)胞凋亡[13]，將Shh信號(hào)通路抑制，心梗后冠脈血管的損傷、心肌細(xì)胞死亡、心功能衰竭程度更加明顯。試驗(yàn)表明，在急性心肌梗死缺血模型中，Shh能夠促進(jìn)左心室功能的恢復(fù)，還可見(jiàn)心肌細(xì)胞程序化死亡的降低和心肌纖維化的減少。通過(guò)時(shí)空特異性基因靶點(diǎn)的方法，人為占用小鼠在體血管平滑肌細(xì)胞和心肌細(xì)胞smo受體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小鼠心梗模型中心臟冠脈出現(xiàn)缺失、組織缺氧、心肌細(xì)胞凋亡、心力衰竭，最后小鼠死亡。細(xì)胞自噬作為一種代謝方式在生物體中非常重要，具有維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)作用，細(xì)胞自噬會(huì)在多種情況下發(fā)揮重要作用，當(dāng)細(xì)胞受到外界刺激時(shí)如營(yíng)養(yǎng)缺乏、激素抑制或化療損傷、內(nèi)源性刺激等各種應(yīng)激反應(yīng)時(shí)，通過(guò)細(xì)胞自噬能夠維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)、功能和代謝的需要[14]。研究表明自噬在心肌梗死后也發(fā)揮重要作用，能顯著降低心肌細(xì)胞的死亡，自噬對(duì)心梗后心肌保護(hù)作用尤其在缺血急性期顯著[15]，Shh通路激活可以誘導(dǎo)自噬，試驗(yàn)證明：通過(guò)Shh激動(dòng)劑激動(dòng)Shh后，實(shí)驗(yàn)中小鼠心肌細(xì)胞自噬會(huì)增加，相反，通過(guò)抑制Shh通路則減弱自噬作用，并且通過(guò)抑制自噬還會(huì)減弱Shh對(duì)梗死后心肌細(xì)胞保護(hù)作用，當(dāng)給予AMPK抑制劑時(shí)Shh通路對(duì)梗死后心肌細(xì)胞損傷的保護(hù)作用則減弱，推測(cè)其具體機(jī)制可能為Shh通路能夠促進(jìn)磷酸化AMPK/U1k而結(jié)合誘導(dǎo)自噬增加[16]。

綜上所述，Hedgehog信號(hào)通路尤其以Shh為代表，在心血管系統(tǒng)的形成、急性心肌梗死后冠脈血管的再生以及心梗后心肌細(xì)胞的保護(hù)作用中均起到關(guān)鍵性作用，但目前對(duì)Hedgehog信號(hào)通路在心血管系統(tǒng)疾病具體作用機(jī)制的研究尚處于初級(jí)階段，通路中的許多環(huán)節(jié)如上下游因子之間關(guān)系和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化作用仍需深入研究。目前也有越來(lái)越多的研究者嘗試將Hedgehog信號(hào)通路轉(zhuǎn)化為臨床治療應(yīng)用，如Shh基因靶向治療、Shh干細(xì)胞治療等來(lái)增強(qiáng)梗死區(qū)內(nèi)血管生成潛力，縮小梗死面積，改善心功能。Hedgehog信號(hào)通路的調(diào)節(jié)血管再生以及心肌細(xì)胞保護(hù)功能為改善急性心肌梗死患者心功能及預(yù)后治療提供新的思路，有待于對(duì)其具體機(jī)制的進(jìn)一步研究。