Hippo信號通路在骨骼肌損傷修復(fù)中作用的研究進(jìn)展

趙莉娟，張宏，張國輝，栗雅芳

上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬岳陽中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院，上海200437

骨骼肌是附著于骨骼上的橫紋肌組織，通過其收縮和舒張可以帶動(dòng)骨與關(guān)節(jié)的活動(dòng)，起到維持機(jī)體姿勢并產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的作用。作為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的重要組成，骨骼肌極易因內(nèi)外力學(xué)環(huán)境的失衡而造成損傷，發(fā)生損傷的概率為10%～55%[1,2]。損傷類型主要為急性損傷(牽拉傷和頓挫傷)、慢性炎癥性損傷。損傷后的骨骼肌若修復(fù)不良，后續(xù)常造成功能障礙和肌肉質(zhì)量下降等，嚴(yán)重影響患者運(yùn)動(dòng)、工作和生活。骨骼肌細(xì)胞是一類具有再生能力的細(xì)胞，在損傷后可開啟修復(fù)過程。而骨骼肌修復(fù)過程中激活某些信號通路可能會(huì)引發(fā)細(xì)胞外基質(zhì)組分如膠原蛋白、纖連蛋白的大量沉積，進(jìn)而發(fā)生纖維化，使損傷的骨骼肌喪失部分收縮功能，最終影響骨骼肌再生[3]。促進(jìn)肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖，誘導(dǎo)肌衛(wèi)星細(xì)胞以及成肌細(xì)胞的正常分化是損傷的骨骼肌再生修復(fù)的關(guān)鍵。其中有許多通路參與這一過程的調(diào)控，如Notch信號通路、Wnt信號通路均可促進(jìn)骨骼肌肌衛(wèi)星細(xì)胞的激活和分裂[4,5]。在成肌細(xì)胞增殖分化期間，成肌細(xì)胞的增殖往往伴隨磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B通路的參與[6]。同樣，激活經(jīng)典的Wnt/β-連環(huán)蛋白(β-catenin)信號通路也可促進(jìn)成肌細(xì)胞的分化[7]，而酪氨酸蛋白激酶/信號轉(zhuǎn)導(dǎo)因子和轉(zhuǎn)錄活化因子信號通路(JAK/STAT)中的JAK1-STAT1-STAT3途徑不但可促進(jìn)成肌細(xì)胞增殖，同時(shí)還起到防止成肌細(xì)胞過早分化成肌管的作用[8]。Hippo信號通路是由一系列保守激酶所組成的通路，可影響多種細(xì)胞分化、增殖和遷移，并在維持組織穩(wěn)態(tài)，調(diào)控器官發(fā)育大小以及腫瘤的發(fā)生、發(fā)展過程等多方面均有重要作用[9]。近些年發(fā)現(xiàn)該通路還與骨骼肌損傷修復(fù)相關(guān)[10]。故本文對近幾年的文獻(xiàn)進(jìn)行整理，并對Hippo信號通路在骨骼肌損傷修復(fù)中的作用進(jìn)行分析，并歸納該信號通路與骨骼肌損傷后再生修復(fù)的關(guān)系，以期為康復(fù)醫(yī)學(xué)提供有價(jià)值的參考。

1 Hippo信號通路概述

Hippo信號通路由上游STE20樣激酶1/2(MST1/2)、Salvador同系物1(Sav1)、居于中游的與Mob同系物1(Mob1)結(jié)合的大抑癌基因激酶1/2(LATS1/2)、下游的轉(zhuǎn)錄輔助激活物Yes相關(guān)蛋白(Yap)及具有PDZ結(jié)合基序的轉(zhuǎn)錄共激活因子(Taz)組成[11]。該通路的激活過程是激酶的級聯(lián)反應(yīng)。MST1/2與調(diào)節(jié)蛋白Sav1相結(jié)合并形成MST/Sav復(fù)合體，隨后參與磷酸化并激活與調(diào)節(jié)蛋白Mob1結(jié)合在一起的LATS1/2激酶；而LATS/Mob復(fù)合物又可進(jìn)一步抑制Yap和Taz的活性。LATS/Mob復(fù)合物抑制下游轉(zhuǎn)錄輔助激活物，該作用是通過磷酸化Yap關(guān)鍵絲氨酸殘基(Ser61、109、127、164和381)和磷酸化Taz關(guān)鍵絲氨酸殘基得以實(shí)現(xiàn)。磷酸化后的Yap/Taz可從核內(nèi)轉(zhuǎn)出，留在胞質(zhì)中參與之后的兩種生物學(xué)過程。其一，磷酸化的Yap/Taz發(fā)生泛素化，直接導(dǎo)致Yap/Taz蛋白降解；其二，磷酸化的Yap也可與14-3-3蛋白結(jié)合后保留在細(xì)胞質(zhì)中，從而無法與核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，發(fā)揮其轉(zhuǎn)錄輔助因子的功能[12]。通路去激活狀態(tài)下，即激酶處于不活躍狀態(tài)時(shí)，未被磷酸化激活的Yap/Taz則在細(xì)胞核內(nèi)與DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子TEA結(jié)合域(TEAD)1-4結(jié)合，啟動(dòng)下游轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而完成復(fù)雜的生命活動(dòng)。Hippo通路的核心元件Yap和Taz的活性，受通路核心激酶MST1/2-LATS1/2的激酶級聯(lián)反應(yīng)調(diào)控外，還受到蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用的破壞和蛋白翻譯后修飾的影響[13]。

2 Hippo信號分子在骨骼肌中的表達(dá)

Hippo信號通路的關(guān)鍵成員是下游蛋白Yap，這是一種轉(zhuǎn)錄輔助因子，在細(xì)胞中都有表達(dá)。研究表明，該轉(zhuǎn)錄輔助因子參與多種成體干細(xì)胞或是祖細(xì)胞的增殖和分化，包括腸道祖細(xì)胞、肝卵圓細(xì)胞以及神經(jīng)干細(xì)胞等[14,15]。近些年研究發(fā)現(xiàn)，Hippo信號通路的重要組件蛋白Yap和Taz在人及小鼠的骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞和成肌細(xì)胞中也有表達(dá)。其中骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞是一類具有間充質(zhì)干細(xì)胞特性的細(xì)胞，而成肌細(xì)胞作為骨骼肌損傷后重建肌肉組織的前體細(xì)胞，具有很好的分化能力，二者均參與損傷骨骼肌的再生修復(fù)過程[16,17]。

3 骨骼肌的損傷修復(fù)

骨骼肌損傷后的修復(fù)過程大致分為三個(gè)階段，并且這三個(gè)階段之間沒有明確的時(shí)間分割點(diǎn)，在過程中彼此存在一定的重疊性。第一階段，壞死炎癥階段。損傷后的骨骼肌發(fā)生變性壞死以及肌纖維結(jié)構(gòu)的破壞、炎癥細(xì)胞的浸潤(巨噬細(xì)胞為主)，吞噬壞死細(xì)胞的成分[18]。第二階段，骨骼肌再生和重建階段。這一階段有一類參與骨骼肌再生的關(guān)鍵細(xì)胞——骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞，該細(xì)胞位于骨骼肌肌膜與基底膜之間。一般情況下，骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞處于一種靜止不分裂的狀態(tài)，損傷后骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞會(huì)受炎癥因子以及T細(xì)胞的刺激發(fā)生部分活化，活化的肌衛(wèi)星細(xì)胞隨后分化為成肌細(xì)胞，新的成肌細(xì)胞進(jìn)一步分化形成肌管，成熟的肌管相互融合會(huì)形成新的肌纖維，完成整個(gè)骨骼肌損傷后的再生、重建過程[19]。第三階段，損傷修復(fù)完善階段。值得注意的是，在這一階段修復(fù)的骨骼肌細(xì)胞可能會(huì)發(fā)生纖維化，主要是因?yàn)楣趋兰〉男迯?fù)過程后期需要成纖維細(xì)胞產(chǎn)生必要的細(xì)胞外基質(zhì)，如果骨骼肌細(xì)胞反復(fù)而持續(xù)的發(fā)生變性、壞死、再生，最終會(huì)導(dǎo)致骨骼肌細(xì)胞細(xì)胞外基質(zhì)大量沉積從而出現(xiàn)過度纖維化，喪失肌肉組織的部分收縮功能，最終影響肌肉力量和功能[3]。

4 Hippo信號通路在骨骼肌損傷修復(fù)中的作用及機(jī)制

4.1 促進(jìn)骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞和成肌細(xì)胞增殖 Hippo信號通路下游的核心構(gòu)成元件是Taz與Yap，二者均具有促進(jìn)成肌細(xì)胞和骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖的功能。研究表明，Yap活性及表達(dá)量處于較高水平時(shí)，可以促進(jìn)衛(wèi)星細(xì)胞增殖；在敲低Yap的表達(dá)后，由肌衛(wèi)星細(xì)胞分化而來的成肌細(xì)胞增殖數(shù)量也會(huì)降低。這表明在骨骼肌修復(fù)過程中Yap的表達(dá)量增加，可更進(jìn)一步促進(jìn)被活化的肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖[10]。這一過程主要是由于Yap/Taz與核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子TEAD結(jié)合后，激活成肌細(xì)胞或骨骼肌肌衛(wèi)星細(xì)胞中的特定基因啟動(dòng)子MCAT元件，進(jìn)而參與調(diào)控與DNA復(fù)制、有絲分裂以及DNA修復(fù)等相關(guān)基因的表達(dá)，影響骨骼肌細(xì)胞周期進(jìn)程。其中發(fā)現(xiàn)Yap高表達(dá)時(shí)，可激活與細(xì)胞周期相關(guān)的基因如周期基因D1，而Yap可促進(jìn)骨骼肌肌衛(wèi)星細(xì)胞保持高度增殖活性可能也與之相關(guān)[20,21]。

有研究用一種可以增加細(xì)胞中未磷酸化Taz的化合物IBS008738表達(dá)后，增強(qiáng)了骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖期標(biāo)志性基因的表達(dá)。這類增殖期標(biāo)志性基因包括骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的特異性標(biāo)記物Pax7及生肌決定因子(MyoD)。表明提高Taz表達(dá)量可起到促進(jìn)骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖的作用[22]。

與此同時(shí)，骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的功能調(diào)節(jié)因子表達(dá)同樣依賴Yap參與調(diào)控，如骨形態(tài)發(fā)生蛋白4、跨膜糖蛋白CD34和生肌調(diào)節(jié)因子Myf6[10]。故Yap蛋白可參與調(diào)節(jié)骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖和功能，為骨骼肌損傷后修復(fù)提供穩(wěn)定的肌衛(wèi)星細(xì)胞儲備。同時(shí)，也有研究指出，Yap蛋白過度表達(dá)會(huì)造成骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞持續(xù)保持增殖狀態(tài)，從而無法進(jìn)入分化階段，不利于骨骼肌的修復(fù)。如在活化的骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞中Yap的持續(xù)激活和過表達(dá)狀態(tài)可引發(fā)胚胎性橫紋肌肉瘤樣腫瘤[23]。

4.2 調(diào)控成肌細(xì)胞分化 骨骼肌修復(fù)的后期，YAP的mRNA和蛋白表達(dá)量在骨骼肌分化過程中下降，并且Yap過表達(dá)后，發(fā)現(xiàn)可以抑制成肌細(xì)胞的終末分化[10]。在C2C12成肌細(xì)胞開始分化后，磷酸化的Yap-Ser127是C2C12成肌細(xì)胞實(shí)現(xiàn)終末分化所必需的，通過過表達(dá)人類Yap蛋白(hYAP1 S127A)突變體使未磷酸化的Yap的表達(dá)增多，顯僅有較少C2C12成肌細(xì)胞離開增殖細(xì)胞周期，因而無法進(jìn)一步分化成肌管[16]。值得注意的是，有研究用慢病毒敲低YAP的表達(dá)后，肌細(xì)胞正常行使收縮功能的肌球蛋白重鏈蛋白以及分化過程中充當(dāng)啟動(dòng)子的肌細(xì)胞生成素表達(dá)量均降低，損害了成肌細(xì)胞向肌管的分化過程，并指出Yap調(diào)控成肌細(xì)胞分化是通過激活MEK5/ERK5信號通路得以實(shí)現(xiàn)[24]。提示，Yap也參與骨骼肌分化過程當(dāng)中，而是否最終阻礙成肌細(xì)胞的分化取決于Yap的量和磷酸化的Yap-Ser127量。

在成肌細(xì)胞中，異位過表達(dá)Taz，可增加肌源性基因表達(dá)并加速肌管的分化以及進(jìn)一步促進(jìn)新生肌纖維的形成，而敲低Taz的表達(dá)后，卻出現(xiàn)了分化延遲現(xiàn)象。使用新型Taz調(diào)節(jié)劑TM-53和TM-54后，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)劑可增加Taz的核定位，增強(qiáng)成肌細(xì)胞的分化。Taz可增強(qiáng)MyoD與肌細(xì)胞生成素基因啟動(dòng)子的相互作用，從而促進(jìn)MyoD介導(dǎo)的肌源性基因表達(dá)[25,26]。同時(shí)值得注意的是，不適時(shí)的分化會(huì)造成激活的骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞大量被消耗及成肌細(xì)胞過早分化成熟，同樣會(huì)阻礙骨骼肌細(xì)胞的再生[27]。

4.3 調(diào)控骨骼肌蛋白合成 用Yap shRNA沉默肌肉中Yap蛋白的表達(dá)，結(jié)果顯示肌肉質(zhì)量和肌肉橫截面積降低，說明Yap參與調(diào)控肌肉質(zhì)量是通過影響蛋白質(zhì)合成的過程得以實(shí)現(xiàn)[28]。有研究用一種新型化合物IBS008738以增加未磷酸化的Taz的表達(dá)，不僅增強(qiáng)了骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖期的標(biāo)志性基因表達(dá)，同時(shí)也增加了蛋白質(zhì)的合成，用以治療小鼠的骨骼肌萎縮，說明Taz可以促進(jìn)骨骼肌蛋白的合成[22]。對于調(diào)控骨骼肌蛋白合成過程，雖有結(jié)果證實(shí)增加Yap和Taz的表達(dá)量都促進(jìn)骨骼肌蛋白的合成，有助于肌纖維質(zhì)量的增加。但Yap過表達(dá)，卻出現(xiàn)肌肉萎縮的現(xiàn)象，差異性的結(jié)果可能是在不同研究之間用于Yap過量表達(dá)的病毒載體以及Yap過量表達(dá)的時(shí)間存在差異所致[29,30]。

骨骼肌損傷作為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的常見疾患，其損傷后的不良修復(fù)可引起肌肉功能的障礙，常影響患者日常工作生活，故骨骼肌損傷后的修復(fù)逐漸被人們所關(guān)注。其中損傷骨骼肌修復(fù)過程中有多條信號通路參與肌細(xì)胞的再生修復(fù)過程。研究發(fā)現(xiàn)在骨骼肌損傷的再生修復(fù)過程中，Hippo通路發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。其中Yap和Taz表達(dá)量增多可促進(jìn)參與損傷骨骼肌再生修復(fù)的衛(wèi)星細(xì)胞及成肌細(xì)胞的增殖，并且應(yīng)注意，在骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞中Yap的過量表達(dá)，有誘發(fā)胚胎性橫紋肌肉瘤樣腫瘤的可能。Yap以及磷酸化Yap-Ser127參與調(diào)控修復(fù)后期的分化過程并取決于二者的表達(dá)量，而增強(qiáng)Taz表達(dá)可以促進(jìn)骨骼肌成肌細(xì)胞的分化。在損傷骨骼肌修復(fù)過程中，誘導(dǎo)增加通路下游的Yap和Taz表達(dá)量可促進(jìn)骨骼肌蛋白的合成，有助于骨骼肌纖維功能的恢復(fù)，并可用于治療骨骼肌萎縮。損傷骨骼肌修復(fù)過程中，干預(yù)Hippo通路上關(guān)鍵蛋白的表達(dá)有望成為治療骨骼肌損傷及影響骨骼肌肌肉質(zhì)量疾病的重要治療手段。