ETV轉(zhuǎn)錄因子及其在心律失常中的作用*

方麗花 李泱 張建成

ETV 轉(zhuǎn)錄因子是ETS(Ets translocation variant)基因家族的一個(gè)亞家族,對參與細(xì)胞增殖、分化、凋亡、組織重塑與再生等起著關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用[1]。Rommel等[2]研究顯示ETV 基因是血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)誘導(dǎo)心房重構(gòu)所必須的,可能也參與了心房顫動(dòng)的發(fā)生。Shekhar 等[3]證明ETV1在心臟快速傳導(dǎo)組織中高表達(dá),ETV1條件敲除小鼠可能存在His束-浦肯野纖維系統(tǒng)(HPS)結(jié)構(gòu)缺陷。Lee等[4]認(rèn)為經(jīng)過非轉(zhuǎn)基因干預(yù),ETV2/ER71可直接將出生后的人類細(xì)胞重新編程為具有功能的成熟內(nèi)皮細(xì)胞。ETV2/ER71則為內(nèi)皮細(xì)胞的發(fā)育所必須[5]。筆者對ETV 轉(zhuǎn)系因子及其在心律失常中的作用作一綜述。

1 ETV基因家族

ETV 是ETS轉(zhuǎn)錄因子的一個(gè)亞家族。1983 年,首個(gè)ETS轉(zhuǎn)錄因子基因在禽類E26紅母細(xì)胞增殖癥病毒中被鑒定出來,故命名為E-26轉(zhuǎn)化特異性基因[6]。ETS家族由28個(gè)基因組成,含進(jìn)化保守的85個(gè)氨基酸。ETS結(jié)構(gòu)域顯示有三個(gè)α-螺旋和一個(gè)β-折疊,共同形成翼狀螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋基序,而5′-GGA(A/T)-3′則為核心結(jié)合序列[7]。利用基因敲除策略發(fā)現(xiàn),ETS家族分為12個(gè)亞家族:Ets、TCF、Erg、PEA3(ETV)、GABP、Elf、Erf、Yan、Spi、ESE、PDEF和ER71(ETV2)[8],在哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)了20多個(gè)不同的ETS基因,它們的基因產(chǎn)物在ETS域外具有廣泛的同源性,而ER71/ETV2與其DNA 結(jié)合域以外的其他已知蛋白沒有同源性。PEA3亞家族具有N-未端的反式激活結(jié)構(gòu)域,由ETV1(ER81)、ETV4(PEA3)和ETV5(ERM)組成。DNA 序列特異性系統(tǒng)分析表明,ETV 家族成員優(yōu)先與5′-ACCGGAAGT-3′結(jié)合。作為激活域,ETV 結(jié)構(gòu)域是以分子內(nèi)方式調(diào)節(jié)的,即ETV 結(jié)構(gòu)域兩側(cè)的氨基酸抑制其DNA 結(jié)合能力,而特異抗體可解除此分子內(nèi)抑制[9]。

ETV 也可以對蛋白質(zhì)-DNA 和蛋白質(zhì)間相互作用產(chǎn)生影響,從而調(diào)節(jié)后者活性。而ETV 結(jié)構(gòu)域外部的序列差異是各自特性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),加之表達(dá)模式差異,最終導(dǎo)致ETV發(fā)揮不同的生物學(xué)效應(yīng)。

2 ETV的生物調(diào)控機(jī)制

2.1 成纖維細(xì)胞生長因子-RAS-細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(FGF-RAS-ERK)調(diào)節(jié)通路 ETV 的重要性首先在癌癥的研究中得到證實(shí),ETV 基因的異常激活可以模仿致癌的RAS細(xì)胞轉(zhuǎn)化,并發(fā)現(xiàn)三個(gè)PEA3/ETV 基因和一個(gè)ERG基因與腫瘤發(fā)生有關(guān),ETV1、ETV4、ETV5 轉(zhuǎn)錄因子位于FGF-RAS-ERK 信號(hào)通路的下游[10]。Rommel等[2]認(rèn)為ETV1通過G 蛋白偶聯(lián)受體啟動(dòng),被RAS-MAPK(絲裂原活化蛋白激酶)通路激活;ETV1 亦可作為Ang II誘導(dǎo)的MAPKs活化下游的轉(zhuǎn)錄靶點(diǎn),參與心房重構(gòu)。研究表明,ETV 轉(zhuǎn)錄因子在胚胎發(fā)育過程中受FGF 信號(hào)調(diào)控,CHIPseq分析揭示受體酪氨酸激酶抑制劑SPRY2是PEA3/ETV家族基因的直接靶標(biāo),Garg等[10]通過ETV-TKO 突變體晶狀體的RNA 原位雜交證實(shí)了這一點(diǎn)。進(jìn)一步研究顯示,Sprauty(SPRY)蛋白反過來可以抑制Ras-MAPK 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),這表明SPRY 的ETV 調(diào)節(jié)構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋回路。

2.2 NeuRegin-1神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白1(NRG1)調(diào)節(jié)通路 NRG1通過核糖體S6 激酶/絲裂原和應(yīng)激激活蛋白激酶(RSK/MSK)依賴的信號(hào)通路,上調(diào)胚胎心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)-β-半乳糖苷酶(cardiac conduction system-lacZ)報(bào)告基因的表達(dá)。NRG1處理可以增加CCS-LacZ在胚胎心臟中的表達(dá),而ETV1在胚胎和出生后心臟中的表達(dá)也顯示NRG1 應(yīng)答[11]。Shekhar等[11]發(fā)現(xiàn),心臟ETV1受NRG1信號(hào)的翻譯后調(diào)控,且ETV1是心內(nèi)膜來源的NRG1調(diào)節(jié)心臟快速傳導(dǎo)系統(tǒng)基因轉(zhuǎn)錄過程中的關(guān)鍵因子。NRG1與其同源受體ErbB4的結(jié)合導(dǎo)致二聚化,從而激活下游諸多信號(hào)通路(Src、PI3K 和Ras-MAPK)而發(fā)揮作用[11]。Fatkin等[12]構(gòu)建了一個(gè)機(jī)制模型,指出心臟轉(zhuǎn)錄因子不是孤立作用的,而是與共激活因子和染色質(zhì)調(diào)節(jié)因子相互作用,構(gòu)成大分子轉(zhuǎn)錄復(fù)合體而發(fā)揮效應(yīng)。轉(zhuǎn)錄中介因子(mediator,MED)復(fù)合體在真核生物基因轉(zhuǎn)錄中起著關(guān)鍵的作用。首先發(fā)現(xiàn)MED 介入這些病理是MED13L 基因錯(cuò)義突變與大動(dòng)脈轉(zhuǎn)位的相關(guān)性。如今,MED13和MED15也被認(rèn)為與人類先天性心臟病有關(guān)。有證據(jù)表明,心臟MED13 主要參與核受體信號(hào)傳導(dǎo)的調(diào)節(jié),從而驅(qū)動(dòng)參與調(diào)節(jié)心臟和全身能量穩(wěn)態(tài)的基因的轉(zhuǎn)錄。MED13還與多種病理狀況相關(guān),例如代謝綜合征和甲狀腺疾病相關(guān)的心力衰竭[13]。

2.3 Jag1-Notch調(diào)節(jié)通路 Garg等[10]通過轉(zhuǎn)錄組分析表明ETV 全敲除(ETV-TKO)突變體的晶狀體中編碼Notch信號(hào)的配體基因Jag1下調(diào),ETV-TKO 晶狀體中Jag1蛋白表達(dá)顯著降低,Notch受體通過Jag1 激活的蛋白水解產(chǎn)物Notch1-ICD(Notch1 intracellular domains)染色嚴(yán)重減少;該研究支持ETV 通過調(diào)節(jié)Jag1-Notch信號(hào),控制晶狀體細(xì)胞分化。Li等[14]和Garg等[10]研究證明了晶狀體中Jag1表達(dá)受ERK 介導(dǎo)的FGF信號(hào)調(diào)控。研究表明ETV 的缺失引起ERK 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的嚴(yán)重紊亂;缺乏ETV 的晶狀體中ERK 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)升高,異常的ERK 激活可能刺激正常情況的下游靶標(biāo),這些靶標(biāo)通常因FGF信號(hào)丟失而沉默,導(dǎo)致進(jìn)一步補(bǔ)償性變化,從而重新連接信號(hào)網(wǎng)絡(luò),它強(qiáng)調(diào)ETV 在由FGF 激活的穩(wěn)定細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的復(fù)雜作用,由此給出FGF 連接到Notch信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的完整分子級聯(lián)模式。

3 對心血管系統(tǒng)的生理效應(yīng)

3.1 形態(tài)發(fā)生中的功能 PEA3亞家族在形態(tài)發(fā)生中發(fā)揮重要作用,如早期發(fā)育、器官發(fā)生等[15]。ETV1主要在人腦、心臟中高表達(dá),而在骨骼肌、腎臟等表達(dá)較低。ETV1在各發(fā)育階段的梳狀心房心肌(pectinated atrial myocardium,PAM)中均有表達(dá)[3]。在胚胎期,ETV1定位于PAM 和心室小梁心肌。在產(chǎn)后,ETV1表達(dá)仍保留在PAM 中,但主要局限于心室中的心室傳導(dǎo)系統(tǒng)和HPS。ETV1在竇房結(jié)和房室結(jié)中的表達(dá)較低。免疫熒光顯示,ETV1在成年小鼠心臟的PAM 和心室傳導(dǎo)系統(tǒng)中高表達(dá)。ETV1在成熟豬和胚胎人心臟中的表達(dá)模式是保守的[11]。值得注意的是,心臟轉(zhuǎn)錄因子具有多重相互作用,在心房肌細(xì)胞中已鑒定的ETV1結(jié)合位點(diǎn),有三分之二與其他心臟轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)重合,且近一半是TBX5結(jié)合位點(diǎn)。盡管Rommel等[2]的數(shù)據(jù)表明,其中一些基因可能另外是ETV1的伴侶,但對何時(shí)、何地以及如何地將ETV1募集到轉(zhuǎn)錄復(fù)合物中的全面了解尚待研究。

ETV2的種間保守性很低,與其他ETS 蛋白在保守的DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域只有67%同源性,人和蛙及蛙和魚之間分別63%和81%的同源。ETV2/Etsrp71/ER71 對內(nèi)皮細(xì)胞系的發(fā)育非常重要[1]。ETV2在睪丸中也有表達(dá),在腎上腺及發(fā)育中的大腦低表達(dá)。在ES/EB 分化系統(tǒng)中,ETV2 突變的細(xì)胞停滯在胚層祖細(xì)胞階段,未進(jìn)展至側(cè)板中胚層。ETV2過表達(dá)導(dǎo)致Pdgfra下調(diào),促使向內(nèi)皮細(xì)胞分化。伴隨ETV2突變體中內(nèi)皮和造血譜系缺失或ETV2突變,心肌細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞增殖[1]。

ETV4和ETV5在胚胎干細(xì)胞(ESC)中表達(dá),二者可能參與ESC的自我更新和多潛能分化[16]。有研究提示,雙基因敲除ETV4和ETV5,ESC 的增殖和分化降低,參與血管形成和再生[14]。

3.2 血管內(nèi)皮生成中的功能 心內(nèi)膜細(xì)胞在發(fā)育中發(fā)揮著獨(dú)特的作用,它們誘導(dǎo)一些心肌細(xì)胞形成心室內(nèi)的心肌嵴。這些細(xì)胞經(jīng)心內(nèi)膜向間充質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化(Endo MT),填充心內(nèi)膜墊,形成心臟瓣膜和部分室間隔和房間隔[17]。重要的是,心內(nèi)膜及其衍生物組織畸形,如先天性心臟瓣膜病或心肌致密化不全,與ETS等轉(zhuǎn)錄因子密切相關(guān)[15]。ETS在內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)育和功能中的作用被廣泛認(rèn)可。Schachterle等[18]報(bào)道,在目前存在的多種ETS 轉(zhuǎn)錄因子中,ETS1、FLI1、ETV1、ETV5、ERG 和ETV6在早期胚胎心臟中含量高。人內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)19 個(gè)ETS 因子,其中ETS1、ETS2、FLI1、ETV2和ETV6為小鼠血管發(fā)育所必須,ETS因子通過結(jié)合多種內(nèi)皮細(xì)胞基因來調(diào)節(jié)血管發(fā)育。Lee等[4]研究首次證明,經(jīng)過一段時(shí)間非轉(zhuǎn)基因干預(yù),ER71/ETV2 可直接將人成纖維細(xì)胞重新編程為具有生理功能的成熟內(nèi)皮細(xì)胞。這種新的重新編程模式將使各種心血管疾病的自體細(xì)胞和個(gè)性化藥物基因組治療成為可能[4]。

3.3 心臟快速傳導(dǎo)系統(tǒng)中的功能 心臟快速傳導(dǎo)組織分別源于梳狀和小梁狀心肌。此階段,梳狀和小梁細(xì)胞沿著心腔內(nèi)膜表面呈片狀生長,并獲得快傳導(dǎo)基因程序,在快速傳導(dǎo)組織維持到成年期[11]。ETV1 在快速傳導(dǎo)組織中高表達(dá),通過富集Nkx2-5、Gja5 和SCN5A 建立快速傳導(dǎo)表型。ETV1基因缺陷鼠表現(xiàn)出心臟傳導(dǎo)缺陷和心室傳導(dǎo)系統(tǒng)異常[15]。一項(xiàng)表型全基因關(guān)聯(lián)研究(PheWAS)[19]顯示,ETV1與束支傳導(dǎo)阻滯和心臟傳導(dǎo)阻滯有關(guān)。

HPS起源于心臟發(fā)育期間的小梁細(xì)胞系。小梁的形成受心內(nèi)膜衍生的NRG1調(diào)節(jié),后者通過其同源受體復(fù)合物ErbB4和ErbB216 完成該效應(yīng)[2]。NRG1、ErbB4 或ErbB2基因缺失可導(dǎo)致小鼠心臟缺乏快速傳導(dǎo)的小梁區(qū)。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)NRG1依賴的信號(hào)通路參與到心肌細(xì)胞的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò),負(fù)責(zé)HPS 形成。Shekhar等[3]證明ETV1 依賴基因網(wǎng)絡(luò)與心房和浦肯野纖維獨(dú)特的電生理特性有關(guān),心肌細(xì)胞特異性ETV1缺失導(dǎo)致心臟傳導(dǎo)異常、傳導(dǎo)相關(guān)基因(Nkx2-5、Gja5和SCN5A)表達(dá)下調(diào)。Kim 等[20]過表達(dá)IRX3顯示,IRX3可促進(jìn)12個(gè)HPS富集的基因表達(dá),IRX3與NKX2-5/TBX5轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合體相互作用,維持正常的HPS功能。

4 對心律失常的作用

4.1 與心臟分化異常 眾所周知,Wnt信號(hào)途徑對促進(jìn)心肌細(xì)胞分化起著關(guān)鍵作用,ETV2在正常胚胎中可抑制Wnt通路,ETV2突變體,心肌細(xì)胞增殖與分化[5]。ETV2 過表達(dá)則影響ES/EB中胚層分化系統(tǒng)功能[21]。

4.2 與房性心律失常 Rommel等[2]發(fā)現(xiàn),小鼠心肌細(xì)胞過表達(dá)ETV1心房結(jié)構(gòu)重構(gòu),誘導(dǎo)房性心律失常的發(fā)生;反之,心肌細(xì)胞特異性敲低ETV1則可預(yù)防AngⅡ介導(dǎo)的心房重構(gòu)。ETV1敲除顯示,浦肯野氏纖維、心房肌和心室肌細(xì)胞的鈉電流呈現(xiàn)出不均勻性和正常功能喪失。有趣的是,這些小鼠的表型異常在出生后初期并不顯現(xiàn),但在青春期變得凸顯。12周時(shí),過表達(dá)ETV1的小鼠具有明顯的心房擴(kuò)張和血栓形成,其心室大小和功能正常。擴(kuò)張的心房的組織病理學(xué)檢查顯示大量間質(zhì)纖維化,伴有肌節(jié)紊亂和線粒體耗竭,伴有心電圖上P波消失,提示傳導(dǎo)改變。

研究表明,ETV1 基因多態(tài)性與心房傳導(dǎo)缺陷密切相關(guān)[15]。永久性心房顫動(dòng)患者心房組織樣本中發(fā)現(xiàn)ETV1顯著上調(diào)[3]。Rommel等[2]敲除ETV1,可防止Ang II引起的心房纖維化。目前尚不清楚是否有最終的共同信號(hào)分子參與心房顫動(dòng)的啟動(dòng)與維持。

4.3 與室性心律失常 心室顫動(dòng)與IRX3有關(guān)[22],IRX3在浦肯野纖維的傳導(dǎo)調(diào)節(jié)中起著重要作用。梳狀心房心肌和HPS特殊的傳導(dǎo)特性與關(guān)鍵傳導(dǎo)基因有關(guān),其中包括SCN5A(編碼心肌鈉通道Nav1.5的α亞單位)和Gja5(編碼高電導(dǎo)縫隙連接蛋白40)最為重要[11]。Shekhar等[11]對ETV1基因敲除小鼠進(jìn)行電生理分析,發(fā)現(xiàn)ETV1缺陷心臟傳導(dǎo)異常,表現(xiàn)為P 波、PR 間期和QRS 波持續(xù)時(shí)間延長。此外,30%的ETV1敲除鼠表現(xiàn)為束支阻滯。心內(nèi)膜電圖記錄顯示,ETV1敲除鼠的AH 和HV間期延長。ETV1基因缺陷的小鼠的心室傳導(dǎo)系統(tǒng)中Nkx2-5、Gja5和SCN5A 的水平降低。生理狀態(tài)下,在心房、浦肯野和心室肌細(xì)胞中鈉電流的生物特性并不均勻,起著心房和浦肯野細(xì)胞有更大的鈉電流,相應(yīng)Nav1.5的表達(dá)水平也更高。ETV1的缺失導(dǎo)致心房、浦肯野和心室肌細(xì)胞間鈉電流完全同質(zhì)化,表現(xiàn)出明顯的傳導(dǎo)缺陷。

5 總結(jié)和展望

隨著ETV 的發(fā)現(xiàn),已經(jīng)破譯了ETV 介導(dǎo)的中胚層形成,內(nèi)皮和心臟分化機(jī)制的諸多關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對ETV 上、下游基因調(diào)控級聯(lián)的深入探究,是我們清晰地認(rèn)識(shí)到心臟轉(zhuǎn)錄因子并非孤立作用,而是與共激活因子和染色質(zhì)調(diào)節(jié)因子提供形成大分子轉(zhuǎn)錄復(fù)合體發(fā)揮效應(yīng)。因此,了解心臟轉(zhuǎn)錄因子對心臟特別是傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)與功能的調(diào)控作用,對于揭示心律失常的發(fā)生發(fā)展機(jī)制和干預(yù)靶點(diǎn)的尋找有著重要的意義。