sFRP2在心臟發(fā)育和心臟病理改變中作用的研究進(jìn)展

李海龍，王英男

（1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010059；2.烏蘭察布市中心醫(yī)院，內(nèi)蒙古 烏蘭察布市 012099）

1 sFRP2的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)作用

sFRP2是一種可溶性蛋白質(zhì)，大小為34 kda。它由人類第4號染色體上約2 kb長的基因編碼。其結(jié)構(gòu)與分泌型卷曲相關(guān)蛋白相似，N-末端也具有Rico半胱氨酸結(jié)構(gòu)域（CRD），包含10個保守的Cys殘基。sFRP2結(jié)構(gòu)與Wnt信號通路中的細(xì)胞質(zhì)膜中的卷曲蛋白受體（Frizzled，F(xiàn)zd）高度相似，但缺乏跨膜結(jié)構(gòu)。sFRP2在Wnt信號通路中具有多方面調(diào)節(jié)作用，通常認(rèn)為sFRP2對Wnt信號通路具有抑制作用。一方面，sFRP2與蛋白Fzd高度同源性，結(jié)構(gòu)上高度相似，可與經(jīng)典Wnt蛋白競爭性結(jié)合，從而發(fā)揮對經(jīng)典Wnt信號通路的抑制作用；另一方面，sFRP2與非經(jīng)典Wnt信號通路中的Wnt蛋白結(jié)合，通過激活PCT、JNK非經(jīng)典信號通路來抑制經(jīng)典Wnt/β-catenin信號通路[1]。然而近來有研究表明，在某些特定條件下sFRP2對Wnt信號通路具有激活作用，如sFRP2能夠激活肺癌細(xì)胞模型中經(jīng)典Wnt信號通路[2]。總之，sFRP2不單純是經(jīng)典Wnt信號通路的拮抗因子，而在特定條件下對Wnt信號通路具有激活作用。目前研究已知，在心血管生理病理及心臟生長發(fā)育過程中Wnt信號通路廣泛參與其中。sFRP2在心肌纖維化、心臟肥大、心血管再生等方面的生物學(xué)作用主要有賴于Wnt信號通路。

2 sFRP2與心臟發(fā)育

在胚胎期，心臟是最早發(fā)育的功能器官，由胚胎中胚層心臟祖細(xì)胞分化發(fā)育而來[3]。從細(xì)胞增殖分化過程看，可分為中胚層內(nèi)心臟祖細(xì)胞的擴(kuò)增和心臟祖細(xì)胞進(jìn)一步分化為心肌細(xì)胞兩個階段。對心臟發(fā)育的研究表明，sFRP2在心臟的所有部位表達(dá)，這表明sFRP2參與了細(xì)胞水平上的心肌細(xì)胞分化以及整個心臟發(fā)育過程中的細(xì)胞遷移和擴(kuò)增等過程[4]。在心臟的正常發(fā)育過程中，Wnt經(jīng)典通路及非經(jīng)典通路均參與其中，共同調(diào)節(jié)心臟的發(fā)育。心臟神經(jīng)細(xì)胞的發(fā)育、流出道的形成和冠狀動脈的形成在內(nèi)的諸多過程都有賴于經(jīng)典Wnt信號通路的激活[5]，而非經(jīng)典通路的激活多與心肌細(xì)胞的分化相關(guān)[6]。

2.1 Wnt經(jīng)典信號在心臟發(fā)育過程中雙向調(diào)節(jié)理論及時空特異性

研究發(fā)現(xiàn)，如果在原始腸形成之前就激活了經(jīng)典的Wnt信號，則可以刺激中胚層細(xì)胞分化為線性心管，而在后期，只有對Wnt信號通路抑制才可以繼續(xù)促使心臟發(fā)育，進(jìn)而提示W(wǎng)nt/β-catenin信號傳導(dǎo)很可能以雙向方式調(diào)節(jié)心臟的發(fā)育，即在心臟發(fā)育的初期需要Wnt/β-catenin信號的加強(qiáng)傳導(dǎo)，而在心臟發(fā)育的后期需要Wnt/β-catenin信號的持續(xù)抑制才能維持心臟繼續(xù)發(fā)育。另外一些研究表明，心肌分化過程Wnt信號通路的作用似乎具有時空特異性，在體外誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（induced pluripotent stem cells，iPS cells）建模，對經(jīng)典Wnt信號通路進(jìn)行長期激活，則誘導(dǎo)心臟祖細(xì)胞分化為成纖維細(xì)胞[7]；當(dāng)心臟祖細(xì)胞處于中胚層外圍時，通過Wnt5b激活經(jīng)典Wnt信號通路將誘導(dǎo)心臟祖細(xì)胞分化為心臟起搏細(xì)胞[8]。

2.2 sFRP2與中胚層發(fā)育

Wnt經(jīng)典信號的激活能夠調(diào)節(jié)中胚層發(fā)育。在小鼠胚胎中敲除了β-catenin信號通路，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中胚層無法形成，這提示中胚層內(nèi)心臟祖細(xì)胞的擴(kuò)增依賴經(jīng)典的Wnt途徑的激活[9]。sFRP2在心臟發(fā)育過程中對中胚層的調(diào)節(jié)作用是通過Wnt信號而發(fā)揮的，Wnt3a蛋白是一種典型的Wnt信號蛋白，去除Wnt3a表達(dá)將減少中胚層相關(guān)標(biāo)記物的表達(dá)，而sFRP2對蛋白Wnt3a具有抑制作用，這表明sFRP2在心臟中胚層發(fā)育階段具有負(fù)調(diào)節(jié)作用。在小鼠畸胎瘤細(xì)胞系P19CL6中進(jìn)行的實驗也表明，sFRP2的功能取決于是否能夠破壞自體Wnt3a轉(zhuǎn)錄的正反饋作用，如若能夠破壞Wnt3a轉(zhuǎn)錄的正反饋作用，則會阻止中胚層細(xì)胞擴(kuò)增特化為心臟祖細(xì)胞。sFRP2在心臟中胚層發(fā)育過程中具有關(guān)鍵作用，在中胚層時期只有較低的表達(dá)sFRP2，對心臟初期發(fā)育才有益。

2.3 sFRP2與心肌分化

心臟發(fā)育的另一個關(guān)鍵階段是祖細(xì)胞分化為心肌細(xì)胞。在這個過程中sFRP2通過對Wnt信號通路的調(diào)節(jié)影響心肌分化，激活經(jīng)典Wnt信號路徑可以抑制心臟的祖細(xì)胞的分化，并且認(rèn)為sFRP2可以以不同的方式抑制經(jīng)典的Wnt信號路徑以促進(jìn)心肌分化。一種方式是通過與Wnt6蛋白作用而實現(xiàn)。Wnt6蛋白是經(jīng)典Wnt信號通路蛋白，能夠激活經(jīng)典Wnt信號通路對心肌細(xì)胞分化產(chǎn)生抑制作用，當(dāng)sFRP2與Wnt6結(jié)合后具有誘導(dǎo)激活PCP和JNK非經(jīng)典通路的作用，激活的非經(jīng)典通路對經(jīng)典Wnt信號通路產(chǎn)生串?dāng)_抑制作用，從而解除經(jīng)典Wnt通路對心臟祖細(xì)胞分化的抑制作用，促進(jìn)心肌分化[10]。另一種方式是通過與Wnt3a、Wnt11蛋白作用而實現(xiàn)。心臟未分化祖細(xì)胞同時表達(dá)Wnt3a蛋白和Wnt11蛋白。Wnt3a是Wnt經(jīng)典通路蛋白，通過激活Wnt-β-catenin通路抑制心肌細(xì)胞的分化，而Wnt11是非經(jīng)典通路蛋白，可以激活非經(jīng)典Wnt信號通路，進(jìn)而抑制經(jīng)典Wnt信號通路，促進(jìn)心肌細(xì)胞分化。正常生理情況下二者保持平衡關(guān)系，心臟祖細(xì)胞未表現(xiàn)出進(jìn)一步分化，而當(dāng)sFRP2高表達(dá)后，Wnt3a與Wnt11相比，對sFPR2表現(xiàn)出更高的結(jié)合性，最終導(dǎo)致sFRP2與Wnt3a蛋白結(jié)合，而Wnt11相對自由，Wnt11進(jìn)一步激活Wnt非經(jīng)典通路，進(jìn)而干擾抑制經(jīng)典Wnt信號通路，因此促進(jìn)心臟祖細(xì)胞向心肌細(xì)胞分化[11]。

3 sFRP2在心臟病理改變中的作用及心臟再生治療中的作用

3.1 sFRP2在心臟纖維化病理改變中的作用

3.1.1 Wnt信號通路與心臟纖維化 心臟纖維化是心臟遭受病理性損傷后的一種適應(yīng)性表現(xiàn)，對于維持心臟結(jié)構(gòu)和功能具有重要作用，但過度的纖維化會加重心臟重塑和心功能受損，是心力衰竭發(fā)展及猝死發(fā)生的重要病理原因。Wnt信號的激活具有促進(jìn)不同器官纖維化發(fā)展的作用[12～14]，Wnt信號在心肌梗死后不久被激活，并可能與心臟重塑和心臟纖維化明顯相關(guān)[15]。動物實驗也表明，在小鼠急性缺血性心肌損傷后48 h內(nèi)經(jīng)典Wnt信號表達(dá)程度可上調(diào)8倍，促進(jìn)纖維化基因表達(dá)并誘導(dǎo)心臟成纖維細(xì)胞增殖，最終導(dǎo)致心臟修復(fù)和纖維化[16]，而抑制心外膜和心臟成纖維細(xì)胞中的Wnt/β-catenin信號后，心臟病變區(qū)域的膠原蛋白沉積明顯減少[17]。

3.1.2 sFRP2與心臟纖維化sFRP2與心臟纖維化存在明顯相關(guān)[18]。sFRP2通常被認(rèn)為是Wnt/β-catenin通路的拮抗劑，它通過抑制Wnt/β-catenin信號通路來發(fā)揮減輕心臟纖維化的作用。對心肌梗死小鼠模型注射重組sFRP2分子，發(fā)現(xiàn)心肌纖維化程度相對降低，其他動物實驗也表明，sFRP2能夠減輕纖維化的發(fā)展[4]。然而另外一些研究表明，sFRP2可促進(jìn)心臟纖維化。Kobayashi等[19]研究發(fā)現(xiàn)，敲除sFRP2基因的小鼠在遭受心肌梗死后其心肌纖維化程度要比正常小鼠低。這表明sFRP2具有促進(jìn)心臟纖維的作用。對于sFRP2在心肌纖維化中體現(xiàn)的不一致作用，Alfaro等[20]的研究可能給予較為合理的解釋，其研究發(fā)現(xiàn)，低水平的sFRP2（＜1μg/mL）會促進(jìn)原膠原C蛋白酶的活性，進(jìn)而促進(jìn)纖維化，而高濃度的sFRP2（＞6μg/mL）具有相反的作用?；谶@些研究可以推測sFRP2在心肌纖維化過程具有濃度依賴性，即低濃度的sFRP2可以增強(qiáng)Wnt通路的作用并促進(jìn)心肌纖維化，而高濃度的sFRP2能夠拮抗Wnt通路，進(jìn)而抑制心肌纖維化。

3.2 sFRP2在心肌肥大病理改變中的作用

心肌肥大也是心臟的一種適應(yīng)性反應(yīng)，比如長期壓力超負(fù)荷、持續(xù)的β-腎上腺素刺激、心肌代謝異常等[21]。心肌肥大的過程涉及許多信號通路和關(guān)鍵分子，包括鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶和Wnt信號通路、細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（ERK）、肌醇磷酸3激酶/蛋白激酶B（PI3K/Akt）、c-Jun N N末端激酶（JNK）[21]。Wnt信號通路在心肌細(xì)胞肥大的發(fā)展過程中具有重要意義，其中經(jīng)典Wnt/β-catenin信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的作用最顯著[22]。Zhao等[23]利用血管緊張素Ⅱ（Ang-Ⅱ）建立體外心肌細(xì)胞肥大模型，然后用Wnt-C59阻斷Wnt信號，結(jié)果心肌肥大明顯改善，這表明Wnt信號通路參與心肌肥大的發(fā)生發(fā)展。Wei等[24]進(jìn)行的研究表明，sFRP2的過表達(dá)通過抑制Wnt/β-catenin信號通路，減弱了由肥大刺激誘導(dǎo)導(dǎo)致的肌細(xì)胞肥大。另有研究表明，sFRP2可以通過抑制肌肉細(xì)胞中的轉(zhuǎn)化生長因子β1（TGF-β1）來發(fā)揮抗肥大作用[25]?？傊?，目前諸多研究均表明，sFRP2具有保護(hù)心肌免受病理性肥大損害的作用。

3.3 sFRP2在血管再生病理改變中的作用

血管再生是一個復(fù)雜的過程，可以概括為4個步驟：誘導(dǎo)端細(xì)胞生成、萌芽的延長生長、血管分支形成和血管網(wǎng)絡(luò)的形成和穩(wěn)定。大量研究證明，Wnt信號通路在血管生成過程中，通過一些血管生成關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，如卷曲蛋白-5（Fzd5）、卷曲蛋白-7（Fzd7）和R-spondin3等，對內(nèi)皮細(xì)胞，端細(xì)胞，莖細(xì)胞等生長分化起到重要的調(diào)節(jié)作用[6]。sFRP2通過激活非經(jīng)典Wnt/Ca2+通路來發(fā)揮血管生成效應(yīng)，卷曲蛋白-5（Fzd5）在內(nèi)皮細(xì)胞中沉默后，則內(nèi)皮細(xì)胞無法形成，而Fzd5是SFRP2的受體，并通過鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶介導(dǎo)SFRP2誘導(dǎo)血管生成[26]。另據(jù)了解，sFRP2還可以可通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）應(yīng)激信號通路介導(dǎo)，抑制缺氧引起的內(nèi)皮細(xì)胞凋亡，促使內(nèi)皮細(xì)胞的遷移以及誘導(dǎo)血管生成/動脈生成[27]。

3.4 SFRP2在心臟再生治療中的作用

心肌細(xì)胞是永久細(xì)胞，其再生潛力有限，通過干細(xì)胞移植對心血管疾病進(jìn)行治療是目前心血管疾病研究的熱點之一[28]。靶器官中干細(xì)胞的存活能力是決定治療效果的關(guān)鍵因素。由于移植后心臟局部心肌炎癥和纖維化的發(fā)生發(fā)展，移植后干細(xì)胞的存活率較低，嚴(yán)重影響了移植效果[29]。為了提高干細(xì)胞療法的效果，增強(qiáng)干細(xì)胞在缺血-再灌注損傷后產(chǎn)生的炎性和纖維化環(huán)境中的生存能力是必要的。sFRP2能夠改善人間充質(zhì)干細(xì)胞（hMSCs）在氧化應(yīng)激下的生存能力，提高干細(xì)胞移植的治療效果，同時又不影響hMSC的細(xì)胞形態(tài)、表面標(biāo)志物表達(dá)以及分化潛能[30]，其作用機(jī)制可能是sFRP2加強(qiáng)了Wnt/β-catenin信號，進(jìn)而提高細(xì)胞存活率。胰島素樣生長因子-1（Insulin-like growth factor-1，IGF-1）是骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）重要的旁分泌因子。據(jù)研究，IGF-1的過表達(dá)可以通過AKT通路增強(qiáng)SFRP2表達(dá)，進(jìn)一步加強(qiáng)Wnt/β-catenin信號，從而提高移植存活率。使用siRNA抑制AKT通路或敲除SFRP2表達(dá)可顯著拮抗IGF-1的作用并降低Wnt/β-catenin信號通路傳導(dǎo)，最終致β-catenin靶基因，包括細(xì)胞周期蛋白D1和c-Myc的表達(dá)相應(yīng)降低。此外，BMSCs-IGF-1可以從缺氧誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡中拯救心肌細(xì)胞，并在缺氧條件下保持細(xì)胞活力[31]。這些研究均表明，sFRP2是增強(qiáng)干細(xì)胞活力的重要介質(zhì)，能夠通過增強(qiáng)Wnt/β-catenin信號通路傳導(dǎo)保護(hù)MSCs移植后心肌免于凋亡[32]，提高移植后存活率。

4 總結(jié)

sFRP2在心臟發(fā)育和心臟病理過程中具有多方面調(diào)節(jié)作用。在心臟發(fā)育過程中，sFRP2可以通過調(diào)節(jié)Wnt/β-catenin經(jīng)典信號通路及PCP和JNK非經(jīng)典通路，對心臟發(fā)育發(fā)揮調(diào)控作用。在心臟病病理改變中，sFRP2具有抑制心肌肥大的作用；在心臟纖維化方面，sFRP2表現(xiàn)出濃度依賴的雙向調(diào)節(jié)作用，低濃度sFRP2具有促進(jìn)心臟纖維化的作用，相反，高濃度的sFRP2具有抑制心臟纖維化的作用，sFRP2可以通過激活非經(jīng)典Wnt途徑來促進(jìn)血管生成；在心臟再生治療中，sFRP2可以改善干細(xì)胞在不利環(huán)境中的存活率，并增強(qiáng)對心肌梗死的治療效果。心臟纖維化、心肌肥大、血管再生均是心臟遭受病理損傷后重要的病理改變，涉及心臟重構(gòu)，直接關(guān)系到患者心功能及預(yù)后。而sFRP2在這些病理過程中具有多重調(diào)節(jié)作用，因此，sFRP2是心血管疾病多種病理狀況下很有希望的治療靶標(biāo)。但目前sFRP2在這些病理生理過程中的具體機(jī)制仍不確切，需進(jìn)一步探索研究。