心肌細胞增殖影響因素分析＊

潘蒙蒙 吳成龍 鐘書城 湛傳紅 惠羽凡 段艷宇

1.贛南醫(yī)學院基礎醫(yī)學院 (江西 贛州 341000)

2.贛南醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院 (江西 贛州 341000)

3.贛南醫(yī)學院第一臨床學院 (江西 贛州 341000)

4.深圳愛灣醫(yī)學檢驗實驗室 (廣東 深圳 518000)

5.深圳罕見病代謝組學精準醫(yī)學工程研究中心 (廣東 深圳 518000)

心血管疾病是全球死亡的主要原因[1]。廣泛的心肌細胞死亡導致心室重塑和心力衰竭。成人心臟心肌受損后再生能力有限，不足以使心肌功能恢復；而新生兒心臟損傷后心肌功能可恢復和先天性心臟病心臟手術后兒童無瘢痕的報道提示早期心肌細胞具有再生能力[2]；可見，人類心肌再生具有年齡依賴性。而低等脊椎動物的心臟則不同，Kenneth D Poss等人發(fā)現(xiàn)，成年斑馬魚的心肌能夠完全再生[3]。因此，解析心肌細胞去分化和增殖的機制對于實現(xiàn)并指導人類的治療策略具有研究價值。近幾年，從新生心肌細胞增殖機制著眼進而探討成年心臟再生是廣泛使用的策略。對心肌細胞增殖機制的研究中,主要熱點在于轉錄因子、氧化代謝、信號通路等，然而干預這些靶點促心肌細胞的效果是否具有臨床意義仍不清楚, 這些干預方法是否有潛在的副作用尚待明確。因此解析影響調控心肌細胞增殖能力的因素，對調控心肌細胞增殖能力的關鍵因素進一步研究十分關鍵。本文將對心肌細胞增殖方式及心肌細胞增殖的影響因素展開綜述。

1 心肌細胞的來源和再生

哺乳動物胚胎發(fā)育早期，心肌細胞來源于中胚層中的祖細胞形成的原始條紋中，隨后這些祖細胞逐步分化形成心肌細胞；在后期，心肌細胞開始向初始的成熟狀態(tài)轉變，增殖能力逐漸降低[4]。出生后，哺乳動物的心肌增殖能力快速喪失。小鼠心肌細胞的增殖能力在出生一周內處于暫時激活狀態(tài)，并且增殖能力會隨著年齡的增加而減弱[5]。心肌損傷后，哺乳動物心肌再生能力具有年齡依賴性。Enzo R Porrello等人通過對小鼠切除心尖和手術結扎冠狀動脈實驗發(fā)現(xiàn)，新生小鼠心臟的再生能力在出生后的第一周內喪失[6]。Enik Lázár等人通過放射性碳(14C)出生日期測定實驗表明，即使是在中年和老年人中，人類心臟仍能產生新的心肌細胞，但不足以彌補心臟損傷后心肌組織的極度喪失[7]。

值得關注的是，Bettencourt-Dias M等人通過對斑馬魚截肢實驗和蠑螈譜系跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，低等脊椎動物中成年受損心肌，可以通過去分化的心肌細胞的再分化和增殖得到彌補[8-9]。此后，Senyo等人應用兩種不同的脈沖追蹤方法即穩(wěn)定同位素標記的遺傳命運圖和多同位素成像質譜(MIMS)，發(fā)現(xiàn)在成年小鼠的正常心肌穩(wěn)態(tài)及心肌損傷后，新的心肌細胞可由先前存在的心肌細胞產生[10]。

2 影響心肌細胞增殖的因素

2.1 轉錄因子心肌細胞增殖時受到許多轉錄因子的調控。Spielmann N等人證明，Nkx2-5和Tbx20兩種轉錄因子對早期心臟發(fā)育很重要[11]。Owen W J Prall等人對小鼠的研究表明，在心臟形態(tài)發(fā)生的最早階段，Nkx2-5與 Bmp2和Smad1一起在負反饋回路中調節(jié)心臟祖細胞池的規(guī)模和分化之間的時間平衡[12]。Cornelis J Boogerd等人通過對小鼠胚胎的研究發(fā)現(xiàn)，Tbx20是驅動心臟祖細胞形成的心臟轉錄程序的關鍵組成部分，細胞周期分析表明Tbx20突變會導致心肌細胞的增殖減少及其在G1-S相變時期的停滯[13]。Ahmed I Mahmoud等人對大鼠新生兒心肌細胞研究發(fā)現(xiàn)，Meis1與出生后早期心肌細胞增殖有關，在出生后第7天的表達增加[14]。Meis1缺失會刺激周期正調控因子如檢查點激酶1和細胞周期蛋白D2等的上調，可以將出生后新生兒心肌細胞增殖的窗口期從7天延長至14天[15]。Nguyen NUN等人采用免疫沉淀和鄰近結扎試驗在對小鼠心臟的研究中發(fā)現(xiàn)同源盒蛋白Hoxb13在出生后心肌細胞增殖中充當Meis1的輔助因子，與Meis1有相似的表達模式。缺失Hoxb13在出生后第7天可延長心肌細胞增殖的窗口期，重新激活成人心臟中的心肌細胞周期[16]。

成纖維細胞生長因子(FGF)在心臟發(fā)育中發(fā)揮關鍵功能。FGF通過影響第二心區(qū)來影響流出道的形成，在正常形態(tài)發(fā)生中發(fā)揮核心作用。FGF家族中的FGF3、FGF8、FGF10和FGF15/19在胚胎心臟發(fā)育中主要以旁分泌信號發(fā)揮作用，參與胎兒心肌細胞增殖的調節(jié)[17]。Karin Jennbacken等人研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF16特異性誘導心臟祖細胞的增殖并誘導人心肌細胞中的細胞周期活性[18]。Fabien Hubert等人通過對小鼠心肌梗死(MI)模型的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)gf10表達降低導致成年小鼠MI后心肌細胞增殖受損，心肌纖維化增強。Fgf10上調可以增強心肌細胞增殖和防止瘢痕，這些實驗表明FGF10是一個潛在的臨床靶點，可以促進心臟修復和再生[19]。

2.2 非編碼RNA非編碼RNA(Non-coding RNA)如長鏈非編碼RNA(lncRNA)和小分子RNA(miRNA)在心肌細胞增殖過程中發(fā)揮著重要的作用。Ning Liu等人對新生和成年小鼠的研究表明，一種新的富含心肌細胞的心臟lncRNA，在心肌細胞增殖過程中參與轉錄和轉錄后調節(jié)過程，對成人心臟穩(wěn)態(tài)至關重要[20]。Feng Gao等人通過對成年小鼠心臟的研究發(fā)現(xiàn)，miR-19a/19b可增強心肌細胞增殖并刺激心肌再生，以應對MI損傷[21]。miR-195通過直接抑制細胞周期基因刺激出生后心肌細胞退出細胞周期，從而抑制細胞增殖；而miR-195-5p敲低則減輕了缺氧/有氧誘導的心肌細胞損傷[22]。miR-20、miR-30、miR-141通過抑制Cyclin-A2，并且上調CDK抑制劑以及負性細胞周期調節(jié)劑的表達來抑制心肌細胞增殖[23]。

2.3 氧化代謝環(huán)境缺氧、缺氧誘導的細胞信號和線粒體代謝也是脊椎動物心肌細胞周期和心臟再生的關鍵調節(jié)因子。最近，Lincai Ye等人發(fā)現(xiàn)，中度缺氧(75%～85%)能減少線粒體氧化DNA損傷，降低DNA損傷反應，促進心肌細胞增殖。輕度缺氧(＞85%)和重度缺氧(＜75%)會增加DNA損傷,導致細胞周期停滯[24]。線粒體活性氧(ROS)對心肌細胞增殖有不同的效果，RatulDatta Chaudhuri通過對大鼠心肌細胞的研究發(fā)現(xiàn)，ROS積累增加可以激活ERK-1 /2，穩(wěn)定細胞核內缺氧誘導因子-1即HIF-1α的表達量，促進bnip3介導的細胞凋亡。而ROS的表達量降低會下調ERK-1/2活性，從而抑制bnip3的表達而抑制細胞凋亡[25]。

代謝過程和代謝物與哺乳動物心肌的再生有緊密的聯(lián)系。Jiyoung Bae等人通過對新生小鼠心臟的研究發(fā)現(xiàn)，對出生一周內的小鼠注射琥珀酸鹽可導致心肌細胞周期過早退出，從而抑制新生兒心臟再生反應，高水平的琥珀酸鹽可以誘導心肌細胞DNA損傷，降低先前存在的心肌細胞的增殖潛力。丙二酸通過抑制琥珀酸脫氫酶活性將代謝向糖酵解轉變，促進成人心肌梗死后的心肌細胞的增殖和心臟再生[26]。此外，新生兒早期，脂肪酸β氧化在促進新生小鼠心臟的心肌細胞增殖和肥厚生長中起著至關重要的作用。Tongtong Cao等人研究發(fā)現(xiàn)，小鼠在出生后2～5天時，心肌細胞代謝從糖酵解轉向脂肪酸β氧化；如果抑制脂肪酸β氧化或增強糖酵解，可以實現(xiàn)維持新生小鼠心肌細胞增殖的能力[27]。

2.4 信號通路影響心肌細胞增殖的信號通路主要有Hippo、Wnt/β-Catenin和Notch信號通路等。Hippo通路是一種核心激酶級聯(lián)反應，激活時會負調節(jié)轉錄共激活因子YAP及其較小的旁系同源物TAZ。Hippo途徑失活時，YAP去磷酸化并易位到細胞核中，與TEAD轉錄共激活子結合，從而刺激基因表達，有助于細胞存活、遷移和增殖[28]。此外，Jaemin Byun等人通對小鼠的心臟研究發(fā)現(xiàn)，YAP的下調作用減弱了壓力超負荷期間心臟肥大的程度，同時增加了左心室壁應激，心肌細胞細胞的凋亡和心功能不全[29]。

Wnt/β-Catenin信號通路在進化上高度保守，主要參與器官發(fā)育、損傷修復、組織重塑和炎癥，在心臟發(fā)育和正常心臟穩(wěn)態(tài)中均起核心作用。Gregory A Quaife-Ryan等人研究發(fā)現(xiàn)，β-Catenin在未成熟和成熟的心肌細胞中具有不同的作用。β-Catenin驅動細胞周期相關的基因網絡，促進未成熟新生兒心肌細胞和人多能干細胞-心肌細胞的增殖。雖然不能促進成人心肌細胞增殖，改善了心肌梗死后的疤痕大小，起到了保護心臟的效應[30]。在心臟發(fā)育中，Wnt信號通路的GSK-3β通過激活細胞周期和相關轉錄因子的機制，如Cyclin D1、Gata4、NF-AT家族和c-Myc，促進心肌細胞增殖[31]。

Notch信號傳導在心肌損傷后的心肌細胞增殖中起著重要作用。Wenyuan Wang等人通過對斑馬魚的研究發(fā)現(xiàn)，阻斷Notch信號傳導可能致使增殖性心肌細胞的數(shù)量普遍減少，最終導致細胞周期在G0/G1期停滯。Notch信號也能通過激活Bmp信號傳導，從而促進心肌細胞重編程和心臟再生[32]。此外，神經調節(jié)蛋白(NRG)可以誘導心肌細胞增殖；Long Zhao等人研究發(fā)現(xiàn)，Notch信號傳導通過間接控制NRG影響心肌細胞增殖。并且，Notch信號的過度激活也抑制了心肌細胞的增殖，這意味著心肌細胞增殖性更新可能對Notch信號的干擾較為敏感[33]。

3 小結與展望

心肌細胞去分化和增殖是一個嚴格調節(jié)的過程。盡管心肌細胞增殖和分化方面的研究取得了一定進展，為尋求通過心肌再生策略修復成人受損心臟提供了新知識，但仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。這篇綜述論述了轉錄因子、氧化代謝、信號通路和小RNA在調節(jié)心肌細胞增殖和心臟再生中的關鍵作用。值得注意的是這些機制中的大多數(shù)似乎都集中在對細胞周期和細胞周期蛋白的調控上；這提示細胞周期和細胞周期蛋白在心肌再生和調控心肌細胞增殖方面的研究具有臨床轉化前景。