生長分化因子15與心血管疾病的研究進展

葉慶虎,張 恒

生長分化因子15(grow th differentiation factor 15,GDF15)是轉化生長因子-β(TGF-β)超家族成員之一,GDF15參與了腫瘤的發生和發展,調控腫瘤的生長,抑制腫瘤的轉移[1]。近來研究發現,GDF15還是一個重要的心血管保護因子,與心血管系統疾病密切相關,現將其研究進展綜述如下。

1 GDF15概述

1997年Bootcov MR首次報道了一種新的轉化生長因子-β(TGF-β超家族成員),當時命名為巨噬細胞抑制因子(macrophage inhibitory cytokine-1,M IC-1)[2],以后又命名為前列腺源性因子,前列腺分化因子,胎盤轉化生長因子-β(p lacental transform ing grow th factor-β),GDF15。GDF15是P53基因調節的分泌蛋白,在P53激活的情況下顯著表達,而且與TGF-β不同的是血清和血漿中的含量無血細胞依賴性而更加穩定和易于檢測。

在正常人體內,GDF15表達具有明顯的組織特異性,在胎盤和前列腺中高表達,在腎臟和胰腺中可檢測到表達,在其他組織和器官中表達量很低或幾乎不表達[1]。但其在多種病理狀態下,例如前列腺癌、結腸癌、乳腺癌、胰腺癌等,GDF15在腫瘤部位表達顯著上調,并被證明可以作為結腸癌、胰腺癌、前列腺癌血清早期診斷標志物[3-5]。當心臟處于多種病理狀態,如后負荷升高刺激,缺血/再灌注損傷時,GDF15在心肌細胞迅速誘導高表達,成熟的GDF15蛋白被分泌到細胞外,與心肌細胞表面TGF-β家族受體結合,激活AKT,SMAD等下游信號通路,反饋抑制心肌的損傷[6-7]。

GDF15具有十分典型的TGF-β超家族的特點:GDF15的前原蛋白含308個氨基酸,N端含有12個氨基酸長的疏水性信號肽,中間(193-196位氨基酸PXXR)為保守的蛋白酶水解位點,C端含有保守的胱氨酸結結構域[8]。GDF15前原蛋白經過fruin樣蛋白酶切后成為112氨基酸的成熟蛋白,并作為二硫鍵鏈接的同源二聚體被分泌出細胞,通過旁分泌和自分泌執行基因功能[9]。

GDF15基因位于19913.1-13.2,此區域也是前列腺癌易患基因區域[10]。GDF15基因由一個含1820bp的內含子和兩個外顯子組成[11,12]。成熟GDF15是二聚體,分子量約24KDa,其氨基末端含有兩個半胱氨酸殘基和包括跨越約80個氨基酸殘基的含7個半胱氨酸的高度保守區域,此區域包繞大部分成熟蛋白[13],與其他的TGF-β超家族成員不同,成熟GDF15的分泌不需要前肽[14],由于編碼GDF15成熟蛋白六號位上氨基酸的殘基存在G-C點置換,導致其氨基酸由組氨酸(H)置換為天冬氨酸(D),故將GDF15分為D型和H型兩種基因表型,H和D兩種等位基因的發生頻率分別為HH 54%,HD 39%,DD7%,但不同基因型患者的GDF15血清含量沒有明顯差異性[15]。

2 GDF15與心血管疾病

2.1 GDF15與動脈粥樣硬化 動脈粥樣硬化是嚴重危害人類健康的常見病,主要累及彈力型動脈(如主動脈)彈力肌型動脈(如冠狀動脈、腦動脈),其病變主要在動脈內膜。動脈粥樣硬化的形成機制至今尚未完全明了。其學說很多,但近年來被普遍接受的是損傷應答和炎癥學說。該學說認為,巨噬細胞通過產生多種生物活性物質而參與動脈粥樣硬化病變的形成,如產生IL-1,PDGF和TNF,這些因子促進斑塊發展,誘導血管平滑肌細胞遷移,從而導致血管損傷。Brown等[16]利用圈定性的病例對照實驗研究GDF15在婦女動脈粥樣硬化中的作用,在27 628例最初健康的婦女中,選定257例隨后4年發生心肌梗死、中風或死于心血管事件的病例組和257例年齡匹配,有吸煙史,在隨后4年中未報道有心血管事件的婦女為對照組,結果表明前者基線濃度顯著高于后者,前者血清GDF15濃度大于90個百分點(＞856 pg/m L),患者心血管病的風險增加2.7倍(95%CI 1.6～4.9,P＜0.01),雖然GDF15血清濃度與傳統的危險因素IL-6,CRP等相關,但其仍為婦女患動脈粥樣硬化等心血管事件的獨立危險因素。

巨噬細胞分泌多種細胞因子,在動脈粥樣硬化斑塊的形成過程中發揮重要作用,動物模型中,P53的表達上調誘導斑塊的不穩定,GDF15在活化的巨噬細胞中被激活并反饋抑制巨噬細胞的活化,GDF15是P53的重要下游基因,可被P53所誘導,發揮廣泛的細胞調控作用。GDF15可能在動脈粥樣硬化的斑塊中由活化的巨噬細胞生成,分泌到血清中,參與了動脈斑塊的形成[16]。

2.2 GDF15與急性胸痛 對于急性胸痛患者的快速評估一直是一個挑戰,除了病史和體檢,對急性胸痛患者的評估主要依靠心電圖變化和心肌壞死標志物(如肌鈣蛋白等),當不正常時,預示不良事件風險的增加[17,18]。對于急性胸痛患者的不良后果,GDF15提供了強大的獨立的預測信息,超越了傳統的風險標志物如心電圖,肌鈣蛋白。GDF15可作為急性胸痛患者早期分流和治療決策的工具,但在醫療資源利用、衛生保健費用、患者資料管理策略等方面的作用,GDF15需要在未來試驗中證實[19]。

2.3 GDF15與急性冠脈綜合征 根據患者發病時心電圖ST段抬高與否,可分為ST段抬高急性冠脈綜合征和非ST段抬高急性冠脈綜合征。Wollert等[20]研究認為,對于非ST段抬高急性冠脈綜合征,血清GDF15濃度顯著升高,GDF15可作為預測再梗死的獨立因素,在非ST段抬高急性冠脈綜合征的超急性階段,GDF15只有輕微升高,GDF15不能預測心肌的損傷程度,在心肌缺血至少7 d,GDF15濃度才持續升高。非ST段抬高急性冠脈綜合征呈現高水平GDF15得益于血運重建,而正常GDF15水平的非ST段抬高急性冠脈綜合征則不然[21]。Kemp f等[22]研究ST抬高急性心肌梗死患者溶栓治療效果的預測價值,隨著GDF15水平的升高,死亡風險也逐漸增加,在ST段抬高急性心肌梗死患者中,除了臨床和生化指標,GDF15可提供預后信息,是一個新的生物標志物。

2.4 GDF15與心肌缺血/再灌注損傷 心肌持續缺血導致組織損傷和細胞死亡,早期再灌注能夠減輕心肌缺血的損傷程度,但是大量的動物實驗和臨床觀察表明,再灌注后在改善心肌供血的同時又加重了單純心肌缺血所造成的損傷,出現心律失常、梗死面積擴大、持久性心室收縮功能低下等表現。

冠脈再灌注是急性心肌梗死治療的首要目標[23]。心肌通過合成生長因子和細胞因子來適應心肌缺血/再灌注損傷,這些內在的適應性機能開辟了新的途徑來限制缺血/再灌注損傷[24]。兩個小鼠模型中,一個永久結扎冠狀動脈,另一個瞬間結扎再灌注,以模擬臨床心肌梗死患者不接受或接受再灌注治療,結果顯示:永久缺血和短暫缺血再灌注均導致了小鼠心肌GDF15m RNA和Pro-pep tide表達量的劇增,與此相類似,急性心肌梗死患者GDF15 Pro-pep tide的表達水平也升高,免疫組化顯示,在心肌梗死患者的心臟中缺血區域心肌細胞產生大量的GDF15,內源性GDF15限制心肌組織的損害,從而保護心肌缺血/再灌注損傷[25]。

2.5 GDF15與心力衰竭 在小鼠心力衰竭模型中,心臟GDF15水平升高[6]。心衰患者血清GDF15濃度升高,因此可考慮將GDF15作為心力衰竭的一個標志物,但必須指出的是GDF15不是心肌特異性因子,例如,胰腺腫瘤患者GDF15血清含量可高達1 000 ng/L[26]。Kempf等[27]對455例慢性心力衰竭患者GDF15水平的研究表明,GDF15與紐約心功能分級,NT-proBNP呈正相關,與左室射分數呈負相關,GDF15是預測慢性心力衰竭患者死亡風險的一個新的生物標志物,為慢性心力衰竭患者提供了預后信息。Kemp f等[28]在153例慢性心力衰竭組與429例健康老年人對照組的研究中發現,慢性心力衰竭組GDF15血清濃度明顯高于對照組(P＜0.001),雖然慢性心力衰竭組年齡較對照組大且包含了較多的男性,但這些差別不能解釋兩組GDF15濃度3.6倍的差距。GDF15水平只隨年齡增長有輕微升高,與性別無明顯關系。

2.6 GDF15與心肌肥厚 心肌肥厚是心臟功能失調的一種常見表現,當心臟受到生理或病理因素的刺激時,為維持正常的泵血功能,心臟將會出現代償性的肥厚或擴張。心肌肥厚的病理學特征是心肌細胞增粗,變長,心臟重量增加,心臟左或右心室出現肥厚,當病變繼續發展,肥大的心肌因供血不足而收縮力下降,發生失代償,臨床上出現心力衰竭,心律失常,以至猝死。高血壓、主動脈瓣狹窄、心肌病等是常見的引起心肌肥厚的病因。

GDF15參與了心肌肥厚的發生和發展。GDF15在人和小鼠的正常心臟中不表達,但在多種小鼠心肌肥厚模型,如主動脈狹窄手術誘導后負荷增加的心肌肥厚模型中,GDF15基因在心臟誘導表達。GDF-15具有抑制心肌肥厚的保護作用,與野生小鼠相比,主動脈狹窄手術后,GDF15轉基因小鼠的心臟體重比的增加顯著減小,而與此相反,GDF15基因敲除小鼠心臟體重比的增加幅度顯著大于野生型小鼠[6]。

Bj?rnstad等[29]研究了22個主動脈瓣狹窄置換術患者,觀察術前和術后2 d,6個月,12個月的GDF15水平,結果顯示,GDF15水平術后2 d即升高,GDF15在左室重塑、心肌肥厚中扮演著重要角色。

GDF15在心肌肥厚中被誘導高表達,自分泌/旁分泌作用于心臟,通過激活SMAD通路抑制心肌肥厚,SMAD的抑制因子SM AD6/7逆轉了GDF15的抑制心肌肥厚效應[6]。

3 結 語

GDF15是TGF-β超家族成員之一,GDF15在損傷、炎癥、凋亡、細胞生存、腫瘤演進等過程中被誘導表達,發揮抗炎、促凋亡或抗凋亡、抑制腫瘤生長等作用,同時,GDF15還是心血管保護因子,GDF15水平在心力衰竭,動脈粥樣硬化、急性冠脈綜合征的患者中顯著升高,GDF15可作為急性胸痛患者早期危險分層的工具,GDF15可保護心肌缺血/再灌注損傷。進一步確定GDF15的臨界值,評估如何跟蹤標記治療進程中GDF15水平的變化和臨床地位,看它能否有助于臨床決策,這些都需要在未來試驗中證實。

[1] Bauskin A R,Brow n DA,Kuffner T,et al.Role of macrophage inhibitory cytokine-1 in tum origenesis and diagnosis of cancer[J].Cancer Res,2006,66(10):4983-4986.

[2] Bootcov M R,Bauskin AR,Valenzuela SM,et a l.M IC-1,a novel macrophage inhibitory cytokine,is a divergent member of the TGF-beta superfam ily[J].Proc Natl Acad Sci U S A,1997,94(21):11514-11519.

[3] Koopmann J,Buckhaults P,Brow n DA,et al.Serum m acrophage inhibitory cytokine 1 as am arker of pancreatic and other periam pullary cancers[J].Clin Cancer Res,2004,10(7):2386-2392.

[4] Brown DA,Stephan C,Ward RL,eta l.Measu rementof serum levelsof macrophage inhibitory cytokine 1 combined with prostate-specific antigen imp roves p rostate cancer diagnosis[J].Clin Cancer Res,2006,12(1):89-96.

[5] Brow n DA,W ard RL,Bu ckhaults P,et al.M IC-1 serum level and genotype:Associations with progress and p rognosis of colorectal carcinoma[J].Clin Cancer Res,2003,9(7):2642-2650.

[6] Xu J,K imball TR,Lorenz JN,et al.GDF15/M IC-1 functions as a p rotective and antihypertrophic factor released from themyocardium in association with SM AD p rotein activation[J].Circ Res,2006,98(3):342-350.

[7] Zimmers TA,Jin X,H siao EC,eta l.Growth differentiation factor-15/m acrophage inhibitory cytokine-1 induction after kidney and lung injury[J].Shock,2005,23(6):543-548.

[8] E ling TE,Baek SJ,Shim M,etal.NSA ID activated gene(NAG-1),a m odu lator of tumorigenesis[J].Biochem Mol Biol,2006,39(6):649-655.

[9] B?ttner M,Laaff M,Schechinger B,eta l.Characterization of the rat,mouse,and human genes of grow th/differentiation factor-15/macrophage inhibiting cytokine-1(GDF-15/M IC-1)[J].Gene,1999,237(1):105-111.

[10] Hsieh CL,Oak ley GI Balise RR,eta l.A genome screen of fam ilies with mu ltiple cases of prostate cancer:Evidence of genetic heterogeneity[J].Am JHum Genet,2001,69:148-158.

[11] Lauston LN,Bonaldo MF,Jelenc PC,et al.Identitication of a w ovelmem ber of the TGF-βsuperfam ily highly expressed in hum an placenta[J].Gene,1997,203:17-26.

[12] Baek SJ,Horow itz JM,Eling TE,et al.M olecu larcloning and characterization of human nonsteroidal anti-inflammatory d rugactivated gene promoter basal transcrip tion is mediated by sp1 and sp3[J].JBiol Chem,2001,276:33384-33392.

[13] Cheung PK,Woolcock B,Adomat H,etal.Protein profiling ofm icrodissected prostate tissue links grow th differen tiation factor 15 to prostate carcinogenesis[J].Cancer Res,2004,64(17):5929-5933.

[14] Bauskin A R,Zhang HP,FairlieWD,etal.The propeptide ofmacrophage inhibitory cytokine(M IC-1),a TGF-beta superfam ily m ember,acts as a quality control determinant for correctly folded M IC-1[J].EM BO J,2000,19(10):2212-2220.

[15] Lindmark F,Zheng SL,W iklund F,et a l.H 6D polymorphism in macrophage-inhibitory cy tokine-1 gene associated with prostate cancer[J].JNatlCancer Inst,2004,96(16):1248-1254.

[16] Brown DA,Breit SN,Bu ring J,et al.Concentration in plasma of m acrophage inhibitory cytokine-1 and risk of cardiovascular even ts in w omen:A nested case-control study[J].Lancet,2002,359(9324):2159-2163.

[17] Heeschen C,Goldmann BU,Langenb rink L,et al.Evaluation of a rapid w hole b lood ELISA for quantification of troponin I in patien ts with acu te chest pain[J].Clin Chem,1999,45:1789-1796.

[18] Jernberg T,Lindahl B.A combination of troponin T and 12-lead electrocardiog raphy:A valuable tool fo r early p rediction of longterm m ortality in patientswith chest pain without ST-segment elevation[J].Am H eart J,2002,144:804-810.

[19] Eggers KM,Kempf T,A llhoff T,et a l.Grow th-differen tiation factor-15 for early risk stratification in patien ts with acu te chest pain[J].Eur Heart J,2008,29(19):2327-2335.

[20] W ollert KC,Kem pf T,Peter T,eta l.Prognostic value of g row thdifferentiation factor-15 in patients with non-ST-elevation acute coronary syndrome[J].Circulation,2007,115(8):962-971.

[21] W ollert KC,Kem pf T,Lagerqvist B,et al.Grow th differen tiation facto r 15 for risk stratification and selection of an invasive treatment strategy in non ST-elevation acu te coronary syndrome[J].Circulation,2007,116(14):1540-1548.

[22] Kempf T,Bjorklund E,O lofsson S,et al,Grow th-differen tiation factor-15 improves risk stratification in ST-segment elevation myocardial infarction[J].Eur Heart J,2007,28(23):2858-2865.

[23] Eefting F,Rensing B,Wigm an J,etal.Role of apoptosis in reperfusion injury[J].Cardiovasc Res,2004,61:414-426.

[24] Jeremias I,Kupatt C,Martin-Villalba A,et al.Involvement of CD 9 5/Apo 1/Fas in celldeath aftermyocardialischemia[J].Circulation,2000,102:915-920.

[25] Kem pf T,Eden M,Strelau J,et al,The transfo rm ing grow th factor-beta superfam ilym ember grow th-differentiation factor-15 protects the heart from ischem ia/reperfusion injury[J].Circ Res,2006,98(3):351-360.

[26] Koopmann J,Bu ckhaults P,Brow n DA,eta l,Serum m acrophage inhibitory cytokine 1 as am arker of pancreatic and other periam pullary cancers[J].Clin Cancer Res,2004,10(7):2386-2392.

[27] Kempf T,von Haeh ling S,Peter T,et a l,Prognostic utility of g row th differentiation factor-15 in patients with chronic heart failure[J].JAm Coll Cardiol,2007,50(11):1054-1060.

[28] Kem pf T,H orn-W ichmann R,Brabant G,et al.Circulating concentrations of grow th-differentiation factor 15 in apparently healthy elderly individualsand patients with chronic heart failu re as assessed by a new immunoradiom etric sandw ich assay[J].C lin Chem,2007,53(2):284-291.

[29] Bjornstad JL,Neverdal NO,Vengen OA,eta l.A lterations in circulating activin A,GDF-15,TGF-beta3 and MMP-2,-3,and-9 du ring one year of left ven tricular reverse rem odelling in patients operated for severe aortic stenosis[J].Eu r J Heart Fail,2008,10(12):1201-1207.