TGF-β1/Smads信號通路在高血壓心肌纖維化中的調控機制研究進展

張國華

(南方醫科大學中醫藥學院，廣州 510515)

心肌纖維化(MF)是多種心血管疾病引發的病理損害，高血壓是引發MF最主要的原因之一，MF是高血壓導致心室重構的基本特征。形成高血壓MF的機制較為復雜，受多種細胞生長因子的調控，并與腎素—血管緊張素—醛固酮系統(RAAS)有關。在高血壓MF形成過程中，轉化生長因子β1(TGF-β1)是與高血壓MF的形成關系最密切的細胞因子之一，TGF-β1可促進膠原基因表達和心肌成纖維細胞的轉化，進而導致心肌細胞外基質(ECM)合成、沉積增加，最終導致 MF［1，2］。TGF-β1/Smads信號傳導途徑與MF有著密切的關系，其通路的異常活化參與人類多種臟器纖維化的發病過程。本文對TGF-β1/Smads信號通路與高血壓MF之間的關系及中醫藥防治高血壓MF現狀進行探討，希望為高血壓MF的中醫藥防治提供理論基礎。

1 TGF-β/Smads信號通路及轉導機制

1.1 TGF-β家族的組成及特性 TGF-β家族是由多種細胞分泌的一類多肽生長因子，由TFG-βs、抑制素、激化素、骨形成蛋白(BMP)及苗勒抑制物等組成，它們在結構上有共同特征，因而在功能上有相似之處，與細胞的增殖分化、胚胎發育、胞外基質形成以及骨的形成、重建等密切相關。在TGF-β超家族中，最重要且研究較為深入的是TFG-βs。TGF-β家族是相對分子質量為25 kD的同源二聚體，由2條含有112個氨基酸的多肽鏈單體組成。新合成的TGF-β一般無活性，需在酶的作用下進行酶解后，才能形成活性TGF-β，再與其受體結合發揮生物學效應。現有研究表明TGF-β有6種異構體，在哺乳類動物體內主要有3個亞型:TGF-β1、TGF-β2和 TGF-β3，它們分別位于不同的染色體上，其中TGF-β1在體細胞系中比例最高、活性最強、功能最多、分布最廣泛，起主要的生物學作用。

1.2 TGF-β受體及其作用 TGF-β需通過與特異性的細胞表面受體相結合，才能發揮其相應生物學效應。TGF-β受體是存在于細胞表面的一類結構相似跨膜糖蛋白，由富含半胱氨酸的胞外區、跨膜區和含絲氨酸/蘇氨酸激酶結構域的胞內區組成。其中與TGF-β有高親和力受體的是Ⅰ型(TβR-Ⅰ)、Ⅱ型(TβR-Ⅱ)和Ⅲ型(TβR-Ⅲ)。TβR-Ⅲ缺乏內在活性，本身無信號轉導功能，TGF-β家族蛋白主要以激活形式的 TβR-Ⅰ、TβR-Ⅱ受體作為傳導信號。TβR-Ⅱ可單獨與TGF-β結合，由5個已知的哺乳動物基因編碼，連接配體以后，激活并磷酸化TβR-Ⅰ。TβR-Ⅰ負責下游特定的信號轉導，必須在TβR-Ⅱ與TGF-β結合的情況下才能與TGF-β結合。

1.3 Smads蛋白的分類及功能 Smads蛋白存在于胞質內，是受體下游的TGF-β1超家族信號轉導分子，是TGF-β1/Smads信號傳導途徑中的關鍵調控因子。Smads蛋白是目前研究較清楚的、惟一對TβR-Ⅰ受體激酶有信號傳導作用的底物。哺乳動物細胞質內的Smads蛋白有8種，根據其功能的不同可以分為三類:①受體調節型 Smads蛋白(RSmads)，主要包括 Smad1、Smad2、Smad3、Smad5、Smad8等，其中 Smad2和 Smad3介導 TGF-β1和激活素的信號，Smad1、Smad5、Smad8則介導 BMP的信號。②共同介質型Smads蛋白(Co-Smads)，在哺乳動物細胞質中只存在 Smad4，Smad4參與所有TGF-β家族成員的信號轉導［3］。③抑制型Smads蛋白(I-Smads)，主要有Smad6和Smad7;通過阻斷RSmads與TGF-β受體或 Co-Smads的結合，對 TGF-β1信號轉導通路發揮負調控作用［4，5］。I-Smads 與R-Smads競爭性地結合受體，阻止R-Smads的磷酸化從而抑制TGF-β的信號轉導。

1.4 TGF-β1/Smads通路的轉導機制 TGF-β 有多種不同的激活通路。TGF-β1/Smads通路的信號轉導，首先是TGF-β與其受體結合。在信號轉導過程中，TGF-β首先與細胞膜表面的 TβR-Ⅱ二聚體結合，形成異源二聚體復合物，隨后TβR-Ⅰ識別也以二聚體形式加入到復合物中，與TGF-β結合，從而導致 TβR-Ⅱ 使 TβR-Ⅰ 的 GS 結構域磷酸化［6］。TβR-Ⅱ的絲/蘇氨酸激酶活性是組成性的，而TβR-Ⅰ的絲/蘇氨酸激酶結構域需經 TβR-Ⅱ使其GS結構域磷酸化后才具激酶活性。在不存在TβR-Ⅱ的情況下，TβR-Ⅰ無法獨立與 TGF-β 結合。TβR-Ⅱ、TβR-Ⅰ依次與 TGF-β 結合形成受體復合物，使TβR-Ⅰ絲/蘇氨酸激酶激活是TGF-β信號轉導必需的過程。在多數情況下，TβR-Ⅰ在TβR-Ⅱ下游發揮作用，故TβR-Ⅰ決定胞內信號的特異性。

Smads蛋白作為一種在細胞內傳導的信號蛋白，它可將自TGF-β獲得的信息傳遞至細胞核內。TGF-β與受體結合后，TβR-Ⅰ作用于 R-Smads蛋白C＇端絲氨酸殘基，并使其磷酸化。TβR-Ⅰ 使R-Smads磷酸化后使之激活，隨后 Smads離開TβR-Ⅰ，從而介導不同的刺激信號［7，8］。R-Smads再與Co-Smads結合，變為轉錄復合體進入細胞核內，通過與DNA上的Smads結合元件結合，繼而與許多輔助活化因子和輔助抑制因子協同作用，發揮調節基因表達的作用［9，10］。I-Smads 在 TGF-β 家族的信號轉導中為一種負反饋調節信號［11，12］。TGF-β刺激細胞后，I-Smads的 mRNA轉錄被誘導，當TβR-Ⅰ受體被激活后，I-Smads與TβR-Ⅰ受體結合，I-Smads與通路限制性Smads競爭性地與TβR-Ⅰ結合，干擾通路限制性Smads與TβR-Ⅰ的相互作用及磷酸化，從而抑制信號轉導。因此I-Smads通過抑制Smad2和Smad3的磷酸化和Smads轉錄復合物的形成來阻斷 TGF-β的信號傳導。可見在TGF-β1/Smads信號通路中，Smads蛋白之間相輔相成、緊密協調，共同完成TGF-β的生物學效應。

2 TGF-β1/Smads信號通路在高血壓MF中的調控機制

2.1 TGF-β1/Smads信號通路與 MF 已有研究［13］表明，TGF-β1高表達與心肌成纖維細胞增殖密切相關，直接以不同濃度的TGF-β1作用于體外培養的心肌成纖維細胞，可誘導心肌成纖維細胞增殖及膠原合成，且TGF-β1與心肌肥大之間呈劑量依賴關系。心臟糜酶可上調 TGF-β1表達、促進 Smad2、Smad3的磷酸化，使心肌成纖維細胞的3H-脯氨酸摻入率增加，促進心肌成纖維細胞增殖，誘導ECM的合成，引起左室重構，說明糜酶是通過激活TGF-β1/Smad信號通路促進心肌成纖維細胞膠原合成引發 MF 的［14，15］。TGF-β1促進心肌細胞增殖、分化以及ECM沉積的作用，是通過TGF-β1參與組織的修復實現的，在如壓力負荷等心肌反復損傷過程中，TGF-β1持續分泌造成其表達過高，TGF-β1過表達效應超過其終止信號，從而形成TGF-β1過表達的惡性循環，ECM沉積增加，最終導致MF。在對異丙腎上腺素誘發的大鼠MF動物模型實驗中發現，依那普利可抑制TGF-β1的表達、減輕大鼠MF。可見異丙腎上腺素引發MF的作用與TGF-β1的介導相關。在大鼠心肌梗死模型的研究［16～18］中發現，曲尼司特可減少心肌組織TGF-β1的mRNA和蛋白表達，從而發揮抑制心肌梗死后MF的作用。此外，TGF-β1高表達引起MF尚與血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)密切相關，AngⅡ通過ATRⅡ1型受體調節TGF-β1的合成，并誘導TGF-β1表達導致 MF［19］。對心肌梗死大鼠模型的研究發現，心梗后大鼠左室重量指數增加，非梗死區Ⅰ/Ⅲ型膠原容積分數及膠原比值均增加，Smad7的蛋白表達減少，提示Smad7表達下調可能與心梗后MF的形成有密切的關系。給予辛伐他汀進行干預后，非梗死區Ⅰ/Ⅲ型膠原容積分數及膠原比值均減低，Smad7 的表達均顯著增加［20，21］。Smad6、Smad7作為TGF-β1信號轉導途徑的主要抑制性蛋白，在纖維化疾病過程中的作用越來越受到重視。提高Smad6、Smad7的表達，降低R-Smad或Co-Smads的表達，以阻斷TGF-β1信號轉導途徑，可能成為纖維化疾病進行基因治療的可行方向。

2.2 TGF-β1/Smads信號通路與高血壓MF 在誘發MF的眾多原因中，高血壓是最主要的因素之一，多項研究均表明，TGF-β1/Smads信號通路亦是介導高血壓MF的重要通路。如對自發性高血壓大鼠(SHR)的研究發現，SHR血管中 TGF-β1的mRNA表達及蛋白水平較正常血壓大鼠高，TGF-β1過表達可誘導SHR中血管平滑肌細胞的增殖，且隨著MF的進展，TGF-β1的mRNA表達逐漸增加，而Smad7的蛋白表達逐漸減少。提示SHR的心室重構與TGF-β1/Smad通路有關;另一項有關脫氧皮質酮和鹽敏感型高血壓大鼠的研究也發現，主動脈中TGF-β1的 mRNA 表達水平明顯增加［22，23］。以上實驗均表明TGF-β1/Smad信號轉導通路與高血壓MF密切相關。人群高血壓研究［24］也表明，高血壓患者血漿中總TGF-β1和活化的 TGF-β1水平均較正常血壓者顯著升高，且與高血壓引發的心腎等靶器官損害有關，這種變化與血壓無明顯相關性。可見病理性TGF-β1的增加在高血壓MF的發生發展中起著關鍵的作用，減少TGF-β1基因表達可減少心室重構的發生。所以抗TGF-β1的基因治療將成為高血壓MF防治的重要策略，阻斷TGF-β1/Smad通路是抗高血壓MF的一個重要作用靶點。

研究亦發現，中醫藥在抗心肌纖維的過程中也有重要作用，如黃芪提取物黃芪甲苷Ⅳ對擴張性心肌病小鼠體內TGF-β1和Smad2、Smad3、Smad4的表達均有抑制作用，提示黃芪有抗MF的作用;苦參堿作用于心肌梗死引起的MF大鼠，可抑制TGF-β受體和Smad3的表達;蛇床子素可以明顯抑制TGF-β1的表達。由此可見中藥有良好的抗MF作用，從TGF-β1/Smad通路入手，挖掘抗高血壓心肌纖維的中藥單體、單味中藥或復方，是一個可行的思路與方向。

高血壓是心臟病的第一高危因素，50%的心血管疾病是由高血壓導致的，MF是高血壓引發心臟損害的主要病理學特征，高血壓MF是目前致殘性最高的疾病之一。MF、心臟間質重構是該病致殘和預后不良的關鍵。高血壓MF的發病機制復雜，TGF-β1/Smads信號通路與高血壓 MF密切相關。從TGF-β1/Smad通路入手，探討防治高血壓心肌纖維化策略有一定的可行性。

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