心力衰竭與細胞凋亡研究進展

張 旭，金 娟，劉 莉

1972年Kerr最先提出細胞凋亡的概念，是細胞死亡形式之一，是指細胞在一定的生理或病理條件下，受內在遺傳機制的控制自動結束生命的過程。在充血性心力衰竭（CHF）發生、發展過程中出現的許多病理因素（如氧化應激、壓力或容量負荷過重、腎上腺素、血管緊張素Ⅱ、致炎細胞因子、缺血、缺氧等）均可誘導心肌細胞凋亡［1，2］。人心肌細胞的凋亡造成心肌細胞散在丟失，當心肌細胞廣泛丟失時，就會損害心室功能導致心力衰竭。心肌細胞大量丟失引發維持內環境穩態的代償機制，例如左心室肥大、左心室擴張，以及交感神經系統和腎素－血管緊張素系統活性增強。這些代償機制反而成為加劇心力衰竭的因素。此外，心肌細胞凋亡參與心力衰竭的心肌重構，心肌細胞、膠原網架和血管床發生了一些改變，即心室重構。

1 心力衰竭過程中心肌凋亡的途徑

凋亡由心力衰竭過程中心肌凋亡的途徑外源性途徑（涉及細胞表面死亡受體）和內源性途徑（涉及線粒體和內質網）兩條通路介導。死亡配體結合死亡受體時，外源性途徑被激活，隨后觸發形成死亡誘導信號復合體（DISC）。半胱天冬酶8在DISC內被激活，然后剪切并激活下游的半胱天冬酶原。半胱天冬酶8也能剪切只含BH3結構域的蛋白Bid，后者的羧基部分轉位到線粒體，觸發線粒體凋亡事件。內源性途徑則被多種生物、化學和物理刺激所激活。這些信號被促凋亡蛋白Bcl－2家族的Bax和只含BH3結構域的蛋白傳遞到線粒體和內質網。死亡信號觸發線粒體向細胞質中釋放促凋亡物質，其中包括細胞色素C。胞質細胞色素C觸發形成第二個多蛋白復合體——凋亡體。半胱天冬酶原9在凋亡體中被激活，隨后剪切并激活下游的半胱天冬酶原。下游的半胱天冬酶剪切數百種細胞蛋白，并致細胞凋亡。

2 心力衰竭過程中參與凋亡的重要蛋白因子

2.1 Fas／FasL Fas即CD59分子，屬于TNF／神經生長因子受體家族，亦是一種跨膜蛋白。人Fas基因定位于第10號染色體（10q24）上，基因長度為2534bp，含8個內含子和9個外顯子，編碼319個氨基酸［3］。Fas基因分子結構由細胞外的N末端、中間的膜區及細胞內區3個部分組成。其中跨膜區位于分子中部，具有細胞凋亡信號傳導作用，被稱為死亡結構域。FasL是Fas的配體，是細胞表面的一種膜蛋白，抗Fas抗體、FasL或血漿sFasL均可與靶細胞表面的Fas結合，通過信號轉導途徑，最終誘導凋亡。死亡受體Fas在心血管疾病的發生和發展中有著重要作用。Fas配體首先結合到同源受體上，誘導受體簇和死亡受體誘導信號復合物的形成，復合物通過接頭分子FADD被募集于多個caspase－8的前體上，激活caspase－8，再依次激活下游caspase執行因子［4］。

2.2 半胱胺酸天冬氨酸酶（caspases）家族蛋白 眾多蛋白酶均參與凋亡的發生，其中caspases在凋亡的起始和執行過程中起關鍵作用。在哺乳動物中，至少有14個caspase家族成員參與了凋亡的過程。它們大致被分為三大類凋亡啟動因子、凋亡執行因子和炎癥介導因子，構成了級聯放大效應。凋亡啟動因子在級聯反應的上游，包括caspase－2、－8、－9、10等，能在其他蛋白的輔助下發生自我活化并識別和激活下游的caspase。如caspase－8幾乎能激活所有凋亡級聯反應下游的caspase而誘發凋亡，在起始者中處于核心地位［5］。凋亡執行因子在級聯反應的下游，包括caspase－3、－6、－7等，作用于其特異性底物并導致細胞凋亡。如caspase－3，是caspase家族中最重要的凋亡執行者之一，在caspases家族蛋白中，Caspase－3是凋亡級聯反應下游最關鍵的凋亡蛋白酶［6］。炎癥介導因子包括caspase－1、－4、－5和－11，介導炎癥反應并在死亡受體介導的細胞凋亡途徑中起輔助作用。具體過程是caspase在促凋亡因子刺激下被活化，繼而對底物進行特異性的水解及剪切，通過切斷與周圍細胞的聯絡、重組細胞骨架、關閉DNA復制、修復和破壞DNA及核結構等方式來參與凋亡的早期啟動，并將激活的信號傳遞下去形成一個caspase級聯反應［7］。最終啟動凋亡相關的基因轉錄、促進生物大分子的合成，使細胞發生凋亡所特有的形態以及生化變化。

2.3 Bcl－2蛋白家族Bcl－2家族蛋白主要由抗凋亡蛋白（如Bcl－2、Bcl－xL、Bcl－w等）和促凋亡蛋白（如Bax、Bad、Bak、Bid和Bcl－xs等）組成，且這兩者之間的相互作用是決定細胞凋亡的關鍵因素［8］。Bcl－2家族蛋白是細胞凋亡過程中的關鍵調節因子，能夠調整線粒體膜的完整性，以及控制促凋亡的細胞內膜蛋白的釋放。具有抗凋亡作用的Bcl－2蛋白具有抑制線粒體外膜的通透性和線粒體促凋亡物質的釋放；相反，促凋亡的Bcl－2蛋白則促進線粒體外膜的通透性和線粒體促凋亡物質的釋放。研究表明Bcl－2和Bax的比例可能在心肌細胞凋亡率方面有重要作用，如在壓力負荷型大鼠模型中，左室肥厚的模型中心肌細胞凋亡率明顯高于心室功能衰竭的大鼠，其機制可能與Bax表達增加使Bcl－2／Bax比例降低有關。

2.4 抑癌基因p53蛋白 p53基因是位于17號染色體短臂上的一個單拷貝基因，包含11個外顯子和10個內含子。其mRNA長2.5kb，編碼一個含有393個氨基酸的蛋白質，分子量為53kD。p53是一個細胞內壓力的感受器，內源性凋亡途徑的關鍵激活因子。當細胞受損時，p53可抑制細胞生長或誘導細胞凋亡，對細胞凋亡過程起著重要調控作用。P53通過轉錄激活Bcl－2家族中促凋亡的成員，抑制Bcl－2蛋白，從而啟動凋亡的發生。另外p53的靶標還包括Bax、Noxa、Puma和Bid等。P53調控凋亡的一個主要影響因子，是名為Puma的BH3蛋白。Toth等［9］研究發現在缺血時PLJMA的表達上調，而且在PUMA缺失的小鼠中，心肌梗死面積減小50%。

2.5 細胞色素C（Cyt－c）線粒體是調控細胞凋亡的中心 細胞色素C是線粒體釋放的最重要的促凋亡因子之一，是線粒體凋亡途徑的標志事件。在細胞凋亡過程中細胞色素C釋放進入胞質，參與哺乳動物細胞凋亡信號轉導。缺氧可致心肌細胞線粒體細胞色素C大量釋放胞質中，caspase－9基因表達增高并進一步導致caspase－3激活，引發凋亡。細胞凋亡時，線粒體的通透性發生改變，膜電位下降，與此同時，細胞色素C會從線粒體膜上被釋放到胞漿中。釋放到細胞質的Cyt－c在脫氧腺苷三磷酸（dATP）存在的情況下，與凋亡蛋白酶活化因子（Apaf－1）結合，形成多聚體，促使caspase前體蛋白與其結合為凋亡小體，其中主要是與caspase－9前體蛋白結合，從而激活caspase－9，被激活的caspase－9又 能 激 活caspase－3，進 而 導 致 細 胞 發 生 凋亡［10］。

2.6 凋亡抑制蛋白（ARC） ARC是目前發現的唯一一個心臟特異表達的抗凋亡蛋白，可能是心臟發育過程中天然獲得的具有心臟保護作用的蛋白。此蛋白可抑制多種因素誘導的心肌細胞凋亡，如缺氧、缺血／再灌注損傷、機械張力等。ARC發揮抗凋亡的作用是通過酪蛋白激酶CK2對其進行磷酸化而實現的［11］。ARC是心肌細胞中帶有caspase富集功能域的凋亡抑制因子，ARC蛋白通過抑制心肌細胞的凋亡對心臟發揮保護作用，具有強大的抗凋亡作用，其不僅能夠抑制Fas／caspase－8及TNF－R1受體活化誘導的細胞凋亡，并且通過與Bax的相互作用，抑制Bax活化的細胞凋亡線粒體通路，這表明ARC可同時抑制內源及外源性細胞凋亡途徑。在ARC基因敲除小鼠缺血再灌注損傷實驗中，ARC敲除小鼠心肌凋亡數量明顯增加了2.5倍，體內Bax活性明顯增高，證實內源性ARC是通過抑制Bax活性來發揮其心肌保護作用［12］。心力衰竭等心臟損傷過程中ARC蛋白的表達下調，促進心肌細胞凋亡的發生，這可能是心力衰竭發生的機制之一。

2.7 β3腎上腺能受體（β3AR） β3AR是存在心血管系統一種受體亞型，與心力衰竭關系密切。研究顯示β3AR通過促進氧化應激，觸發炎性反應，引發鈣超載等誘發細胞凋亡。研究表明，心肌缺血損傷后，心肌細胞內鈣離子超載，使得心肌收縮功能異常，最終導致細胞凋亡［13，14］，而β3AR在心衰過程中通過調節鈣離子流介導負性肌力作用。心力衰竭時β3AR上調激活心室肌細胞內 NO合成酶，β3AR、NO、eNOS、鈣通道通路是β3AR加重心力衰竭的主要途徑［15］。

3 結 語

目前從細胞凋亡角度主要基于死亡受體通路、線粒體通路、內質網通路三條途徑研究心力衰竭的發病機制，目前發現了諸多凋亡相關因子，如Fas／FasL、Caspases家族蛋白、Bcl－2蛋白家族、抑癌基因p53蛋白、細胞色素C、凋亡抑制蛋白ARC、β3AR等。衰竭心臟中存在心肌細胞凋亡，心肌細胞凋亡是慢性心衰發病機制的重要部分。

研發抑制心肌細胞凋亡的新藥，阻斷、干預凋亡的各環節，為慢性心衰的預防和治療提供新的途徑和切入點。

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