轉錄激活因子3在心肌肥厚中的研究進展

馬聰 楊俊 楊簡

三峽大學第一臨床醫學院心內科（湖北宜昌 433003）

近年來我國心血管疾病患者高達2.9億，因心血管疾病而死亡的人數占城鄉居民總死亡人數的首位［1］。研究表明，心肌肥厚是高血壓、急性心梗、心臟瓣膜病等心血管疾病向終末期心力衰竭發展的共同中間環節，同時也是增加心力衰竭發病率和死亡率的獨立危險因素［2］。隨著心肌肥厚研究的不斷深入，轉錄激活因子3（activating transcription factor 3，ATF3）被發現在心肌肥厚的發展過程中有重要作用。因此，深入探索在心肌肥厚發生發展過程中異常表達的特異性轉錄因子ATF3及其信號通路，對研究心肌肥厚的發病機制以及尋找心肌肥厚新的治療方案具有重要意義。本文就ATF3與心肌肥厚之間的關系及作用機制做一綜述。

1 轉錄激活因子3（ATF3）

ATF3屬于富含亮氨酸拉鏈（basicleucinezippe，bZlP）結構的cAMP反應元件結合蛋白轉錄因子（cAMP-response element-binding，ATF/CERB）家族成員之一，分子量為22kDa，可以編碼生成含181種氨基酸的蛋白質，最早是從經佛波酯（TPA）處理后的Hela細胞中分離所獲得［3］。作為ATF/CERB家族成員，ATF3可以作為轉錄激活劑或抑制劑，通過與家族其他成員的異二聚作用來增強轉錄，也可通過招募組蛋白去乙酰化酶1（histone deacetylase 1，HDAC1）到靶基因啟動子來抑制轉錄［4］。有研究表示，ATF3在靜止細胞中基本水平較低，但在如損傷、缺血或化學毒素等刺激下表達增加，并同時在多種靶基因的快速調控反應中起中心作用，是細胞自適應反應的中樞［5］。

2 心肌肥厚與ATF3的聯系

心肌肥厚是心肌重構的中心環節，而心肌重構參與了幾乎所有心臟疾病的病理過程。由于心臟重構是由多個g蛋白結合受體信號通路調控的［6］，因此，針對參與心肌重構的不同信號通路如Toll樣受體4（Toll-like receptors 4，TLR4）、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）等或這些通路所激活的核轉錄因子激活蛋白1（transcriptiona1 activating protein，AP-1）、早期生長應答因子 1（early growth response factor 1，EGR1）等轉錄因子［7-8］，ATF3作為適應性反應基因，已被證明可以參與到心肌細胞的多個調控靶點如MAPK和AMPK等信號通路以及EGR1、核因子B（nuclear factor κB，NF-κB）等轉錄因子中［9］。因此筆者推測，通過參與這類信號通路轉導及轉錄因子的調控，ATF3可能在促進或抑制心肌重構、間質纖維化以及細胞凋亡等過程中發揮著關鍵作用。

2.1ATF3的負性作用ZHOU等［10］通過胸主動脈縮窄術建立小鼠循環壓力超負荷模型時發現，與對照組相比，ATF3基因敲除（ATF3-KO）小鼠的胰島素樣生長因子1（insulin-like growth factor 1，Igf1）、轉化生長因子2（transformation growth factor 2，Tgfb2）等肥厚信號和細胞外基質調控因子的表達增加，同時出現趨化因子、趨化因子受體和TLR4信號通路的上調以引起炎癥因子增多。這不僅意味著ATF3在心肌肥厚的發展過程中起到了抑制作用，還表明ATF3的缺失會導致心肌的炎癥反應加重。GIRALDO等［11］將小鼠暴露在內皮素1（endothelin-1，ET-1）下以建立心肌肥厚模型，發現ATF3-KO小鼠心肌細胞明顯大于對照組，表明抑制心肌細胞內ATF3表達能加重由ET-1誘導心肌肥厚的程度。LIN等［12］使用橫向主動脈縮窄術誘導ATF3-KO小鼠心肌肥厚后，再通過AAV8載體使ATF3在ATF3-KO小鼠體內重新表達，發現ATF3表達上調的小鼠心室收縮功能以及心肌細胞肥大程度較前相比明顯改善，甚至連心肌間質纖維化、炎癥浸潤等過程也明顯好轉。ZHOU等［13］在另外一項研究中，也通過建立小鼠心肌肥厚模型發現抑制ATF3的表達可促進由壓力超負荷引起的心肌肥大、功能障礙和纖維化。此類研究提示，在ATF3缺乏時，會在一定程度上加重心肌肥厚、心肌間質纖維化及炎癥反應。NOBORI等［14］研究發現ATF3過表達可以對阿霉素誘導心肌細胞凋亡的過程起到顯著的抑制作用。而細胞凋亡作為心肌重構過程中的重要基礎反應，筆者猜測ATF3對心肌肥厚的負性調控作用可能與對細胞凋亡的抑制密切相關。

2.2ATF3的正性作用相關研究發現ATF3表達可能在心肌肥厚過程中產生正性調控作用。KOREN等［15］誘導小鼠慢性循環壓力超負荷時發現，ATF3-KO小鼠心臟重構標志物的表達明顯減少，同時發現其心肌細胞橫斷面積的增加程度與對照組相比顯著降低。OKAMOTA等［16］通過建立小鼠缺血-再灌注模型誘導ATF3表達上調后發現，模型小鼠心肌細胞的變性和纖維化程度遠大于假手術組，超聲心動圖提示模型小鼠的心臟出現收縮性降低和傳導異常并且心房出現增大和肥厚。KOREN等［17］研究表明，在胚胎期，小鼠ATF3過表達會導致小鼠的心房擴大和過早死亡，成年小鼠ATF3的過表達即使在沒有如壓力過載等外在條件的情況下也足以誘發心室肥大，而ATF3-KO小鼠沒有上述情況發生。這些研究意味著ATF3在心臟組織中的特異性表達在一定程度上都會影響心肌細胞的結構和功能，進而導致心肌肥厚的加重和心肌纖維化的進一步惡化。

3 ATF3在與心肌肥厚相關信號通路中的作用機制

心肌肥厚的產生，是由如機械性或神經體液性刺激等多種因素所引起的。從細胞和分子水平上來看，心肌肥厚的本質是肥大性刺激通過信號傳導從而誘導核內基因異常表達的結果［18］。而細胞內信號轉導作為肥大刺激傳遞與核內基因轉錄激活的重要環節，多種信號通路［7-8］如MAPK、TLR4/NF-κB、鈣調磷酸酶以及AMPK等參與其中。ATF3在心肌肥厚中活化的確切機制目前尚不清楚，但ATF3作為一種早期壓力誘導性基因，可能會通過參與這些與心肌肥厚相關的信號通路轉導以使靶基因在細胞內過表達或抑制性表達從而達到對心肌肥厚發展過程的調控作用。

3.1ATF3與MAPKMAPK是能在心肌纖維化、心室重塑以及炎癥反應等過程中發揮重要作用的信號通路，其相關下游通路如ERK1/2、JNK和p38-MAPK等都是機械負荷誘導心肌肥厚的關鍵信號通路，這些通路通過調節如AP-1、Nkx-2.5等轉錄因子的表達，從而促進心肌肥厚的發生。其中MAPK通路的中間環節產物MAP2K3影響著下游p38 MAPK的活化水平，在p38-MAPK通路介導心肌肥厚的過程中發揮著重要作用［19］。LI等［20］在使用血管緊張素II（Ang-II）誘導小鼠高循環壓力模型時發現，與對照組相比，ATF3-KO小鼠的心肌細胞中MAP2K3的表達明顯較多，表明在心肌細胞中ATF3抑制MAP2K3的表達，從而抑制心肌重塑。并且在后續的實驗中，LI等［20］陸續證明ATF3是通過與MAP2K3的啟動子結合，招募HDAC1，導致與MAP2K3基因相關的組蛋白去乙酰化，從而抑制MAP2K3表達。ZHOU等［13］在驗證ATF3負性調控心肌肥厚時發現，在ATF3表達受抑制時，通路中的ERK1/2、JNK和p38 MAPK被顯著激活，這說明ATF3對心肌肥厚的影響可能是通過ERK1/2和JNK等通路進行調控的。但在另外一項研究中，GUO等［21］使用前列腺素F2誘導ATF3表達時發現，ATF3的表達上調不僅能促進MAPK信號通路的激活，而且可以誘導MAPK的磷酸化。這表明，此項研究中，ATF3促進MAPK信號通路的激活和誘導其磷酸化水平增加，可能會在心肌肥厚的發展過程中起到正性的促進作用，從而導致心臟功能進一步惡化。目前這一矛盾作用的分子機制仍不明確，可能是ATF3分別形成不同的二聚體所致，也可能是由不同表達水平和持續時間的ATF3所引起。

3.2ATF3與TLR4/NF-κB研究已經證明可以通過調控NF-κB來減少凋亡以挽救心臟功能，提高心肌細胞在炎癥反應中的存活率。而ATF3的表達正是通過TLR4/NF-κB信號通路來激活的，在這條通路中NF-κB可以轉移到細胞核內進而引起炎癥介質的表達，但同時ATF3可以通過招募HDAC1到炎癥因子基因啟動子上的NF-κB位點從而抑制NF-κB的轉錄，從而對心臟產生保護作用［22］。有學者發現ATF3的過表達增加了NF-κB的DNA結合活性以及激活Nkx-2.5，從而顯著降低了IL-6的表達水平。KWON等［23］用脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）處理細胞，發現2 h后細胞核中的ATF3顯著增加，NF-κB的二聚體p65蛋白在30 min內迅速積累到核內誘導目標基因的表達而在2 h后開始消失，由此可以發現ATF3和p65蛋白在細胞核內的水平是呈反比的。KWON等［23］隨后用LPS處理缺乏ATF3的細胞時發現，p65蛋白無法與HDAC1結合，并且在LPS誘導8h后p65的乙酰化水平增加，而對照組中p65蛋白卻能與HDAC1輕松結合，這說明ATF3在介導p65和HDAC1之間相互作用以及p65的乙酰化水平過程中發揮著重要的作用，此項實驗后續也證明了ATF3是通過將HDAC1招募至p65蛋白復合物中并去乙酰化啟動子，從而導致p65裂解以達到抑制炎癥因子釋放的目的。WU等［24］通過將小鼠肺組織暴露于香煙煙霧（CSE）的體外實驗也證實了ATF3過表達會導致p65蛋白顯著減少并且抑制著炎癥因子IL-6、IL-8等釋放。這些研究說明ATF3在TLR4/NF-κB通路中作為一種負性調控因子，可以通過抑制NF-κB相關蛋白的表達和炎癥因子的釋放，從而在改善心臟功能以及抑制心肌重構和纖維化等方面發揮著重要的作用。

3.3 ATF3與AMPKAMPK是代謝途徑中的主要信號調節通路，主要用于感受體內的ATP/AMP比率以調節代謝。最初發現AMP在組織缺氧而顯著增加時，會激活AMPK信號通路，從而抑制蛋白質的合成和促進糖的消耗［25］。此后越來越多的研究證實了AMPK作為一種能量傳感器，可以通過抑制與心肌肥厚有關的下游信號通路如ERK1/2和真核伸長因子2（eukaryotic elongation factor，eEF2）從而在心室重塑、心肌細胞肥大等病理過程中發揮負性調控作用［26］。ATF3在心肌組織中與AMPK的相互作用關系目前尚未得到完整的實驗證明，但其在如胰腺、肝臟等組織中與AMPK關系的研究已取得較大進展。KIM等［27］利用高糖誘導大鼠肥胖時發現，ATF3過表達的肥胖大鼠體內，AMPK磷酸化水平較對照組明顯增高，并且此類大鼠胰腺在如胰凋亡水平明顯高于對照組，而在將ATF3干擾RNA（siRNA）注射至其體內后，其葡萄糖代謝及細胞凋亡較前明顯改善。這意味著ATF3抑制著AMPK在胰腺組織中發揮有利影響，筆者推測ATF3在心肌組織中同樣可以通過增加AMPK的磷酸化以降低其活性，從而增強ERK1/2、eEF2等下游信號通路，以進一步加重心肌肥厚和心肌纖維化。

4 總結與展望

ATF3作為細胞自適應反應的中樞，通常會抑制轉錄，發揮負性調控作用。但是ATF3可能在不同的細胞環境中產生不同程度的表達而起到激活作用。在不同刺激下，ATF3在心肌肥厚中所起到的作用是有害還是有利的，目前仍有爭議。這種差異可能是由于ATF3在轉錄調控中的雙重作用，作為抑制因子或激活因子所造成。因此，調控ATF3表達很可能是預防心臟病理性應激的重要手段，其上調可能對心肌肥厚的發展起抑制作用，但持續過度表達的ATF3可能是一種轉錄激活劑，這對心臟是有害的，這表明調節ATF3表達的水平和持續時間是很重要的。然而，使ATF3在心肌肥厚中產生的激活或抑制作用達到平衡的具體基因表達水平和持續時間目前尚未明確，其作用是否與其他信號通路有關?是否存在其他的轉錄因子在心肌肥厚的過程中對ATF3的表達產生協同或拮抗作用?這些問題目前仍未得到完整的回答，但隨著ATF3被人們所了解，探索ATF3產生激活或抑制作用的具體表達水平和持續時間有望為心肌肥厚的治療提供新的治療靶點和思路。