Gremlin與肺動脈高壓

張云霞 繆冉 翟振國 王辰

1首都醫科大學呼吸病學系 北京市呼吸和肺循環重點實驗室100020;2國家呼吸病學臨床研究中心 中日友好醫院呼吸與危重癥醫學科,北京100029;3中國醫學科學院,北京協和醫學院100029

肺動脈高壓 (pulmonary hypertension,PH)是一種由異源性疾病和不同發病機制引起的以肺動脈壓力增高為主要表現的疾病狀態,嚴重者出現右心衰竭,預后差[1]。Gremlin是一種細胞外糖蛋白,作為骨形態形成蛋白 (bone morphogenetic protein,BMP)的拮抗劑,在胚胎氣道和肺循環發育中發揮了關鍵作用。最近,大量研究表明Gremlin與PH 發病密切相關。本文將綜合分析Gremlin在PH 發生發展中的作用,為今后PH 的研究提供方向。

1 PH與Gremlin概述

PH 的血流動力學診斷標準為：海平面、靜息狀態、右心導管檢查平均肺動脈壓≥25 mmHg (1 mmHg=0.133 kPa)。根據病理、病理生理、治療策略的不同,PH 可分為動脈性肺動脈高壓 (pulmonary arterial hypertension,PAH)、左心疾病所致肺動脈高壓、肺部疾病和 (或)低氧所致肺動脈高壓 (PH due to lung disease/hypoxemia,HPH)、 慢性血栓栓塞性肺動脈高壓 (chronic thromboembolic pulmonary hypertension,CTEPH)及其他肺動脈阻塞性疾病、多種機制相關的PH 5類[2]。

PH 發病的病理學基礎為肺動脈內皮細胞功能障礙、平滑肌細胞增殖、成纖維細胞增生、細胞外基質沉積、炎癥細胞聚集等導致的肺血管重塑?；蛲蛔儭h境因素、代謝功能改變、炎癥反應、表觀遺傳學差異、血管生成過程改變均在PH 的發病過程中發揮重要作用[3]。

Gremlin是一種高度保守的糖蛋白,由184 個氨基酸組成,相對分子質量大小為20 700。人Gremlin 基因(GREM1)位于染色體15q13-q15。作為BMP 拮抗劑,細胞內的Gremlin 在高爾基體內與BMP 前體結合,抑制BMP分泌。分泌至胞外的Gremlin 既可以連接在細胞表面,也可以存在于細胞間質,以不同的親和力與不同類型的BMP成員 (主要為BMP2、BMP4、BMP7)非共價結合,阻止BMP結合其同源受體,從而改變了激活狀態信號分子的有效濃度[4-5]。BMP 是轉化生長因子β (transform growth factor-β,TGF-β)超家族中的重要成員。它通過調節一系列下游基因的活性,控制著許多重要的生物學過程。BMP信號傳遞主要通過Smad信號通路,BMP與細胞膜上的特異性受體結合,Ⅱ型受體 (bone morphogenetic protein type-Ⅱreceptor,BMPR-Ⅱ)能夠活化Ⅰ型受體 (BMPR-Ⅰ),進一步將信號傳遞給細胞內的Smad 分子。活化的BMPR-Ⅰ進一步磷酸化Smad1/5/8 蛋白,與Smad4 結合形成復合物,在核孔蛋白的轉運下進入細胞核,Smad多元復合物在其他DNA 結合蛋白的參與下作用于特異的靶基因,調控靶基因的轉錄[6]。此外,Gremlin還能夠與內皮細胞表面的血管內皮生長因子受體2 (vascular endothelial growth factor receptor 2,VEGFR2)受體結合,或者細胞表面的裂隙孔蛋白結合,以BMP非依賴的方式發揮作用。

Gremlin在肺臟中主要表達于內皮細胞、成纖維細胞、肺泡上皮細胞、肺動脈平滑肌細胞[4]。Gremlin與BMP 之間的平衡對于肺臟正常發育十分重要,Gremlin表達過低或者過高都可引起肺部異常。研究表明,Gremlin可能在PH 的發生發展中發揮重要作用。PAH 患者血清中Gremlin-1表達增加,且與6 min 步行距離成負相關,Gremlin-1＞242μg/L的PAH 患者病死率較高,Gremlin-1成為提示PAH 患者預后的重要生物標志物[7]。特發性肺動脈高壓 (idiopathic pulmonary arterial hypertension,IPAH)患者肺組織中Gremlin蛋白呈現高表達[8]。在低氧PH 模型中,Gremlin 在肺組織和右心組織中的表達均增高;增強的Gremlin抑制了BMP信號通路功能,導致PH發生[9]。

2 Gremlin與肺動脈內皮細胞

血管內皮細胞是保證血管正常舒縮,維持血管張力,調節血壓的基礎。內皮細胞損傷可破壞內皮屏障,使肺血管中層直接暴露于血液循環中的炎癥因子及生長因子,且內皮細胞分泌保護性物質進一步減少,從而觸發PH 的發生[10]。低氧是PH 的重要臨床表現和刺激因素,肺血管內皮細胞在缺氧時的表現具有器官特異性。采用基因芯片的方法檢測肺微血管內皮細胞和心臟微血管內皮細胞的在低氧條件下基因表達差異,發現GREM1基因在肺微血管內皮細胞中表達增加,而在心血管表達幾乎不變。進一步在缺氧小鼠模型中進行驗證,結果顯示缺氧時小鼠肺組織Gremlin 表達增加,而心臟、腎臟、肝臟、脾臟組織Gremlin表達未見明顯增加,這種Gremlin表達差異部分解釋了肺血管床是唯一在低氧時肺血管阻力增加的器官這一現象[11]。此外,肺微血管內皮細胞分泌的Gremlin,可與BMP結合,抑制Smad1/5/8 磷酸化從而阻礙肺微血管內皮細胞的損傷修復和再生[11-12]。

內皮細胞間質轉化(endothelial-mesenchymal transition,En MT)是指內皮細胞丟失內皮特性而獲得間質細胞特性的過程。內皮細胞在缺氧、炎癥、機械刺激下可以發生細胞間質轉化促進PH 過程中肺血管重構。En MT 的發生機制與上皮細胞間質轉化相似[13]。研究表明,TGF-β可以促進上皮細胞間質轉化[14]。Gremlin表達增加,可以抑制BMP信號通路作用,而TGF-β和BMP通路相互制衡,BMP 信號通路減弱,則TGF-β通路相應增強,從而促進上皮細胞間質轉化。TGF-β也可以刺激內皮細胞發生間質轉化,Gremlin在內皮細胞間質轉化中很有可能發揮著同樣的作用[15]。

3 Gremlin與肺動脈平滑肌細胞

肺動脈平滑肌細胞增殖、遷移和凋亡在PH 血管重構中發揮重要作用。研究表明,Gremlin在IPAH 患者肺動脈平滑肌細胞中表達增加,血管緊張素Ⅱ、轉化因子β1、血小板源性生長因子、內皮素可以提高Gremlin在血管平滑肌細胞中的表達含量。用內皮素刺激肺動脈平滑肌細胞,可以引起Gremlin表達增加,BMP4 表達降低,從而抑制Smad1/5/8、DNA 結合蛋白1 (DNA binding 1,Id1)的表達,增強p38MAPK 活性,促進肺動脈動脈平滑肌細胞增殖,抑制其凋亡[8]。

在體循環動脈平滑肌細胞中,Gremlin可以與BMP2、BMP4結合,抑制Smad1/5/8 磷酸化及Id1 基因表達,抑制動脈平滑肌細胞DNA 合成,促進增殖和遷移,而干擾GREM1基因表達,可以逆轉該過程[16]。Gremlin 還可以通過與BMP結合,增強半胱氨酸蛋白酶3 (Caspase-3)含量,誘導血管平滑肌細胞凋亡,用GREM1基因干擾RNA轉染平滑肌細胞,可以有效抑制其凋亡,但是加入BMP只能部分抑制凋亡,提示其他信號通路也參與Gremlin誘導的細胞凋亡[17]。Gremlin單獨作用對肺動脈平滑肌細胞增殖、遷移的影響有待進一步研究。但是研究已表明BMP可以抑制肺動脈平滑肌細胞的增殖和遷移,所以作為BMP的拮抗劑,Gremlin很可能通過抑制BMP/Smad通路從而促進肺動脈平滑肌細胞的增殖、遷移,從而參與肺血管重構[18]。

4 Gremlin與炎癥細胞

血管周圍炎癥細胞如巨噬細胞、淋巴細胞、樹突狀細胞、中性粒細胞聚積是PH 的主要病理表現之一,炎癥細胞因子如IL-6、IL-1β、單核細胞趨化蛋白1 (monocyte chemotactic protein-1,MCP-1)、巨噬細胞炎癥蛋白1α(macrophage inflammatory protein-1α,MIP-1α)等分泌增加,參與肺血管重構[19]。研究表明,Gremlin在單核細胞和巨噬細胞中表達[20],通過與巨噬細胞遷移抑制因子結合,調節單核細胞功能,抑制單核細胞滲出及浸潤[21]。Gremlin還可以直接與細胞表面的裂孔膜蛋白結合,抑制單核細胞的遷移,使單核細胞在受損傷肺組織周圍長期聚積,加重炎癥反應[22]。Gremlin與VEGFR2結合,誘導趨化因子、黏附分子、細胞因子表達,促進炎癥細胞如淋巴細胞、單核細胞浸潤[23]。PH 中Gremlin表達增加,可能通過以上途徑參與炎癥反應,引起肺血管重構。

5 Gremlin與細胞外基質(extracellular matrix,ECM)沉積

在PH 發生過程,肺組織的ECM 如膠原、彈力蛋白、纖維結合素以及黏膠素增多,過度沉積,形成肺血管病理性重構[24]。研究表明,BMP4 可以抑制 TGF-β 誘導的ECM 沉積,而Gremlin-1可以與BMP4結合,抑制BMP4的該功能,誘導Ⅰ型、Ⅳ型膠原、彈力蛋白、粘連蛋白的表達。用Gremlin刺激肺上皮細胞,可以增加結締組織生長因子、纖溶酶原激活物抑制物的含量,引起細胞外基質沉積,最終參與PH 的血管重構過程[25-27]。

ECM 處在不斷代謝更新、降解重構的過程中,基質金屬蛋白酶 (matrixmetalloproteinase,MMPs)是溶解ECM最為重要的酶。MMPs的水解活性受其內源性組織抑制因子 (tissue inhibitor of metalloproteinases,TIMPs)的嚴密調控。正常情況下MMPs和TIMPs保持適當的比例,使ECM 的分泌和降解處于動態平衡中。在PH 發生過程中,這種平衡遭到破壞,ECM 過度沉積,從而發生肺血管重構。TGF-β/BMP可通過激活下游的Smad及其信號蛋白的生成,調節 MMP 的 mRNA 表達,從而調節 MMPs 與TIMPs平衡[28]。Gremlin 作為 BMP 拮抗劑,通過調節MMPs與TIMPs平衡,影響細胞外基質沉積過程。

6 Gremlin參與血管生成

在PH 多種病理改變如新生內膜形成中均存在血管生成改變,與患者預后密切相關[19]。在體和離體實驗均表明,Gremlin直接與VEGFR2結合,促進人微血管內皮細胞血管生成[29]。Gremlin還可以通過非依賴BMP通路的方式,與人微血管內皮細胞結合,促進內皮細胞遷移、侵襲,參與肺血管生成過程[30]。Gremlin與肺血管生成的研究目前仍較少,有待進一步深化研究。

7 前景與展望

綜上,Gremlin通過抑制肺動脈內皮細胞損傷修復、促進平滑肌細胞增殖、遷移,細胞外基質沉積及炎癥細胞浸潤,參與PH 的發生發展過程。但具體的分子機制并不十分明確,深入研究Gremlin參與PH 疾病過程的相關信號通路,是今后研究的重要方向。研究表明,Gremlin 抗體可以改善低氧PH 小鼠模型的肺血管阻力數值及肺血管重構程度[30],提示Gremlin可能成為PH 治療的新的靶點,而Gremlin抗體有可能成為新的PH 靶向治療藥物。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突