STAT3對心肌細胞調控作用機制的研究進展

黃駿文 ，向文麗 ，李浪

1 廣西壯族自治區桂東人民醫院，廣西梧州543000；2 廣西醫科大學第一附屬醫院；3 廣西心腦血管疾病防治精準醫學重點實驗室；4 廣西心腦血管疾病臨床醫學研究中心

我國心血管疾病現患人數約3.30 億，心血管疾病是我國城鄉居民首位死亡原因，且心血管疾病患病率及病死率仍不斷升高。心血管疾病嚴重威脅人類健康，使我國疾病負擔日漸加重，成為醫療衛生領域突出問題，防治心血管疾病刻不容緩。然而，心血管疾病的發病機制復雜，多種信號通路及大量分子參與調控心血管疾病的發生發展。信號轉導子和轉錄激活子3（STAT3）作為一種常見的急性反應性因子，在多種組織器官中表達，參與多種信號級聯通路，能調控數百個基因表達，參與細胞生長、凋亡、癌變等多種生命活動。近年研究發現，STAT3 及其相關信號通路參與調控心肌細胞凋亡、氧化應激、炎癥反應、心肌肥大等病理生理過程。現就STAT3 對心肌細胞調控作用機制的研究進展綜述如下。

1 STAT3概述

STAT 是一大類具有細胞質內信號轉導和細胞核內轉錄激活雙重作用的蛋白，由750～850 個氨基酸組成，具有高度保守的序列。STAT3是STAT家族7 個成員之一，可接受外界多種細胞因子或生長因子的刺激，進入細胞核參與DNA 轉錄調節，調控下游目的基因表達，從而參與調節生物體內復雜多樣的生命活動。在腫瘤領域研究發現，STAT3 在腫瘤細胞中持續大量表達，作為多種腫瘤調控通路的匯合點，能促進腫瘤細胞增殖、抵抗腫瘤細胞凋亡、抑制抗腫瘤免疫等，STAT3 在一定程度上已成為腫瘤治療的重要分子靶點。在心血管系統疾病方面研究發現，活化的STAT3 可促進心肌保護因子、凋亡相關基因表達，對心肌細胞凋亡、能量代謝、炎癥反應等起重要調控作用。

2 STAT3對心肌細胞調控的作用機制

2.1 抑制心肌細胞凋亡 研究表明，心肌細胞凋亡是心肌缺血早期心肌細胞死亡的主要形式，快速磷酸化激活的STAT3 能抑制心肌細胞凋亡，促進心肌細胞存活，提高心肌細胞對缺血刺激的適應性。HILFIKER-KLEINER 等［1］構建 STAT3 基因缺陷小鼠，發現該小鼠對心肌缺血再灌注損傷（MIRI）和心肌梗死的易感性增加，心肌細胞凋亡增加，心肌梗死面積擴大，心功能下降明顯。同樣在大鼠IRI 模型中，使用 Janus 激酶 2（JAK2）抑制劑 AG490 后，STAT3 活化減少，促凋亡蛋白Bcl-2 相關X 蛋白（Bax）表達增加，抗凋亡蛋白B 細胞淋巴瘤/白血病-2（Bcl-2）表達減少，心肌細胞凋亡數及心肌梗死面積增加［2］。心肌細胞凋亡與病毒性心肌炎密切相關。WANG 等［3］發現，在柯薩奇病毒B3（CVB3）誘導的病毒性心肌炎動物和細胞模型中STAT3 均被激活，使用慢病毒轉染新生小鼠心肌細胞上調STAT3表達，心肌細胞凋亡減少，而下調或使用STAT3 抑制劑AG490 抑制STAT3 表達，則使心肌細胞凋亡增加。使用人生存素（Survivin）抑制劑YM155 后，STAT3 的抗凋亡作用減弱，提示STAT3 可能通過靶向Survivin減輕CVB3誘導的心肌炎心肌細胞凋亡。

2.2 抗氧化應激 在缺血缺氧情況下，活性氧（ROS）會不斷堆積、活化，加重心肌損傷。動物實驗證實，特異性表達活化STAT3 的轉基因小鼠，在心肌IRI 后，心肌ROS 明顯減少，心肌梗死面積減少60.3%［4］。進一步研究發現，轉基因小鼠心肌中ROS 清除劑、金屬硫蛋白1（MT1）和金屬硫蛋白2（MT2）表達增加，而MT1 和MT2 基因敲除的純合子小鼠無STAT3 的心肌保護作用和ROS 清除效應，提示STAT3 激活可能通過增加MT1 和MT2 表達，清除ROS，減輕心肌IRI 損傷。劉勝中等［5］在大鼠心臟停搏模型中發現，河豚毒素心臟停搏液能激活JAK2/STAT3 信號通路，上調熱休克蛋白70 表達，增強SOD活性，清除大量氧自由基，減輕膜脂質過氧化損傷，減輕心肌IRI損傷。

2.3 提高線粒體功能 線粒體合成的三磷酸腺苷（ATP）是機體的直接供能物質，可為各種生命活動提供能量。電子傳遞鏈（ETC）復合酶是線粒體合成ATP 的關鍵酶。STAT3 可進入線粒體，調節ETC 復合酶的活性，提高氧化磷酸化水平，增加ATP 的產生，提高線粒體功能。ELSCHAMI 等［6］使用慢病毒轉染小鼠心肌細胞系HL-1 建立STAT3 缺陷的細胞模型（STAT3 KO 細胞），使細胞中STAT3 表達沉默，結果顯示，STAT3 KO細胞線粒體電子傳遞鏈復合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的活性均有下降，線粒體結構完整性受損。GOUGH 等［7］采用 STAT3 缺失（STAT3-/-）、Ser-727 突變型（Ser-727 位點不能磷酸化）和野生型STAT3細胞（WT）進行實驗，發現與WT相比，STAT 3-/-細胞和Ser-727突變型細胞的線粒體膜電位去極化，電子傳遞鏈復合酶Ⅱ及ATP 合成酶的活性均下降。因此推測STAT3 可能是依賴于Ser-727 磷酸化來調節線粒體電子傳遞鏈復合酶的活性。在IRI 過程中，線粒體可能是STAT3 心肌保護作用的共同下游途徑。被上游因子激活的磷酸化STAT3 能刺激呼吸作用（主要與復合體Ⅰ有關）和抑制線粒體通透性轉換孔（MPTP）的開放。BOENGLER 等［8］構建小鼠STAT3 基因 缺陷（ STAT3-KO）IRI 模 型，發現STAT3-KO 小鼠和使用 STAT3 抑制劑 Stattic 的小鼠線粒體呼吸下降，加速鈣誘導的線粒體MPTP 孔道開放，加重心肌細胞損傷。在豬的IRI 模型中亦發現線粒體STAT3 能通過調控復合體Ⅰ/鈣發揮心肌保護作用［9］。

2.4 調節心肌肥厚 心肌肥厚在代償期有助于維持正常心肌收縮功能，但長期會使心功能惡化，甚至導致心力衰竭。心肌肥厚的病理表現為心肌細胞增大和心肌收縮/舒張功能障礙。STAT3 是心肌肥厚的關鍵調控分子。KUNISADA 等［10］構建心臟特異性過表達 STAT3 的轉基因小鼠（STAT3-TG），發現STAT3-TG 在12 周時心臟的左心室厚度增加了21.3%。相反，JOHNSON 等［11］發現，使用 STAT3 抑制劑S31-201 后可減輕小鼠由血管緊張素Ⅱ（AngⅡ）引起的心肌肥厚。LI 等［12］發現，硼替佐米可能通過抑制STAT3 通路激活，抑制心臟蛋白酶體的表達，從而抑制心肌肥厚。白細胞介素-6（IL-6）家族的細胞因子與糖蛋白130 共同受體結合形成復合物是引起心肌肥厚的主要上游通路，隨后可通過STAT3 依賴的下游通路調控心肌肥厚的發生發展。WANG 等［13］發現，聚 ADP 核糖聚合酶 1 在心肌組織中可與STAT3 相互作用，使STAT3 保持在磷酸化狀態，STAT3 轉錄活性和靶基因（c-fos、Bcl-xl和Agt）表達增加，導致心肌細胞表面積和肥大生物標志物（BNP）mRNA表達增加，最終導致病理性心肌肥厚。而STAT3 基因敲除或抑制可阻止這種心肌肥大。非磷酸化形式的STAT3（U-STAT3）在心肌肥厚中亦發揮作用。YUE 等［14］發現，在血管緊張素Ⅱ1 型受體（AT1R）轉基因小鼠中，U-STAT3 的核累積與心肌肥厚的發展呈正相關，主要通過OPN 和G 蛋白信號調節因子2 的異常表達實現。除心肌細胞外，心臟成纖維細胞中的STAT3 與旁分泌肥大因子的產生有關，可產生血管緊張素轉換酶和IL-6，促進心肌肥厚［15］。此外，由特定原因引起的心肌肥厚還涉及部分特殊的分子機制。LEIFHEIT-NESTLER 等［16］發現，無論是遺傳性還是飲食誘導的肥胖小鼠，心肌瘦素水平均會提高，瘦素與心肌瘦素受體結合，進而使STAT3 磷酸化水平上升，致使心肌肥厚。XU等［17］發現，在高血糖大鼠中，血紅素氧合酶-1-STAT3信號通路可能參與了心肌肥厚的發生。

有研究認為，內源性STAT3 在某些情況下可減輕心肌肥厚。白細胞介素-10（IL-10）基因敲除小鼠可誘發心臟肥大，IL-10可能通過與STAT3的相互作用抑制核因子κB（NF-κB）和p38 的活化，減輕異丙腎上腺素誘導的小鼠心肌肥大、左心室功能障礙［18］。心肌細胞特異性STAT3 可能不是影響血壓快速升高而導致心臟肥大生長的原因。相反，STAT3對于維持高血壓患者的收縮功能和代謝穩態很重要。

2.5 調控心肌纖維化 心肌纖維化主要見于急性心肌梗死，大量心肌細胞壞死引發心肌炎癥反應，導致膠原纖維增生，最終可致心肌收縮功能障礙。STAT3 通過多種信號通路調控心肌纖維化。JACOBY 等［19］首次發現 STAT3 基因缺陷的小鼠心肌纖維化和心力衰竭易感性增加。白細胞介素-11（IL-11）對于成纖維細胞向成肌纖維細胞的轉化起重要作用。IL-11可改善小鼠心肌梗死后的心肌纖維化，減輕心功能不全。轉基因小鼠心肌特異性過表達活化的STAT3 同樣可減輕心肌纖維化，而在心臟特異性STAT3 缺陷小鼠中，IL-11 減輕心肌纖維化的作用受到抑制，提示IL-11 可能激活細胞內STAT3 從而減少心肌梗死后心肌纖維化的發生［20］。有研究發現，心臟成纖維細胞表面跨膜配體EphrinB2 通過對STAT3 和Smad3 的協同激活而具有促纖維化作用［21］。AngⅡ可通過間接旁分泌效應產生較高水平的活化Rac1，激活心房成纖維細胞中STAT3，促進大鼠心房膠原蛋白合成和心房纖維化。使用STAT3抑制劑S31-201 可減輕小鼠心肌梗死后左心房纖維化［22］。同樣大鼠1 型糖尿病誘導的心肌纖維化模型中發現，STAT3 可上調結締組織生長因子（CTGF）和基質金屬蛋白酶-9（MMP-9）的表達，促進心肌纖維化，使用隱丹參酮可抑制STAT3 信號通路激活，改善糖尿病引起的大鼠心肌纖維化，改善心功能［23］。

2.6 促進血管再生 缺血部位新生血管再生有利于為缺血、缺氧部位供血供氧、輸送營養物質以及各種生長因子，利于組織修復。敲除STAT3 轉基因小鼠在出生后4個月內可出現心肌毛細血管密度降低和間質纖維化增加，隨后出現心力衰竭［1］。堿性成纖維細胞生長因子（bFGF）和血管內皮生長因子（VEGF）可刺激新血管形成，利于傷口愈合和組織再生，已用于治療缺血性疾病。成熟的內皮細胞表達促紅素（EPO）受體，EPO 受體系統可通過上調VEGF/VEGF 受體通路發揮缺血反應的血管生成作用。STAT3在VEGF 和EPO 等促血管生成的關鍵調節信號的生成中起重要調節作用。OSUGI等［24］研究發現，腺病毒轉染心肌細胞過表達STAT3，使心肌細胞中VEGF 表達的增加，可促進內皮小管形成，心肌毛細血管密度增加，并且該作用可被抗VEGF 抗體抑制。在大鼠心肌梗死模型中，EPO 可通過激活STAT3 信號通路提高大鼠心肌細胞中VEGF 的表達，使毛細血管密度增加37%，改善大鼠心臟功能［25］。心肌細胞與血管內皮細胞間不同的通訊系統涉及粒細胞集落刺激因子（G-CSF），其能對梗死后心肌的修復產生促進作用，G-CSF 能對心肌細胞產生有益效果，并能增強毛細血管密度，這種效應可被突變失活的STAT3 蛋白過表達所抑制［26］。

2.7 調控心肌炎癥反應 在心肌梗死急性期，白細胞在促炎因子和趨化因子作用下浸潤、聚集到梗死區域，適度的心肌炎癥反應有助于清除受損組織，利于心臟修復。而長期、過度的炎癥反應激活可引起更嚴重的心肌損傷，導致心肌細胞丟失、收縮功能抑制，甚至可引起心室重構、心力衰竭。STAT3 是一種急性期反應蛋白，能選擇性地結合到IL-6 應答元件上，與炎癥反應密切相關［27］。在小鼠內毒素血癥模型中，脂多糖可引起心肌STAT3 磷酸化水平增加，促進細胞間黏附分子表達，使心肌血管通透性增加［28］。在STAT3 基因敲除小鼠中脂多糖誘導的腫瘤壞死因子的表達增加，心肌細胞凋亡增多，提示缺乏STAT3 可導致炎癥反應加重，進而引發心肌細胞凋亡［19］。然而，STAT3 的激活也可促進巨噬細胞產生腫瘤壞死因子-α 和IL-6、白細胞介素-1β（IL-1β）等炎性細胞因子。在脂多糖刺激的巨噬細胞中，亞氨基二苯乙烯可抑制STAT3 的表達和磷酸化，抑制促炎 細胞因子 IL-1β 和 IL-6 的 RNA 和 蛋 白質水平［29］。心肌梗死后，心室壁機械張力持續激活JAKSTAT 信號通路，增加心肌 NF-κB、TNF-α 等炎性因子表達。而使用AG490阻斷JAK/STAT 信號通路則可抑制心肌NF-κB表達，降低血漿TNF-α水平，改善心肌梗死后的左心室重構［30］。

綜上所述，STAT3可被各種細胞因子激活，參與調節細胞的生長、凋亡、存活，還能促進血管的形成、參與炎癥反應調節等。STAT3是體內多種信號調節通路的交匯點，在體內有復雜的生物調節作用。在心肌缺血、心肌缺血再灌注損傷方面，STAT3扮演重要角色。在惡性腫瘤中，STAT3 促進腫瘤的生長和轉移。