心肌肥厚信號轉導途徑的研究進展

薛周銘，李靜，梁雪琦，湯海霞，班濤，霍蓉

(哈爾濱醫科大學藥學院藥理教研室，哈爾濱 150086)

病理性心肌肥厚(簡稱心肌肥厚)是心臟對多種病理性誘發因素做出的一種適應性反應，其發展過程主要分為3個階段：心肌肥厚進展期、心臟代償期、心臟失代償期。心肌肥厚主要表現為心臟體積增大伴心肌細胞凋亡、細胞外間質沉積、心臟功能失調，使心肌收縮力降低，供血受阻，氧耗量增加，順應性降低，最終導致擴張性心肌病、心力衰竭和心源性猝死[1-4]。心肌肥厚患者臨床表現為乏力、頭暈、胸痛、呼吸困難等，嚴重危害人類健康。在發展中國家，心肌肥厚最終誘發心力衰竭的死亡人數約占所有死亡人數的25%[5-6]。阻止心肌肥厚的發生發展有利于降低心血管疾病的發生率和致死率，目前臨床對于心肌肥厚的治療僅限于改善癥狀且療效甚微，深入探究心肌肥厚的發病機制、尋找心肌肥厚發生的關鍵靶標迫在眉睫。雖然目前在心肌肥厚發病機制方面已經取得一定進展，但由于其發病機制極其復雜，仍然無法清楚地揭示其分子機制，而心肌肥厚的發病機制主要與多個細胞信號轉導途徑的激活密切相關。現就心肌肥厚發生發展的相關信號轉導途徑進行綜述，以期更好地從分子水平揭示心肌肥厚的發生發展過程，為治療心肌肥厚、尋找藥物治療的新靶點，提供詳實的理論依據。

1 由鈣離子(Ca2+)介導的信號轉導途徑

心肌細胞內Ca2+增加是導致心肌肥厚的最基本信號。心肌肥厚導致體液因子(包括去氧腎上腺素、血管緊張素Ⅱ和內皮素-1)增加、肌細胞伸展、心臟工作增加，這一系列病理性改變會刺激細胞內Ca2+增加，從而激活鈣調磷酸酶(calcineurin,CaN)和鈣調素依賴性蛋白激酶(calmodulin-dependent protein kinase，CaMK)兩大信號轉導途徑。

1.1CaN信號轉導途徑 CaN又名蛋白磷酸酶2B，是一種受Ca2+和鈣調素調節的絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸酶。Ca2+和鈣調素依賴蛋白介導CaN的激活，從而導致細胞質中活化T細胞核因子(nuclear factor of activated T cell,NFAT)去磷酸化和核易位，促進其與DNA結合以及與其他轉錄因子的相互作用，最終靶向增強肥厚基因的表達。NFAT具有5種亞型，其中NFATc3和NFATc4是介導肥厚信號轉導的主要轉錄因子。Loyer等[7]證明一氧化氮合酶1基因通過沉默減少CaN蛋白的表達和活性，并增加抗肥厚途徑糖原合成酶激酶(glycogen synthase kinase，GSK)-3β的活性參與調控心肌細胞肥厚的發展。研究表明，CaN信號轉導途徑參與心肌肥厚的發展，血管生長抑制素癌抑素抑制活化T細胞途徑的CaN/核因子，從而抑制異丙腎上腺素誘導的大鼠心肌肥厚[8]。心肌細胞CaN促進成年小鼠心肌肥厚和纖維化的發生發展[9]。激活瞬時受體電位香草酸3通道具有激活CaN/NFATc3途徑的作用，從而加快大鼠病理性心肌肥厚的進程[10]。

1.2CaMK信號轉導途徑 CaMK有4種亞型，其中CaMKⅡ是導致心肌肥厚的重要原因。在細胞內Ca2+超載下，一方面，CaMKⅡ會通過磷酸化組蛋白去乙酰化酶增加肌細胞增強因子2轉錄活性，從組蛋白去乙酰化酶的抑制中釋放肌細胞增強因子2；另一方面，CaMKⅡ激活神經鈣蛋白并促進NFATc3轉移到細胞核中。肌細胞增強因子2和NFATc3均是靶向肥厚和心力衰竭基因的轉錄因子[11]。Wang等[12]發現電壓門控鉀離子通道4.3與CaMKⅡ結合，形成動態分子復合物電壓門控鉀離子通道4.3-CaMKⅡ，在心室肌細胞直接調節CaMKⅡ活性，逆轉心肌肥厚。Tenma等[13]發現，Ca2+激活觸發的鉀離子通道激活可通過CaMKⅡ惡化心肌肥厚的缺氧性室性心律失常。樂卡地平通過阻斷CaN-NFAT3和CaMKⅡ-組蛋白去乙酰化酶4信號轉導減輕血管緊張素Ⅱ誘導的心肌肥厚[14]。

2 促分裂原活化的蛋白激酶信號轉導途徑

在心肌肥厚和心力衰竭發生過程中，促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)級聯是一個參與基因表達、細胞增殖、分化和凋亡的重要信號系統。經典的MAPK信號轉導系統由三個家族成員組成：p38 MAPK信號轉導途徑、胞外信號調節激酶(extracellular signal-regulated kinases，ERK)信號轉導途徑、c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)信號轉導途徑。

2.1p38 MAPK信號轉導途徑 各種環境壓力和炎癥刺激(如紫外線、氧化應激、滲透性休克、感染和細胞因子)均可激活p38 MAPK信號轉導途徑。心肌細胞p38 MAPK激活導致心肌肥厚、間質纖維化、收縮功能障礙以及快速發作的致死性心肌病。Wu等[15]發現奧美沙坦通過抑制轉化生長因子激酶1/p38信號轉導改善壓力超負荷引起的心臟重構。而阿托伐他汀通過細胞內鈣信號和p38 MAPK途徑減輕心肌肥厚[16]。

2.2ERK信號轉導途徑 ERK信號轉導途徑包含4種亞型，其中ERK1和ERK2(ERK1/2)是參與調節心肌肥厚的主要因子。ERK1/2的激活是雙重磷酸化蘇氨酸、谷氨酸和酪氨酸基序的激活。此外，ERK可以在蘇氨酸208或蘇氨酸188引起其核移位，活化促心肌肥厚程序[17]。Huang等[18]發現，血管緊張素Ⅱ激活ERK/GSK3磷酸化重組人熱激轉錄因子-1，最終導致心肌肥厚。

2.3JNK信號轉導途徑 炎癥細胞因子和生長因子等均可使JNK激活，JNK的激活是蘇氨酸和酪氨酸位點的激活。研究表明，JNK1/2和p38抑制劑顯著抑制含不育α基元和亮氨酸拉鏈激酶誘導的腦鈉肽表達，表明JNK和p38 MAPK在心肌肥厚中起重要作用[19]。相互作用蛋白3通過激活JNK途徑加重心臟肥厚[20]。組織蛋白酶B缺失可以抑制腫瘤壞死因子-α/凋亡信號調節激酶1/JNK途徑，減弱壓力超負荷反應引起的心肌肥厚[21]。

3 Wnt信號轉導途徑

Wnt一詞由鼠原癌基因integration(int)和黑尾果蠅無翅基因wingless(wg)兩詞合成而來。1982年，Nusse和Varmus發現了第一個被稱為整合素-1的Wnt基因[22]。迄今為止Wnt家族蛋白至少有19個成員，Wnt在心肌肥厚發生過程中起重要作用。Wnt信號轉導途徑分為經典信號轉導途徑和非經典信號轉導途徑。

3.1Wnt經典信號轉導途徑 經典信號轉導途徑是指Wnt蛋白與細胞表面的卷曲蛋白受體結合。在靜止條件下，β聯蛋白被“破壞復合體”的蛋白質復合物磷酸化，之后通過泛素蛋白酶體途徑降解，Wnt/卷曲蛋白信號轉導途徑激活會促進β聯蛋白在細胞質中積累，進入細胞核與轉錄因子相互作用并促進相關肥厚基因表達，從而促進心肌肥厚。其中，GSK-3β是促進β聯蛋白磷酸化的重要蛋白，其活化程度在心肌肥厚中起重要作用。Pan等[23]發現，使用腺相關病毒9病毒載體將分泌型卷曲相關蛋白1表達基因導入心肌，可以通過抑制Wnt信號轉導途徑減輕主動脈縮窄誘導的心肌細胞凋亡。Gitau等[24]發現，阿司匹林能夠有效逆轉心肌肥厚誘導的β聯蛋白和磷酸化絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶表達的上調以及GSK-3β的下調。

3.2Wnt非經典信號轉導途徑 非經典Wnt信號轉導途徑的激活不是通過β聯蛋白累積，而是通過其他方式轉導激活的一類信號途徑。Wnt非經典信號轉導途徑主要包括Wnt/JNK和Wnt/Ca2+信號轉導途徑。Wnt/JNK信號激活可刺激心肌發生重構，對胚胎發育組織增生具有重要作用。研究表明，平面細胞極性蛋白2激活Wnt/JNK通路，抑制心肌肥厚[25]。Wnt/Ca2+通路則是Wnt通過卷曲蛋白家族在G蛋白介導下促進細胞內Ca2+釋放，進而激活鈣依賴性信號轉導。釋放的Ca2+激活Ca2+依賴性酶，如CaMKⅡ、蛋白激酶和CaN，活化的CaN能使NFAT去磷酸化，導致NFAT在核中積累，而磷酸化的NFAT在細胞質中被降解[26]，從而啟動下游肥厚基因，導致心肌肥厚。研究表明，Wnt5a激活Wnt/平面細胞極性非經典信號轉導，從而誘導心肌細胞肥厚[27]。Wnt11通過蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)/JNK非經典信號轉導誘導心肌細胞分化[28]。

4 蛋白激酶信號轉導途徑

4.1磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,PKB/Akt)信號轉導途徑 PI3K是一種胞內磷脂酰肌醇激酶，其下游激活的主要效應器是Akt，又稱絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。心肌肥厚發生時，生長因子與其同源受體結合觸發PI3K亞型p110α易位進入細胞膜，然后在膜肌醇環的3′位置，p110α磷酸化磷脂酰肌醇。一方面，Akt及其激活物3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1的普列克底物蛋白同源性細胞膜蛋白的胞質結構域與3′磷酸化脂質締合，從而激活Akt，激活的Akt會引起細胞自噬及凋亡。另一方面，Akt的激活可以磷酸化并抑制激酶GSK-3，由于GSK-3抑制蛋白質翻譯的關鍵成分以及許多轉錄因子，促進蛋白質合成和基因轉錄，因此被認為在誘導基因表達的肥厚程序中起重要作用[29]。大量數據表明，PI3K/Akt信號轉導導致心肌肥厚。漢黃芩素通過抑制PI3K/Akt途徑緩解異丙腎上腺素誘導小鼠心肌肥厚[30]。大蒜素通過抑制PI3K/Akt/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白和MAPK/ERK/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白信號途徑而引起自噬減輕病理性心肌肥厚[31]。四氫生物蝶呤通過PI3K/磷酸化絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶逆轉自發性高血壓大鼠的左心室肥大和舒張功能障礙[32]。

4.2環鳥苷酸(cyclic guanosinc monophosphate,cGMP)/蛋白激酶G信號轉導途徑 cGMP參與調節心肌細胞的病理生理過程，包括細胞生長和凋亡。cGMP作為第二信使介導一氧化氮和利鈉肽偶聯的信號，刺激蛋白激酶G磷酸化變化。心肌肥厚患者cGMP和蛋白激酶G活性均降低，激活cGMP/蛋白激酶G信號轉導途徑具有抑制心肌肥厚的作用[33]。磷酸二酯酶特異性地切割cGMP的3′，5′-環磷酸部分使cGMP失活。21個磷酸二酯酶基因被分為11個家族，其中磷酸二酯酶-5、磷酸二酯酶-6、磷酸二酯酶-9對cGMP有特異性作用[34]。有證據表明，磷酸二酯酶-5抑制劑通過激活蛋白激酶G及其靶分子、G蛋白信號轉導調節因子2的調節因子以及抑制瞬時受體電位陽離子通道蛋白6/CaN/NFAT信號，發揮抗心肌肥厚作用[35-36]。在哺乳動物的心臟中，檢測到磷酸二酯酶9A具有抑制cGMP信號的作用，從而促進心肌肥厚和心室重構[37]。

4.3PKC信號轉導途徑 PKC同工酶屬于絲氨酸/蘇氨酸激酶家族。在心臟中，PKC激活會觸發細胞內多種生理過程，包括心率、心臟收縮和舒張。Simonis等[38]揭示了在人類心臟組織中存在6種PKC亞型，分別為PKC-α、PKC-β、PKC-δ、PKC-ε、PKC-λ和PKC-ζ。PKC-α對心肌收縮功能影響極大，是促進心肌肥厚轉向心力衰竭的重要原因。PKC-β是第一個被研究的心臟同工酶，在心肌肥厚中起重要作用，PKC-β與PKC-α均能加速心肌肥厚轉變為心力衰竭的過程[39]。Bowling等[40]研究表明，鈣依賴的PKC-β在心肌肥厚中起重要作用，而PKC-βⅠ和PKC-βⅡ在PKC-β的活化中起主導作用。另有研究表明，PKC-ε被激活后可通過磷酸化激活Ras/Raf，進而激活ERK1/2信號途徑，導致心肌肥厚的發生[41]。

4.4Janus激酶(Janus kinase,JAK)/信號轉導及轉錄激活因子(signal transduction and activator of transcription，STAT)信號轉導途徑 大量的細胞因子、生長因子和激素可以激活JAK/STAT信號轉導途徑，JAK促進STAT從質膜傳遞到細胞核，STAT蛋白易位進入細胞核并與靶基因啟動子區域結合，調節靶基因轉錄。在心臟中，STAT蛋白調節炎癥、血管生成、細胞外基質組成、細胞凋亡和細胞信號轉導有關蛋白質編碼基因的表達。JAK/STAT途徑在壓力超負荷引起的心肌肥厚和重構以及缺血再灌注引起的心臟障礙中起關鍵作用[42]。水蘇堿通過抑制大鼠的核因子κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)和JAK/STAT信號途徑抑制炎癥和氧化應激，從而改善異丙腎上腺素引起的心肌肥厚和纖維化[43]。

5 NF-κB信號轉導途徑

NF-κB是一種存在于真核細胞的轉錄因子，NF-κB家族包括5個成員，通常以二聚體的形式存在于細胞質內，最常見的為p65/p50。在細胞靜息狀態下，細胞質中的NF-κB與其抑制劑(inhibitor of nuclear factor-κB,IκB)結合，細胞因子、病毒等刺激信號通過活化IκB磷酸化激酶特異地使IκB磷酸化，導致IκB發生構象改變并降解，NF-κB游離并進入核內，從而啟動或抑制相關基因的轉錄。心肌肥厚早期，NF-κB通過抑制心肌細胞凋亡和激活缺氧誘導因子1來緩解心肌肥厚[44]。Javan等[45]的研究結果顯示，NF-κB通過調節缺氧誘導因子1α調控血管生成反應，增加心肌肥厚的適應性反應而保護心肌細胞，敲減NF-κB可以加快心肌肥厚進程。心肌肥厚晚期，NF-κB通過上調腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-1β、白細胞介素-6、白細胞介素-23、白細胞介素-12α和白細胞介素-12β等炎癥因子加重心肌損傷，NF-κB亦與活性氧類相互正向調控，NF-κB產生還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶家族成員還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶-2、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶-4和內皮型一氧化氮合酶，促進活性氧類的產生，而累積的活性氧類亦可以反過來活化NF-κB，NF-κB作為心肌肥厚發生發展中的一個“核心開關”，調控著炎癥反應和氧化應激反應，構成一個級聯放大的惡性循環，加速心肌肥厚的惡化[46]。Han等[47]發現，辛伐他汀通過阻斷鈣蛋白-1介導的NF-κB活化引起的氧化應激和炎癥反應，減輕糖尿病大鼠的心肌肥厚。Wang等[48]和Hu等[49]分別發現補骨脂酚和去泛素化酶抑制劑金諾芬，通過阻斷NF-κB信號轉導途徑的激活減輕心肌肥厚。

6 非編碼RNA

在心肌肥厚發生發展過程中，細胞水平發生許多變化，包括通過關閉染色質調節劑進行基因重編程。研究表明，非編碼RNA在這些病理過程中對基因表達調控具有重要的功能意義[50]。非編碼RNA形成網絡參與調控心肌肥厚相關信號轉導途徑中關鍵基因或蛋白的生物學功能，進一步完善和擴大心肌肥厚信號轉導途徑，成為心肌肥厚信號轉導途徑的重要組成部分。

6.1微RNA(microRNA，miRNA) miRNA是一類長度為21～25 nt的非編碼50RNA分子，主要通過調控基因轉錄后水平發揮生物學功能，誘導信使RNA切割或抑制蛋白質的翻譯調控目的基因的表達[51]。研究表明，miRNA參與調節各種肥厚特異性信號轉導途徑，這些分子可能成為潛在的治療靶點[52-53]。心肌肥厚可以上調miR-29a靶向磷酸酯酶與張力蛋白同源物并激活Akt/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白通路，進而下調自噬，促進心臟肥厚，下調miR-29a可以治療心肌肥厚[54]。Yang等[55]發現小鼠中miR-206的心臟特異性過度表達可誘導心肌肥厚，而抑制miR-206則可防止壓力超負荷引起的心肌肥厚。Wang等[56]發現，血管緊張素Ⅱ導致成年C57BL/6J小鼠出現miR-154-5p表達增加和心臟重構，而miR-154-5p抑制劑治療可明顯逆轉這些變化。上調miR-212/132家族、miR-199b、miR-199a、miR-410、miR-495會促進心肌肥厚，下調miR-1、miR-133、miR-541也會促進心肌肥厚[57]。

6.2長鏈非編碼RNA(long noncoding RNA，LncRNA) LncRNA是一類>200個核苷酸的非編碼轉錄本，其互補區可以識別并結合信使RNA、miRNA以及其他LncRNA，進而發揮調控作用[58]。LncRNA在心肌肥厚病理生理過程中的研究已成為熱點。肌球蛋白重鏈相關RNA轉錄物是第一個充當染色質重塑劑的LncRNA，并具有抑制病理性心肌肥厚的作用。肌球蛋白重鏈相關RNA轉錄物已被確認與Brahma相關基因1直接作用，并從其基因組DNA靶點中螯合Brahma相關基因1，阻止Brahma相關基因1與靶基因結合以緩解染色質重構，防止心肌肥厚[59-60]。此外，與染色質或基因調控效果不同，有許多其他LncRNA通過調控miRNA參與心肌肥厚的過程。LncRNA心肌肥厚相關轉錄物通過上調含Pleckstrin同源結構域M蛋白家族成員1，從而抑制細胞自噬并促進心肌肥厚[61]。LncRNA心肌肥厚相關因子通過下調miR-489具有抗心肌肥厚的作用[62]。LncRNA H19通過下調miR-675保護心肌細胞[63]。LncRNA磷脂爬行酶4通過上調miR-214緩解心肌肥厚[64]。LncRNA心肌梗死相關轉錄本通過上調miR-150促進心肌肥厚[65]。

7 小 結

心肌肥厚發生發展過程中伴隨著復雜級聯反應信號轉導途徑的改變，且各信號轉導途徑之間并不是獨立調控，信號轉導途徑及信號轉導途徑效應子之間相互作用，形成復雜的調控網絡。因此，進一步加強對心肌肥厚信號轉導途徑的整體認識至關重要，從而為心肌肥厚、心力衰竭患者的診斷、治療、預后分析等提供有效的靶標，針對新靶點尋找更有效的防治措施，并阻止病理性心肌肥厚向心力衰竭惡化的進展，為人類心肌肥厚及其相關疾病防治做出貢獻。