sFRP2在心臟發育和心臟病理改變中作用的研究進展

李海龍，王英男

（1.內蒙古醫科大學，內蒙古 呼和浩特市 010059；2.烏蘭察布市中心醫院，內蒙古 烏蘭察布市 012099）

1 sFRP2的結構和生物學作用

sFRP2是一種可溶性蛋白質，大小為34 kda。它由人類第4號染色體上約2 kb長的基因編碼。其結構與分泌型卷曲相關蛋白相似，N-末端也具有Rico半胱氨酸結構域（CRD），包含10個保守的Cys殘基。sFRP2結構與Wnt信號通路中的細胞質膜中的卷曲蛋白受體（Frizzled，Fzd）高度相似，但缺乏跨膜結構。sFRP2在Wnt信號通路中具有多方面調節作用，通常認為sFRP2對Wnt信號通路具有抑制作用。一方面，sFRP2與蛋白Fzd高度同源性，結構上高度相似，可與經典Wnt蛋白競爭性結合，從而發揮對經典Wnt信號通路的抑制作用；另一方面，sFRP2與非經典Wnt信號通路中的Wnt蛋白結合，通過激活PCT、JNK非經典信號通路來抑制經典Wnt/β-catenin信號通路[1]。然而近來有研究表明，在某些特定條件下sFRP2對Wnt信號通路具有激活作用，如sFRP2能夠激活肺癌細胞模型中經典Wnt信號通路[2]。總之，sFRP2不單純是經典Wnt信號通路的拮抗因子，而在特定條件下對Wnt信號通路具有激活作用。目前研究已知，在心血管生理病理及心臟生長發育過程中Wnt信號通路廣泛參與其中。sFRP2在心肌纖維化、心臟肥大、心血管再生等方面的生物學作用主要有賴于Wnt信號通路。

2 sFRP2與心臟發育

在胚胎期，心臟是最早發育的功能器官，由胚胎中胚層心臟祖細胞分化發育而來[3]。從細胞增殖分化過程看，可分為中胚層內心臟祖細胞的擴增和心臟祖細胞進一步分化為心肌細胞兩個階段。對心臟發育的研究表明，sFRP2在心臟的所有部位表達，這表明sFRP2參與了細胞水平上的心肌細胞分化以及整個心臟發育過程中的細胞遷移和擴增等過程[4]。在心臟的正常發育過程中，Wnt經典通路及非經典通路均參與其中，共同調節心臟的發育。心臟神經細胞的發育、流出道的形成和冠狀動脈的形成在內的諸多過程都有賴于經典Wnt信號通路的激活[5]，而非經典通路的激活多與心肌細胞的分化相關[6]。

2.1 Wnt經典信號在心臟發育過程中雙向調節理論及時空特異性

研究發現，如果在原始腸形成之前就激活了經典的Wnt信號，則可以刺激中胚層細胞分化為線性心管，而在后期，只有對Wnt信號通路抑制才可以繼續促使心臟發育，進而提示Wnt/β-catenin信號傳導很可能以雙向方式調節心臟的發育，即在心臟發育的初期需要Wnt/β-catenin信號的加強傳導，而在心臟發育的后期需要Wnt/β-catenin信號的持續抑制才能維持心臟繼續發育。另外一些研究表明，心肌分化過程Wnt信號通路的作用似乎具有時空特異性，在體外誘導性多能干細胞（induced pluripotent stem cells，iPS cells）建模，對經典Wnt信號通路進行長期激活，則誘導心臟祖細胞分化為成纖維細胞[7]；當心臟祖細胞處于中胚層外圍時，通過Wnt5b激活經典Wnt信號通路將誘導心臟祖細胞分化為心臟起搏細胞[8]。

2.2 sFRP2與中胚層發育

Wnt經典信號的激活能夠調節中胚層發育。在小鼠胚胎中敲除了β-catenin信號通路，結果發現中胚層無法形成，這提示中胚層內心臟祖細胞的擴增依賴經典的Wnt途徑的激活[9]。sFRP2在心臟發育過程中對中胚層的調節作用是通過Wnt信號而發揮的，Wnt3a蛋白是一種典型的Wnt信號蛋白，去除Wnt3a表達將減少中胚層相關標記物的表達，而sFRP2對蛋白Wnt3a具有抑制作用，這表明sFRP2在心臟中胚層發育階段具有負調節作用。在小鼠畸胎瘤細胞系P19CL6中進行的實驗也表明，sFRP2的功能取決于是否能夠破壞自體Wnt3a轉錄的正反饋作用，如若能夠破壞Wnt3a轉錄的正反饋作用，則會阻止中胚層細胞擴增特化為心臟祖細胞。sFRP2在心臟中胚層發育過程中具有關鍵作用，在中胚層時期只有較低的表達sFRP2，對心臟初期發育才有益。

2.3 sFRP2與心肌分化

心臟發育的另一個關鍵階段是祖細胞分化為心肌細胞。在這個過程中sFRP2通過對Wnt信號通路的調節影響心肌分化，激活經典Wnt信號路徑可以抑制心臟的祖細胞的分化，并且認為sFRP2可以以不同的方式抑制經典的Wnt信號路徑以促進心肌分化。一種方式是通過與Wnt6蛋白作用而實現。Wnt6蛋白是經典Wnt信號通路蛋白，能夠激活經典Wnt信號通路對心肌細胞分化產生抑制作用，當sFRP2與Wnt6結合后具有誘導激活PCP和JNK非經典通路的作用，激活的非經典通路對經典Wnt信號通路產生串擾抑制作用，從而解除經典Wnt通路對心臟祖細胞分化的抑制作用，促進心肌分化[10]。另一種方式是通過與Wnt3a、Wnt11蛋白作用而實現。心臟未分化祖細胞同時表達Wnt3a蛋白和Wnt11蛋白。Wnt3a是Wnt經典通路蛋白，通過激活Wnt-β-catenin通路抑制心肌細胞的分化，而Wnt11是非經典通路蛋白，可以激活非經典Wnt信號通路，進而抑制經典Wnt信號通路，促進心肌細胞分化。正常生理情況下二者保持平衡關系，心臟祖細胞未表現出進一步分化，而當sFRP2高表達后，Wnt3a與Wnt11相比，對sFPR2表現出更高的結合性，最終導致sFRP2與Wnt3a蛋白結合，而Wnt11相對自由，Wnt11進一步激活Wnt非經典通路，進而干擾抑制經典Wnt信號通路，因此促進心臟祖細胞向心肌細胞分化[11]。

3 sFRP2在心臟病理改變中的作用及心臟再生治療中的作用

3.1 sFRP2在心臟纖維化病理改變中的作用

3.1.1 Wnt信號通路與心臟纖維化 心臟纖維化是心臟遭受病理性損傷后的一種適應性表現，對于維持心臟結構和功能具有重要作用，但過度的纖維化會加重心臟重塑和心功能受損，是心力衰竭發展及猝死發生的重要病理原因。Wnt信號的激活具有促進不同器官纖維化發展的作用[12～14]，Wnt信號在心肌梗死后不久被激活，并可能與心臟重塑和心臟纖維化明顯相關[15]。動物實驗也表明，在小鼠急性缺血性心肌損傷后48 h內經典Wnt信號表達程度可上調8倍，促進纖維化基因表達并誘導心臟成纖維細胞增殖，最終導致心臟修復和纖維化[16]，而抑制心外膜和心臟成纖維細胞中的Wnt/β-catenin信號后，心臟病變區域的膠原蛋白沉積明顯減少[17]。

3.1.2 sFRP2與心臟纖維化sFRP2與心臟纖維化存在明顯相關[18]。sFRP2通常被認為是Wnt/β-catenin通路的拮抗劑，它通過抑制Wnt/β-catenin信號通路來發揮減輕心臟纖維化的作用。對心肌梗死小鼠模型注射重組sFRP2分子，發現心肌纖維化程度相對降低，其他動物實驗也表明，sFRP2能夠減輕纖維化的發展[4]。然而另外一些研究表明，sFRP2可促進心臟纖維化。Kobayashi等[19]研究發現，敲除sFRP2基因的小鼠在遭受心肌梗死后其心肌纖維化程度要比正常小鼠低。這表明sFRP2具有促進心臟纖維的作用。對于sFRP2在心肌纖維化中體現的不一致作用，Alfaro等[20]的研究可能給予較為合理的解釋，其研究發現，低水平的sFRP2（＜1μg/mL）會促進原膠原C蛋白酶的活性，進而促進纖維化，而高濃度的sFRP2（＞6μg/mL）具有相反的作用。基于這些研究可以推測sFRP2在心肌纖維化過程具有濃度依賴性，即低濃度的sFRP2可以增強Wnt通路的作用并促進心肌纖維化，而高濃度的sFRP2能夠拮抗Wnt通路，進而抑制心肌纖維化。

3.2 sFRP2在心肌肥大病理改變中的作用

心肌肥大也是心臟的一種適應性反應，比如長期壓力超負荷、持續的β-腎上腺素刺激、心肌代謝異常等[21]。心肌肥大的過程涉及許多信號通路和關鍵分子，包括鈣調神經磷酸酶和Wnt信號通路、細胞外調節蛋白激酶（ERK）、肌醇磷酸3激酶/蛋白激酶B（PI3K/Akt）、c-Jun N N末端激酶（JNK）[21]。Wnt信號通路在心肌細胞肥大的發展過程中具有重要意義，其中經典Wnt/β-catenin信號轉導通路的作用最顯著[22]。Zhao等[23]利用血管緊張素Ⅱ（Ang-Ⅱ）建立體外心肌細胞肥大模型，然后用Wnt-C59阻斷Wnt信號，結果心肌肥大明顯改善，這表明Wnt信號通路參與心肌肥大的發生發展。Wei等[24]進行的研究表明，sFRP2的過表達通過抑制Wnt/β-catenin信號通路，減弱了由肥大刺激誘導導致的肌細胞肥大。另有研究表明，sFRP2可以通過抑制肌肉細胞中的轉化生長因子β1（TGF-β1）來發揮抗肥大作用[25]。總之，目前諸多研究均表明，sFRP2具有保護心肌免受病理性肥大損害的作用。

3.3 sFRP2在血管再生病理改變中的作用

血管再生是一個復雜的過程，可以概括為4個步驟：誘導端細胞生成、萌芽的延長生長、血管分支形成和血管網絡的形成和穩定。大量研究證明，Wnt信號通路在血管生成過程中，通過一些血管生成關鍵調節因子，如卷曲蛋白-5（Fzd5）、卷曲蛋白-7（Fzd7）和R-spondin3等，對內皮細胞，端細胞，莖細胞等生長分化起到重要的調節作用[6]。sFRP2通過激活非經典Wnt/Ca2+通路來發揮血管生成效應，卷曲蛋白-5（Fzd5）在內皮細胞中沉默后，則內皮細胞無法形成，而Fzd5是SFRP2的受體，并通過鈣調神經磷酸酶介導SFRP2誘導血管生成[26]。另據了解，sFRP2還可以可通過內質網（ER）應激信號通路介導，抑制缺氧引起的內皮細胞凋亡，促使內皮細胞的遷移以及誘導血管生成/動脈生成[27]。

3.4 SFRP2在心臟再生治療中的作用

心肌細胞是永久細胞，其再生潛力有限，通過干細胞移植對心血管疾病進行治療是目前心血管疾病研究的熱點之一[28]。靶器官中干細胞的存活能力是決定治療效果的關鍵因素。由于移植后心臟局部心肌炎癥和纖維化的發生發展，移植后干細胞的存活率較低，嚴重影響了移植效果[29]。為了提高干細胞療法的效果，增強干細胞在缺血-再灌注損傷后產生的炎性和纖維化環境中的生存能力是必要的。sFRP2能夠改善人間充質干細胞（hMSCs）在氧化應激下的生存能力，提高干細胞移植的治療效果，同時又不影響hMSC的細胞形態、表面標志物表達以及分化潛能[30]，其作用機制可能是sFRP2加強了Wnt/β-catenin信號，進而提高細胞存活率。胰島素樣生長因子-1（Insulin-like growth factor-1，IGF-1）是骨髓間充質干細胞（BMSCs）重要的旁分泌因子。據研究，IGF-1的過表達可以通過AKT通路增強SFRP2表達，進一步加強Wnt/β-catenin信號，從而提高移植存活率。使用siRNA抑制AKT通路或敲除SFRP2表達可顯著拮抗IGF-1的作用并降低Wnt/β-catenin信號通路傳導，最終致β-catenin靶基因，包括細胞周期蛋白D1和c-Myc的表達相應降低。此外，BMSCs-IGF-1可以從缺氧誘導的細胞凋亡中拯救心肌細胞，并在缺氧條件下保持細胞活力[31]。這些研究均表明，sFRP2是增強干細胞活力的重要介質，能夠通過增強Wnt/β-catenin信號通路傳導保護MSCs移植后心肌免于凋亡[32]，提高移植后存活率。

4 總結

sFRP2在心臟發育和心臟病理過程中具有多方面調節作用。在心臟發育過程中，sFRP2可以通過調節Wnt/β-catenin經典信號通路及PCP和JNK非經典通路，對心臟發育發揮調控作用。在心臟病病理改變中，sFRP2具有抑制心肌肥大的作用；在心臟纖維化方面，sFRP2表現出濃度依賴的雙向調節作用，低濃度sFRP2具有促進心臟纖維化的作用，相反，高濃度的sFRP2具有抑制心臟纖維化的作用，sFRP2可以通過激活非經典Wnt途徑來促進血管生成；在心臟再生治療中，sFRP2可以改善干細胞在不利環境中的存活率，并增強對心肌梗死的治療效果。心臟纖維化、心肌肥大、血管再生均是心臟遭受病理損傷后重要的病理改變，涉及心臟重構，直接關系到患者心功能及預后。而sFRP2在這些病理過程中具有多重調節作用，因此，sFRP2是心血管疾病多種病理狀況下很有希望的治療靶標。但目前sFRP2在這些病理生理過程中的具體機制仍不確切，需進一步探索研究。