STAT3信號通路在缺血性心臟病血管再生中的作用研究進展

祝慧 劉長梅 翟淼浡 杜鑫 李昕璽 徐會圃

缺血性心臟病（Ischemic heart disease，IHD）是目前世界范圍內導致死亡的主要原因之一，給個人和社會醫療資源帶來巨大負擔[1]。傳統的慢性IHD病理生理學觀點認為，IHD的發生主要是由脂質斑塊逐漸累積，進而形成梗阻性動脈粥樣硬化斑塊導致[2]。近年來，隨著對IHD研究的不斷深入，臨床、血管造影及尸檢結果都表明IHD的發生是一系列復雜的病理生理過程。許多有冠狀動脈疾病證據的患者在血管造影時并沒有發現明顯的冠狀動脈粥樣硬化，相反，一些有嚴重冠狀動脈粥樣硬化的患者既沒有胸痛癥狀，也沒有任何冠狀動脈疾病的證據，這些理論和臨床現實之間的矛盾提示IHD與冠狀動脈粥樣硬化的發生并不是1:1的關系，冠狀動脈粥樣硬化所致的狹窄僅為IHD的復雜多因素病理生理過程中的一個因素[3]。目前，對IHD的認識是包括“自發性”血栓形成、冠狀動脈狹窄及痙攣、炎癥、微血管功能障礙、內皮功能障礙和血管生成等多種因素共同作用的結果[4]。

IHD的防治已成為全球首要的安全問題[5]。過去幾十年，IHD的預防和治療不斷取得進展，藥物治療、經皮冠狀動脈腔內成形術+支架置入術、冠狀動脈旁路移植術、人工輔助循環和人工心臟、以及心臟移植等均已顯著改善了IHD患者的預后[6]，但仍有大量患者不能接受常規治療。研究表明，新血管形成對恢復缺血心肌的血液灌注至關重要，適當的灌注和血管完整性是維持心肌穩態的關鍵條件[7]。近年來，隨著分子生物學的進展和輔助生長因子的引入，利用血管再生治療IHD已成為心血管基礎研究領域的熱點之一[8]。

血管生成是新毛細血管發芽的過程，主要包括血管內皮細胞的激活及一氧化氮介導的血管擴張，基底膜及細胞外基質的降解，成纖維細胞、肥大細胞及中性粒細胞等釋放趨化因子，引導內皮細胞遷移至需要血管生成的部位，進而使新生血管內皮細胞及周細胞增殖，新基底膜形成及新生血管網絡重構、成熟和穩定[6]，但確切機制尚未明確。在心肌梗死的修復過程中，我們可以看到冠狀動脈側支循環的形成能夠恢復缺血區心肌灌注，從而減少心功能障礙的發生。然而機體自身生成的新生血管往往不足以代償冠狀動脈閉塞誘發的心肌缺血。因此，刺激缺血區小血管生長，促進側支循環的建立，為缺血心肌提供重要的血流來源，完成缺血區血管的自我搭橋便成了重要的治療方法[9]。

信號轉導與轉錄激活因子（Signal transducer and activator of transcription，STAT）首次發現于1994年，是一種能與靶基因調控區DNA結合的胞質蛋白家族[10]。STAT分布于多種類型的組織和細胞中，有6個功能結構域，包括N端結構域、DNA結合域、SH2結構域、卷曲螺旋結構域、酪氨酸活化區域和轉錄活化結構域[11]。迄今為止，在人和哺乳動物中已發現至少7個STAT家族成員，包括STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5a、STAT5b、STAT6[12]。STAT家族成員通常位于細胞的細胞質區域，處于非活性狀態，這些蛋白分子具有較為特別的信號轉導和轉錄因子的作用，可以在外界信號的刺激下激活并直接轉入細胞核內引發相應靶基因的轉錄，介導多種細胞功能，包括生存、生長和增殖以及血管生成等[13]。STAT家族成員的氨基酸序列及其組織特異性分布有極大的多樣性，這也是它們在對分子外信號蛋白反應中的不同作用的主要原因[14]。

STAT3作為STAT家族的成員，是信息傳遞過程中的主要樞紐，整合和轉導來自40多種細胞因子和生長因子的信號[15]，通過將活化的質膜受體的信號傳遞到細胞核，對各種刺激作出反應，從而調節基因轉錄。最早提出STAT3與血管生成有關的證據之一是來自于絨毛尿囊膜巨噬細胞集落刺激因子（Granulocyte-macrophage colony-stimulating factor，GM-CSF）誘導雞的血管生成活性[16]，其研究結果表明，組成型STAT3的激活可上調血管內皮生長因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF）表達和血管生成；下調STAT3的激活可以抑制VEGF的表達，抑制血管生成[17]。

STAT3也是癌癥中許多致癌信號通路的匯聚點[18]。STAT3在癌癥中具有高頻率的組成性激活，并可促進腫瘤細胞生存和增殖。腫瘤細胞中組成性激活的STAT3已被證明能促進腫瘤侵襲和血管生成。血管生成是大腫瘤生長所必需的，由腫瘤缺氧引發。在缺氧條件下，腫瘤相關的巨噬細胞被招募到腫瘤部位，產生趨化因子和促血管生成因子[19]。我們發現，STAT3信號通路介導腫瘤細胞、腫瘤間質中的髓細胞和內皮細胞之間的多向交叉，有助于腫瘤血管生成[20]。通過STAT3誘導血管生成因子（如VEGF和bFGF）的體內、外實驗均證明STAT3信號通路激活并誘導血管生成，對腫瘤血管生成是必需的[21]。

近年來，由于經皮冠狀動脈腔內成形+支架置入術、冠狀動脈旁路移植術等治療的創傷性，以及其在彌漫性病變患者治療中的局限性，治療性血管再生術已成為治療缺血性疾病領域的研究新方向。一些血管生成誘導劑如堿性成纖維細胞生長因子（Basic fibroblast growth factor，bFGF）和VEGF已被用于通過促進新血管形成、傷口愈合和組織再生來治療缺血性疾病[22]。STAT3不僅對腫瘤的血管形成發揮重要作用，在缺血性心臟病中也可以通過多種信號轉導途徑促進缺血區心肌組織小血管再生。

1 STAT3通過JAK/STAT3信號轉導通路促進缺血區心肌組織血管再生

在哺乳動物中，Janus激酶（Janus kinase，JAK）是一類胞質內可溶性蛋白酪氨酸激酶，有JAK1、JAK2、JAK3和酪氨酸激酶2（Tyrosine kinase 2，TYK2）4種家族成員，包括SH2結構域、JAK假酶區、FERM結構域和蛋白酪氨酸激酶（PTK）以及其他同源相似結構域[23]，它們在結構上都有7個同源結構域（JH1～7），JH1是具有催化活性的激酶結構域，JH2是抑制激酶活性、誘導信號轉導的結構域，JH3和JH4主要是穩定酶的結構構象，JH6和JH7是受體結合域。該家族的3個成員（JAK1、JAK2和TYK2）基本上在所有細胞中表達，而JAK3主要在造血細胞中表達。

JAK/STAT信號通路最初是在IFN-α、IFN-γ和IL-6介導的下游信號通路中發現的[24]。STAT、JAK及JAK相關受體是JAK/STAT信號途徑的3個主要組成部分，JAK/STAT3是其中重要的一個信號轉導通路，也由這3部分組成[25]。JAK可與細胞膜上的信號分子受體結合，當細胞外信號分子作用于細胞膜上相應的受體后，引起受體分子的二聚化，使JAK分子相互靠近并磷酸化激活，活化的JAK分子引起受體胞內區域構象改變，使受體胞質內區域磷酸化形成STAT3分子的停泊位點，使STAT3通過其SH2結構域與磷酸化的受體分子結合，并在JAK激酶的作用下發生磷酸化，磷酸化的STAT3形成二聚體進入細胞核內與特定的DNA序列結合，調節基因轉錄，進而發揮多種生物學效應[26]。研究表明，JAK/STAT3信號通路的激活主要調節VEGF、存活基因、增殖基因、侵入性因素等[27]。

JAK/STAT3信號傳導途徑是多種細胞因子和生長因子在細胞中傳遞信號的共同途徑，且與機體各種生命活動密切相關。有研究表明[28]，促紅細胞生成素（EPO）及粒細胞集落刺激因子[29]（G-CSF）可通過激活JAK2/STAT3通路上調心肌間質細胞衍生因子-1（SDF-1）的表達，進而誘導骨髓間充質干細胞（BMSCs）歸巢至缺血損傷的心肌組織，通過旁分泌方式促進VEGF的表達，協同SDF-1促進新生血管的形成、減少梗死心臟內細胞的凋亡。陳磊磊等[30]認為，在心肌梗死大鼠中，經eNOS基因轉染后，eNOS表達增加，JAK1/STAT3信號通路的蛋白表達增加，從而明顯增加NO生成，促進新生血管形成，推測eNOS可通過激活JAK1/STAT3信號通路增加NO的表達水平，使血管擴張及VEGF生成增加，從而促進血管生成。Duan等[31]在對缺血再灌注損傷大鼠的離體實驗中表明，姜黃素（Cur）對心臟有保護作用，其作用可被JAK2/STAT3信號通路特異性抑制劑AG490阻斷，表明Cur可通過激活JAK2/STAT3信號通路，減輕缺血再灌注損傷，發揮心臟保護作用。Liu等[32]在高糖對大鼠骨髓多能祖細胞（rMAPCs）作用的研究表明，VEGF的表達與rMAPCs中JAK2及STAT3的組成性激活相關。高糖培養基中培養的rMAPCs、JAK2和STAT3的酪氨酸磷酸化和磷酸化的STAT3的核轉位顯著降低，且VEGF的mRNA及蛋白表達水平下降，更加證明抑制JAK2-STAT3信號通路可影響VEGF的表達，從而影響血管生成。此外，在巨細胞動脈炎的小鼠模型中[33]，JAK/STAT3信號可驅動炎癥血管壁中炎癥相關的微血管生成，JAK/STAT3抑制劑Tofacitinib可以抑制新血管生成反應，更加證實JAK/STAT3信號轉導通路在血管再生中的作用。

2 STAT3通過STAT3/HIF-1α信號轉導通路促進缺血區心肌組織血管再生

低氧誘導因子HIF-1是由HIF-1α和HIF-1β兩種亞基組成的異源二聚體[34]，兩個亞基均屬于bHLH/PAS家族蛋白[35]。N末端均含有bHLH/PAS同源區，對于二聚化及與靶基因的結合必不可少；C末端是反式激活區，包括2個反式激活域（TAD）即TAD-N和TAD-C，2個TAD序列間的區域為抑制結構域，抑制TAD的轉錄激活[36]。有研究表明，HIF-1α與急性低氧反應有關[37]。HIF-1α由氧來調節其蛋白的穩定性，在正常氧飽和度下，檢測不到HIF-1α的表達，當氧氣濃度低于5%時，HIF-1α穩定存在于細胞中[38]。HIF-1α的活性對于組織缺血后的恢復是十分必要的。HIF-1α可以上調與血管生成相關蛋白的基因表達，如促進血管生成的VEGF及其受體等來增加血流，降低缺血損傷[39]。在HIF-1α基因敲除的股動脈結扎模型中發現，VEGF等血管生長因子沒有被激活，缺血后再灌注能力降低[40]。在心肌肥大、心肌梗死、傷口愈合和視網膜血管再生的模型中也發現，HIF-1α具有促血管生成作用。這些結果表明，HIF-1尤其是HIF-1α在缺血組織中介導促血管生成的作用[41～43]。

STAT3和HIF-1α同時調控相關基因的轉錄。HIF-1α基因的啟動子包含幾個STAT3結合位點，并且在癌細胞和小鼠T細胞中均證實了STAT3與HIF-1α啟動子的結合[44，45]。抑制STAT3的基因表達使HIF-1α的mRNA和蛋白水平降低，而促進STAT3表達則上調了HIF-1α的mRNA和蛋白表達水平[15]。有研究表明[15]，STAT3/HIF-1α信號在正常人體血管生成和傷口愈合過程中有重要作用。當冠狀動脈血流減少時，HIF-1α表達水平增加，促進STAT3在缺血區域的磷酸化，上調VEGF-α和FGF-2的表達[15]。Job's綜合征患者存在冠狀動脈血管灌注減少，研究發現可能與血管生成相關的STAT3/HIF-1α信號通路缺陷有關，通過穩定HIF-1α并恢復其信號傳導可糾正這些異常，進一步證實該信號通路促血管生成的作用[15]。進一步的研究表明[46]，缺氧條件下，VEGF的最佳表達需要STAT3和HIF與VEGF啟動子的結合。STAT3調控AKT的表達，而AKT是生長信號誘導HIF-1上調的必須因子。阻斷STAT3信號通路可抑制腫瘤生長，減少血管生成，并取消JAK/STAT3和PI3K/AKT信號通路所誘導的腫瘤血管生成作用。

因此，STAT3可以通過調控HIF-1α的表達間接調控VEGF的水平，進而調節血管生成。STAT3/HIF-1α信號通路在人類ECM重構、血管生成和傷口愈合過程中具有重要作用[15]。

3 STAT3通過IL-6/STAT3信號轉導通路促進缺血區心肌組織血管再生

1985年Kishimoto等從人T細胞中首先獲得IL-6的cDNA克隆，并在1986年統一命名為白細胞介素-6。IL-6是一種促炎細胞因子[47]，可由多種細胞產生。IL-6受體（Interleukin-6 receptor， IL-6R）由兩種亞基組成，其中α鏈為80kDa的同源受體亞單位，β鏈為130kDa的信號轉導元件（Glycoprotein 130，gp130）。IL-6可結合跨膜受體IL-6R，形成IL-6/IL-6R復合物，這種復合物與gp130信號受體結合，形成高親和力的IL-6結合位點，并誘導IL-6、IL-6R和gp130共同組成六聚體[48，49]。

目前IL-6/STAT3信號通路在腫瘤血管生成中的研究比較深入[50，51]。對直腸癌的研究表明[52]，IL-6是激活STAT3的中樞調節因子，在IL-6的刺激下，不僅使腫瘤相關成纖維細胞（CAFs）的STAT3磷酸化，還促進了STAT3 mRNA的表達，從而誘導VEGF激活，促進血管生成，加速腫瘤進展。Chen等[53]研究發現中心體p4.1相關蛋白（CPAP）在肝細胞癌中過表達，過表達的CPAP顯著激活IL-6/STAT3通路，敲除CPAP會損害IL-6介導的STAT3激活、靶基因表達、細胞遷移和侵襲能力，CPAP和激活的STAT3可能共位于細胞核內，與靶基因的啟動子區結合，激活下游信號通路，促進血管生成。

在缺血性心臟病中[54]，缺氧心肌釋放IL-6，一方面促進心肌的炎癥反應，另一方面也可以通過STAT3信號通路，促進血管生成，從而發揮心臟保護作用[55]。最近的研究表明[46]，心肌缺血再灌注損傷（MIRI）時，IL-6及其受體表達明顯增加，且與預后相關。Banerjee等[56]研究表明，IL-6缺乏造成嚴重的心臟擴大，增加間質膠原的積累，以及粘連蛋白表達的改變。此外，流式細胞儀分析顯示，IL-6缺乏使心臟毛細血管密度大幅下降。進行的體外研究表明，IL-6缺陷減弱STAT3途徑的激活和血管內皮生長因子的產生。

有研究表明[57]，IL-6引起的STAT3磷酸化是由于IL-6激活了JAK2/STAT3信號通路。在自噬在遠端缺血預處理（RIPC）誘導的心肌保護作用的研究中[58]，RIPC能上調IL-6的表達，進而通過JAK2/STAT3信號通路誘導自噬，從而保護心臟免受缺血再灌注損傷，使用JAK2/STAT3通路的抑制劑AG490后則未能上調自噬。Matsushita等[59]認為，在MIRI早期，缺血邊緣區和非缺血區的IL-6/sIL-6R復合物誘導gp130的二聚化，這兩個gp130分子的二聚化作用可通過JAK2磷酸化gp130和轉錄因子STAT3，進而激活細胞信號過程，抑制再灌注心肌細胞凋亡、減少梗死面積、促進血管再生。

本研究主要對STAT3及其介導的幾種信號通路在缺血性心臟病血管再生中的作用進行綜述，為今后的研究提供了理論依據，為缺血性心臟病的診斷和治療提供了新思路。對缺血性心臟病患者來說，上述信號通路促進缺血區心肌組織血管再生的具體機制及如何通過藥物干預來促進缺血區心肌血管再生還有待進一步研究。

人作為一個整體，細胞內的信號通路錯綜復雜，上述三條信號轉導通路并不是獨立存在，其也存在協同關系。目前，上述三條信號通路與其他信號通路在缺血性疾病中的相互作用尚不明確，有待于進一步證實。