Kruppel樣因子2與心血管疾病的研究進展

黃欣欣,應燕萍

(廣西醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院,南寧 530021)

心血管疾病(cardiovascular diseases,CVDs)是指主要以心血管病變?yōu)椴±砘A的一系列循環(huán)系統(tǒng)疾病,包括動脈粥樣硬化、腦卒中、心肌梗死、心力衰竭、高血壓、心肌病和周圍動脈血管疾病等[1]。來自美國心臟協(xié)會(American Heart Association,AHA)的數(shù)據(jù)顯示,2017年全球因心血管疾病導致的死亡數(shù)約為1780萬(95%置信區(qū)間(confidence interval,CI)1750～1880萬)[1],占全球死亡總數(shù)的31.8%。心血管疾病在全球范圍內造成巨大的健康和經濟負擔,積極找尋心血管疾病預防和治療的干預靶點,降低心血管疾病發(fā)病率、死亡率和提高患者生活質量是當前的緊要任務。

Kruppel樣因子(kruppel-like factors,KLFs)是鋅指類DNA結合轉錄因子家族中的亞家族,其作為一個多基因家族共由18名成員(KLF1～KLF18)組成。KLFs亞家族在細胞生長與分化、增殖與凋亡、遷移、代謝等生物過程發(fā)揮著重要調控作用,參與了生物體內包括心血管、呼吸、消化、神經等多個系統(tǒng)的病理生理過程[2];其在哺乳動物體內的表達和分布具有組織差異性,如KLF1主要表達于紅細胞、KLF2在肺和血管內皮細胞中高表達、KLF4在胃腸道表達豐富。KLF2隸屬于這個多基因家族,由Anderson等[3]于1995年首次從小鼠的肺組織中發(fā)現(xiàn)并成功克隆,因此,也被命名為肺轉錄因子(lung kruppel like factor,LKLF)。研究顯示,KLF2在循環(huán)系統(tǒng)中表現(xiàn)出抗炎、抗凝、調節(jié)血管生成、抗氧化、調控免疫細胞等作用,與心血管疾病密切相關,參與包括動脈粥樣硬化、腦卒中、心肌梗死和心力衰竭等心血管疾病的發(fā)生、進展與轉歸。現(xiàn)就KLF2的生物學功能,及其參與心血管疾病發(fā)生發(fā)展的機制和研究進展進行綜述。

1 KLF2的結構特征

KLF2基因定位于人類常染色體10p13.1號染色體上,負責354個氨基酸的編碼。KLFs家族成員在進化上高度保守,KLF2作為KLFs家族的一員具有其特異性的結構特征,其中,氨基端含3個由兩個半胱氨酸殘基和兩個組氨殘基酸耦合一個Zn2+組成的串聯(lián)的Cys2/His2鋅指樣結構,能與富含GC結合位點序列的靶基因DNA啟動子或增強子結合并起到轉錄調節(jié)作用;而相較于保守的氨基端,羧基端在結構和功能特征上具有多樣性和特異性,家族中所有成員羧基端的轉錄調控區(qū)域包括轉錄激活結構域和轉錄抑制結構域存在顯著差異性且能與不同的共激活因子、共阻遏因子以及共修飾因子結合,通過激活或抑制下游靶基因的表達從而調控不同的表觀遺傳修飾,發(fā)揮不同的生物學功能。

2 KLF2的生物學功能

2.1 抗炎介質

KLF2是內皮細胞(endothelial cells,ECs)炎癥激活的新型轉錄調節(jié)因子,調控內皮炎癥基因的表達。炎癥細胞、促炎因子、粘附分子以及趨化因子共同介導了血管內皮的炎癥反應。炎癥刺激下,內皮細胞合成并釋放促炎因子如腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白 介 素-1β(interleukin-1β,IL-1β)以及粘附分子包括E-選擇素(E-selectin)、血管細胞間黏附分子1(vascular cell adhesion molecule1,VCAM1)、細胞間粘附分子1(intercellular adhesion molecule1,ICAM1)等炎癥介質誘導血液中單核細胞和白細胞滾動并粘附到內皮上[4-6],啟動炎癥瀑布級聯(lián)。研究表明,KLF2能下調內皮細胞中VCAM1、ICAM1、E-選擇素等粘附分子的表達,同時,通過抑制炎癥趨化因子單核細胞趨化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1)的表達顯著減少單核細胞和白細胞對內皮細胞的粘附并誘導內皮抗炎表型,減輕內皮炎癥反應[7-9]。另有研究顯示,過表達KLF2還可以阻斷核因子-κB炎癥信號通路的傳導,抑制核因子-κB依賴的巨噬細胞炎性激活以及內皮促炎基因的表達[10-11]。免疫細胞向內皮細胞聚集以及單核細胞對內皮細胞的粘附被認為是動脈粥樣硬化疾病進展的主要驅動力[12]。內皮炎癥可導致血管內皮功能障礙,而內皮功能障礙被認為是心血管疾病的標志,因此,KLF2可能是包括動脈粥樣硬化在內的內皮炎癥相關心血管疾病的潛在治療靶點。

2.2 調控血管生成

KLF2對于血管的生成與正常發(fā)育必不可少。Klf2基因敲除的小鼠胚胎因血管破裂而無法存活[13]。以往研究發(fā)現(xiàn),KLF2通過抑制6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶(6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-biphosphatase,PFKFB)的活性阻止6-磷酸(6-phosphate)向果糖2,6-二磷酸(fructose2,6-biphosphate)轉化,從而阻斷內皮細胞糖酵解過程,致使內皮細胞增殖和遷移能力下降,血管生成受抑[14]。除糖酵解途徑,李娜等[15]發(fā)現(xiàn),KLF2可調控血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)受體2-血管內皮生長因子A(VEGFA)信號軸,影響血管生成的關鍵步驟即內皮細胞的增殖與遷移。研究證實,KLF2與VEGFA啟動子結合,從轉錄水平抑制VEGFA表達[16],從而抑制血管的生發(fā)。此外,AMPK-KLF2信號軸的激活通過誘導內皮克隆形成細胞向內皮細胞分化,參與促紅細胞生成素介導的血管生成作用[17]。血管新生是傷口愈合、癌癥以及各種缺氧/缺血性疾病病程發(fā)展與轉歸的關鍵[18],通過激活或抑制KLF2的表達來調控血管的生發(fā)與成熟可作為上述疾病的治療切入點。

2.3 舒張血管

一氧化氮(nitric oxide,NO)是已知的最強效的血管擴張劑[19],由內皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)在分子氧(oxygen,O2)和輔助因子四氫蝶呤(tetrahydrobiopterin,BH4)的協(xié)助下催化L-[3H]精氨酸(l-arginine)轉化為L-[3H]瓜氨酸(L-citrulline)產生[20-21]。eNOS作為KLF2的下游靶標,KLF2通過與其啟動子特異性結合并調控L-[3H]精氨酸與eNOS氧化酶結構域內血紅素基團的偶聯(lián)狀態(tài)影響NO的合成與釋放[19-22],從而調控血管的收縮與舒張。此外,染色質免疫共沉淀(chromatin immunoprecipitation,CHIP)結果顯示,KLF2能與控制血管舒縮的血紅蛋白(hemoglobin,Hb)α結合并抑制其表達,從而減少內皮細胞中血紅蛋白α對NO的攝取,使得NO從內皮細胞向血管平滑肌細胞擴散增加,促使血管舒張[23]。血管舒張受損與內皮促炎、促血栓形成表型有關[24],由此可見,KLF2介導的血管舒張對血管健康狀態(tài)的維持具有重要意義。

2.4 抗血栓形成

生理條件下,血管內皮表現(xiàn)為抗血栓表型以保證血液的正常流動。用小干擾RNA沉默KLF2的表達后,抑制凝血激活的血栓調節(jié)蛋白(thrombomodulin,TM)、阻止血小板聚集的NO以及促纖維蛋白降解的組織型纖溶酶原激活物(tissue plasminogen activator,tPA)表達減少[25],導致血小板聚集、血液凝固性增高及血栓形成;相反,過表達KLF2則抑制了促凝血激活的纖溶酶原激活物抑制劑1(proenzyme activator inhibitor1,PAI1)和組織因子(tissue factor,TF)的表達[26]。TF是外源性凝血途徑的啟動因子,凝血酶原激活和纖維蛋白形成是內源性和外源性凝血途徑的共同步驟,提示KLF2可通過調節(jié)抗/促凝血活性物質的表達或是通過調控內、外源性凝血途徑的激活來調控血栓的發(fā)生。

2.5 抗氧化

研究表明,氧化應激(oxidative stress,OS)與動脈粥樣硬化、心肌梗死、腦卒中以及糖尿病等多種疾病的進展有關。KLF2通過抑制活性氧(reactive oxygen,ROS)的產生并誘導抗氧化物酶的表達,而發(fā)揮抗氧化作用[27]。KLF2表達受損時,內皮細胞ROS產生增多、白細胞粘附增強、內皮細胞凋亡增加[28],導致內皮功能障礙。研究發(fā)現(xiàn),他汀類藥物通過激活KLF2誘導抗氧化的過氧化物還原酶6(peroxiredoxin6)硫酸化,從而降低內皮細胞ROS水平、減少脂質過氧化,減輕內皮氧化應激[29]。

3 KLF2與心血管疾病

3.1 動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化(atherosclerosis)是血管的一種慢性炎癥性疾病,其主要特征是大、中動脈內皮表面粥樣斑塊形成以及單核細胞/巨噬細胞對血管內皮的粘附、浸潤,引起動脈壁增厚而造成動脈閉塞[30]。有學者發(fā)現(xiàn),KLF2表達減少與頸動脈粥樣硬化模型大鼠頸動脈內膜斷裂、中膜層鈣化斑塊形成和彈性層失去連續(xù)性有關[31]。臨床研究也發(fā)現(xiàn),冠狀動脈粥樣硬化患者血清中KLF2含量較健康人低,并且,KLF2血清含量與斑塊穩(wěn)定性的相關分析結果顯示患者血清中KLF2的含量與斑塊穩(wěn)定性呈正相關(r=0.0534,P＜0.01)[32],斑塊的不穩(wěn)定性增加致使斑塊易于破潰,導致不良心血管事件發(fā)生風險增大。單核細胞粘附于ECs隨后遷移到內皮間隙分化為巨噬細胞,巨噬細胞攝取循環(huán)中的氧化低密度脂蛋白導致泡沫細胞形成,加劇動脈粥樣硬化的進展,而KLF2能通過抑制多種粘附分子和趨化因子的表達并阻斷炎癥通路的激活以抑制單核細胞對血管內皮的粘附、中斷動脈粥樣硬化發(fā)病的必要環(huán)節(jié),從而發(fā)揮抗動脈粥樣硬化的作用。

3.2 腦卒中

腦卒中(stroke)俗稱中風,是世界范圍內獲得性致殘的主要原因,包括缺血性腦卒中和出血性腦卒中[33]。Zhang等[34]認為,缺血性腦卒中發(fā)生后局部缺血/缺氧導致腦血管內皮發(fā)生氧化應激致使eNOS表達減少和NO的生物利用度降低,進而導致腦血管收縮增強、腦血流量減少是引發(fā)腦損傷的主要原因。及時恢復病變部位的供血/供氧是減少卒中后腦損傷的關鍵,如前所述,KLF2可以強烈誘導eNOS的表達并促進NO合成,促使血管舒張、血流量增加,有利于減輕卒中所致的腦組織缺血/缺氧損傷。但最近研究也發(fā)現(xiàn),卒中急性期恢復腦血流的再灌注可導致血腦屏障(blood-brain barrier,BBB)通透性增加、腦損傷進一步加重[35]。在大鼠缺血性腦卒中模型中,尿酸通過激活KLF2-VEGFA信號通路改善BBB的通透性,阻止腦循環(huán)外免疫活性物質進入腦組織,減少炎癥引起的腦損傷發(fā)生[36],機制研究證實,這與KLF2下調VEGFA表達后緊密連接蛋白表達增多促使內皮細胞間連接緊密有關[37]。目前,缺血性卒中發(fā)生后的3～4.5h內靜脈使用阿替普酶(alteplase)恢復腦部血供是首選的治療方案[38],但阿替普酶的使用受嚴格的時間窗和禁忌癥限制,激活KLF2信號通路提供了治療腦卒中的新思路。

3.3 心肌梗死

心肌梗死(myocardial infarction,MI)是由于冠狀動脈狹窄或閉塞引起心肌長時間缺血/缺氧而導致心肌壞死,是一種高致死率的疾病[39]。大量研究證明,KLF2對于促進內皮細胞增殖能力和改善心肌功能至關重要。在急性心肌梗死(acute myocardial infarction,AMI)患者的血清中觀察到KLF2mRNA表達降低并伴隨心肌和內皮損傷標志物心肌肌鈣蛋白I(cardiac troponin I,CTNI)、心肌型脂肪酸結合蛋白(heart-type fatty acid binding protein,HFABP)和血管性血友病因子(von willebrand factor,vWF)表達增加,梗死心肌組織表達炎性標志物如IL-1β、IL-6以及TNF-α增多[40]。相反,上調KLF2表達后,AMI誘導的內皮損傷得到修復、心肌和內皮損傷標志物濃度降低,血管內皮細胞增殖能力增強,有效地挽救了壞死的心肌[41]。心肌梗死后持續(xù)的炎癥反應可導致房室重構即間質纖維化和心肌肥厚,最終進展為心力衰竭。心肌重塑和間質纖維化始于內皮功能障礙[42],KLF2的激活在心肌梗死中表現(xiàn)出強大的內皮損傷修復能力和抗炎能力,但其具體的保護作用機制還有待進一步研究。

3.4 心力衰竭

心力衰竭(heart failure,HF)是一種由多種心血管疾病引起的、病因各異的臨床綜合征,在全球范圍內具有高的發(fā)病率和死亡率[43]。研究者發(fā)現(xiàn),Klf2基因敲除小鼠心內膜墊發(fā)育過程的關鍵步驟即上皮-間充質轉化過程無法完成,導致心臟瓣膜發(fā)育欠成熟,而后小鼠死于心力衰竭[44]。Li等[45]用含KLF2小干擾RNA的RGD-肽磁性納米顆粒靶向誘導內皮細胞特異性KLF2抑制后,辛伐他汀對主動脈縮窄后壓力超負荷引起的心功能障礙的保護作用喪失,表現(xiàn)為間質纖維化和心肌肥厚;間質纖維化和心肌肥厚是心室重構的特征表現(xiàn),心室重構是心力衰竭的主要病理改變。經證實,KLF2能直接抑制內皮轉化生長因子-β1(transforming growth factor-beta-1,TRG-β1)的表達或通過抑制KLF2-Foxp1-TRGβ1信號軸的激活來限制心臟成纖維細胞的增殖、遷移和肌成纖維細胞的形成[45-46],從而改善病理性的心肌纖維化和肥大,延緩心室重構,預防心力衰竭的發(fā)生。KLF2還與心力衰竭的預后有關。頸動脈體KLF2表達減少導致頸動脈體化學感受器敏感性增加,致使交感神經活動亢進、呼吸紊亂以及心率失常的發(fā)生[47],交感神經活動亢進、呼吸紊亂以及心律失常被認為是慢性心力衰竭患者的主要死因。

4 小結與展望

綜上所述,KLF2具有抗炎、抗血栓、抗氧化以及調控血管生成與舒張等強大的心血管保護功能,參與動脈粥樣硬化、腦卒中、心肌梗死和心力衰竭等心血管疾病的發(fā)生發(fā)展過程并影響著疾病的臨床結局。KLF2為心血管疾病的治療提供了更多的選擇,針對KLF2上下游分子的研究是未來預防和治療心血管疾病新的切入點與關鍵,通過調節(jié)KLF2的表達或功能可為心血管疾病的治療提供新的治療策略。