心肌肥厚相關信號通路的研究進展

劉麗娜綜述，李法琦審校

(重慶醫科大學附屬第一醫院老年科 400016)

心肌肥厚是心臟對各種刺激產生的適應性增生，表現為心肌細胞體積增大，心臟質量增加，是獨立的心血管危險因素，最終導致心力衰竭，甚至猝死。其主要病理變化包括心肌細胞肥大、心肌間質增殖以及心肌細胞外基質重建等，即心肌重構。心肌肥厚時，心肌細胞蛋白合成增加、體積增大、直徑增寬或長度增加;心肌肌節數量增多、纖維組織增生、胚胎基因再表達。心肌肥厚的分子機制尚未完全闡明，主要與細胞信號通路激活密切相關。致心肌肥厚刺激因素可激活Jak信號轉導子和轉錄激活子(ST AT)信號通路﹑絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號通路、Ca2+及其依賴的信號通路、Wnt信號通路、AM P活化蛋白激酶(AMPK)和MicroRNAs(miRNA)等多條信號通路且信號通路之間相互作用，從而導致心肌肥厚。

1 致心肌肥厚刺激因素

多種細胞刺激因素均可導致心肌肥厚。主要包括:(1)機械牽張，機械牽張是心肌肥厚最重要的始動因素，它可以從心肌細胞、局部心肌和整體心肌水平激活其基因表達和促進蛋白質合成。機械牽張引起一些活性肽，如血管緊張素(Ang)Ⅱ、內皮素1(ET-1)及其他生長因子等的合成和釋放，并且在轉錄水平調節一些即刻早期反應基因的表達，作用于次級應答基因，對心肌肥厚起著積極觸發作用，能直接誘導心肌蛋白質合成，使心肌細胞體積增大。(2)壓力負荷，壓力負荷可以通過兒茶酚胺誘導心肌肥厚，也可以通過增加局部神經體液因子(如腎素-Ang系統和ET等)或通過跨膜的細胞外基質受體將刺激信號導入細胞內激活心肌肥厚相關信號通路(如p38MAPK信號通路)導致心肌肥厚。(3)缺血、缺氧、一氧化氮(NO)缺乏及各種炎癥因子均可導致心肌細胞的應激反應，從而產生心肌肥厚。

2 致心肌肥厚信號通路

2.1 Jak-S TAT信號通路 該通路為直接通路，細胞因子受體通過Jak家族酪氨酸蛋白激酶磷酸化激活STAT，后者以二聚體形式進入細胞核調節基因表達。IL-6家族細胞因子與糖蛋白130(gp130)結合后激活該通路，參與一系列細胞生物過程，如炎癥、凋亡、細胞周期等。在心肌梗死、心肌肥厚、擴張型心肌病等均可發現Jak-S TAT通路的激活。在離體新生小鼠心肌，機械牽張和增加IL-6、白細胞抑制因子(LIF)、心臟營養素-1(C T-1)m RNA 表達可介導 Jak1、Jak2、STAT 1、S TAT 3 及gp130等磷酸化，心肌細胞特異性表達S TAT 3的12周齡的轉基因小鼠實驗觀察發現心肌肥厚伴心鈉素(ANF)、β-肌球蛋白重鏈(β-M HC)、C T-1表達增加[1]。抑制 Jak2磷酸化可減輕壓力負荷所致的向心性心肌肥厚[2]。細胞因子信號負調控因子3負性調控Jak-STAT通路，可以雙向誘導壓力超負荷及直接調節應激反應介導gp130細胞因子受體信號通路作為分子開關的負反饋環路所導致的心肌細胞代償性肥大。IL-6、LIF、C T-1、S TAT 3表達上調可以增加心肌細胞對缺血、缺氧及應激刺激的耐受。在擴張型心肌病心力衰竭終末期，gp130和Jak-STAT呈動態變化，可見 STAT 1、STAT 3磷酸化增加，gp130磷酸化增加而 Jak2磷酸化降低[3]。因此，推測Jak-S TAT通路參與心肌肥厚及由心肌肥厚進展為心力衰竭的過程，擴張型心肌病心力衰竭終末期可能存在gp130下游通路受損或存在Jak-S TAT通路的負反饋調節。該通路對心肌有保護作用但機制尚不明確。

2.2 低分子量 GTPases(Ras、RhoA和 Rac1) 低分子量GTP包括多種單體蛋白，其相對分子量在 20～25 kD，主要分為5個亞型:Ras(Ras、Rap和 Ral)、Rho(RhoA、Rac1 和 Cdc42)、Rab、Arf和Ran。就致心肌肥厚而言，Ras、Rho A和Racl3個成員研究較多。(1)Ras家族作為GDP/GTP調節的分子開關，目前研究最多，也最為清楚。Ras活化后促進位于細胞溶質中的Raf蛋白趨向到質膜胞內側并與其結合而被活化，Raf磷酸化并激活MAPK激酶(M EK/M KK)1/2，從而激活細胞外信號調節激酶(ERK)1/2通路介導心肌肥厚[4]。有研究發現制作Raf-1負顯性轉基因鼠模型，該鼠心臟形態正常但缺乏應激反射，壓力超負荷介導的ERK 1/2受抑制通路，由此推斷Raf-1的活化是壓力負荷通過激活ERK1/2通路介導心肌肥厚所必須的[5]。(2)Racl是Rho家族成員，參與調節細胞膜折疊、細胞運動、肌動蛋白聚合、鈣黏著蛋白介導的細胞錨鏈，此外Racl還通過C-jun N末端激酶(JNK)、p38M APK等通路參與調節轉錄。有報道Racl可能通過介導合成多種形式活性氧(ROS)作為觸發器激活核轉錄因子NF-κB，活性 Racl還可以刺激成纖維細胞周期中DNA合成，以上均可能為Racl介導心肌肥厚過程的重要環節。在心肌細胞中，引起心肌肥厚反應的激動劑ET-1和苯腎上腺素(PE)可迅速激活Rac1。通過向心肌細胞分別轉染具有組成活性和負顯性的突變體(RacV12/RacN17)，從正反兩方面詳細說明了Racl是通過凋亡信號調節激酶1(ASK1)和NF-κB通路[G蛋白耦聯受體(GPCR)-ASK 1-NF-κB]參與調節心肌肥厚[6]。Satoh等[7]推測Racl通過與吞噬細胞氧化酶相互作用，參與調節NADPH氧化酶激活和心肌氧化應激導致的心肌肥厚。通過特異性敲除Rac1基因與野生型小鼠對比，發現Rac1缺失的小鼠對AngⅡ介導的NADPH氧化酶激活和心肌氧化應激所導致的心肌肥厚反應減輕。(3)RhoA是Rho蛋白家族研究最多的成員之一，RhoA作為分子閘門與下游靶物質相互作用，誘導細胞應答。Rho相關的卷曲蛋白激酶(ROCKs)是RhoA的特征性效應物，參與眾多細胞活動，如收縮、增生、凋亡等。異常激活RhoA/ROCKs通路可發現動脈粥樣硬化、高血壓、心肌肥厚等病理變化。ROCKs包括ROCK-1和 ROCK-2兩種亞型，它們均可通過AngⅡ或 IL-1β激活調節蛋白激酶 C(PKC)及NF-κB依賴性通路。PTEN是最近確認的ROCKs的底物，在ROCKs刺激下PTEN磷酸化，后者的磷酸激酶被激活，從而參與調節磷脂酰肌醇3-激酶(PI-3K)/蛋白激酶B(Akt)通路。以上通路多在血管平滑肌增生過程中發現活化并復制，是否通過外周循環作用于心肌細胞需進一步研究闡明。在心肌肥厚方面目前發現ROCKs在胚胎發育期中胚葉含量豐富，給予ROCKs特異性抑制劑可導致心臟發育缺陷。ROCKs通過激活ERK 1/2信號通路，鋅指轉錄因子(GATA4)作為下游細胞核調節物，致細胞生長，最終產生心肌肥厚。成年大鼠心肌壓力超負荷后可見ROCKs快速活化，表明其參與心肌細胞對機械刺激的早期適應性反應的調節過程。抑制ROCKs活性可減輕鹽敏性高血壓大鼠的心肌肥厚，同時改善心室功能，長期藥物抑制 ROCKs可減輕AngⅡ介導的心肌肥厚[8]。

2.3 PKC信號通路 該通路幾乎參與了所有膜相關的信號傳導，根據酶催化性質的不同，可將PKC分為:(1)經典型PKC(cPKC)(α，βⅠ，βⅡ，γ)，依賴于鈣離子和二酰甘油(DAG)。(2)新型 PKC(n PKC)(ε，δ，θ，η)，需要 DAG 激活但不依賴鈣離子。(3)不典型性 PKC(aPKC)(ζ，λ)，不依賴 DAG及鈣離子，受脂類激活。一旦被激活，不同的PKC異構體將轉移到不同的亞細胞部位。多種刺激因子如卟啉醇肉豆蔻酸乙酸酯(PMA)、AngⅡ、苯腎上腺素(PE)、ET-1等均被用以誘導心肌肥厚。PMA可以激活PKC-α介導心肌細胞特定形態的肥厚，包括增加蛋白質合成、蛋白/DNA比率、細胞表面積等。研究發現一類與βI PKC相互作用的蛋白(RBCK-1)在PE介導的心肌肥厚是必需的，減少 PE或者應用βI andβⅡ PKC特異性抑制因子可以阻止此反應[9]。

2.4 G蛋白家族 G蛋白是一種異源三聚體GTP結合蛋白，細胞內的G蛋白有許多種，可與不同的下游分子組成不同的信號轉導途徑，從而產生不同的效應。(1)PE、AngⅡ、ET等與受體結合后，通過Gq亞基激活三磷酸肌醇(IP3)、DAG、PKC、MAPK等多條信號通路引發心肌肥厚反應。(2)腎上腺素，去甲腎上腺素及異丙腎上腺素與β-腎上腺素能受體結合后能激活Gs通過激活腺苷酸環化酶cAMP和蛋白激酶A迅速提高心率和心肌的收縮性，引起心肌肥厚[10]。體內Gq通路低水平的激活導致心肌肥厚，但Gq信號的進一步激活卻導致了心肌細胞凋亡和心功能衰竭。

2.5 MAPK信號通路 MAPKs是一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。該通路采用高度保守的三級激酶級聯傳遞信號:MAPK激酶的激酶(MKKK)-MKK或MEK-MAPK。M APK通過一個三肽功能區蘇氨酸(Thr)-x-酪氨酸(Tyr)的雙磷酸化而活化，通過被雙特異性蛋白磷酸酶將同樣位點的Thr與Tyr殘基去磷酸化而滅活。在心肌細胞中，MAPK的3個信號通路ERK1/2、JNK、p38MAPK分別由與 GPC R結合的神經內分泌因子(AngⅡ，ET等)所激活。目前激活 ERK 1/2對細胞的促肥大作用報道不一:Glennon等采取反義寡核苷酸阻斷ERK1和ERK 2表達，可以抑制PE引起的肥大基因表達。在心臟，JNK的激活來自于肌細胞的延伸和GPCR的激活。腺病毒介導轉染的MKK4(JNK的上游激酶)負顯性突變基因，阻止ET-1誘導的蛋白合成增加，肌小節組織和ANP m RNA的增加。利用基因轉染技術阻斷壓力超負荷引起的JNK激活，可減輕心肌肥厚[11]。在心肌細胞中，機械刺激、GPCR配體(AngⅡ、ET-1)都能活化p38MAPK通路，通過 ROS-ASKl-MKK 3/6-p38MAPK及轉化生長因子(TGF)-β1-TGF-β1激活激酶(TAK)1-MKK3/6-p38M APK等通路介導心肌肥厚[12]。p38MAPK的2種異構體作用機制相互制約，p38-βMAPK激活后誘導心肌細胞肥大，而p38-αM APK則拮抗這種效應并引起心肌細胞凋亡，最終效應取決于兩種亞型與MAPKs信號下游途徑的競爭結果。

2.6 Ca2+及其依賴的信號通路 細胞內鈣增加是導致心肌肥厚的最基本信號，主要存在2種機制參與鈣介導的信號轉導:(1)鈣調神經磷酸酶(CaN)介導的活化 T細胞核因子(NFAT)3和GATA 4的激活;(2)鈣調素依賴性蛋白激酶介導的心肌細胞強化因子22(M EF 22)的激活[13]。多種可導致胞內鈣濃度增加的因素均可發現鈣參與的相關信號通路被激活，祝之明等發現用IP3刺激心肌細胞IP3受體，能明顯激活CaNNFAT 3-GATA4通路，促進心肌細胞肥大。CaN通路在缺氧、前列腺素F2α誘導下可致右心室肥厚，體外給予CaN特異性抑制劑環孢素可減輕該反應[14]。以上研究表明Ca2+及其依賴的信號通路參與了致左、右心室肥厚的過程，然而鈣通道阻滯劑改善心肌肥厚的臨床效果卻不明顯，可能與該通路下游分子的激活有關，機制尚不清楚。

2.7 Wnt信號通路 正常機體Wnt信號通路活化水平非常低，但是在壓力負荷、動脈損傷、心肌梗死等外界因素誘導病理性心肌重構時，該通路則被激活，參與心肌重構。主要分為:(1)經典Wnt-frizzled信號通路[Wnt/β-連環蛋白(β-catenin)通路]Wnt蛋白與其受體frizzled結合后，激活了Dishevlled，使得糖原合成酶-3β(GSK-3β)的活性受到抑制，導致內源性β-catenin積聚，細胞內游離β-catenin水平升高，與其下游信號分子T細胞因子/淋巴細胞增強因子(Tcf/Lef)結合，進入細胞核發揮轉錄因子功能。(2)非經典Wnt信號通路，包括①Wnt/JNK通路，又稱細胞極性通路(Wnt/JNK通路可激活低分子量GTPases如 Rac、Rho、Cdc42、ROCK 及 JNK[15])和②Wnt/Ca2+通路，該通路由G蛋白介導，通過激活下游PKC及Ca-CaN，從而導致Tcf磷酸化，并在細胞核內聚積，最終作用于靶基因，產生一系列病理生理反應[16]。有研究通過觀察Dishevelled-1基因缺失的小鼠，14 d后發現結扎動脈所致的壓力負荷導致的心肌肥厚反應減弱，并且在分子水平GSK-3β和Akt活性增加，β-catenin水平降低，此試驗首次證明阻斷Wnt-frizzled信號通路可以減輕壓力負荷介導的心肌肥厚[17]。Chen等[18]在主動脈結扎致小鼠心肌肥厚模型中發現，β-catenin的下調將導致心肌肥厚。非經典Wnt/Ca2+通路通過激活低分子量GTPases、MAPK、PKC及Ca-CaN等介導心肌肥厚。該信號通路致心肌肥厚的機制尚未闡明，有待于進一步研究。

2.8 AMPK 在心肌細胞活化的AMPK通過調節糖類和脂肪酸代謝促進ATP生成，抑制心臟蛋白合成。眾多證據顯示AM PK可以保護心肌缺血損傷，限制各種因素所致的心肌肥厚，但是AMPK調節γ2亞基胱硫醚β合成酶(CBS)區域突變可致胞內糖原積聚，最終出現遺傳性肥厚型心肌病和預激綜合癥(WPW)[19]。有研究發現結扎小鼠動脈制作壓力超負荷模型17周后觀察發現AMPK活性增加，心肌出現肥大反應。目前更多研究傾向于AMPK通過調控蛋白質合成抑制心肌肥厚，而上述試驗未做其他致心肌肥厚通路的屏蔽處理，可能存在眾多信號通路共同作用，該信號通路致心肌肥厚的機制有待進一步研究。

2.9 miRNA miRNA是非編碼的RNA，它的作用主要是特異性地緘默m RNA轉錄模板。人類基因組約發現 400種miRNA。近年來miRNA在調節心肌肥厚過程中的中心地位正逐漸凸顯。許多研究通過微陣列程序發現28種不同miRNA的表達同主動脈結扎及鈣調神經磷酸酶(CaNA)介導的心肌肥厚類型相同，并發現它們在心力衰竭患者心臟過分表達。一項轉基因工程發現miRNA-195表達導致左室肥厚，ANP、B型腦鈉肽、β-M HC高表達并降低心輸出量。眾多在體、離體試驗發現miRNA-1、133、208等參與心肌肥厚過程。由此可見miRNA參與心肌肥厚、心功能損害過程。隨著眾多研究的關注，越來越多的miRNA將會被發現，其如何使特異的m RNA作用缺失、作用靶點、是否參與編碼相關轉錄信息、如何獲得編碼功能導致一系列病理生理變化均是未來的研究方向。

3 小 結

心肌肥厚是心肌細胞對外界刺激做出的適應性反應，在一定程度上代償心臟的射血功能，然而多源、持續的外界刺激引起心肌肥厚不斷進展，使心肌氧耗量增加及順應性降低，最終導致心力衰竭甚至猝死。目前研究表明，導致心肌肥厚的信號通路主要有 Jak-STA T、低分子量 GT Pases、G蛋白、PKC、MAPK、CaN、Wnt、AMPK 和 miRNA 信號通路，且各信號通路及信號通路效應子之間相互作用。因此，全面而深入地探明心肌肥厚發生、發展的細胞信號網絡機制對臨床防治各種病因的心肌肥厚及開發逆轉心肌肥厚的有效藥物均具有十分重要的理論意義和實用價值。

[1]Ruppert V，Meyer T.JAK-S TAT signaling circuits in myocarditis and dilated cardiomyopathy[J].Herz，2007，32(6):474.

[2]Beckles DL，Mascareno E，Siddiqui MA.Inhibition of Jak2 phosphorylation attenuates pressure overload cardiac hypertrophy[J].Vascul Pharmacol，2006，45(6):350.

[3]Fischer P，Hilfiker-Kleiner D.Survival pathw ays in hypertrophy and heart failure:the gp130-S TAT 3 axis[J].Basic Res Cardiol，2007，102(4):279.

[4]Wennerberg K ，Rossman KL，Der CJ.The Ras superfamily at a glance[J].J Cell Sci，2005，118(Pt 5):843.

[5]Harris IS，Zhang S，Treskov I，et al.Raf-1 kinase is required for cardiac hypertrophy and cardiomyocyte survival in response to pressure overload[J].Circulation ，2004，110(6):718.

[6]H iguchi Y，Otsu K，Nishida K，et al.The small GTP-binding protein Rac1 induces cardiac myocyte hypertrophy through the activation of apoptosis signal-regulating kinase 1 and nuclear factor-kappa B[J].J Biol Chem，2003，278(23):20770.

[7]Satoh M，Ogita H，Takeshita K，et al.Requirement of Rac1 in the development of cardiac hypertrophy[J].Proc Natl Acad Sci USA ，2006，103(19):7432.

[8]Loirand G ，Guérin P，Pacaud P.Rho kinases in cardiovas-cular physiology and pathophysiology[J].Cirs Res，2006，98(3):322.

[9]Vallentin A ，M ochly-Rosen D.RBCK1，a protein kinase CbetaI(PKCbetaI)-interacting protein，regulates PKCbeta-dependent function[J].J Biol Chem，2007，282(3):1650.

[10]Barry SP，Davidson SM ，Tow nsend PA.Molecular regulation of cardiac hypertrophy[J].Int J Biochem Cell Biol，2008，40(10):2023.

[11]姜志勝.心肌肥大過程中的信號轉導[J].中國動脈硬化雜志，2005，13(2):125.

[12]李向東，覃數.p38MAPK在心肌肥厚中的作用機制[J].重慶醫學，2007，36(17):1438.

[13]戴文建，王以光.心肌肥厚分子機制研究進展[J].心血管病學進展，2009，30(1):47.

[14]譚建新，陳新民，王優，等.鈣調神經磷酸酶信號通路介導大鼠慢性缺氧性右心室心肌肥厚[J].實用兒科臨床雜志，2008，23(13):1002.

[15]Kikuchi A ，Kishida S，Yamamoto H.Regulation of Wnt signaling by protein-protein interaction and post-translationalmodifications[J].Exp Mol Med ，2006，38(1):1.

[16]Schans VA ，Smits JF，Blankesteijn WM.The Wnt/frizzled pathway in cardiovascular developmentand disease:friend or foe?[J].Eur J Pharmacol，2008 ，585(3):338.

[17]Schans VA ，Borne SW ，S trzelecka AE，et al.Interruption of Wnt signaling attenuates the onset of pressure overload-induced cardiac hypertrophy[J].Hypertension ，2007，49(3):473.

[18]Chen X，Shevtsov SP ，Hsich E，et al.The beta-catenin/T-cell factor/lymphocyte enhancer factor signaling pathway is required for normal and stress-induced cardiac hypertrophy[J].Mol Cell Biol，2006，(12):4462.

[19]Kim AS，Miller EJ，Young LH.AM P-activated protein kinase:a core signalling pathw ay in the heart[J].Acta Physiol(Oxf)，2009，196(1):37.