信號轉導及轉錄激活因子3與心肌重塑的研究進展

崔傳玨， 魏英杰

(中國醫學科學院北京協和醫學院心血管病研究所,阜外心血管病醫院，衛生部心血管疾病再生醫學重點實驗室， 北京 100037)

信號轉導及轉錄激活因子3與心肌重塑的研究進展

崔傳玨， 魏英杰△

(中國醫學科學院北京協和醫學院心血管病研究所,阜外心血管病醫院，衛生部心血管疾病再生醫學重點實驗室， 北京 100037)

信號轉導及轉錄激活因子3； 心肌重塑； 信號轉導

信號轉導及轉錄激活因子(signal transducer and activator of transcription, STAT)是一組存在于胞漿并在激活后能轉入核內的DNA結合蛋白家族，具有信號轉導和轉錄調控的功能。哺乳動物中已發現7種： STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5A、STAT5B和STAT6。STAT蛋白是JAK(Janus kinase)/STAT通路中重要的JAK的底物。JAK是一類非跨膜型的酪氨酸激酶，共有4個成員：JAK1、JAK2、JAK3和TYK2。STAT蛋白廣泛表達于機體不同類型的細胞和組織中，參與細胞生長、分化、凋亡等多種生理功能的調控[1]。在正常情況下，STAT蛋白的激活表達是短暫的，而在心肌受損的病理過程中，可有STAT3的持續活化。心肌重塑是機體在心肌細胞的前后負荷過重情況下所采取的一種代償方式，是引起心力衰竭的重要機制，本文就STAT3在不同原因引起的心肌重塑中的作用作一綜述。

1 STAT3的結構與功能

STAT3是在1994年作為IL-6信號傳遞中的急性期反應因子被純化出來的。編碼STAT3的基因在人類定位于第17號染色體。STAT3蛋白大約有770個氨基酸組成，分子量約為90 kD?，F已發現3種STAT3的異構體：STAT3α(即一般意義所指的STAT3)、STAT3β和STAT3γ。其基本結構可分為6個結構域：氨基末端結構域(amino-terminal domain，NH2)、螺旋-螺旋結構域(coiled-coiled domain，CCD)、DNA結合域(DNA-binding domain, DBD)、連接結構域(linker domain，LD)、SH2結構域(Src-homology-2 domain,SH2)、羧基端轉錄激活區(transcription activation domain, TAD)[2]。其中，SH2結構域是結構上最保守和功能上最重要的部分，其功能為：(1)參與STAT3的酪氨酸磷酸化(Y705磷酸化位點是STAT3活化的標志);(2)在STAT3的二聚體形成中起重要作用。STAT3的羧基端有1個絲氨酸磷酸化位點(Ser727)，是多種絲氨酸激酶的底物，其磷酸化水平可調節STAT3轉錄活性。STAT3是STAT家族的重要成員，在不同細胞和組織中廣泛表達，是潛在的細胞質轉錄因子，可參與細胞存活、肥厚增生、能量代謝、新生血管的生成以及炎癥過程等的調控。

2 STAT3的信號通路

2.1STAT3信號通路的激活 STAT3蛋白參與了多種細胞因子的信號轉導過程，包括gp130受體家族、IFN受體家族。STAT3能被受體酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinases, RTKs)激活，如表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor,EGFR)、血小板源性生長因子受體(platelet-derived growth factor receptor,PDGFR)等，也能被非受體酪氨酸激酶(non-receptor tyrosine kinases, NRTKs)如JAK、Src、Ab1等激活[3]。給予小鼠紅細胞生成素發生心梗后發現STAT3也可通過促紅細胞生成素受體(erythropoietin -receptor，EpoR)激活[4]。另外，瘦素通過瘦素受體可激活STAT3，血管緊張素Ⅱ(angiotensinⅡ，AngⅡ)可通過AngⅡ的1型受體(AT1R)激活STAT3[5]。

細胞因子等配體與相應受體結合后，首先誘發受體的二聚化，在胞漿內結合JAK并引發自身和JAK的酪氨酸磷酸化。磷酸化的受體或JAK募集胞漿內的STAT3，使STAT3發生酪氨酸磷酸化而活化。活化的STAT3離開受體，通過分子間SH2區與酪氨酸磷酸化位點相互作用，在胞漿內形成同源或異源二聚體。STAT3蛋白二聚體迅速轉位入核，結合在特定基因的啟動子上，誘導相應基因表達[6]。

生長因子類受體(如EGFR等)本身就具有內在的酪氨酸激酶活性，與其配體結合而活化后，使 STAT3磷酸化。而非受體酪氨酸激酶則可直接引起STAT3酪氨酸磷酸化從而激活該信號通路，并且，激活途徑間還具有協同作用，如PDGF可通過Src激活STAT3；而Src和JAK可協同介導STAT3持續活化[7]。

2.2STAT3信號通路的調節 (1)正調節：STAT3分子的Ser727磷酸化位點發生磷酸化，可使其獲得最大的轉錄活性。另外,在受體水平也存在正調節機制，當配體和相應受體結合并活化后，其鄰近的受體可通過交互磷酸化，或使非特異抑制因子的作用下調，從而加強信號通路。(2)負調節： STAT在發揮其信號轉導作用的同時，也啟動了該途徑的負反饋環路，從而使STAT通路得到平衡與控制。目前已經清楚，至少有3 種蛋白質家族參與STAT 信號通路的負調節[8],它們是細胞因子信號抑制因子(suppressors of cytokine signaling，SOCS)、蛋白酪氨酸磷酸酶(protein tyrosine phosphatase，PTP)和STAT 活化抑制蛋白 (protein inhibitors of activated STAT，PIAS)。(3)STAT3信號通路與其它信號通路的交互作用：細胞內信號通路十分復雜，往往多條通路之間存在交叉，并可相互作用。如絲裂原激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)信號通路可對STAT3通路具有抑制作用。

3 STAT3在心肌重塑中的作用

目前，認為心肌重塑是心力衰竭病理發展過程中的基本機制和前兆。心肌重塑是心肌對心肌損傷及心臟超負荷的一種反應,反映了生長促進因子(如細胞因子、生長因子、血管緊張素等) 及內源性生長抑制因子(如心鈉素、緩激肽及NO等) 之間效應的失衡。目前已有證明，STAT3參與心肌重塑的過程。

3.1STAT3與心肌肥大 在多種刺激引起的心肌肥大過程中，JAK/STAT3信號通路起著關鍵作用。Uozumi等[9]應用腹主動脈結扎制作小鼠壓力負荷型心肌肥大模型中，發現gp130基因敲除的轉基因小鼠的心臟重量指數(心重/體重)﹑心室壁厚度及心肌細胞橫截面積及心肌組織腦鈉肽(brain natriuretic peptide, BNP)表達與野生型小鼠相比均明顯減弱,壓力負荷可使野生型小鼠心肌的STAT3及ERK活化，而在gp130基因敲除的轉基因小鼠的心肌中，壓力負荷可顯著抑制STAT3的活化，而不能抑制 ERK的活化程度。結果表明，STAT3通路在壓力負荷誘導的心肌肥大的過程中具有重要作用。心肌特異性過表達STAT3基因的轉基因小鼠可引起心肌呈自發的同心性肥大[10]，提示STAT3在心肌細胞生長中發揮重要作用。Yasukawa等[11]分別利用主動脈縮窄法和加入白血病抑制因子(leukemia inhibitory factor,LIF)制作體內和體外的心肌肥大模型，發現在體內實驗中，急性反應期3 h和肥大反應期2 d可激活STAT3，同時激活gp130/JAK/STAT3的負調節因子SOCS3，說明STAT3和SOCS3關系密切；在體外實驗中，發現LIF可激活gp130受體，當過表達SOCS3后，可抑制LIF誘導的心肌細胞肥大，并可抑制gp130的下游信號通路，包括STAT3通路,這些結果提示，SOCS3的負反饋調節和STAT3通路的激活之間的平衡作用，在心肌肥大轉向心衰過程中起重要作用。從而抑制心肌肥大的生成。LIF主要是引起心肌的擴張性肥大，提示STAT3可能參與心肌細胞的結構變化。心肌過表達STAT3基因的轉基因小鼠可明顯表現心肌肥大，提示，STAT3信號通路的激活是心肌肥大發生的重要機制之一。但是，STAT3的活化和生理表現在心肌肥大的機制中，還不是十分清楚，有待進一步研究。

3.2STAT3與心肌細胞存活 有研究表明，心肌特異性過度表達STAT3基因的轉基因小鼠能夠耐受阿霉素引起的心肌損傷，直接證明了STAT3信號通路介導了心肌內源性細胞保護作用。有些學者認為這種保護作用的機制與STAT3上調錳超氧化物岐化酶(manganese superoxide dismutase, MnSOD)、抗凋亡蛋白Bcl-XL和細胞保護蛋白HSP70有關[12,13]。Lu等[14]在用H2O2預處理引起的心肌細胞適應性保護中，發現也有STAT3的高表達，證明了STAT3參與了心肌細胞的適應性保護作用。

3.3STAT3與線粒體能量代謝 心臟是一個高度需氧和耗能的器官，能量物質充分供應是維持心肌細胞正常功能和完整結構的保證。線粒體則是機體重要的“能量工廠”，因此，線粒體的生物能量功能在維持心肌功能和能量代謝中至關重要。

最近研究表明,STAT3在線粒體的能量產生過程中具有直接影響。維甲酸/干擾素誘導死亡相關基因(genes associated with retinoid-interferon-induced mortality,GRIM)-19的表達產物是純化的線粒體呼吸鏈復合物I的組成成分，它可抑制STAT3的轉錄活性[15],Wegrzyn等[16]研究發現GRIM-19蛋白和STAT3的結合與STAT3的線粒體定位相關。在線粒體中，STAT3與含有GRIM-19蛋白的線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ和Ⅱ相互作用，通過氧化磷酸化產生能量，并且STAT3主要是通過Ser727磷酸化位點來影響線粒體的功能。

3.4STAT3與缺血和缺血-再灌注損傷(ischemia/reperfusion injury, I/R) 在缺氧和心肌缺血情況下，能增加IL-6類細胞因子和gp130的表達，提示這條通路在I/R中起重要作用[17]。McCormick等[18]在進行大鼠缺血-再灌注的在體實驗中，發現STAT3在缺血25 min時其酪氨酸磷酸化水平與假手術組比有明顯升高，再灌注30 min可進一步升高，至少可持續6 h。過表達STAT3的轉基因小鼠，在缺血1 h、再灌注2 h以及缺血30 min、再灌注24 h后，與野生型小鼠相比，心梗面積可減小[19]。另外， STAT3過表達的轉基因小鼠在心梗2周的梗死面積比野生型的要小[20]。在STAT3基因敲除(STAT3-KO)小鼠中發現，在缺血30 min、再灌注2 h沒有變化[21]，而在缺血1 h、再灌注24 h的心梗面積比野生型小鼠大[22]。STAT3-KO小鼠的存活率在第一個月與野生型小鼠差不多，到心梗慢性期，死亡率開始增加，提示STAT3在防止心肌重塑中起重要作用。

缺血預處理(ischemic preconditioning, IPC)是指反復短暫的缺血發作可使心肌在后續較長時程缺血中得到保護，從而減少心肌I/R所引起的心肌細胞損傷。在IPC的早期階段，JAK2和STAT3廣泛磷酸化，上調抗凋亡基因Bcl-2，下調促凋亡基因Bax，促進缺血后心室收縮功能的恢復，減少心肌細胞凋亡和心梗面積，預先使用JAK2抑制劑AG490，上述作用可完全被取消，提示JAK2/STAT3信號通路在早期IPC心肌保護中起重要作用[23]。在IPC后期階段，STAT3的磷酸化水平及DNA結合活性增加，以及iNOS活性上調，提高了心肌細胞對缺血刺激的適應性，有利于心肌細胞對缺血的耐受，進而減少心梗面積[24]。因此，STAT3在心梗心臟的心肌保護機制中起重要作用。

3.5STAT3與炎癥 STAT3作為一種轉錄因子，在炎癥的發生發展過程中起著重要的調控作用。以往研究表明， STAT3可促進細胞因子的促炎癥反應。但是，最近的研究表明，STAT3還參與抗炎作用，在IL-10和IL-11誘導下，通過與受體上的暫時錨靠位點結合而活化?；罨腟TAT3激活某些控制炎癥靶點轉錄的基因,發揮抗炎癥作用[20]。

3.6STAT3與心肌血管生成和細胞外基質(extracellular matrix , ECM) STAT3在調節心肌血管生成和組成中，也是一個關鍵的調節因子。完全敲除STAT3基因，可導致小鼠在胚胎發育早期(E6.5-7.5)，尤其是在胚胎血管形成之前死亡[25]。內皮細胞特異性STAT3基因敲除小鼠(Tie2-Cretg/-,STAT3flox/flox)，可在發育早期(E8)時將血管內的STAT3消除，但并沒有發現明顯的血管缺陷[26]。說明內皮的STAT3信號通路在血管形成發育中并未發揮作用。

然而，很多證據表明，STAT3在血管生成中起旁分泌介質作用。如心肌細胞特異性過表達STAT3，可增加毛細血管密度和升高血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)以及血管內皮(VE)-鈣黏蛋白的表達[27]。幼年STAT3-KO小鼠的毛細血管密度減少且ECM組成發生改變，到成年后可發生心衰[28]。成年STAT3-KO小鼠的基質金屬蛋白酶抑制因子-1(tissue inhibitor of metalloproteinases-1, TIMP-1)升高,可促進成纖維細胞的增殖[29]。另外，STAT3-KO小鼠的腱糖蛋白-C(tenascin-C, TNC)和纖溶酶原激活物抑制劑1(plasminogen activator inhibitor-1, PAI-1)有高表達[21]。在這個實驗的基礎上，Nishioka等[30]發現，TNC-KO小鼠心梗后可增速心室的重塑和增加剩余心肌的纖維化程度,同樣，Zaman等[31]最近在心梗小鼠中發現PAI-1也可以增加左心室的纖維化。STAT3-KO小鼠可以增加心肌間質纖維化和膠原沉積，打破了ECM的動態平衡。因此，心肌細胞的STAT3是通過旁分泌方式參與調節心肌血管生成和ECM組成的過程。

3.7STAT3與心力衰竭 不同病因引起心力衰竭的病人，其心臟在晚期階段STAT3表達和激活程度均減弱。另外，STAT3的上游激活因子，尤其是IL-6家族，如LIF和心肌營養素(cardiotrophin1,CT-1)在心力衰竭病人的血清中有高表達。Zolk等[32]發現，在心力衰竭病人的心臟中，CT-1的mRNA和蛋白水平均明顯增高，而gp130受體蛋白卻明顯減少，提示心力衰竭時，gp130受體下調消除了CT-1過度表達對JAK/STAT通路的激活作用。因此，gpl30的喪失引起STAT3信號下調可能是肥大心肌轉向衰竭的重要原因之一。

起負調節作用的SOCS家族在心力衰竭發生中也參與調節。在心力衰竭晚期患者的心臟中SOCS1蛋白表達增加，SOCS3降低[33]。壓力負荷可誘導心肌SOCS3的表達上調，腺病毒載體介導的SOCS3基因轉染心肌細胞可完全抑制LIF誘導的心肌細胞肥大[11]。因此，研究肥大心肌轉向衰竭過程中JAK/STAT通路的負反饋調節通路，對闡明肥大心肌發生衰竭的機制和心力衰竭的防治同樣具有重要意義。

4 總結與展望

綜上所述，STAT3參與促進心肌細胞存活、心肌能量代謝、血管生成和ECM重塑等方面的調節。大量的動物實驗和臨床研究證實心力衰竭時有STAT3表達下調，表明STAT3在防止心肌重塑過程中發揮著重要作用。gp130/STAT3信號通路的激活，觸發了心肌內源性的保護機制，抑制了心肌細胞凋亡并促進了心肌血管生成，為防治缺血性心臟病和心力衰竭提供了一個新思路。因此，了解如何調控STAT3信號通路以及在心肌重塑中STAT3的下游機制，將有助于我們最大程度地保護心臟，同時將有害程度降到最低。

[1] 孫 瑩,于 浩,張 靈,等.STAT3-siRNA對胃癌細胞株SGC-7901增殖與凋亡的影響[J].中國病理生理雜志，2010，26(2)：393-395

[2] Vinkemeier U, Moarefi I, Darnell JE Jr, et al. Structure of the amino-terminal protein interaction domain of STAT-4[J].Science,1998,279(5353):1048-1052.

[3] Al Zaid Siddiquee K, Turkson J. STAT3 as a target for inducing apoptosis in solid and hematological tumors[J].Cell Res,2008,18(2):254-267.

[4] Li Y，Takemura G, Okada H, et al. Reduction of inflammatory cytokine expression and oxidative damage by erythropoietin in chronic heart failure[J].Cardiovasc Res,2006,71(4):684-694.

[5] McGaffin KR，Zou B, McTiernan CF, et al. Leptin attenuates cardiac apoptosis after chronic ischaemic injury[J].Cardiovasc Res,2009, 83(2):313-324.

[6] Horvath CM. STAT proteins and transcriptional responses to extracellular signals[J].Trends Biochem Sci,2000,25(10):496-502.

[7] Bowman T, Garcia R, Turkson J, et al. STATs in oncogenesis[J].Oncogene, 2000,19(21):2474-2488.

[8] Dabir S, Kluge A, Dowlati A. The association and nuclear translocation of the PIAS3-STAT3 complex is ligand and time dependent[J].Mol Cancer Res, 2009,7(11):1854-1860.

[9] Uozumi H，Hirai Y，Zou Y，et al.gp130 plays a critical role in pressure overload-induced cardiac hypertrophy[J].J Biol Chem,2001,276(25): 23115-23119.

[10]Kunisada K, Negoro S, Eiroh T, et al. Signal transducer and activator of transcription 3 in the heart transduces not only a hypertrophic signal but a protective signal against doxorubicin- induced cardiomyopathy[J].Proc Natl Acad Sci USA,2000,97(1):315-319.

[11]Yasukawa H, Hoshijima M, Gu Y, et al. Suppressor of cytokine signaling-3 is a biomechanical stress-inducible gene that suppresses gp130-mediated cardiac myocyte hypertrophy and survival pathways[J].J Clin Invest,2001, 108(10):1459-1467.

[12]Stephanou A, Latchman DS. Transcriptional regulation of the heat shock protein genes by STAT family transcription factors[J].Gene Expr,1999, 7(4-6):311-319.

[13]Yamauchi-Takihara K, Kishimoto T. A novel role for STAT3 in cardiac remodeling[J].Trends Cardiovasc Med,2000,10(7):298-303.

[14]Lu Y, Zhou J, Xu C, et al. JAK/STAT and PI3K/AKT pathways form a mutual transactivation loop and afford resistance to oxidative stress-induced apoptosis in cardiomyocytes[J].Cell Physiol Biochem, 2008, 21(4):305-314.

[15]Lu H, Cao X. GRIM-19 is essential for maintenance of mitochondrial membrane potential[J].Mol Biol Cell, 2008,19(5):1893-1902.

[16]Wegrzyn J, Potla R, Chwae YJ, et al. Function of mitochondrial Stat3 in cellular respiration[J].Science, 2009, 323(5915):793-797.

[17]Chandrasekar B, Mitchell DH, Colston JT, et al. Regulation of CCAAT/Enhancer binding protein, interleukin-6, interleukin-6-receptor, and gp130 expression during myocardial ischemia/reperfusion[J].Circulation,1999, 99(3):427-433.

[18]McCormick J, Sean PB, Ahila S, et al. Free radical scavenging inhibits STAT phosphorylation followinginvivoischemia/reperfusion injury[J].FASEB J, 2006,20(12):2115-2117.

[19]Oshima Y, Fujio Y, Nakanishi T, et al. STAT3 mediates cardioprotection against ischemia/reperfusion injury through metallothionein induction in the heart[J].Cardiovasc Res, 2005, 65(2):428-435.

[20]Obana M, Maeda M, Takeda K, et al. Therapeutic activation of signal transducer and activator of transcription 3 by interleukin-11 ameliorates cardiac fibrosis after myocardial infarction[J].Circulation,2010,121(5):684-691.

[21]Boengler K, Buechert A, Heinen Y, et al. Cardioprotection by ischemic postconditioning is lost in aged and STAT3-deficient mice[J].Circ Res,2008, 102(1):131-135.

[22]Hilfiker- Kleiner D, Hilfiker A, Fuchs M, et al. Signal transducer and activator of transcription 3 is required for myocardial capillary growth, control of interstitial matrix deposition, and heart protection from ischemic injury[J].Circ Res,2004,95(2):187-195.

[23]Negoro S, Kunisada K, Eiroh T, et al. Activation of JAK/STAT pathway transduces cytoprotective signal in rat acute myocardial infarction[J].Cardiovasc Res,2000,47(4):797-805.

[24]Smith RM, Suleman N, Lacerda L, et al. Genetic depletion of cardiac myocyte STAT-3 abolishes classical preconditioning[J].Cardiovase Res,2004, 63(4):611-616.

[25]Takeda K, Noguchi K, Shi W, et al. Targeted disruption of the mouseStat3 gene leads to early embryonic lethality[J].Proc Natl Acad Sci USA,1997, 94(8):3801-3804.

[26]Kano A, Wolfgang MJ, Gao Q, et al. Endothelial cells require STAT3 for protection against endotoxin-induced inflammation[J].J Exp Med,2003, 198(10):1517-1525.

[27]Osugi T, Oshima Y, Fujio Y, et al. Cardiac-specific activation of signal transducer and activator of transcription 3 promotes vascular formation in the heart[J].J Biol Chem,2002,277(8):6676-6681.

[28]Jacoby JJ, Kalinowski A, Liu MG, et al. Cardiomyocyte-restricted knockout of STAT3 results in higher sensitivity to inflammation, cardiac fibrosis, and heart failure with advanced age[J].Proc Natl Acad Sci USA,2003, 100(22):12929-12934.

[29]Ahmed MS, ?ie E, Vinge LE, et al. Connective tissue growth factor-a novel mediator of angiotensin II-simulated cardiac fibroblast activation in heart failure in rats[J].J Mol Cell Cardiol,2004,36(3):393-404.

[30]Nishioka T, Onishi K, Shimojo N, et al. Tenascin-C may aggravate left ventricular remodeling and function after myocardial infarction in mice[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol,2010,298(3):H1072-H1078.

[31]Zaman AK, French CJ, David JS, et al. A profibrotic effect of plasminogen activator inhibitor type-1(PAI-1) in the heart[J].Exp Biol Med,2009, 234(3):246-254.

[32]Zolk O, Ng LL, O’Brien RJ, et al. Augmented expression of cardiotrophin-1 in failing human hearts is accompanied by diminished gp130 receptor protein abundance[J].Circulation,2002,106(12):1442-1446.

[33]Podewski EK, Hilfiker-Kleiner D, Hilfiker A, et al. Alterations in Janus kinase(JAK)-signal transducers and activators of transcription(STAT) signaling in patients with end-stage dilated cardiomyopathy[J].Circulation,2003, 107(6):798-802.

Signaltransducerandactivatoroftranscription3incardiacremodeling

CUI Chuan-jue, WEI Ying-jie

(KeyLaboratoryofCardiovascularRegenerativeMedicine,MinistryofHealth,CardiovascularInstituteandFuwaiHospital,CAMSandPUMC,Beijing100037,China.E-mail:weiyingjie@yahoo.com)

Signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3), a kind of potential nuclear factor in cytoplasm, is involved in myocardial protection and hypertrophy, and impacts on the vasculature and the extracellular matrix (ECM) via paracrine pathways. By collecting numerous data from experimental and clinical studies, we provide an overview on STAT3 signaling and summarize the current understanding of the role of STAT3 in cardiac remodeling in this review.

Signal transducer and activator of transcription 3; Cardiac remodeling; Signal transduction

1000-4718(2011)04-0808-05

R364.1

A

10.3969/j.issn.1000-4718.2011.04.037

2010-07-27

2010-10-27

△ 通訊作者 Tel:010-88398494; E-mail: weiyingjie@yahoo.com