Notch信號通路在心臟干/祖細胞中的研究進展

鄭小宇 綜述，石蓓 審校

（遵義醫學院附屬醫院心內科，貴州遵義563000）

Notch信號通路在心臟干/祖細胞中的研究進展

鄭小宇 綜述，石蓓 審校

（遵義醫學院附屬醫院心內科，貴州遵義563000）

心臟；干細胞；細胞分化；Notch信號通路；綜述

Notch信號通路存在于機體細胞與細胞之間的復雜網絡中，參與多種細胞的形成過程：如細胞分化、激活、凋亡/存活和增殖等，相鄰的細胞可通過Notch配體與受體結合傳遞Notch信號，從而擴大并固化細胞間的分子差異，最終決定細胞命運[1]。由于心肌細胞的再生能力有限，各種原因致心肌壞死后愈合形成纖維化瘢痕，導致心功能進行性下降。心臟干/祖細胞（CSCs/CPCs）因其具有分化為心肌細胞的能力而成為心肌梗死后心臟修復的研究熱點，在這一過程中，Notch信號通路的激活參與了心臟祖細胞的增殖、分化與凋亡，使心功能得以改善[2]。本文就該方面的研究進展作一綜述。

1 Notch信號通路

1.1 Notch信號通路的組成Notch信號通路的受體和配體均是Ⅰ型跨膜蛋白。目前已在哺乳動物中鑒定出4種Notch受體（Notch1～4）和5種Notch配體，其中Jagged（Jag）1和Jag2來自Jagg/serrate家族，Dll1、3、4來自Delta樣家族（Dll）[3]。Notch1受體及其配體Jagged1是位于成人心臟中主要的Notch家族成員，心臟發生缺血再灌注損傷時，缺血預處理及缺血后處理的方式均可使Notch1信號途徑被激活，從而發揮穩定線粒體膜電位和減少活性氧的功能[4]；Notch2則參與了干細胞因子（SCF）介導的紅細胞系增殖及分化[5]；肺動脈高壓時，低氧誘導使Notch3表達上調，這在疾病的發展過程中是至關重要的[6]；Notch4和Dll4在成熟血管形成過程中扮演了主要角色，使其在腫瘤血管生成方面成為研究熱點[7-8]。由此可見，Notch信號的不同受體與配體間相互組合可以產生不同效應。

1.2 Notch通路的信號轉導途徑目前研究較多的是Notch經典信號途徑，由Notch跨膜配體與鄰近細胞上Notch跨膜受體的胞外結構域相結合，首先催化TNF-α轉化酶（ADAM/TACE）對受體的細胞外結構域進行水解，使跨膜區域分開，導致Notch膜捆綁分裂形式（NEXT）形成[9]。r-分泌酶復合物再對受體的胞內結構域進行水解，經過這2次水解后，受體的細胞內結構Notch受體活化形式（NICD/ICD）被釋放到細胞質中[10]。Notch ICD轉移定位到細胞核，并且與CBF1/Su（H）/Lag-1（CSL）家族中的DNA連接蛋白相結合，DNA連接蛋白是哺乳動物免疫球蛋白中kappa J區域（RBPJ-κ）或kappa連接因子2（KBF2）的重組信號連接蛋白，其與共激活劑Mastermind（MAM）協同作用促進下游目標基因：Hes和Hes相關家族（Hesr）的表達[11-12]，從而發揮多種功能，如細胞與細胞間通信，決定細胞命運，維持組織的穩態和再生。

Notch通路還可通過非經典途徑進行信號轉導，其與經典信號途徑的主要區別在于由非經典配體激活，不需要水解Notch受體，并且部分形式中不包括CSL[13]。非經典途徑中的配體Delta樣同系1/2（Dlk1/2）與經典途徑中的Dll配體結構類似但缺乏DSL結構域，此配體不能通過轉錄激活，而是通過cis-抑制劑與經典配體競爭而起作用[14]。非經典途徑的具體作用機制還有待進一步研究。

2 Notch通路在心臟中的作用

從胚胎發育時期心臟形成開始，Notch對心外膜的形成和冠狀動脈血管的形態發生均有著顯著影響。使用基因調控胚胎期心肌細胞間的Notch信號可導致嚴重的心臟畸形，包括異常的心房和心室生長及心臟間隔缺損[15]。Notch1在心外膜中異位表達造成心外膜完整性缺失，心室肌變薄，并且冠狀動脈平滑肌細胞和心外膜細胞出現過早分化[16]。然而，Notch亦能夠在成年損傷心臟中發揮著積極有利的作用。心肌梗死后，移植胚胎干細胞及誘導多能干細胞至受損心臟，可以抑制心室重構，且Notch-1和Hes-1的表達顯著增加，這表明Notch信號通路參與了這一過程，保護了心臟功能[17]。Li等[18]研究發現，骨髓衍生細胞移植能促進梗死心臟修復，其機制是Notch1介導了骨髓衍生細胞（主要是骨髓間充質干細胞）增殖、遷移和募集到梗死邊緣區，并且可能增加了新生血管的形成。Notch還能夠與PI3K/Akt以及NF-κB等信號通路交叉對話，從而在缺血預處理介導的心臟保護中起著主要調控作用[19]。Notch在心臟形成及發育的整個過程中都扮演著重要角色，一方面是因為其可以與其他信號通路之間相互通信；另一方面則是其能夠調控心臟中各種細胞的功能。

3 CSCs/CPCs移植

研究發現，心臟中含有干細胞特征的細胞群，其具有多向分化潛能，能夠自我更新并且維持心肌細胞內環境的穩定，被稱之為CSCs/CPCs[20-21]。心肌梗死致心肌損傷后，外源性CSCs/CPCs可以被移植至損傷區域，分化為心肌細胞、內皮細胞和平滑肌細胞（SMC），從而修復受損心臟。Tang等[22]給陳舊性心肌梗死的大鼠冠脈內注射經體外擴增的CPCs后，發現心肌梗死部位的心肌細胞數量增加，纖維化程度減輕，心功能也有所提高，而且移植的CPCs還可以募集內源性CPCs到損傷心肌區域。CSCs移植雖然能從一定程度上彌補了丟失的心肌，改善了心臟功能，然而，心肌損傷使其微環境發生變化對移植后細胞存活帶來巨大不利影響。有文獻報道，干細胞通過心肌內或冠狀動脈內注射到心肌后1周，僅有不到5%的移植細胞被檢測到[23]，存活的干細胞未能向心臟表型進行分化。因此，如何增強移植后CSCs/CPCs的存活、增殖和分化，提高細胞治療效果成為目前的研究熱點。

4 Notch在CSCs/CPCs中的作用

相關的實驗室數據表明，Notch信號通路可作為一條潛在的途徑促進造血干細胞和祖細胞的擴增并應用于臨床[24]。活化的Notch信號通路能夠介導轉化生長因子β1（TGF-β1）來調控骨髓間充質干細胞和人胚胎干細胞分化成為SMC[25]。Li等[26]從骨質疏松的大鼠中分離出牙周膜干細胞置于成骨誘導培養基中誘導其分化時，可以觀察到Notch1和Jag1的mRNA及蛋白表達水平均增加，由此說明Notch能夠維持牙周膜干細胞向成骨細胞分化。體外實驗觀察胚胎干細胞分化時發現，Notch信號通路是調控胚胎干細胞向心肌細胞分化的關鍵因子，上調Notch信號可促進胚胎干細胞向心肌細胞分化[27]。以上這些結果揭示，Notch信號通路能夠調控不同干細胞的增殖及分化，同時，其對CSCs的功能也有調控作用。

4.1 Notch與CSCs/CPCs的存活及增殖急性或慢性的心臟缺血缺氧均會導致心肌損傷，同時激發強烈的炎性反應，分泌一系列促炎因子，如細胞因子和趨化因子等致使心肌細胞凋亡[28]。雖然CSCs移植至受損心臟能夠彌補部分丟失的心肌，但是在缺血缺氧環境的影響下，外源性干細胞植入后存活率不理想，極大地影響了治療效果。近年來研究表明，Notch1和Notch2在巨噬細胞中可抑制TLR-4介導的促炎因子的生成，并且通過ERK、MyD88/TRAF6及TRIF信號通路來促進抗炎因子產生[29]。然而，另有報道稱，用抑制劑阻斷Notch通路后可顯著減少T細胞的增殖及浸潤[30]。盡管Notch增加了炎癥細胞的浸潤，但其卻能與抑制炎癥的信號通路相互作用，從一定程度上改善炎癥環境，增加移植后細胞的存活。同時，Notch還能調節干細胞增殖。Nemir等[31]在小鼠心肌細胞表面過度表達Jag1來持續激活Notch通路，活化的Notch能夠促進scal-1+CSCs及NKX2.5+心臟前體細胞增殖，減輕轉化生長因子-β/結締組織生長因子介導的心臟纖維化，從而增強心臟應激反應和心肌細胞再生能力。Collesi等[32]證實，Notch信號通路激活后雖然不能將新形成的心肌細胞還原到祖細胞狀態，但能夠維持和延長未成熟心肌細胞的增殖期，并刺激其在數量上增加。心臟受到損傷時，激活Notch通路后不僅能夠增加心肌細胞的存活，還能夠促進心臟固有或外源性干細胞的增殖，修復和彌補受損心肌，進而使心功能得以改善。然而，Notch調節細胞增殖的潛在機制并不十分明確。有研究證實，Notch通路在心臟中促進細胞存活的潛在機制可能是由肝細胞生長因子/c-Met受體和PI3K/Akt生存信號所介導[33]。Notch在CSCs中的促增殖作用是否也由此通路介導，抑或是與其他通路有關則需要更多的證據來證實。

4.2 Notch與CSCs/CPCs的分化CSCs/CPCs具有自身多向分化潛能。在特定因素的刺激下，這種潛能可以被激發或者抑制。體外實驗室研究發現，過表達Notch1活性成分ICD的心臟球形干細胞可被誘導分化為SMC，這個分化機制是RBP-J依賴性的[34]。Boni等[35]觀察到Notch信號下游的RBP-J共有位點處于Nkx2.5的啟動子區域內，Notch1受體激活后能夠促進CPC中Nkx2.5的表達，有效刺激CPC向心肌細胞系分化，并維持新形成細胞的增殖狀態。藥物阻斷梗死心臟中的Notch通路活化，會阻礙內源性CPC向心肌細胞分化，從而抑制心臟修復。Kwon等[36]利用染色質免疫共沉淀方法檢測到心臟分化相關轉錄因子（Isl1、Myocd）的表達受到β-catenin的調控，Notch1可以通過負調控βcatenin，使其磷酸化失活，從而促進CPC分化為心肌細胞及SMC。上述文獻報道表明了活化的Notch信號能夠增強CSCs/CPCs的分化能力，促進其向心肌及SMC分化，亦有相關研究闡述Notch信號表達的強弱對CSCs的分化有著不同影響[37]。用不同密度培養CSCs時，可觀察到低密度培養的CSCs中的Notch信號通路基因表達較低，能夠更好地維持細胞干性及向心肌分化的潛能，而高密度培養的CSCs中Notch信號通路基因表達偏高，可以終止細胞周期，使CSCs向內皮細胞分化，由此說明減少細胞中的Notch信號表達更有利于CSCs向心肌細胞分化。結合以上研究結果，作者推測在CSCs中，Notch信號通過調控β-catenin通路，以及控制細胞分化相關轉錄因子而發揮促分化作用的。但是，在這一過程中是否涉及到其他的信號分子及傳導通路則并不十分明確。

5 小結

Notch信號通路是一條廣泛存在于細胞中的信號轉導通路，貫穿于生物體的整個生理病理過程，對此信號轉導通路的深入研究有助于增加對各種細胞功能及其作用機制的了解，也有助于增強對一系列疾病治療方案的認識。目前的證據肯定了Notch信號通路激活后能夠促進CSCs/CPCs的增殖，并且向心肌細胞系分化，有利于修復受損心臟。但此信號通路有多個受體和配體的組合形式，在不同類型細胞中的功能也并不完全相同，近年來主要研究了主要受體Notch1在CSCs中的作用，而其余受體與相應配體結合后對細胞的影響仍然需要進一步了解。Notch信號通路與許多生存信號、炎癥通路間也存在著相叉對話，從而發揮了復雜又多重的作用。CSCs/CPCs具有向心肌細胞、內皮細胞及SMC分化的能力，移植CSCs/CPCs治療心血管疾病是當前極具前景的治療方案，通過對Notch通路的研究，希望能夠用人工方法誘導CSCs/CPCs表面Notch信號通路活化，增強外源性及內源性CSCs/CPCs的存活、增殖及分化的能力，進而為心臟損傷修復的治療提供新的策略。

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10.3969/j.issn.1009-5519.2015.05.025

:A

:1009-5519（2015）05-0707-04

2014-10-18）

鄭小宇（1988-），女，重慶渝北人，碩士研究生，主要從事干細胞治療缺血性心肌病相關研究；E-mail：1873832514@qq.com。

石蓓（E-mail：shibei2147@163.com）。