Notch信號(hào)通路相關(guān)性心律失常研究進(jìn)展

王寧 張楨燁 彭夏鋒 王如興

1919年，有研究在雌性果蠅中發(fā)現(xiàn)一種基因，其功能喪失可致果蠅翅膀邊緣缺損，且雌性子代大多有翅膀缺損的特征，因此將該基因命名為Notch基因[1]。百年間，經(jīng)過對(duì)Notch基因的結(jié)構(gòu)及功能的不斷探索，發(fā)現(xiàn)在生物體的生長發(fā)育過程中Notch基因起重要作用。近年來，研究發(fā)現(xiàn)Notch信號(hào)通路參與多種心律失常的發(fā)病機(jī)制[2]。因此，探討Notch信號(hào)通路參與心律失常的發(fā)病機(jī)制對(duì)心律失常防治至關(guān)重要。

1 Notch信號(hào)通路

Notch是由Notch基因編碼的單次跨膜受體蛋白，進(jìn)化上高度保守且廣泛存在于細(xì)胞表面介導(dǎo)細(xì)胞間信號(hào)傳遞。哺乳動(dòng)物體內(nèi)有4種Notch蛋白(Notch 1-Notch 4)和5種配體蛋白：Jagged 1、Jagged 2、Delta-like 1、Delta-like 3和Delta-like 4。Notch蛋白由胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域(Notch intracellular domain，NICD)、跨膜區(qū)域和胞外結(jié)構(gòu)域組成。NICD包含1個(gè)RBP-Jk相關(guān)的分子結(jié)構(gòu)域，6個(gè)ankyrin/cdc10重復(fù)序列，2個(gè)核定位序列，1個(gè)轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域以及羧基端的1個(gè)富含脯氨酸、谷氨酸、絲氨酸和蘇氨酸的序列。胞外結(jié)構(gòu)域由29～36個(gè)串聯(lián)表皮生長因子樣重復(fù)序列和3個(gè)富含半胱氨酸的LIN12 / Notch重復(fù)序列組成。表皮生長因子樣重復(fù)序列負(fù)責(zé)配體與Notch的結(jié)合，而LIN12 / Notch重復(fù)序列負(fù)責(zé)阻止配體單獨(dú)激活[3]。配體主要由長短不等的表皮生長因子樣重復(fù)序列和DSL結(jié)構(gòu)域組成，DSL結(jié)構(gòu)域可與Notch胞外結(jié)構(gòu)域上的表皮生長因子樣重復(fù)序列結(jié)合[4]。在與配體結(jié)合后，Notch被激活并發(fā)生構(gòu)象變化，TNF-α轉(zhuǎn)化酶在跨膜區(qū)域外催化肽鍵斷裂，釋放胞外結(jié)構(gòu)域；γ-分泌酶使跨膜細(xì)胞內(nèi)靠近跨膜區(qū)域處的蛋白水解，NICD從細(xì)胞膜釋放移位至細(xì)胞核[5]。在細(xì)胞核中，NICD與DNA連接蛋白CSL(也稱為RBJP)結(jié)合。當(dāng)Notch信號(hào)未被激活時(shí)，CSL蛋白與其靶基因上的啟動(dòng)子結(jié)合，并募集組蛋白脫乙酰基酶和共抑制因子以抑制基因轉(zhuǎn)錄。Notch信號(hào)激活后，NICD和CSL相互作用以取代共抑制因子，并與共激活因子Mastermind 形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物進(jìn)而刺激靶基因的轉(zhuǎn)錄[6]。Notch信號(hào)傳導(dǎo)的靶基因包括Hes家族和Hrt家族。

Notch信號(hào)通路是通過細(xì)胞間相互作用來調(diào)節(jié)生物體生長發(fā)育的一個(gè)十分保守的信號(hào)通路。在動(dòng)物發(fā)育過程中,Notch信號(hào)通路對(duì)于決定細(xì)胞命運(yùn)、細(xì)胞發(fā)育、分化、增殖、凋亡、黏附和上皮 - 間充質(zhì)轉(zhuǎn)化都至關(guān)重要[7]。在心血管胚胎發(fā)生時(shí)期，Notch信號(hào)通路參與編程從心臟結(jié)構(gòu)到心臟電生理特性等多個(gè)過程，特異性調(diào)節(jié)心內(nèi)膜、心外膜、冠狀動(dòng)脈及心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)等多種細(xì)胞，并影響瓣膜區(qū)域的形成[8]。Notch 1和Notch 2是胚胎心臟中表達(dá)的主要受體，而Notch 3僅限于平滑肌，Notch 4僅限于血管系統(tǒng)的內(nèi)皮細(xì)胞[9]。有研究表明，Notch2和配體Jagged1基因的突變會(huì)導(dǎo)致Alagille綜合征(一種常染色體顯性遺傳疾病)，會(huì)影響包括心臟在內(nèi)的多個(gè)器官，心臟病變主要以室間隔缺損和肺動(dòng)脈狹窄導(dǎo)致的右心室肥大為主[10]。Notch 1受體單倍體不足可導(dǎo)致主動(dòng)脈瓣疾病。此外，越來越多的證據(jù)表明，Notch還可能調(diào)節(jié)成年心臟的體內(nèi)穩(wěn)態(tài)，可以保護(hù)心臟避免過度和有害的肥大反應(yīng)并增加心肌細(xì)胞的存活率。Notch信號(hào)傳導(dǎo)可通過促進(jìn)心肌再生，保護(hù)缺血性心肌，誘導(dǎo)血管生成并負(fù)向調(diào)節(jié)心臟成纖維細(xì)胞-成肌纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化來修復(fù)心肌損傷[11]。生理?xiàng)l件下，胎兒時(shí)期心臟發(fā)育時(shí)Notch信號(hào)活躍，出生后Notch信號(hào)沉默[12]。在心肌缺血和心臟衰竭等病理情況下，Notch信號(hào)重新激活并可導(dǎo)致長期基因改變，引發(fā)如病態(tài)竇房結(jié)綜合征、預(yù)激綜合征和室性心律失常等疾病[13]。

2 Notch 信號(hào)通路與心律失常的關(guān)系

2.1 Notch信號(hào)通路與預(yù)激綜合征的關(guān)系

預(yù)激綜合征是因房室旁路的存在，心電脈沖快速從房室旁路傳導(dǎo)至心室，致使心室預(yù)先激動(dòng)。盡管預(yù)激綜合征的病理學(xué)和電生理學(xué)特征已明確，但其發(fā)生機(jī)制尚不清楚。有研究表明，Notch信號(hào)的再激活可能會(huì)導(dǎo)致預(yù)激綜合征的發(fā)生。Rentschler等[14]在小鼠胚胎心肌中發(fā)現(xiàn)，激活Notch信號(hào)可以產(chǎn)生房室旁道及心室預(yù)激。相反，小鼠胚胎心肌中Notch信號(hào)的抑制則會(huì)導(dǎo)致房室結(jié)發(fā)育障礙、慢傳導(dǎo)細(xì)胞特異性喪失以及生理性房室結(jié)傳導(dǎo)延遲的喪失。此外，Gillers等[15]給予αMHC-Cre和tetO-NICD雙轉(zhuǎn)基因小鼠多西環(huán)素以過度激活Notch信號(hào)，結(jié)果顯示Notch過度激活小鼠心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)中出現(xiàn)房室旁道，且以右側(cè)房室旁道為主。 相似地，Akazawa等[2]發(fā)現(xiàn)Notch 1激活的小鼠出生后表現(xiàn)出明顯的心室預(yù)激且其房室不應(yīng)期很短，在程序化電刺激下易發(fā)生房性心動(dòng)過速。以上研究均指出Notch信號(hào)在小鼠胚胎心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)育過程中起著重要作用，激活Notch可導(dǎo)致預(yù)激綜合征的發(fā)生。

2.2 Notch信號(hào)通路與病態(tài)竇房結(jié)綜合征的關(guān)系

病態(tài)竇房結(jié)綜合征是一組以竇性心律障礙為主要表現(xiàn)的綜合征，包括竇性心動(dòng)過緩、竇性停搏以及對(duì)陣發(fā)性心動(dòng)過速如心房撲動(dòng)和房顫的易感性增加。病態(tài)竇房結(jié)綜合征的發(fā)病機(jī)制尚不完全明確，目前認(rèn)為可能與竇房結(jié)內(nèi)離子通道表達(dá)的改變、竇房結(jié)細(xì)胞的減少和竇房結(jié)組織重構(gòu)等因素相關(guān)[16]。John等[17]發(fā)現(xiàn)編碼鈉離子電流(Scn5a)和鈣離子電流的任何基因發(fā)生突變都可能導(dǎo)致竇房結(jié)功能障礙。有研究[12]發(fā)現(xiàn)，在多西環(huán)素誘導(dǎo)的Notch信號(hào)激活小鼠模型出現(xiàn)明顯的竇性心動(dòng)過緩、頻繁竇性停搏以及房性心律失常發(fā)生率增加，類似病態(tài)竇房結(jié)綜合征的表現(xiàn)。進(jìn)一步研究其發(fā)病機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然上述小鼠具有正常心房和竇房結(jié)結(jié)構(gòu)，但竇房結(jié)和心房傳導(dǎo)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子(包括Nkx2-5、Tbx3和Tbx5)表達(dá)失調(diào)，編碼心房傳導(dǎo)速度的決定基因，包括Scn5a(Nav1.5)和Gja5(連接蛋白40)持續(xù)下調(diào)，小鼠房性心律失常的發(fā)生率增加。這些結(jié)果表明，Notch激活會(huì)改變離子通道基因的表達(dá)和心房細(xì)胞電生理，從而使心律失常容易發(fā)生。

2.3 Notch信號(hào)通路與Brugada綜合征的關(guān)系

Brugada綜合征是一種罕見的常染色體顯性遺傳性心臟病，心電圖主要表現(xiàn)為右心前區(qū)導(dǎo)聯(lián)ST段明顯抬高、室性心律不齊，且有猝死傾向，在心臟結(jié)構(gòu)正常的患者中突發(fā)心源性猝死的風(fēng)險(xiǎn)較高。其發(fā)病機(jī)制認(rèn)為與右心室心肌細(xì)胞去極化或復(fù)極化離子電流改變相關(guān)。目前已鑒定出至少19個(gè)基因的突變與Brugada表型相關(guān)，這些基因的突變可引起心肌細(xì)胞膜上內(nèi)向鈉離子或鈣離子電流的減少和外向鉀離子電流的增加，從而導(dǎo)致動(dòng)作電位早期出現(xiàn)更大的外向電流，動(dòng)作電位時(shí)間延長[18]。目前已知的可導(dǎo)致鈉離子通道功能喪失的基因包括Scn5a、Hey2、Scn1b等；可導(dǎo)致鈣離子通道功能喪失的基因包括Cacna1c、Cacnb2b、Cacna2d1等；Kcne3、Kcnd3、Kcnj8等基因的突變可導(dǎo)致鉀離子通道功能增強(qiáng)。已有研究證實(shí)Notch信號(hào)可能通過調(diào)節(jié)上述一些控制鈉離子及鉀離子通道的基因而導(dǎo)致Brugada綜合征發(fā)生[19]。

Notch信號(hào)可通過對(duì)Scn5a基因及Hey2基因的調(diào)控而改變鈉離子通道功能引發(fā)室性心律失常。Khandekar等[20]發(fā)現(xiàn)在房室交界心肌細(xì)胞中Notch信號(hào)的異位激活使Scn5a基因上調(diào)，重新編程心肌細(xì)胞，使心肌細(xì)胞成為“誘導(dǎo)的Purkinje樣”細(xì)胞，表現(xiàn)為動(dòng)作電位持續(xù)時(shí)間延長及Purkinje細(xì)胞基因表達(dá)增加，從而易于發(fā)生室性心律失常。Notch信號(hào)對(duì)Scn5a基因的調(diào)節(jié)也可通過其下游靶基因Hey2實(shí)現(xiàn)。Hartman等[21]發(fā)現(xiàn)Chf1/Hey2(HEY家族轉(zhuǎn)錄因子)可通過影響Scn5a的表達(dá)和心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)的形成而導(dǎo)致Brugada綜合征。Notch信號(hào)對(duì)Hey2基因的直接調(diào)控亦與Brugada綜合征的發(fā)生相關(guān)。Veerman等[22]從190份人左心室樣本中獲得的表達(dá)定量性狀基因座數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)Brugada綜合征風(fēng)險(xiǎn)等位基因與Hey2高表達(dá)之間存在關(guān)聯(lián)。Notch信號(hào)對(duì)其下游Hey2的調(diào)控通過室性差異性轉(zhuǎn)錄實(shí)現(xiàn)。當(dāng)Notch信號(hào)被激活時(shí)，Notch胞內(nèi)段NICD轉(zhuǎn)移至核內(nèi)，結(jié)合心室特異性增強(qiáng)子和啟動(dòng)子區(qū)域并被特定的組蛋白-3-賴氨酸-4-三甲基(H3K4me3)甲基化修飾，從而對(duì)Hey2基因進(jìn)行室性特異性差異性轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致左室中Hey2表達(dá)上調(diào)，而右室中Hey2表達(dá)下降，左室動(dòng)作電位時(shí)間延長，易發(fā)生致命性室性心律失常[23]。

Notch信號(hào)亦可通過調(diào)節(jié)鉀離子通道影響電沖動(dòng)傳導(dǎo)。有研究表明，Notch信號(hào)激活可使調(diào)控鉀離子通道亞基的基因下調(diào)，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)Notch信號(hào)通過調(diào)節(jié)電壓門控的鉀離子通道亞基基因的轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳來調(diào)節(jié)鉀離子電流[20]。此外，Notch信號(hào)的激活可使編碼鈉離子通道、鈣離子通道及心臟連接蛋白的基因發(fā)生改變，這些改變有助于延長動(dòng)作電位并影響沖動(dòng)傳導(dǎo)[20]。Notch信號(hào)可通過Hey2基因影響鉀離子電流[22]。在Notch功能增強(qiáng)模型中發(fā)現(xiàn)Hey2基因上調(diào)、編碼鉀離子通道亞基的基因(Kcnd3，Kcnip2，Kcna5和Kcnb1)則下調(diào)以及相應(yīng)的鉀離子電流減弱。研究表明，Hey2高劑量會(huì)影響心臟離子通道基因的表達(dá)，通過未知的途徑間接影響Kcnip2的表達(dá)，從而影響心室肌細(xì)胞去極化和復(fù)極化[22]。

2.4 Notch信號(hào)通路與心肌梗死后交感神經(jīng)重構(gòu)的關(guān)系

室性心律失常是心肌梗死患者死亡的主要原因。近年來，臨床和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)心肌梗死后心臟神經(jīng)再生發(fā)生異常，包括交感神經(jīng)支配過度和交感神經(jīng)功能失調(diào)，這在心肌梗死后心律失常的發(fā)生中起重要作用。交感神經(jīng)過度激活會(huì)增加心肌細(xì)胞自律性、觸發(fā)活動(dòng)以及心肌細(xì)胞不應(yīng)期的離散度，從而加重心肌細(xì)胞電生理異質(zhì)性，使心肌梗死后室性心律失常發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)增加。因此，近年來，心肌梗死后交感神經(jīng)再生越來越受到關(guān)注，隨著心梗后交感神經(jīng)重塑機(jī)制的揭示，有研究表明，炎癥和相關(guān)的細(xì)胞因子如巨噬細(xì)胞在刺激神經(jīng)突起生長和再生中起關(guān)鍵作用[24]。Foldi等[25]研究證實(shí)，Notch信號(hào)通路可與巨噬細(xì)胞表達(dá)的模式識(shí)別受體TLR協(xié)同作用，誘導(dǎo)Notch靶基因的表達(dá)并調(diào)節(jié)經(jīng)典TLR靶基因(如IL-6和IL-12家族的細(xì)胞因子)的產(chǎn)生。Yin等[26]在大鼠心肌梗死模型中發(fā)現(xiàn)，心肌梗死急性期時(shí)大量巨噬細(xì)胞浸潤，Notch信號(hào)過度激活，并參與巨噬細(xì)胞表型的轉(zhuǎn)換。Notch信號(hào)的抑制可使巨噬細(xì)胞早期向抑制炎癥的M2型轉(zhuǎn)換，下調(diào)神經(jīng)生長因子的表達(dá)，最終改善心肌梗死后交感神經(jīng)過度增生。研究結(jié)果提示Notch信號(hào)可能是通過調(diào)控巨噬細(xì)胞參與心肌梗死后交感神經(jīng)重構(gòu)。

3 總結(jié)與展望

Notch信號(hào)對(duì)離子通道、炎癥反應(yīng)及信號(hào)通路等均具有重要調(diào)控作用，參與多種心律失常的發(fā)生發(fā)展，但不同Notch信號(hào)對(duì)不同的心律失常發(fā)生發(fā)展的機(jī)制各不相同。因此，研究Notch信號(hào)調(diào)控心律失常的發(fā)生機(jī)制及其作用，對(duì)揭示Notch信號(hào)通路與心律失常發(fā)生發(fā)展的關(guān)系，尋找有效干預(yù)措施以預(yù)防和治療心律失常具有重要的臨床意義。