TGF-β信號通路在心力衰竭中的作用

康 伊，張 艷

(1.遼寧中醫藥大學研究生院，沈陽 110032； 2.遼寧中醫藥大學附屬醫院心血管內科，沈陽 110032)

心力衰竭的主要誘因為左心室血流過載或由急性心肌梗死引發的心肌損傷。血流負荷過重導致高血壓并引發心肌肥大，而心肌梗死初期導致心肌細胞死亡并引發殘余心肌細胞的代償性增大，最終產生纖維化和左心室擴張。因此，由血流壓力過載和缺血引發的心臟重構過程是不同的。雖然誘因不同，但心臟重構均與一系列交感神經系統激活和細胞因子釋放有關。轉化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)很早就被發現在心力衰竭患者中表達上調，這一現象在各種心力衰竭動物模型中從心肌補償性肥大到心力衰竭階段均被再次觀察到[1]。分子生物學實驗表明，TGF-β信號通路參與心力衰竭發展的各種過程，包括心肌肥大、心肌纖維化、心肌凋亡、炎癥和心肌干細胞的分化[2]。雖然TGF-β信號通路廣泛參與了心力衰竭過程，但全面抑制TGF-β信號通路并不能對阻止心力衰竭產生積極影響：在主動脈狹窄后注射TGF-β Ⅰ 型受體抑制劑SM16雖然能減少心肌纖維化和心肌功能失調，但卻加劇了左心室擴張和炎癥反應并導致患者死亡率升高[3]；同時在心肌梗死后給予可溶性TGF-β Ⅱ 型受體也可通過降低免疫反應導致致死率升高?，F就TGF-β信號通路在心力衰竭中的作用予以闡述。

1 TGF-β信號通路概述

TGF-β信號通路主要通過TGF-β蛋白配體與特異性的異源四聚體受體(由TGF-βⅠ型受體和TGF-βⅡ型受體組成)結合并激活其絲氨酸/蘇氨酸激酶活性，進而轉導信號[4]。TGF-βⅠ型受體和TGF-βⅡ型受體均是單次跨膜的受體蛋白，分別由胞外配體結合域和胞內絲氨酸/蘇氨酸激酶結構域組成，其中Ⅰ型受體包含7個蛋白[激活素受體樣激酶(activin receptor like kinase，ALK)1～ALK7]，ALK5也稱為TGF-βⅠ型受體；而Ⅱ型受體家族由5個蛋白(TGF-βⅡ型受體、骨形成蛋白受體Ⅱ、激活素受體ⅡA、激活素受體ⅡB等)組成[4]。Ⅰ型受體中的TGF-βⅠ型受體/ALK5和ALK1與Ⅱ型受體中的TGF-βⅡ型受體主要介導TGF-β配體的信號通路，而ALK1/2/3/6和Ⅱ型受體中的骨形成蛋白受體Ⅱ、激活素受體ⅡA/B主要介導骨形成蛋白配體信號通路[5-7]。通常TGF-β配體主要結合TGF-βⅡ型受體二聚體和TGF-βⅠ型受體二聚體的復合物，并促使TGF-βⅡ型受體磷酸化TGF-βⅠ型受體的GS結構域，激活TGF-βⅠ型受體的絲/蘇氨酸激酶活性，進而磷酸化下游的轉錄因子Smad2和Smad3[8]。磷酸化Smad2和Smad3與Smad4結合轉入細胞核內，與轉錄共激活因子p300和CREB結合蛋白一起激活TGF-β信號通路的靶基因，或通過轉錄共抑制因子c-Ski(sloan-kettering institute proto-oncogene)和SnoN(ski-related novel gene N)抑制靶基因的轉錄[8-9]。同時，在內皮細胞中TGF-β配體還可以結合ALK1和TGF-βⅡ型受體復合物，進而磷酸化激活Smad1/5/8轉錄因子，與Smad4結合轉位進入細胞核調控不同于Smad2/3/4復合物的靶基因轉錄。

除ALK5-Smad2/3或ALK1-Smad1/5/8的經典信號通路外，TGF-β還可通過非經典的信號通路(即非依賴Smad信號通路)調控心臟重構。TGF-β通過TGF-βⅡ型受體可以直接磷酸化激活TGF-β激活激酶1(transforming growth factor-β-activated kinase 1，TAK1)，進而激活下游的c-Jun、c-Jun氨基端激酶和p38磷酸激酶。此外，TGF-β還可以激活胞外信號調節激酶、磷脂酰肌醇-3-激酶和小G蛋白激酶，進而調控細胞凋亡、線粒體功能和微RNA表達，最終影響心肌收縮功能和心肌纖維化[10]。

2 TGF-β信號通路通過調控血管內皮細胞和平滑肌細胞功能誘導心力衰竭

TGF-β信號通路對內皮細胞功能的影響是多向性的，內皮細胞表面主要表達TGF-βⅠ型受體/ALK5受體，但同時也表達ALK1受體，且只在高水平TGF-β配體存在時結合。而ALK5和ALK1這兩個不同的Ⅰ型受體介導了不同的內皮細胞功能。因為ALK5和ALK1對誘導血管內皮生長因子表達的作用截然相反，由此形成TGF-β信號通路對內皮細胞增殖、遷移及血管新生的復雜影響[11]。

TGF-β信號通路的抗血管新生作用主要由TGF-βⅡ型受體和ALK5受體介導。持續在內皮細胞中過表達ALK5將抑制內皮細胞增殖和遷移，并促進血漿纖溶酶原激活物抑制劑1表達；而使用ALK5特異性小分子抑制劑SB-431542，將刺激內皮細胞增殖和體外血管形成[12]。TGF-β-ALK5信號抑制血管新生的作用也被諸多體內實驗所證實[13-15]，敲除TGF-β1、TGF-βⅠ型受體/ALK5受體或TGF-βⅡ型受體的小鼠均由于卵黃囊血管叢形成異常而死于胚胎期10.5 d左右[16]。體外和體內實驗均證實，TGF-β-ALK5信號通路能夠維持內皮細胞處于靜息狀態且對血管網絡成熟是必需的[17]。

TGF-β信號通路對血管新生的促進作用主要通過TGF-β-ALK1-內皮糖蛋白(Endoglin)信號通路實現，TGF-β通過結合TGF-βⅡ型受體、ALK1和Ⅲ型受體Endoglin可以促進內皮細胞的增殖、遷移和管腔形成[18]，且利用腺病毒穩定表達ALK1也可以促進內皮細胞的增殖和形成內皮細胞管腔狀結構。研究顯示，ALK1可存在于質膜微囊結構中與窖蛋白1相互作用，促進ALK1-Smad1/5/8信號轉導，進而抑制ALK5-Smad2/3信號通路[19]。在小鼠胰腺癌模型中，雜合型ALK1+/-小鼠腫瘤中的血管密度降低[20]。以上證據表明，ALK1信號通路與促進血管形成和保持內皮細胞激活狀態有關。

Endoglin在內皮細胞中高度表達，并在平衡TGF-β信號通路促進或抑制血管新生過程中扮演重要角色[21]。其能夠促進TGF-β-ALK1-Smad1/5信號轉導的激活，從而抑制TGF-β通過ALK5磷酸化激活Smad2/3[22]。敲除Endoglin的純合子小鼠在胚胎期11.5 d死亡，并表現出卵黃囊和胚胎血管形成缺陷，表明Endoglin在胚胎期在促進血管形成中有重要作用[23]。

在心力衰竭病理進展過程中，內皮細胞中的TGF-β信號通路主要通過TGF-β-ALK1-Endoglin信號通路增加血管內皮細胞的增殖和血管緊張素轉換酶、內皮素等內皮因子的分泌，導致血管舒縮活性改變，最終引發心肌肥大和心臟重構，從而加劇心力衰竭的病理進展[24]。

TGF-β信號通路除對內皮細胞具有調控作用外，還對周細胞和血管平滑肌細胞(vascular smooth muscle cells，VSMCs)具有濃度依賴的調控作用。適中濃度的TGF-β刺激VSMCs可以促進其增殖并誘導血小板衍生生長因子的表達，但高濃度的TGF-β會抑制VSMCs的增殖，且提高Smad3的蛋白水平可以促使高濃度TGF-β的抑制作用轉化為促進作用[25]。高濃度TGF-β對VSMCs的增殖抑制主要通過非經典TGF-β信號通路實現，其誘導G0/G1期細胞阻滯需要依賴p38促分裂原活化的蛋白激酶信號通路的活性[26]。當血清剝奪后，TGF-β既可誘導也能抑制VSMCs細胞凋亡，這取決于VSMCs的細胞生理狀態，如細胞外基質的相互作用。此外，TGF-β還可通過誘導神經鈣黏素的表達抑制VSMCs遷移，并通過調節RhoA蛋白活性調控VSMCs的肌動蛋白細胞骨架[27]。

同時，TGF-β信號通路也可誘導VSMCs的分化，顯著誘導α平滑肌肌動蛋白、鈣調節蛋白1和VSMC1A等VSMCs分化特異性基因的表達[28]。TGF-β誘導這些特異性基因表達主要依賴Smad2和Smad3，以及血清應答因子和心肌蛋白共同作用。其誘導VSMCs分化主要通過激活Smad2/3和p38促分裂原活化的蛋白激酶，而RhoA激酶在此過程中發揮重要作用，抑制RhoA激酶活性可以阻止TGF-β誘導的VSMCs分化。體內外實驗表明，敲除或使用小分子抑制劑干擾Smad2/3功能均能顯著抑制VSMCs增殖、遷移和下調肌肉收縮靶基因表達[29]。而VSMCs的分化影響和控制了血管的直徑及血流動力學變化，最終導致血管血流過載，加重心臟的負擔，誘發心臟重構和慢性心力衰竭。

3 TGF-β-TAK1信號通路通過促進心肌肥大誘導心力衰竭

TGF-β在心力衰竭過程中起促進心肌肥大、心肌凋亡和心肌纖維化的作用，其中TAK1主要介導了TGF-β促進心肌肥大的作用。在動物主動脈狹窄模型中，TAK1的表達顯著上調，過表達TAK1的轉基因小鼠表現出心肌肥大的表型[30]。且在血管緊張素Ⅱ誘發心肌細胞肥大的體外實驗中，利用小干擾RNA敲減TAK1可以顯著阻止血管緊張素Ⅱ引發的心肌肥大，而敲減Smad2/3不能逆轉這一過程，表明Smads通路并不介導血管緊張素Ⅱ誘發的心肌肥大病理過程[31]。在細胞水平上，肥大的心肌細胞表面積與重量比明顯下降，而細胞表面的胞膜是Na+-Ca2+離子轉運的必經部位，因此細胞表面積與體積比降低導致細胞表面Ca2+轉運能力減弱，細胞內Ca2+水平降低，從而影響心肌細胞收縮能力，使心肌細胞長期功能低下，最終引發心力衰竭[32]。

此外，TAK1還具有抗程序性死亡和抗壞死的作用。在TGF-β刺激下，TAK1可以結合受體相互作用蛋白1，進而阻止受體相互作用蛋白1與其他死亡信號通路關鍵蛋白的相互作用，如抑制受體相互作用蛋白1與胱天蛋白酶8和RIP3的結合，最終導致細胞凋亡和細胞壞死減少[33]。

4 TGF-β信號通路通過促進心肌纖維化加劇心力衰竭

心肌纖維化是心力衰竭的重要誘因，幾乎發生于所有心力衰竭患者中，其可以促進室壁僵硬程度增加、心肌細胞比例減少，進而導致收縮障礙和電偶聯障礙。心肌纖維化可分為填空型纖維化和修復型纖維化，其中填空型纖維化不伴隨心肌細胞的丟失，而修復型纖維化常發生在心肌梗死后并導致纖維斑塊的形成[34]。心肌纖維化形成與局部TGF-β表達水平升高密切相關，如心肌肥大、擴張型心肌病、主動脈狹窄均能誘導TGF-β1表達水平升高[35]。利用基因工程小鼠可以研究不同TGF-β通路組成部分對心肌纖維化和心力衰竭的作用。在小鼠肝臟中，過表達TGF-β1配體可以導致血液循環系統中TGF-β1水平升高，進而引發小鼠心肌肥大和填空型纖維化[36]；而在敲除TGF-β1基因的小鼠或注射中和TGF-β1抗體的野生型小鼠中，血流過載引發的膠原纖維積累損傷明顯減弱，進而改善心肌擴張失能現象。且通過表達可溶性的TGF-βⅡ型受體抑制TGF-β信號通路可以抑制心肌纖維化并改善心肌功能，而通過表達失活型TGF-βⅡ型受體抑制TGF-β信號通路雖然也能改善心肌纖維化，但卻導致左心室擴張和擴張性功能失調[37]。此外，使用小分子抑制劑抑制ALK5的活性可同時改善心肌纖維化和心肌功能[38]。

同時，TGF-β信號通路Ⅲ型受體Endoglin也參與了心肌纖維化：過表達Endoglin的轉基因小鼠可以增強血管緊張素Ⅱ誘發的心肌纖維化，而注射可溶性Endoglin能有效抑制主動脈狹窄引發的心肌纖維化，并延緩心力衰竭的發生[39]。此外，在左心室中過表達非編碼RNA微RNA-208a能增加Endoglin的表達，進而在血流過載時誘發心肌肥大[40]；而雜合子Endoglin+/-轉基因小鼠在右心室血流過載后，心肌纖維化水平和死亡率均降低[41]。與Ⅲ型受體功能一致，Smad3缺失可以在左心室血流過載發生后降低填空型纖維化并表現出細胞外膠原沉積減少，而在缺失Smad3基因的纖維細胞中TGF-β信號誘導的成肌纖維細胞轉化和膠原纖維合成均明顯受到抑制[42]。心肌纖維化可使心肌細胞外基質中的Ⅰ型和Ⅲ型膠原沉積，進而導致心肌細胞間興奮電偶聯失活，心肌細胞整體協作性和收縮性下降，最終導致心臟重構和心力衰竭。且心肌細胞纖維化還能加重殘余心肌細胞負擔，導致殘余心肌細胞出現代償性增大，因此心肌纖維化和心肌肥大常協同出現[43]。

除心肌纖維化外，TGF-β信號通路還對血流過載引發的心肌肥大具有重要作用。在先天性心肌肥大患者中，TGF-β1蛋白水平明顯升高，與此一致的是TGF-β1配體過表達轉基因小鼠也表現出心肌細胞肥大的特征。TGF-β1誘導的心肌肥大與β腎上腺素受體的密度過高相關，而使用β腎上腺素受體阻斷劑可以治療TGF-β1轉基因小鼠的心肌肥大癥狀[44]。此外，血管緊張素Ⅱ也可通過誘導TGF-β1的過表達引發心肌肥大，而TGF-β1基因敲除小鼠可以阻止由血管緊張素Ⅱ誘發的心肌肥大[45]。

5 TGF-β信號通路作為心力衰竭治療靶點的前景

TGF-β信號通路調控一系列從心肌梗死到血流過載引發心力衰竭的生理和病理過程，如激活TGF-β信號通路可以在心肌梗死發生后促進切口愈合、促進成肌纖維細胞轉換和誘導血管新生[46]，但延長TGF-β信號活性持續時間會導致細胞外基質過度沉積，進而影響正常組織結構和功能。臨床研究表明，在心肌梗死發生前或后立即抑制TGF-β信號通路會導致心肌功能惡化并增加死亡率，而在心肌梗死發生后24 h抑制TGF-β信號通路會改善心肌功能并降低由心肌梗死引發的心力衰竭發病率。

TGF-β信號通路除調控心肌纖維化和心肌肥大等病理過程外，還參與免疫和炎癥調控過程，并作為單核細胞和中性粒細胞的直接招募者。這使得廣泛或完全抑制TGF-β信號通路將產生嚴重的免疫調控不良反應、血管新生抑制、腫瘤監控體系隱患和創傷愈合障礙等嚴重威脅患者生存質量的副反應。因此，開發通過抑制TGF-β信號通路治療心力衰竭的療法必須精確設計調控TGF-β信號通路的具體靶點和對交叉領域功能影響的評估，在降低心肌纖維化和改善心肌功能的同時盡量減少其他負面影響并綜合考慮各方面影響，精確設計用量和使用時間。目前，隨著大規模基因功能篩選技術的出現，將為尋找精確調控TGF-β信號通路分子靶點提供技術支持。相信未來會尋找到既能改善心肌功能、降低心肌纖維化，同時又不影響免疫功能和心肌創傷修復的TGF-β信號通路精準調控因子。

6 小 結

TGF-β信號通路在心力衰竭的病理過程中發揮重要作用。其對血管內皮細胞和VSMCs均具有復雜、濃度依賴的多向性調控作用，且TGF-β信號通路廣泛參與了從心肌纖維化、心肌肥大到心肌梗死創傷愈合、免疫反應等誘導心力衰竭的多個病理過程。目前，開發具有針對性的TGF-β信號通路抑制劑治療心力衰竭面臨靶點選擇、不良反應多元化等困難，但隨著基因編輯、誘導多能干細胞等新技術的應用和發展，利用成簇規律間隔的短回文重復序列及其相關蛋白9系統鑒定精細化調控TGF-β信號通路的藥物靶點和分子，及利用誘導多能干細胞尋找TGF-β信號通路調控心肌細胞分化這兩個方面表現出巨大前景。未來隨著技術進步，將開發出更多可精確調控TGF-β信號通路治療心力衰竭的新靶點。