端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶在心肌缺血再灌注損傷中的作用及其機制*

方 智,李 姣 綜述，郭應(yīng)強△ 審校

(1.四川大學(xué)華西醫(yī)院心臟大血管外科，成都 610041；2.四川大學(xué)華西第二醫(yī)院兒科，成都 610041)

冠心病是全世界疾病死亡的主要原因之一。在急性心肌梗死后，通過各種治療措施早期恢復(fù)缺血心肌的再灌注是減少心肌梗死面積及改善臨床預(yù)后的有效辦法。然而，研究發(fā)現(xiàn)，這種缺血后的血流再灌注反而會進一步導(dǎo)致心肌損傷[1]，稱為心肌缺血再灌注損傷(MIRI)。除了冠心病患者，MIRI常發(fā)生在心血管手術(shù)后[1-2]。雖然在心臟手術(shù)時常會采用如心臟停搏液和低溫等保護技術(shù)來減輕MIRI，但是，缺血再灌注損傷所致的心功能不全問題仍然存在[2]。此外，缺血再灌注損傷還往往是心臟驟停、復(fù)蘇、冠狀動脈閉塞后再灌注等臨床事件的一部分。這種MIRI大部分發(fā)生在再灌注的早期階段[3]。關(guān)于MIRI的損傷機制，有研究提出缺血器官的氧供需失衡促進了氧自由基、炎性細胞因子和其他促炎介質(zhì)的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致嚴重的組織損傷。在YELLON等[1]關(guān)于心肌再灌注損傷的綜述中提出，其損傷機制包括氧化應(yīng)激、細胞內(nèi)的鈣超載、炎性反應(yīng)、酸堿平衡及代謝紊亂，以及線粒體功能障礙等，其中線粒體功能障礙主要是線粒體通透性轉(zhuǎn)變孔的開放，并且灌輸損傷的關(guān)鍵部分，因此，線粒體功能也是心肌保護研究新的重要目標。

端粒是由真核細胞染色體末端的一段非編碼DNA串聯(lián)重復(fù)序列(TTAGGG)及其結(jié)合蛋白質(zhì)所構(gòu)成的DNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體。隨著每一次細胞分裂，端粒的長度不斷縮短，如果其長度到達臨界長度以下，細胞就不能分裂，并最終死亡[4]。端粒酶是一種由RNA和蛋白質(zhì)組成的核糖核蛋白酶，其組成包括：端粒酶模板RNA(TERC)、端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶(TERT)及端粒酶相關(guān)催化蛋白[5]。其能以自身RNA為模板，在逆轉(zhuǎn)錄酶的催化下合成端粒重復(fù)DNA序列并添加至染色體末端，彌補端粒在有絲分裂過程中的縮短，從而維持端粒長度，防止染色體末端融合、磨損，因此，端粒酶具有防止細胞老化、凋亡的作用[5]。而TERT作為端粒酶的重要組成部分，是端粒酶活性的速率限制決定因子，也是調(diào)節(jié)細胞端粒酶活性的關(guān)鍵因素[5]。雖然，TERT的主要作用是端粒的延長和維持，但越來越多的證據(jù)表明，除了端粒長度的維持外，TERT還可能具有與端粒維持無關(guān)的其他功能，包括調(diào)節(jié)基因表達、調(diào)節(jié)細胞分化、調(diào)節(jié)凋亡和增殖[6]。近年來，TERT在MIRI中作用及機制逐漸成為研究熱點。探討TERT在MIRI中的作用，不僅有助于了解MIRI中存在的修復(fù)機制，更可為MIRI提供新的治療思路。

1 TERT在MIRI中的作用

有研究發(fā)現(xiàn)，TERT在胎鼠心肌細胞中表達，而隨著日齡的增加表達逐漸降低，成年鼠心肌細胞中幾乎無TERT表達[7]。然而，心肌在缺血性損傷后TERT卻表達增加，提示TERT可能在心肌缺血性損傷中發(fā)揮保護作用[8]。本文就TERT在MIRI中的可能機制進行探討。

1.1 促進心肌細胞增殖和抗凋亡

有研究顯示，TERT能夠促進細胞存活和增殖，保護細胞抵抗各種損傷所致的凋亡[8]。近年來，TERT的抗凋亡作用在各個疾病領(lǐng)域中逐漸成為研究熱點。腫瘤細胞中過表達的TERT能保護其抵抗凋亡[4]。既往的研究也發(fā)現(xiàn)，TERT能夠保護神經(jīng)細胞抵抗缺氧缺血損傷所致的凋亡[9]。而近年來的研究發(fā)現(xiàn)，TERT也能保護心肌細胞抵抗凋亡。張鳳祥等的研究顯示，缺氧可使大鼠心肌細胞TERT表達增強，可能通過維持端粒長度而對抗缺氧所致的細胞衰老[10]。在阿霉素性心肌病的研究中發(fā)現(xiàn)，提高心肌細胞TERT的表達，可提高端粒酶活性從而抑制心肌細胞凋亡[11]。OH等[12]的研究報道，過表達TERT能夠增加心肌細胞的端粒酶活性，并參與維持端粒長度，從而延遲不可逆細胞周期的退出，進而延長細胞壽命。TERT能夠促進心肌細胞的增殖、肥大及存活。同時體內(nèi)及體外實驗也發(fā)現(xiàn)TERT能夠增強心肌細胞端粒酶活性減少心肌缺血損傷后所致的凋亡。此外，已有研究通過腺病毒及慢病毒轉(zhuǎn)染法增加和抑制TERT的表達，以探討TERT對缺血再灌注誘導(dǎo)的心肌細胞凋亡的影響，結(jié)果提示TERT能夠增強心肌細胞端粒酶活性，以抑制缺血再灌注誘導(dǎo)的心肌細胞凋亡[13]。有研究顯示，在心肌梗死的小鼠模型中，TERT的表達促進了小鼠心肌梗死后心肌細胞的增殖和存活，縮小了梗死范圍，提高了梗死區(qū)代謝活性，改善了心臟功能和形態(tài)學(xué)參數(shù)，也通過減少纖維形成從而減少瘢痕的形成，增加組織重塑和潛在再生能力，最終有效地降低心肌梗死后心力衰竭的死亡率[14]。OH等[12]研究發(fā)現(xiàn)，TERT并未增加心肌梗死后的心肌肥大變化，對心臟的結(jié)構(gòu)并未產(chǎn)生明顯影響。其作用機制可能與TERT維持端粒長度的作用及激活了一些心臟保護和再生相關(guān)的信號通路有關(guān)。這些研究結(jié)果為基于端粒酶激活來治療慢性和急性心力衰竭的策略提供了證據(jù)支持[7]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，TERT不僅通過穩(wěn)定端粒，而且能通過調(diào)節(jié)生長相關(guān)基因和凋亡相關(guān)基因的表達來促進細胞增殖[6]。但目前關(guān)于TERT在MIRI中的促細胞增殖和抗凋亡機制仍不是十分清楚，有待進一步深入研究。

1.2 保護血管內(nèi)皮細胞及促進血管再生

MIRI中另一個重要的參與者是血管內(nèi)皮細胞。在MIRI早期，心肌微血管內(nèi)皮細胞對再灌注損傷的耐受性較心肌細胞更差，凋亡要明顯早于心肌細胞[14]，有研究發(fā)現(xiàn)，MIRI早期血管內(nèi)皮細胞的凋亡會促進周圍心肌細胞的凋亡[15]。而在離體心臟模型中證明，MIRI后血管內(nèi)皮細胞在再灌注時激活多種活性因子，可調(diào)節(jié)心肌細胞的功能和損傷[14]。此外，血管內(nèi)皮細胞不僅參與調(diào)節(jié)MIRI相關(guān)炎性反應(yīng)，在調(diào)節(jié)新生血管中也具有重要作用[16]。甚至有研究提出，血管內(nèi)皮細胞功能與急性心肌梗死患者臨床預(yù)后的改變有關(guān)[17]。由此可見，血管內(nèi)皮細胞損傷在MIRI過程中扮演重要的角色。有研究提示，MIRI時，血管內(nèi)皮細胞的一個重要損傷機制是線粒體功能的損傷，線粒體膜電位的改變，活性氧簇(ROS)的產(chǎn)生等[18]，提示血管內(nèi)皮細胞線粒體功能損傷在MIRI后的損傷機制中同樣占據(jù)重要地位。因此，如何減少心肌細胞及血管內(nèi)皮細胞的損傷在MIRI治療中顯得尤為重要。有研究提示，TERT能夠減少微循環(huán)線粒體中的氧化應(yīng)激，TERT的缺失促進了ROS的形成，導(dǎo)致微血管內(nèi)皮功能障礙；而TERT過度表達則能夠保護血管抵抗氧化應(yīng)激損傷，減少ROS的生成，防止微血管內(nèi)皮功能障礙[19]。研究還發(fā)現(xiàn)，腎素-血管緊張素系統(tǒng)與心血管系統(tǒng)中TERT存在密切關(guān)系。該研究提出，TERT的缺失可能是心血管疾病病理生理學(xué)中的一個重要組成部分，其機制可能是過量微血管ROS產(chǎn)生，從而促進了炎癥改變，或?qū)е卵苷w擴張能力受損，從而導(dǎo)致下游的缺血。TERT是調(diào)節(jié)微循環(huán)內(nèi)皮依賴性擴張的關(guān)鍵因素，對體內(nèi)微血管功能發(fā)揮保護作用。了解TERT如何保護血管應(yīng)激的機制對心血管疾病的治療有潛在的意義[20]。

MIRI后的一個重要修復(fù)機制是缺血區(qū)域的血管再通和改善血供。如何安全有效地使阻塞血管再通及建立側(cè)支循環(huán)一直是臨床治療MIRI面臨的難題[21]。已有研究探討了TERT在缺血性損傷后的血管形成過程中發(fā)揮的重要作用。內(nèi)皮祖細胞(EPCs)是心肌梗死及心肌缺血損傷研究中應(yīng)用比較廣泛的細胞。缺血性損傷后，EPCs將遷移至缺血部位，然后增殖、分化，形成新生血管[21]。TERT可能通過增加EPCs的增殖，延長其壽命，從而促進血管新生、損傷動脈再內(nèi)皮化，進而改善缺血區(qū)域的灌注[21]。除此之外，在大鼠后肢缺血模型的研究中發(fā)現(xiàn)，TERT能誘導(dǎo)血管生成，其機制可能與血管內(nèi)皮生長因子(VEGF) 有關(guān)[22]。研究發(fā)現(xiàn)TERT能促進如VEGF的表達，進而誘導(dǎo)血管再生[6,22]。以上研究提示，TERT可能減少缺血再灌注損傷中內(nèi)皮細胞的損傷，同時能促進血管的再生。

1.3 調(diào)節(jié)線粒體功能

有研究提出，在缺血再灌注損傷時，MIRI損傷可能主要歸因于過量的ROS產(chǎn)生、鈣超載及誘導(dǎo)細胞凋亡[23]，線粒體功能可能參與了缺血再灌注后的功能恢復(fù)?；謴?fù)的血流將氧氣引入缺血心臟，從而導(dǎo)致進一步的ROS產(chǎn)生，增加的ROS會損害心肌細胞鈣通道，從而影響細胞內(nèi)的鈣穩(wěn)態(tài)[24]。而缺血所導(dǎo)致的ATP合成受損，也可導(dǎo)致心肌細胞內(nèi)鈣的積累和ROS的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致細胞死亡[25]。在體外模型研究中發(fā)現(xiàn)，缺血再灌注會導(dǎo)致細胞質(zhì)、線粒體鈣超載和ROS釋放增加[26]。這些改變可能導(dǎo)致再灌注過程中心功能減弱及梗死的加重[3]。

近年來，關(guān)于TERT對線粒體功能調(diào)節(jié)作用的研究越來越多。TERT主要位于細胞核和細胞質(zhì)內(nèi)，在細胞核中具有活性形式。而有研究發(fā)現(xiàn)，TERT在細胞損傷后可以轉(zhuǎn)位至線粒體，提示TERT可能對線粒體損傷發(fā)揮作用[6]。有研究表明，位于線粒體的TERT可以減少ROS的產(chǎn)生，保護線粒體DNA(mtDNA)免受損傷[27]。此外，TERT基因敲除小鼠心臟線粒體的呼吸效率低于野生型小鼠[3,27]。TERT保護mtDNA的可能機制包括：增強耦合或更有效的呼吸，減少線粒體ROS(mtROS)生成；直接結(jié)合和保護mtDNA；改善mtDNA修復(fù)或加速降解[6,28]。有研究提出，TERT能夠通過增加mtDNA突變來防止ROS的增加和ATP生成的減少[3]。在冠心病患者的心房血管中，TERT的表達增加可以通過上調(diào)線粒體抗氧化酶來調(diào)節(jié)細胞的氧化還原狀態(tài)[29]，減少mtROS的產(chǎn)生[19]。有研究發(fā)現(xiàn)，在外部應(yīng)激后，TERT可逆地從細胞核轉(zhuǎn)移到線粒體，通過與mtDNA結(jié)合，抑制mtROS的產(chǎn)生和增加呼吸鏈活性[27]，從而發(fā)揮保護作用[28]。相反，TERT表達降低會增強線粒體和細胞的氧化應(yīng)激，促進細胞分裂受損，心肌細胞肥大和死亡，這與心室擴張、室壁變薄和心功能不全有關(guān)[3]。有研究發(fā)現(xiàn)，TERT基因敲除大鼠心肌細胞端粒酶活性降低，端粒長度縮短。端粒酶活性的喪失促進了應(yīng)激情況下心肌細胞mtDNA損傷和線粒體功能障礙，阻礙缺血再灌注損傷的恢復(fù)，影響了應(yīng)激情況下的心臟功能。提示TERT 在調(diào)節(jié)線粒體功能方面起著至關(guān)重要的作用[20]。此外，研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細胞的細胞核、細胞質(zhì)及線粒體中均可檢測到TERT表達，提示TERT可能在內(nèi)皮細胞中發(fā)揮線粒體保護作用，從而減輕心血管疾病時血管內(nèi)皮細胞的損傷[30]。

1.4 其他

TERT的其他非端粒作用還包括調(diào)節(jié)基因表達、調(diào)節(jié)干細胞的增殖和分化等。已有研究提出，TERT調(diào)控干細胞增殖及分化這一機制可能在心肌缺血性損傷后的再生過程中發(fā)揮作用[6]。TERT可能參與調(diào)節(jié)心肌干細胞及EPCs的增殖分化，從而影響缺血性心肌損傷后的心肌再生和血管再生[6]。以上研究提到的TERT在MIRI中的作用機制并非相互獨立，各個調(diào)控作用之間可能相互影響，比如TERT對線粒體功能的調(diào)控也促進了其抗凋亡作用，也與其調(diào)節(jié)血管功能有關(guān)。

2 結(jié) 語

基于TERT的這些作用機制，已有研究探討了TERT在心血管疾病中的治療前景。如在體內(nèi)間充質(zhì)干細胞中轉(zhuǎn)染TERT，一方面增加TERT的表達水平發(fā)揮了相應(yīng)的保護作用，同時也提供了有效的心肌細胞或心肌源性干細胞的來源，有利于損傷后的修復(fù)，最終發(fā)揮保護作用。另外，也可通過一些藥物如一些抗氧化劑的使用來提高TERT活性，發(fā)揮心臟保護作用[6]。但其具體的保護機制尚缺乏相關(guān)研究。

綜上所述，關(guān)于TERT對MIRI后損傷修復(fù)的調(diào)控作用及機制的研究尚屬全新領(lǐng)域。對TERT心肌損傷修復(fù)功能及相關(guān)分子機制的深入探討，可有望發(fā)現(xiàn)TERT對心肌保護作用的新途徑，同時為今后減輕MIRI損傷、促進損傷后修復(fù)提供一個新的理論基礎(chǔ)和治療靶點。