轉化生長因子β信號通路調控血管衰老的作用機制研究進展

胡海亮，劉炬

1 山東中醫藥大學中醫學院，濟南 250014；2 山東第一醫科大學第一附屬醫院醫學研究中心

血管衰老作為整體性衰老的一部分，是人體衰老發生的關鍵因素。即使無明顯疾病的老年人，隨著年齡增加，血管同樣會發生結構和功能上的改變，隨之而來的心、腎、腦等衰老相關疾病風險也相應增加。轉化生長因子β（TGF-β）超家族是一個包含眾多成員的多功能細胞因子大家族，參與調節細胞生長、增殖、分化、遷移和凋亡等過程。衰老細胞表現出細胞周期性停滯和衰老相關分泌表型（SASP），TGF-β作為SASP的重要組成部分，在血管衰老相關的疾病中起重要作用［1］。近年研究表明，TGF-β信號通路能夠通過對血管纖維化、血管鈣化、細胞自噬、炎癥反應、端粒長度、端粒酶活性以及新型長壽靶點的調控影響血管衰老，從而在血管衰老相關疾病中發揮作用?，F就TGF-β信號通路調控血管衰老的作用機制綜述如下。

1 TGF-β信號通路調控血管纖維化影響血管衰老

衰老血管表現出漸進式的血管重塑，膠原纖維沉積增加，進而導致血管纖維化，而血管纖維化也與高血壓、動脈粥樣硬化、糖尿病、腎纖維化等年齡相關疾病關聯密切。血管纖維化主要的病理表現為細胞外基質（ECM）蛋白的過度沉積，TGF-β作為主要的促纖維化細胞因子，也是ECM最重要的調節劑，能夠通過誘導ECM中蛋白的表達能力增強及抑制ECM酶解使組織蓄積過量的ECM，從而產生血管纖維化。ALK5/Smad3信號通路已被證實可在不同的組織纖維化疾病中發揮作用，通過阻斷ALK4/5的激活，可以抑制TGF-β誘導的Smad2和Smad3磷酸化，進一步抑制成纖維細胞激活和膠原蛋白生成，從而使血管發生纖維化。呼永河等［2］研究發現，下調TGF-β的表達可抑制p38絲裂素活化蛋白激酶（p38 MAPK）磷酸化，減少膠原蛋白Ⅰ和膠原蛋白Ⅱ的合成，改善動脈纖維化。YANG等［3］研究顯示，給予主動脈纖維化小鼠血管活性肽阿拉曼定可以顯著抑制TGF-β誘導的p38、ERK和JNK等蛋白表達的增加，從而減輕血管纖維化進程。Janus激酶2（JAK2）是組織纖維化的關節調節因子，有研究表明，TGF-β1能夠通過誘導JAK2磷酸化誘導血管纖維化［4］。

2 TGF-β信號通路調控血管鈣化影響血管衰老

血管鈣化的特征是鈣磷酸鹽復合物形式的礦物質沉積，其最重要的病理因素為血管平滑肌細胞（VSMCs）向成骨樣細胞的轉化及分化。TGF-β是驅動VSMCs向成骨轉化及分化的關鍵調節劑，TGF-β的異常上調會導致血管鈣化。Runt相關轉錄因子2（Runx2）、骨橋蛋白（OPN）是臨床常用的成骨標志物，HE等［5］研究顯示，磷酸鹽可顯著增強VSMCs中TGF-β 活性，且 TGF-β1能夠通過上調 VSMCs中Runx2的mRNA水平及OPN的蛋白水平，降低平滑肌蛋白22α（SM22α）的mRNA水平，從而導致血管鈣化?；|金屬蛋白酶（MMP）是一種依賴鋅和鈣的內肽酶，在生理和病理條件下參與組織重塑，其中明膠酶A（MMP-2）及明膠酶B（MMP-9）都已被發現可在血管鈣化的形成中起到重要作用。研究顯示，在血管中，MMP-2和MMP-9均受到了TGF-β的調控［6］。一項針對MMP-10的研究發現，MMP-10有助于動脈粥樣硬化和血管鈣化的形成［7］。在之前的報道中，已經發現在腫瘤細胞中TGF-β能夠通過上調肌細胞增強因子2（MEF-2）誘導MMP-10激活，而其在血管組織中是否參與這種調控過程，還有待闡明［8］。內皮—間質轉化（EndMT）是內皮細胞（ECs）形態向間充質細胞（MSCs）形態轉變的過程，并伴隨ECs功能下降，MSCs功能增強，最終形成具有成骨潛能的細胞。研究表明，EndMT也受到TGF-β通路的調節，其可通過Smad2/3信號通路增強Snail、Twist和Slug這些EndMT轉錄因子的表達，從而調控EndMT形成［9］。

3 TGF-β信號通路調控炎癥反應影響血管衰老

全身性慢性炎癥（SCI）是一種低級別的非感染性炎癥狀態，慢性炎癥環境下存在大量的炎癥因子，炎癥因子水平的增高使得機體內原有的抗炎、促炎平衡失調，導致血管功能損傷。研究表明，健康老年人體內白介素細胞6（IL-6）、腫瘤壞死因子α（TNF-α）、IL-1β水平明顯高于健康青年人［10］。TGF-β1能夠誘導促炎因子的表達，包括 IL-6、TNF-α、IL-1β等［11］，而這些因子都是SASP中的成員，參與細胞衰老的過程。

在已知的Smad經典信號通路中，Smad2/3信號通路能夠通過TGF-β1的調控負責抗炎作用，而Smad7則可與TGF-β1型受體形成穩定的復合物，通過抑制Smad2/3通路來發揮促炎作用［12］。近期研究發現，在動脈粥樣硬化鼠模型ECs中，TGF-β誘導了多種趨化因子和細胞因子及其受體，包括趨化因子2（CCL2）、白細胞黏附因子ICAM-1及VCAM-1、MMP-2，這些因子已經被發現可以通過不同方式參與炎癥的調控［13］。一項以百歲老人為研究對象的研究發現，隨著年齡的增加，TGF-β的水平也相應增高，并且TGF-β可以作為抗炎因子發揮作用［14］。由上可見，TGF-β在對炎癥反應的調控中發揮了雙向調節作用，而具體TGF-β的調控作用是如何在這種抗炎—促炎模式下轉換的，可能是未來研究新的方向。

4 TGF-β信號通路調控細胞自噬影響血管衰老

細胞自噬是通過溶酶體降解途徑，吞噬自身老化細胞質中的蛋白質或細胞器，使其進入囊泡來維持細胞穩態從而實現機體自我保護的一種方式。細胞自噬與衰老存在密切聯系，自噬機制和自噬的調節途徑被認為是長壽的調節劑。在衰老動物模型中發現，隨著年齡增長，機體自噬能力會降低。自噬的調節失調已被認為是多種年齡相關疾病的關鍵誘因［15］。自噬的過程受到信號網絡的調控，而這些信號網絡主要通過改變營養、能量和生長因子水平來發揮作用。雷帕霉素（mTOR）和活化蛋白激酶（AMPK）是目前發現的細胞自噬主要調控靶點。mTOR是細胞生長的關鍵穩態調節因子，負反饋調節自噬，限制自噬介導的細胞溶質物質的分解代謝。mTOR的激活能夠降低細胞功能，誘導細胞衰竭，從而減少組織的修復，促進衰老相關疾病的發展［16］。

TGF-β通路可以通過Smad非依賴及Smad依賴兩種途徑參與自噬的調控，包括PI3K-Akt-mTOR軸及JNK軸［17］。在細胞層面，不同的細胞周期維持不同的自噬水平，G1期細胞自噬水平最低，G1細胞周期停滯導致細胞損傷，降低細胞容量，加速衰老的進程。研究表明，TGF-β參與了mTOR誘導的G1細胞周期停滯［16］。有研究發現，在VSMCs和ECs中自噬功能受限，并伴隨TGF-β分泌增加，加速了細胞衰老和凋亡，提示血管相關性疾病中TGF-β可能通過調控細胞自噬發揮作用［18］。作為TGF-β的靶點分子，mTOR低表達可以促進細胞保護性自噬，減弱核因子 κB（NF-κB）活化，從而緩解動脈粥樣硬化［19］。AMPK是自噬過程中能量感知和細胞信號調控的一個重要激酶，作為TGF-β通路和PI3K-Akt-mTOR軸的抑制因子，其已在多項研究中被發現可以緩解血管的衰老過程［20-21］。

5 TGF-β信號通路調控端粒長度及端粒酶活性影響血管衰老

端?？s短是細胞衰老的標志物之一，每一次的細胞分裂都會使端粒縮短，直到達到臨界長度，稱為Hayflick極限，而后細胞會發生不可逆轉的細胞周期停滯，從而出現細胞功能障礙，其機制涉及染色體末端誘導持續的DNA損傷反應（DDR）和細胞活力喪失。衰老的細胞通常會伴隨著端粒酶活性的降低，端粒酶活性主要取決于人端粒酶逆轉錄酶（hTERT）的轉錄調控。端粒功能障礙誘導的衰老細胞會分泌出大量的細胞因子，統稱為SASP，作為SASP的成員之一，TGF-β信號通路負向調控hTERT的表達［22］。研究表明，TGF-β 可以通過 TGF-β1/Smad3/NADPH氧化酶4（NOX4）信號通路以旁分泌的方式誘導端粒功能障礙，并導致DDR和DNA病灶（TIF）的形成［23］。體內研究也表明，通過抑制TGF-β信號下游通路Smad2和Smad3的磷酸化可以促進hTERT的表達，從而維持端粒長度［24］。從細胞層面延伸至血管組織層面，研究發現細胞衰老和血管衰老之間存在聯系，端粒長度和端粒酶活性可以作為血管衰老的指標［25］。

6 TGF-β信號通路調控新型長壽靶點影響血管衰老

近年來，從基因層面對衰老的研究發現了眾多長壽調控基因，包括叉頭轉錄因子（FOXOs）、沉默調節蛋白（Sirtuins）等。FOXOs屬于叉頭蛋白家族，作為一種轉錄因子參與協調代謝穩態和調節衰老。哺乳動物包括4個FOXO成員，分別是FOXO1、FOXO3、FOXO4、FOXO6。近期研究顯示，FOXO3A是血管內穩態的核心保護因子。在靈長類食蟹猴模型中，主動脈和冠狀動脈ECM、平滑肌細胞和外膜成纖維細胞中均發現FOXO3A下調，研究者并通過數據庫預測發現，TGF-β1可能是FOXO3A的潛在調控因子［26］。另有研究顯示，TGF-β1主要通過PI3K/Akt通路對FOXO3A進行負向調控，Akt將FOXO3A磷酸化后，導致其與細胞核隔離并失去活性，從而失去了對靶基因表達的能力［27］。FOXO3A還可受到多種蛋白激酶磷酸化，包括ERK1/2、p38、IKK、SGK、JNK、c-JunN末端激酶等，而這些蛋白激酶都是TGF-β信號通路調控的下游靶點［28］，而TGF-β具體是否通過這些激酶參與到了FOXO3A以及其他FOXOs家族的調控還有待研究。

Sirtuins是一種NAD+依賴的去乙酰酶，以組蛋白和非組蛋白為目標，調節廣泛的生物過程，包括DNA修復、氧化應激反應及能量代謝。Sirtuins可通過去除靶蛋白的乙酰基，進而促進或抑制靶蛋白的活性，從而在細胞內發揮維持組織內穩態的作用，延緩與年齡相關的血管衰老。哺乳動物中存在7種Sirtuins（SIRT1～7），分布在不同的亞細胞區，SIRT6是被研究最多的亞型。有研究報道，缺乏SIRT6會加速小鼠衰老，而過表達SIRT6則會延長小鼠的壽命。MAITY等［29］研究表明，SIRT6能夠通過遺傳表觀機制抑制TGF-β信號的傳導，其機制為通過使組蛋白乙酰化，抑制TGF-β信號通路中關鍵基因TGF-β1、TGF-β2的 mRNA表達；并且隨著機體年齡的增長，SIRT6結合TGF-β信號通路中基因啟動子能力顯著降低，而Smad3與這些啟動子結合能力增加。

綜上所述，血管衰老是一個漸進式的過程，TGF-β及其下游信號在血管衰老的進程中能夠通過對血管纖維化、血管鈣化、細胞自噬、炎癥反應、端粒長度、端粒酶活性以及新型長壽靶點的調控發揮作用，但是仍有許多的問題需要解決。第一，TGF-β在動脈粥樣硬化中表現出了正面和負面兩種不同作用機制，在慢性炎癥中也表現出了雙重調控作用，作為一種多效轉化因子，TGF-β如何進行的這種角色轉變，以及對應的信號機制，還有待進一步研究。第二，FOXO和Sirtuins等新型長壽調控靶點已經在血管外的其他組織中被發現可以參與到TGF-β通路的調控機制中，因不同組織的特異性，其是否能在血管中，特別是老化血管中參與到TGF-β的調控機制中還有待研究。TGF-β在許多組織細胞中都有表達，并在特定的生理病理環境中表現出雙向調控作用，想通過完全抑制TGF-β信號通路延緩衰老可能不是理想的選擇。但是，TGF-β可以為下游的一些衰老標志物提供研究方向，通過對血管衰老的新認識，能夠確定針對的治療靶點，從而為延緩血管衰老以及消除血管衰老所帶來的相關疾病提供新的研究方向。