TRPM7在心臟疾病中的研究進(jìn)展

徐穎,湯依群

(中國(guó)藥科大學(xué),江蘇 南京 211198)

《中國(guó)心血管病健康和疾病報(bào)告2021》指出我國(guó)心血管患病率處于持續(xù)上升階段,心血管疾病死亡率仍居首位。心臟是人體重要的器官,其功能異常離不開離子通道改變。TRPM7(transient receptor potential cation channel subfamily M member 7)是細(xì)胞膜上重要的非選擇性陽離子受體電位,是早期胚胎發(fā)育必需的通道。TRPM7的結(jié)構(gòu)是由三個(gè)主要區(qū)域組成:N端、通道域和C端,位于跨膜空間的通道結(jié)構(gòu)域包含有P環(huán),形成了離子傳導(dǎo)。此外,TRPM7的C端有兩個(gè)結(jié)構(gòu)域:絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶結(jié)構(gòu)域和α-激酶結(jié)構(gòu)域[1]。TRPM7通道與激酶結(jié)構(gòu)域會(huì)有互相影響,其活性受細(xì)胞內(nèi)陽離子(如Mg2+)、Mg-ATP、低細(xì)胞內(nèi)pH值等的負(fù)調(diào)控[2]。TRPM7結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其可以調(diào)控離子分布和參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),TRPM7通透的陽離子包括二價(jià)陽離子Zn2+、Ni2+、Co2+、Mg2+、Ca2+等。TRPM7在心臟和腎臟中表達(dá)最高,通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外離子平衡,如Ca2+、Mg2+穩(wěn)態(tài),參與各類疾病的發(fā)生、發(fā)展過程,以及細(xì)胞增殖、活力、遷移、黏附和細(xì)胞凋亡的生理過程[3]。目前研究表明,TRPM7不僅在早期心臟發(fā)生期間對(duì)心肌增殖至關(guān)重要,并在成年心臟中促進(jìn)成纖維細(xì)胞的遷移分化[4],參與轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(transforming growth factor β,TGF-β)介導(dǎo)的纖維化[5]。TRPM7可以作為免疫調(diào)節(jié)劑,在炎癥期間參與調(diào)節(jié)中性粒細(xì)胞募集[6],以及調(diào)控巨噬細(xì)胞增殖極化和細(xì)胞因子表達(dá)[7-8]。本文主要對(duì)TRPM7在心臟疾病過程中的研究進(jìn)展做一總結(jié),為今后的研究提供相應(yīng)參考。

1 TRPM7與心肌纖維化

心肌纖維化是許多心血管疾病的共同病理反應(yīng),細(xì)胞異常活化導(dǎo)致膠原、纖維連接蛋白、彈性蛋白等過度沉積并且伴隨降解失調(diào),由此發(fā)展出纖維性增殖,進(jìn)而形成多種心臟疾病,如心肌肥大、心力衰竭和心律失常等。肌成纖維細(xì)胞是心臟成纖維細(xì)胞(cardiac fibroblast,CF)分化形成的,心肌損傷、氧化應(yīng)激、炎癥等病理刺激介導(dǎo)肌成纖維細(xì)胞合成并沉積,導(dǎo)致過多的細(xì)胞外基質(zhì)蛋白(extracellular matrix,ECM)積蓄,從而引發(fā)纖維化。纖維化形成的疤痕可增加肌肉組織的硬度并降低心臟收縮力,產(chǎn)生異常心臟傳導(dǎo)和心室壁僵硬,損害心臟功能[9]。損傷的心肌細(xì)胞可以引發(fā)心肌組織代謝改變,誘發(fā)炎癥和病理重塑[10],產(chǎn)生和分泌多種旁分泌因子,如白細(xì)胞介素(interleukin)、TGF-β、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(ibroblast growth factor,FGF),調(diào)節(jié)成纖維細(xì)胞的功能[11]。心臟纖維化的生化機(jī)制涉及受損的Ca2+或Mg2+穩(wěn)態(tài)、氧化應(yīng)激、血管血流異常和細(xì)胞因子的活化[12]。TRPM7介導(dǎo)的TGF-β/Smads信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是促進(jìn)纖維化的重要信號(hào)通路,TGF-β1可以誘導(dǎo)心房成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為肌成纖維細(xì)胞,通過調(diào)節(jié)其下游分子Smad2/3和應(yīng)激活化蛋白激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)促進(jìn)心臟纖維化。

心肌細(xì)胞 TRPM7在心臟病理學(xué)中的作用尚不清楚,但成纖維細(xì)胞通過其與心肌細(xì)胞的復(fù)雜相互作用來創(chuàng)造和維持心臟的生化和機(jī)械環(huán)境。心臟成纖維細(xì)胞中的TRPM7與心臟炎癥和纖維化以及心房顫動(dòng)有關(guān)[13]。氧化應(yīng)激和炎癥等病理刺激下,TRPM7通過介導(dǎo)大鼠原代心臟成纖維細(xì)胞中的Ca2+流入和細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK1/2)活化而促進(jìn)過氧化氫(hydrogen peroxide,H2O2)誘導(dǎo)的心臟纖維化,TRPM7還介導(dǎo)Mg2+和Ca2+流入?yún)⑴c血管緊張素Ⅱ(angiotensin Ⅱ,AngⅡ)介導(dǎo)的心肌纖維化,黃芪甲苷通過靶向成纖維細(xì)胞miR-135a-TRPM7-TGF-β/Smad通路抑制了ISO誘導(dǎo)的心臟纖維化[14]。阻斷或沉默TRPM7會(huì)抑制SMA表達(dá)和CF增殖,抑制心肌纖維化。

在纖維化進(jìn)展過程中,活化的巨噬細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞因子,包括腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α,TNFα)和TGF-β1,刺激肌成纖維細(xì)胞產(chǎn)生ECM[15]。TRPM7影響巨噬細(xì)胞增殖和功能,TRPM7缺陷型巨噬細(xì)胞顯示出LPS誘導(dǎo)的炎癥基因表達(dá)顯著降低[16]。TRPM7在M1型巨噬細(xì)胞中高度表達(dá)[7],同時(shí)參與了巨噬細(xì)胞向M2表型的極化以及M2巨噬細(xì)胞的增殖。缺失激酶結(jié)構(gòu)域的TRPM7缺陷小鼠炎癥反應(yīng)失調(diào),TNFα、IL-12、IL-10和Arg1的基因表達(dá)增加,其中IL-10和Arg1是組織修復(fù)和纖維化消退階段的重要蛋白質(zhì),體內(nèi)巨噬細(xì)胞與成纖維細(xì)胞共培養(yǎng)后,誘導(dǎo)了成纖維細(xì)胞的增殖分化與促纖維化表型[17]。TRPM7可以通過STAT1/STAT6途徑調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞極化,阻斷TRPM7可以抑制STAT1磷酸化并促進(jìn)STAT6磷酸化來抑制M1型巨噬細(xì)胞極化[7],缺失激酶結(jié)構(gòu)域的TRPM7缺陷小鼠表現(xiàn)出心肌組織中Stat1的磷酸化增加[17]。TRPM7通過離子調(diào)控介導(dǎo)了LPS誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞活化和核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)的核轉(zhuǎn)位[16],在單側(cè)輸尿管梗阻小鼠模型中抑制TRPM7可以消除巨噬細(xì)胞活化和增殖[15],因此可以推測(cè)TRPM7參與調(diào)控了巨噬細(xì)胞活化與細(xì)胞因子釋放,抑制其表達(dá)可以減少ECM沉積,抑制纖維化發(fā)展。以上研究發(fā)現(xiàn)表明TRPM7在心臟纖維化的分子機(jī)制和病理過程中發(fā)揮著重要調(diào)控作用,多數(shù)研究認(rèn)為其調(diào)控作用是朝促纖維化方向發(fā)展,加重心肌病變。

2 TRPM7與缺血性心肌病

缺血性心肌病是全球死亡的主要原因之一,心臟血流阻塞可導(dǎo)致心肌缺血,持續(xù)性心肌缺血會(huì)導(dǎo)致心肌梗死,造成心肌細(xì)胞死亡,產(chǎn)生不可逆的心肌損傷以及心臟功能障礙。阻塞后冠狀動(dòng)脈血流改變會(huì)造成心肌缺氧,ATP水平降低,導(dǎo)致離子跨細(xì)胞膜重新分配的不平衡[18]。缺血時(shí)心肌損傷是由多種因素引起的,例如鈣超載、氧自由基的大量產(chǎn)生、中性粒細(xì)胞遷移和聚集等,這些會(huì)導(dǎo)致炎癥細(xì)胞活化[19]。心肌梗死后,壞死的心肌細(xì)胞釋放損傷相關(guān)分子模式(damage associated molecular patterns,DAMPs)在成纖維細(xì)胞中誘導(dǎo)促炎表型,誘導(dǎo)細(xì)胞因子和趨化因子的分泌并刺激白細(xì)胞浸潤(rùn)[20]。在長(zhǎng)時(shí)間缺血過程后再灌注會(huì)形成再灌注損傷,導(dǎo)致心肌頓挫、心肌梗死面積增大甚至惡性心律失常。缺血缺氧情況下,心肌能量代謝發(fā)生紊亂,氧化磷酸化受損,無氧代謝成為主要的代謝方式。

TRPM7表達(dá)與心肌損傷之間存在正相關(guān)關(guān)系。Tymianski等[21]研究表明TRPM7在缺血性疾病中起關(guān)鍵作用。TRPM7在心臟缺血期間介導(dǎo)Ca2+流入和細(xì)胞死亡,并在心肌缺血再灌注期間過程參與再灌注損傷,協(xié)助清除凋亡細(xì)胞。香芹酚作為TRPM7通道的天然抑制劑,通過抗氧化和抗凋亡途徑保護(hù)大鼠急性心肌梗死的心臟,激活有絲分裂原活化蛋白激酶/細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(MAPK/ERK)和絲/蘇氨酸激酶/一氧化氮合酶(Akt/eNOS)信號(hào)通路保護(hù)心肌缺血再灌注損傷[22]。

TRPM7表達(dá)水平在缺氧條件下明顯增加[23],缺血再灌注可以增加H9C2細(xì)胞中低氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia inducible factor-1,HIF-1α)和TRPM7的表達(dá),增加細(xì)胞凋亡的程度,而敲低TRPM7可顯著減輕H9C2細(xì)胞的再灌注損傷,減少凋亡[19]。缺血后ATP水平下調(diào)促進(jìn)檸檬酸循環(huán)代謝物琥珀酸鹽在缺血期間大量積累,其在再灌注時(shí)迅速氧化,琥珀酸的積累誘導(dǎo)線粒體產(chǎn)生過量ROS[24],激活HIF-1α[25]。激活的HIF-1α在心肌細(xì)胞缺氧引發(fā)的細(xì)胞保護(hù)和代謝變化中起關(guān)鍵作用,促進(jìn)糖酵解產(chǎn)生[19]。AMP依賴的蛋白激酶[adenosine 5′-monophosphate(AMP)-activated protein kinase,AMPK]是與代謝紊亂相關(guān)的潛在靶點(diǎn),作為細(xì)胞對(duì)能量壓力和線粒體損傷的反應(yīng)的中心介質(zhì)發(fā)揮作用。有研究表明TRPM7沉默可能激活A(yù)MPK以促進(jìn)HIF-1α泛素化蛋白酶體降解,從而減弱HIF-1α介導(dǎo)的糖酵解,促進(jìn)糖酵解轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸姿峄?OXPHOS),從而抑制卵巢癌細(xì)胞的增殖[26]。此外,Ca2+和活性氧(reactive oxygen species,ROS)信號(hào)系統(tǒng)有著相互作用,在其他缺氧疾病下,TRPM7可能參與了缺氧引發(fā)的心臟代謝改變。

在急性損傷期間,受損組織釋放炎癥介質(zhì)和募集的白細(xì)胞會(huì)改變屏障功能[27],而鈣是重要的第二信使,參與影響內(nèi)皮通透性的信號(hào)通路。在血管阻塞后,內(nèi)皮TRP通道可以通過介導(dǎo)Ca2+進(jìn)入來控制血管生成,以響應(yīng)細(xì)胞外生長(zhǎng)因子,例如VEGF和堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)[28]。研究發(fā)現(xiàn)TRPM7通道具有調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮細(xì)胞的功能,其對(duì)細(xì)胞內(nèi)Mg2+濃度的降低和氧-葡萄糖剝奪敏感。沉默TRPM7促進(jìn)細(xì)胞遷移、傷口愈合和血管形成。在體外氧-葡萄糖剝奪后,TRPM7負(fù)調(diào)節(jié)腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞的遷移和血管形成[29]。因此,TRPM7可能在缺血性心臟中負(fù)調(diào)節(jié)血管生成過程。

TRPM7是調(diào)節(jié)凋亡細(xì)胞信號(hào)通路的中心調(diào)節(jié)因子,介導(dǎo)吞噬體持續(xù)酸化所必需的陽離子電流,在缺乏TRPM7的情況下,巨噬細(xì)胞不能完全酸化或消化吞噬體所吞噬的死亡細(xì)胞[30],TRPM7通道的Ca2+流入與自噬水平相關(guān),這表明TRPM7通過介導(dǎo)Ca2+信號(hào)參與吞噬體成熟和細(xì)胞分解代謝過程。TRPM7介導(dǎo)的Ca2+與Mg2+內(nèi)流還參與了巨噬細(xì)胞內(nèi)cAMP-蛋白激酶A(cyclic-AMP dependent protein kinase A,cAMP-PKA)信號(hào)激活的抑癌基因LKB1/AMPK軸后續(xù)反應(yīng)[31]。

綜上所述,TRPM7在心肌梗死、缺血再灌注等心臟血流異常疾病中有著重要作用,不僅參與了心肌損傷機(jī)制,還參與血管重建、凋亡過程以及缺血性疾病的代謝機(jī)制,但是在心臟代謝方面研究較少,有待進(jìn)一步研究。

3 TRPM7與糖尿病心肌病

糖尿病心肌病是重要的糖尿病并發(fā)癥之一,主要特征是心臟功能障礙、氧化應(yīng)激和代謝紊亂。高血糖、血脂異常等糖尿病損傷促進(jìn)了心肌病變,導(dǎo)致心臟代謝紊亂。代謝紊亂促進(jìn)了心臟重塑、纖維化、舒張功能障礙,以及胰島素代謝信號(hào)受損、葡萄糖攝取受損和線粒體功能障礙等。全身胰島素產(chǎn)生不足或細(xì)胞胰島素抵抗導(dǎo)致的胰島素信號(hào)受損會(huì)降低心臟葡萄糖攝取,與糖尿病相關(guān)的能量壓力會(huì)誘導(dǎo)代謝和信號(hào)通路的改變[32]。

生理水平的ROS是正常心血管細(xì)胞穩(wěn)態(tài)所必需的信號(hào)分子,但糖尿病細(xì)胞內(nèi)高血糖會(huì)導(dǎo)致過量的ROS產(chǎn)生,激活核聚(ADP核糖)聚合酶,從而抑制GAPDH,將早期糖酵解中間體分流到致病信號(hào)通路中。胰島素抵抗通過增加脂肪酸通量和氧化作用導(dǎo)致心肌細(xì)胞產(chǎn)生過多的活性氧。TRPM7是胰腺內(nèi)分泌發(fā)育和高脂飲食誘導(dǎo)的β細(xì)胞增殖的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[33],抑制TRPM7表達(dá)可以上調(diào)葡萄糖刺激的胰島素來緩解1型糖尿病[34]。此外,TRPM7可以被氧化應(yīng)激激活。在高糖條件下,免疫細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞的TRPM7表達(dá)增加,表明TRPM7在糖尿病的病理生理學(xué)中發(fā)揮作用。在鏈脲佐菌素(streptozotocin,STZ)誘發(fā)的小鼠糖尿病模型中,TRPM7在1型糖尿病小鼠中過度表達(dá),沉默TRPM7可以減少海馬神經(jīng)元的凋亡,減緩神經(jīng)損傷[35]。因此,TRPM7不僅參與調(diào)控胰島素分泌,還可以響應(yīng)氧化應(yīng)激,高糖刺激下在心臟多種細(xì)胞中表達(dá)增加,促進(jìn)了心臟炎癥。

糖尿病對(duì)血管內(nèi)皮有多種負(fù)性影響,損傷內(nèi)皮的屏障功能,增加內(nèi)皮通透性和促進(jìn)黏附分子沉積于血管間質(zhì),改變內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)多種血管活性因子的合成,從而影響血管緊張性、血流動(dòng)力學(xué)等生理功能,加劇糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生。TRPM7是促進(jìn)細(xì)胞外Mg2+進(jìn)入細(xì)胞并調(diào)節(jié)隨后的Mg2+信號(hào)傳導(dǎo)的主要質(zhì)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。Mg2+可以調(diào)節(jié)血管功能,Mg2+缺乏,與高血壓、阿爾茨海默病、中風(fēng)、偏頭痛、心血管疾病和糖尿病等有關(guān)[36]。Mg2+缺乏會(huì)增強(qiáng)小鼠的內(nèi)皮屏障通透性,細(xì)胞外Mg2+主要通過TRPM7通道和鎂離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(magnesium ion transporter 1,MagT1)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入內(nèi)皮細(xì)胞,Mg2+可減少內(nèi)皮中的Ca2+信號(hào)傳導(dǎo),降低內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)ROS水平和炎癥。此外,Mg2+信號(hào)傳導(dǎo)增加內(nèi)皮細(xì)胞的存活和生長(zhǎng)、黏附和遷移,還增強(qiáng)cAMP、FGF1/2、Akt、Ang和eNOS表達(dá)促進(jìn)細(xì)胞骨架重組和連接蛋白以增強(qiáng)屏障功能[36]。沉默TRPM7可促進(jìn)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖,并防止高血糖引起的損傷。因此,可以認(rèn)為TRPM7參與了糖尿病的發(fā)生發(fā)展,但目前關(guān)于TRPM7與糖尿病心肌病相關(guān)報(bào)道較少,有待進(jìn)一步研究。

4 總結(jié)與展望

TRPM7作為TRP通道家族成員之一,不僅是胚胎發(fā)育中必要的通道,還發(fā)揮離子通道特性,平衡細(xì)胞內(nèi)外離子發(fā)布,在心臟多種疾病的病理過程中起關(guān)鍵作用。多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)TRPM7介導(dǎo)了離子轉(zhuǎn)運(yùn)參與心肌纖維化、心肌缺血、糖尿病心肌病的發(fā)生,促進(jìn)心肌病變。通道孔與TRPM7分子內(nèi)的激酶結(jié)構(gòu)域的融合促使TRPM7產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化應(yīng)對(duì)各種環(huán)境,將蛋白質(zhì)表達(dá)、離子轉(zhuǎn)運(yùn)和胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)事件結(jié)合起來。因此有必要進(jìn)一步了解TRPM7生物學(xué)功能及作用機(jī)制。目前TRPM7相關(guān)藥物包括抑制劑NS8593,2-氨基乙基二苯基硼酸酯(2-APB),waixenicin A以及多種中藥成分。NS8593作為TRPM7的選擇性抑制劑,阻止了Ca2+內(nèi)流,其可以作為潛在的氣管擴(kuò)張藥物[37]。2-APB具有良好的促進(jìn)皮膚傷口愈合的作用[38],其作用機(jī)制包括通過抑制TRPM7表達(dá)來調(diào)節(jié)成纖維細(xì)胞增殖進(jìn)而改善小鼠皮膚創(chuàng)傷。Waixenicin A是TRPM7的特異性抑制劑,最新研究表明用waixenicin A治療后減少了缺氧缺血性腦損傷[39],因此waixenicin A可能是治療缺血性疾病的有效藥物先導(dǎo)化合物。此外,多種中藥成分,如香芹酚、黃芪甲苷Ⅳ等,是多靶點(diǎn)藥物,研究已表明這些成分可以調(diào)控TRPM7表達(dá)來改善多種疾病[14,40]。關(guān)于TRPM7的研究大多數(shù)處于動(dòng)物模型階段,若想通過TRPM7緩解或者治療相關(guān)疾病,還需要大量研究者進(jìn)行更深一步的研究。本綜述闡述3種心臟疾病和TRPM7的最新關(guān)聯(lián),希望通過對(duì)TRPM7通道多種生物功能的分析討論,為治療相關(guān)疾病以及藥物研究提供理論依據(jù)。