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编者按：细胞信号转导在当今生命科学领域占有极其重要的地位，自20世纪90年代以来，与细胞信号转导有关的研究已两度获诺贝尔医学奖，由此可见一斑。以此为契机，探索疾病的信号转导机制已成为当前国际上倍受瞩目的热点课题。心肌肥大和心力衰竭是大多数心血管疾病的严重或终末阶段，研究其细胞信号转导机制改变及其在发病学中的作用具有非常重要的意义。本专题重点介绍目前这一领域的研究进展，内容涉及心肌肥大和心力衰竭时细胞内信号转导通路的改变、心力衰竭时肾上腺素受体及其信号转导机制的改变等方面。尤其值得一提的是，本专题还包括了利用转基因动物模型研究心力衰竭时肾上腺素机制的内容，从中我们可以领略到这一领域的国外最新研究成果，不仅会对肾上腺素机制在心力衰竭发病中的作用有更新的认识，而且对超表达或敲除基因动物模型在分子心脏病学中的应用有更进一步了解。本专题还涉及到心力衰竭时心肌细胞外基质的改变，提出心力衰竭时除有心肌细胞本身的结构或功能异常外，心肌间质组织尤其是心肌胶原亦发生异常改变，拓宽了人们对心力衰竭发生机制的认识。希望通过本专题的介绍，读者能对细胞信号转导机制在心肌肥大和心力衰竭发生机制中的作用有一个较为全面的认识，并期望推动这一领域基础研究的深入及指导临床防治。
中图分类号：R542.2 文献标识码：A 文章编号：1001-6352(2000)03-0001-04
Abstract:Cardiac hypertrophy is afundamental response of cardiac myocytes to various stimuli such as mechanical overload，humoralfactors and genetic mutations in cardiac contractile protein genes. Beside an increasein cell size and alteration in cell function，the reprograming of gene expression is itsessential mechanism and cellular signal transduction is the important link of externalstimuli to nucleous reaction. At present，cellular signal transduction pathways incardiac hypeytrophy are intensely studing and have made much progress. In the article，the advances in studing on signal transduction of cardiac hypertrophy were summerized.
Key word：cardiac hypertrophy; signal transduction; protein kinase C; mitogen-activated protein kinase; calcineurin
心肌肥大(cardiac hypertrophy)是高血压、瓣膜病、急性心肌梗塞及先天性心脏病等临床常见疾病的一种并发症；是心肌细胞对多种病理刺激的一种适应性反应。初期的心肌肥厚有一定的代偿意义，但持续性心肌肥厚最终可导致扩张性心肌病、心衰和猝死[1] 。
目前对心肌肥大的发病机制仍不完全明了。从细胞水平上心肌肥大可分为三个环节：胞外的肥大刺激、胞内信号转导及核内基因转录的活化，最终诱发细胞发生肥大表型变化[2] 。心肌细胞肥大的表型特征是细胞体积增大、肌原纤维积聚，而无细胞数量的增加。但从某种意义上说，心肌肥大最本质的特征是核内基因表达的改变。大量研究表明，肥大刺激30min以内即可诱发一系列早期反应基因(immediatelyearly response gene，IE gene)如 c-fos、 c-myc、 c-jun、egr-1、hsp-70等的活化；其后一些作为胚心标志的基因如b-MHC、a-skactin、ANF等活化；最后是一些心肌收缩蛋白基因如 MLC-2、a-cd actin等表达上调。不同的刺激因素诱发的基因表达模式不尽相同，这主要取决于它们启动的信号传导通路。当前，对心肌肥大胞内信号转导通路的研究已成为人们认识心肌肥大发病机制的突破口。本文就这一方面的研究进展作一简要综述。
1 心肌肥大的刺激因素
诱导心肌肥大的刺激因素可大致分为两大类：外在刺激和内在刺激。外在刺激主要包括机械负荷、神经体液因子以及心肌缺血、心肌炎所致的心肌细胞减少；内在刺激主要是指心肌细胞收缩蛋白的遗传突变所致的心肌收缩功能异常[3] 。
机械负荷是临床上致心肌肥厚的一种最常见原因。如高血压所致的左室肥厚和肺动脉高压所致的右室肥大。体内外实验亦证实[4] ，牵张刺激是压力超负荷诱发心肌肥大的最直接的刺激因素，并不一定需要神经或体液因子的介入。除了机械负荷外，心脏局部的旁/自分泌因子如血管紧张素(angiotensinII，AngII)、内皮素(endothelin，ET)及生长因子等亦在心肌肥大中起到重要作用[5] 。另外，交感儿茶酚胺系统与心肌肥大亦密切相关。体内外研究证实，儿茶酚胺除了可使血流动力学负荷增加外，其本身亦直接刺激心肌肥大的发生。最近的研究表明，细胞因子如白介素1b(interleukin-1b，IL-1b)、cardiotrophin-1(CT-1)等亦可诱导出独具特征性的心肌肥大[3] 。
2 心肌细胞膜上的信号开关
心肌肥大本质的分子机制是肥大刺激诱导了核内基因表达的改变。然而不同刺激诱导的心肌肥大具有不同的“分子表型”，说明不同的刺激使用了不同的信号“开关”和传导通路，因而导致了不同的生化和转录反应[6] 。在心肌肥大中可能有三种跨膜信号装置起到了信号开关的作用，它们是：G蛋白偶联受体；具有酪氨酸激酶活性的生长因子受体；可利用胞浆非受体酪氨酸激酶的细胞因子受体，它们均可活化细胞内重要的信号通路，另外，离子通道、牵拉敏感的transducer、整合素(integrins)超家族等可能亦开启一组共同的信号通路。
G蛋白偶联受体是一大类受体的总称，如 Ang的 AT1受体，ET-1的ETA受体及去甲肾上腺素(NE)、苯肾上腺素(PE)等的受体都是G蛋白耦联受体，配基与受体结合后，可活化胞内的GTP酶，使G蛋白a亚基与bg亚基分离而活化，Ga可进一步活化下游的磷脂代谢，产生多种磷脂来源的第二信使如cAMP、三磷酸肌醇(IP3)、二酰基甘油(DAG)、磷脂酸(PLA)等分别启动下游不同的信号转导途径。
除了转化生长因子b(TGF-b)和胰岛素样生长因子 II(IGF-II)外，大多数生长因子如表皮生长因子(EGF)、成纤维细胞因子(FGF)、血小板源性生长因子(PDGF)的受体都是跨膜的受体酪氨酸激酶，配基与受体结合后可导致受体二聚体化(dimerization)，使之对各个酪氨酸残基进行交互磷酸化，自身磷酸化的酪氨酸残基可作为多种细胞内信号蛋白的高亲和结合位点，启动下游的信号通路。
另有一种非酪氨酸激酶受体如白介素lb(IL-1b)受体，虽然其受体本身没有酪氨酸激酶活性，但配基与受体结合后，胞内的非受体酪氨酸激酶如JAK(Janus kinase)可吸附于受体胞内段而活化，JAK可直接活化STAT，STAT可转位入核，调节核内基因的表达。最近研究证实[7] ，AngII的AT-l受体亦可活化 JAK，而启动JAK/STAT信号途径。
机械牵拉通过何种机制启动胞内的信号转导通路，一直是一个令人迷惑的问题。目前认为起着“机械受体”样作用的可能主要有下列几种装置[8] ：(1)离子通道：研究证明牵拉心肌细胞可启动Na+ 、Ca2+ 内流；应用抑制剂抑制Na+-H+交换体活性可阻滞牵拉诱导的心肌细胞肥大，提示Na+ 、Ca2+ 通道及Na+-H+交换体可能参与了机械刺激启动的信号传递。(2)整合素：是粘附分子的一大家庭。大量资料显示，机械刺激是从细胞与细胞外基质的粘着位点向胞内传递信息的，整合素可能起着“机械受体”的作用，通过胞内侧的粘着斑激酶(focaladhension kinase，FAK)启动胞内信号传递通路。 (3)受体酪氨酸激酶：有研究表明，机械牵拉细胞膜可能直接引起受体酪氨酸激酶构象的改变而活化。体外牵拉培养的心肌细胞可在短时内使酪氨酸激酶磷酸化，应用酪氨酸激酶抑制剂可阻断牵拉诱导的DNA合成，提示这种机制是可能存在的。
3心肌细胞肥大的信号转导通路
3.1蛋白激酶C及其介导的信号途径
蛋白激酶 C(protein kinase C，PKC)是一个丝/苏氨酸激酶大家族，受磷脂来源的第二信使活化。PKC家族成员在底物、细胞内定位及活化方式上均不同，据此可将PKC分为三大类：(1) conventional PKC(cPKCs)：包括a，β1 ，β2 和g亚型，受 DAG和 Ca2+ 活化；(2)novel PKC(nPKCs)：包括ζ、ε、θ、n/L、mor PKD等亚型，受DAG但不受Ca2+ 活化；(3)atypical PKC(aPKC3 )：包括ζ、Nc等亚型，仅受磷脂活化，不受Ca2+ 或DAG活化。
已有研究证实[9] ，PKC存在于心脏的多种细胞胞浆中，包括心肌细胞，成纤维细胞、内皮细胞、血管平滑肌细胞等。多种肥大刺激如G蛋白偶联的激动剂、肽生长因子、细胞因子、机械牵拉等，可直接活化一种或多种磷脂酶如PLC，释放出DAG，随后活化PKC。佛波脂是一种致癌剂，其可与PKC上的DAG结合位点相互作用，从而活化PKC，可引起心肌细胞肥大。应用PKC抑制剂抑制PKC活性，可拮抗多种因素刺激的心肌细胞的肥大反应。由上可见，PKC活化是肥大信号的一个共同特征。
过度表达PKC的转基因鼠出现心肌肥大，提供了PKC参与肥大反应更为直接的证据。PKC信号途径的上游分子的转基因鼠，亦可引出心肌肥大改变。如Adams等[10] 研究发现，野生型Gaq的过表达可导致心脏的肥大生长。
Simpson等发现[9] ，人的肥厚心肌b PKC的表达升高，可能存在一种自身调控的正反馈。bPKC活化促使其本身基因的表达，使肥大刺激在较长一段时间中均起作用。
PKC除可直接转位入核调节核内基因表达外，还可在胞浆内通过活化Raf-1，而与丝裂素活化蛋白激酶(mitogen-activatedprotein kinase，MAPK)途径偶联起来，是MAPK活化的重要机制之一。
目前认为，PKC是肥大信号传递中一个限速的分子开关(rate-limitingmolecular switch)，是肥大信号传递的共同通路之一，在肥大反应的发生、发展中起到重要作用。
3.2丝裂素活化蛋白激酶及其介导的信号途径
MAPK及其介导的信号途径在正常生理状态下细胞生长和增殖的信号传递中即起重要作用，但在病理刺激引起心肌细胞肥大的信号传递中，其可能亦起重要作用。Yamazaki等[11] 观察到牵拉刺激可按一定顺序活化MAPK途径的多种信号分子，它们的活化顺序是Raf-l和 MAPK激酶的激酶→MAPK激酶→MAPKs→pp96RSK 。应用 PKC抑制剂只能部分阻断牵拉诱导的MAPK级联的活化，提示牵拉诱导的 MAPK级联的活化可能存在 PKC依赖和不依赖两种机制。在Ang II诱导心肌细胞肥大的实验中亦发现，Ang II在不同的细胞中其活化MAPK的途径并不相同。在心肌细胞中，Ang II与AT1 受体结合后，可活化Gq蛋白，进而活化 PLCb，后者水解PIP2 ，释放出 DAG和IP3 ，DAG进一步活化PKC， PKC通过活化Raf-1而活化 MAPK，而在心脏成纤维细胞中，AngII与 AT1 受体结合后，通过Gibg →Src→Shc→Grb2 →Ras→Raf-1→MAPKK→MAPK[12] 。
MAPK家族可分为三大类：ERKs、 SAPK/JNK和 p38 kinase。有研究表明[13]，单纯ERKs的活化不足以启动肥大反应，而SAPK及p38kinase的活化亦与肥大反应密切相关。多种证据证明， SAPK和 p38 kinase可被多种肥大刺激活化，如压力超负荷、Ang、ET-l及生长因子等。 SAPK及p38 kinase的固有活化也可诱导培养心肌细胞出现特征性肥大反应。应用腺病毒介导的编码SAPK突变蛋白的基因(可拮抗SAPK活性)转移心肌细胞，可抑制 ET-1和Ang 诱导的肥大反应。
3.3 Ca2+ 信号及其依赖的信号转导通路
很多研究表明[14] ，细胞Ca2+ 浓度升高是外界刺激和/或内在功能缺陷所致心肌肥大发生发展的中心环节。在体外培养的心肌细胞上，各种肥大刺激如牵拉、AngII、ET-1及儿茶酚胺等均可使胞内 Ca2+ 浓度升高。应用ryanodine预先耗竭胞内Ca2+ 贮库或应用可通透质膜的BAPAB-AM络合胞内的Ca2+ ，均可抑制牵拉及AngII等的致肥大反应。但胞内Ca2+ 通过何种机制诱导核内肥大基因的表达一直不甚清楚。Ca2+ /CaM依赖的蛋白激酶II(CaMPKII)可能通过活化C/EBP转录因子家族，在心肌肥大中起一定作用。但Sadoshima等研究证实在c-fos启动子中，Ca2+ /CRE在介导牵拉刺激的c-fos表达中不起主要作用；而且应用W7抑制CaMPK活性并不影响牵拉诱导的c-fos的表达。最近的研究表明[15] ，Ca2+ 信号还可活化另一条信号通路—Calcineurin(CaN)依赖的信号通路，已证实这条由Ca2+ 活化的、CaN介导的信号途径在心肌肥大中起着至关重要的作用。CaN是一种Ca2+ 依赖的磷酸酶，可通过对转录因子NF-AT3 (nuclearfactor of activated T cells)去磷酸化，而使后者转位入核，NF-AT3可与 GATA4结合调节心脏中ANF、BNP、a-MHC、b-MHC等基因的特异性表达[16] 。我们的研究亦表明[17，18] ，在压力超荷、儿茶酚胺及Ang诱导的心肌肥大中，均存在CaN依赖的信号通路活化，应用环孢素A抑制CaN活性可阻滞心肌肥大的发生。
3.4 其它
JAK/STAT途径亦在某些刺激因素诱导心肌细胞肥大的信号传递中起重要作用。细胞因子受体本身不是酪氨酸激酶，但配基与受体结合后，可与JAK相互作用，JAK是一种非受体酪氨酸激酶，可使其本身及受体上的酪氨酸残基磷酸化，进而活化下游的STAT，STAT可转位入核，调节核内基因的表达。有研究报道，AngII与 AT1 受体结合后亦可活化 JAK/STAT途径，在其诱导的心肌细胞肥大的信号传递中起一定作用。
Cardiotrophin-l(CT-l)是IL-6家族成员，可诱导心肌细胞肥大，其信号是通过gpl30(一种细胞抑制因子受体)依赖的信号通路传导的[19] 。
3.5 信号途径之间的交互联系
目前认为 CaN、PKC和 MAPK通路可能是多种因素诱导心肌肥大的共同通路。CaN通路与其它信号途径存在着多方面的联系，这种联系可能发生在多个不同的环节。一是CaN本身或该通路的其他组分的活化可能受到PKC或MAPK信号途径的调节；二是CaN通路与PKC或MAPK途径可能协同活化某些转录因子，共同启动某些肥大基因的表达。如在T细胞中研究发现，CaN可与PKCθ协同活化JNK，促进IL-2的表达； CaN可与 Ras和 CaMPKⅣ协同诱导 AP-1依赖的 T细胞的基因表达。在心肌细胞中，CaN与CaMPKⅣ可协同活化MEF2 。综上所述，CaN通路与PKC、CaMPK及MAPK级联途径之间是相互联系的，其具体的联系环节仍有待进一步研究。
4 问题及展望
近年来，对心肌肥大胞内信号转导通路的研究虽然取得了很大进展，但仍有很多问题未得到解决。首先是参与肥大信号传递的重要通路如PKC、MAPK、Ca2+ 信号通路均是生理条件下，维持细胞生长、增殖的信号途径，它们是如何区分生理信号与病理信号的差异，而引出不同的细胞反应的？另外，少数几条共同的信号通路，是如何引出各种各样的细胞变化的？如配基与受体结合可通过Ca2+ -CaN-NFAT途径引起各种特异的生物学作用。最近Crabtree[6] 撰文认为可能是通过以下机制实现的：(1)下游信号分子NFATs，在不同组织中有不同的亚型分布，可能承担不同的生物学功能；(2)Ca2+ 瞬变的频率、幅度、持续时间、空间分布可能决定了特定的下游分子的活化；(3)细胞结构的隔室分布。另一个问题是，在介导心肌肥大的信号通路中，哪些通路的活化促使了肥大心肌向心衰的过渡？目前对肥大晚期及心衰时的信号传递仍缺乏深入研究。还有一个问题是，即使介导心肌肥大的所有信号途径均已阐明，但什么时间是阻滞心肌肥大的最佳时机呢？有资料表明[20] ，CsA对压力超荷诱导的肥大反应的部分抑制，可损害左室功能，增加死亡率。同一种刺激如Ang II作用于其特异性受体既可引起心肌细胞肥大，又可引起心肌细胞凋亡，同样的刺激启动了同一套信号系统，如何引起了两种绝然不同的细胞反应的？最近，Wang等[21] 的研究为这一问题提供了某种答案。他们发现p38MAPKa活化可引起心肌细胞凋亡，而p38MAPKb活化则引起心肌细胞肥大。还有一个最重要的问题是，在动物模型及体外培养细胞上所获得的资料，不一定在人体上存在，所有肥大信号传递机制必须在人体上得到证实，才能指导临床上对心肌肥大及心衰的防治。随着生物技术的革新与进步，相信以上问题会得到进一步阐明，并为心肌肥大及心衰的防治提供全新的思路。
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收稿日期：1999-11-15 , http://www.100md.com