心肌细胞肥大的信号转导通路
作者：符民桂 唐朝枢
单位：北京医科大学第一医院心血管研究所，北京 100034
关键词：心肌肥厚；信号转导通路；基因表达
生理科学进展000105 摘要 心肌肥厚是肥大刺激诱导核内基因异常表达的结果，细胞内信号转导通路是肥大刺激与核内基因转录活化的偶联环节。然而，不同刺激诱导的心肌肥大可能具有不同的“分子表型”，这主要取决于它们启动的信号转导通路。对心肌肥大信号转导通路的深入认识，不仅有助于阐明心肌肥厚的细胞分子机制，而且可为药物干预防治心肌肥厚提供新思路。
学科分类号 Q463;R54
Signal Transduction Pathways in Cardiac Myocyte Hypertrophy
, http://www.100md.com
FU Min-Gui,TANG Chao-Shu
(Institute of Cardiovascular Research,the First Hospital,Beijing Medical University,Beijing 100034)
Abstract Cardiac hypertrophy is the consequence of hypertrophic stimulus-induced changes in gene expression,which is linked by intracellular signal transduction.It is likely,however,that there are “molecular phenotypic” differences underlying cardiac hypertrophy triggered by different stimuli,which is caused by the different signal pathways that they initiated.Studying on the signal pathways in cardiac myocyte hypertrophy contributed to elucidate the cellular and molecular mechanisms of cardiac hypertrophy and might find some new strategies for the prevention of cardiac hypertrophy.
, 百拇医药
Key words Cardiac hypertrophy; Signal transduction pathway; Gene expression
心肌肥厚(cardiac hypertrophy)是指心肌细胞增大而无细胞分裂，是心肌细胞对高血压、瓣膜病、急性心肌梗塞及先天性心脏病等常见临床疾病的一种基本应答。由于人出生后不久心肌细胞就失去分裂的能力，所以成年心肌细胞只能以这种机制来适应负荷的增加。虽然初期心肌肥厚是一种有益的适应性反应，以求平衡心肌应激的增加，但长期应激所致的持续性心肌肥厚最终可导致扩张性心肌病、心衰和猝死。
从细胞水平上心肌肥厚可分为三个环节：胞外的肥大刺激信号、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。可诱发心肌肥大的刺激因素主要包括机械应激及多种神经体液因子，如血管紧张素Ⅱ(angiotensin Ⅱ，AngⅡ)、内皮素(endothelin，ET)、儿茶酚胺(catecholamine)、胰岛素样生长因子-1(IGF-1)、转化生长因子β(TGF-β)、白介素-1(IL-1)等。它们均可诱发心肌细胞内一些特异性基因的活化，产生各种特征性的心肌肥厚[1]。
, 百拇医药
心肌肥厚的表型特征是由核内基因表达模式决定的，大量研究表明[2]，肥大刺激30分钟以内即可诱发一系列早期反应基因(immediately early 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β-MHC、a-sk actin、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转导通路。
胞内的信号转导通路是胞外刺激与核内基因活化的偶联环节，对于心肌肥厚的发生发展起着至关重要的作用。对心肌肥大信号转导通路的深入认识，不仅有助于阐明心肌肥厚的细胞分子机制，而且可能为药物干预防治心肌肥厚开拓全新的思路。兹对近年来该领域的研究进展作一简要综述。
一、机械牵拉及其信号转导通路
, 百拇医药
体内外实验证实，牵张刺激是诱发心肌肥大的一个直接的刺激因素，并不一定需要神经或体液因子的介入。然而，牵拉刺激引起的胞内信号转导通路至今仍未完全阐明。Sadoshima等报道(1995)，机械刺激可诱导贮存在心肌细胞分泌颗粒中的AngⅡ释放，通过一种自分泌机制，作用于心肌细胞上的AngⅡ 1型受体(AT1受体)，从而活化蛋白激酶C (protein kinase C,PKC)及丝裂素活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)级联反应。然而机械牵拉诱导的Raf-1和MAPKs的活化并不完全被AngⅡ受体拮抗剂拮抗；另外牵拉刺激的Raf-1和MAPK的活化及氨基酸摄取增加等仅部分依赖PKC的活化；AngⅡ受体拮抗剂或PKC抑制剂可完全阻断AngⅡ诱导的MAPK的活化。进一步的研究[3]发现在AT1A基因敲除的小鼠上，压力超负荷同样可诱导心肌肥大的发生。以上结果说明，机械刺激诱导的心肌细胞肥大反应并不完全由AngⅡ介导，其本身可能直接启动胞内的信号转导，活化核内基因的表达。目前认为机械刺激启动胞内信号转导通路可能存在以下几种机制：(1)作用于细胞表面的机械力可能直接引起与质膜连接的某些分子如生长因子受体、G蛋白、磷脂酶或蛋白激酶的构型改变，从而使其直接活化，启动下游信号转导通路；(2)机械牵拉可能活化细胞上的“mechanotransducer”或“mechanoreceptor”(Komuro等.1994)如机械敏感的离子通道、细胞骨架或整合素，后者继而活化各种信号转导通路；(3)机械应激可能引起某些生长因子释放，这些因子作用于它们相应的受体，从而活化胞内信号系统。有研究表明[4]，压力负荷(PO)和容量负荷 (VO)可分别诱导不同生长因子的释放，如PO可诱导TGFβ3和IGF-1合成增加，而VO则使aFGF合成减少，这种差异可能正是它们产生不同肥大表型的原因。
, 百拇医药
Sadoshima等(1993)观察到牵拉培养的大鼠心肌细胞,可使PKC活性快速增加2倍以上，PKC抑制剂如H-7或staurosporine可完全阻断牵拉诱导的c-fos的表达。表明牵拉刺激可活化心肌细胞内的PKC，而且PKC的活化对牵拉诱导IE基因的表达是必不可少的。
Yamazaki等[5]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-1和MEKK→MAPKK→MAPKs→pp90RSK。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MAPK级联的活化可能存在PKC依赖和不依赖两种机制。最近研究表明，机械刺激可活化心肌细胞中的p21ras，后者可通过活化Raf-1启动MAPK级联反应。
应用EGTA除去培养介质中的Ca2+，对牵拉诱导的c-fos的表达无明显影响；应用ryanodine 耗竭胞内的贮Ca2+或应用可通透细胞膜的BAPTA-AM(一种Ca2+络合剂)，则可显著抑制牵拉诱导的c-fos的表达；说明牵拉诱导c-fos表达的信号通路不依赖外Ca2+的内流，但依赖内贮Ca2+的释放。另一方面应用钙调素(calmodulin,CaM)拮抗剂-W7完全抑制Ca2+/CaM依赖的蛋白激酶的活性，并不影响牵拉诱导的c-fos的表达，说明Ca2+/CaM激酶的活化对牵拉诱导的c-fos的表达并不重要，胞内Ca2+可能通过其他机制起作用[4]。另外的研究证实cAMP途径不参与牵拉诱导的c-fos基因的活化。
, 百拇医药
以上结果表明，牵拉刺激可能主要通过活化PKC和MAPK信号途径启动核内基因的表达；Ca2+信号在介导牵拉刺激的信号传递中可能起重要作用；而cAMP途径可能并不参与牵拉刺激的信号传递。
二、儿茶酚胺及其信号转导通路
儿茶酚胺作为心肌肥大的主要刺激因素之一已被很多研究证实。在急、慢性血流动力学超负荷时，均伴有心交感神经活性和循环血中儿茶酚胺含量增加。动物实验中，长期注射亚高血压剂量的去甲肾上腺素(NE)或异丙肾上腺素(ISO)均可诱发心肌肥大。在心肌细胞培养体系中，加入NE可引起心肌细胞蛋白合成显著增加，这些结果均表明儿茶酚胺可直接刺激心肌细胞肥大。
在心肌细胞上存在α1-和 β1-、β2-肾上腺素受体(AR)，以前曾认为儿茶酚胺刺激的心肌细胞肥大主要是由α1-AR介导的，β-AR不起作用，最近的研究表明[6]，α1-及β-AR均参与介导儿茶酚胺刺激的心肌细胞肥大。心肌细胞上的α1-AR是一种Gq蛋白偶联受体，可通过活化细胞膜的磷脂酶C(PLC-β)，使三磷酸肌醇(IP3)和甘油二酯(DAG)释放，前者使胞内游离Ca2+离子浓度增加，后者可激活PKC，PKC又可通过活化Raf-1而激活MAPK信号途径，MAPK转位入核可活化多种转录因子如SRF、GABA4、AP1等调节核内基因表达。Gillespie-Brown等[7]证实,MAPK信号途径的活化对苯肾上腺素(PE)诱导的ANF、β-MHC、skm-actin等基因的表达是必不可少的 。β-AR是一种Gs偶联受体， 可通过活化腺苷环化酶(AC)使胞内cAMP水平增高，PKA活化。在非心肌细胞中的研究表明， PKA通过使Raf-1激酶Ser43磷酸化而降低Raf-1激酶与ras的亲和性，从而抑制Raf-1激酶/MAPK级联反应 。cAMP升高可抑制某些细胞生长可能与此有关。但在心肌细胞中观察到，β肾上腺素激动剂(ISO)可诱导典型的心肌细胞肥大反应，如蛋白合成速率增加、肌原纤维聚集、c-fos和c-jun 表达 ，其信号途径一直不甚清楚。Bogoyevitch等[8]的研究表明，NE和ISO均可活化心肌细胞中的MAPK，应用佛波酯对心肌细胞预处理可部分下调NE对MAPK的活化作用，但不影响ISO的作用，提示PKC在 NE活化MAPK中起一定作用，但不参与ISO对MAPK的活化。另外，应用BAPTA耗竭胞外Ca2+或用nifepidine或varapamil阻断L-型Ca2+通道可抑制ISO对MAPK的活化，但对NE的作用无影响。说明Ca2+内流在ISO活化MAPK中起重要作用。PKA可磷酸化L-型Ca2+通道，促进Ca2+内流; Gs也可与L-型Ca2+通道偶联而促进Ca2+内流，使胞内Ca2+浓度增加 。Ca2+内流可能通过某种机制活化 MAPK和pp90RSK[9]。PKA不抑制心肌细胞中MAPK的活化可能正是因为心肌细胞中的MAPK不是经由ras途径活化的，而是通过Ca2+的动员而活化的。新近的研究发现[6]，NE诱导的MAPK的活化仅部分受α1-AR阻断剂或β-AR阻断剂的抑制；而同时应用这两种阻断剂则可完全抑制NE的作用，提示NE刺激的心肌细胞肥大可经a1和β-AR共同介导。
, 百拇医药
三 、血管紧张素Ⅱ及其信号转导通路
大量研究表明，心脏局部肾素-血管紧张素系统(RAS)在心肌肥厚的发生发展中起着重要作用；应用血管紧张素转换酶抑制剂ACEI可逆转心肌肥厚；体外实验显示AngⅡ可起着心肌细胞生长因子样作用，是刺激心肌肥厚的主要因素之一。AngⅡ受体主要分为两种亚型：AT1和AT2，AngⅡ刺激心肌肥大的作用是由AT1介导的。AT1受体是一种Gq及Gi偶联受体，一方面可激活PLC，使IP3和DAG生成增加，从而使胞内Ca2+浓度升高及PKC活化；另一方面可抑制AC活性，使cAMP含量下降，减弱了对CRE的激活作用。Sadoshima等(1993)观察到AngⅡ可活化PLC、PLD及PLA2，产生多种磷脂来源的第二信使，如IP3、DAG、磷脂酸(PA)及花生四烯酸(AA)等，从而启动多条信号转导通路。有报道[10]，AngⅡ还可经Ras→MEKK1→SEK途径活化胞内的JNK。对c-fos启动子的突变分析表明 ，AngⅡ刺激的c-fos增加主要是通过血清反应元件(SRE)介导的，Ca2+/CRE不能单独介导AngⅡ诱导的c-fos启动子的活化。
, http://www.100md.com
从以上可见，AngⅡ与 AT1受体结合可活化多条信号通路 ，其中PLC、PKC、SRE在AngⅡ诱导的肥大反应中可能起关键作用，胞内Ca2+及AA代谢产物亦起一定作用。
四、生长因子及其信号转导通路
经典的多肽生长因子可分为5个家族：EGFs、FGFs、IGFs、PDGFs和TGFs，其中FGF、TGFβ、IGF和 PDGF均可引起心肌细胞肥大[11]。在心脏，PDGF由非心肌细胞产生；FGF和TGFβ既可由心肌细胞产生，也可由非心肌细胞产生。IGF主要在肝脏生成，与IGFBP结合存在于循环中。
除了TGFβ和IGF-Ⅱ外 ，大多数生长因子如EGF、FGF、PDGF的受体均是跨膜的受体酪氨酸激酶，可经Ras→Raf→MEK→ERK途径活化核内转录因子，调节核内基因的表达。TGFβ受体是一种受体丝/苏氨酸激酶，Smad蛋白为TGFβ受体的第一个信号转导分子，受活化的受体磷酸化后，可形成复合物迁移入核，与DNA结合蛋白连接活化基因转录[12]。
, 百拇医药
五、细胞因子及其信号转导通路
IL-1β是一种重要的炎症介质，在免疫反应中起重要作用 。在体外培养的心肌细胞上，IL-1β可诱发颇具特征性的心肌细胞肥大[13]。细胞蛋白质含量增加，但胚心基因如a-sk actin、β-MHC表达没有改变，这与血管活性肽及生成因子诱导的心肌细胞肥大不同。Saklatvala等[14]证实IL-1β可活化JNK/SAPK及MAPK级联反应，但对IL-1β与受体结合后触发的信号机制仍不甚清楚。细胞因子受体(CR)本身不是酪氨酸激酶，但配体与受体结合后可与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，从而为下游效应分子提供了很多锚着位点，可通过几条途径活化下游信号通路。
Cardiotrophin-1(CT-1)是一种21.5kD的蛋白质，属IL-6家族成员。CT-1可活化另一种形式的心肌细胞肥大[15]，其特征是心肌细胞显著伸长，这与容量负荷下观察到的心脏形态改变是相似的。另外,CT-1可诱导一组即早基因及ANF基因的活化，但不活化a-sk actin基因。CT-1可在心肌细胞中表达， 因而以自分泌的方式起作用。CT-1的信号是通过gp130(一种白细胞抑制因子受体)依赖的信号通路传导的。Hirota等(1995)证实可表达gp130活化形式的转基因鼠可出现心肌肥大。
, http://www.100md.com
六、甲状腺素及其信号转导通路
在体外培养的心肌细胞上，三碘甲状原氨酸(T3)可诱导一种独具特征的心肌细胞肥大。与其它肥大刺激相反，T3可使a-MHC上调，而使β-MHC下调。有报道[16]，T3对大鼠心脏的正性变时、变力作用是由儿茶酚胺介导的。Bahouth等(1991)也曾证实T3可特异性刺激心肌细胞的β-AR基因表达。但另一方面，T3诱导的心肌肥大作用并不能被β-AR阻断剂阻断。T3可调节几种心肌收缩蛋白以及作为肥大标志的ANF基因的表达。已证实在a-sk actin、a-MHC和SERCA2基因启动子上含有T3反应元件。
T3作用的原始位点是细胞核，但其转运入核的机制仍不甚清楚。已鉴定出胞质内含有多种不同的T3结合蛋白，它们可能在将T3转运到线粒体或细胞核中起决定作用[17]。核内的T3受体(TR)是一种酸性的非组蛋白，属于激素反应性核转录因子超家族成员。 T3-TR复合物可与DNA调节区域的特异序列结合调节基因表达。
, 百拇医药
七、Ca2+信号及其依赖的信号转导通路
很多研究表明[18]，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可能通过活化CREBP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CaMPKⅡ活性并不影响牵拉诱导的c-fos的表达。晚近的研究表明[19]，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、β-MHC等基因的特异性表达[20]。我们的研究亦表明(Fu等，待发表)， 在压力超荷、儿茶酚胺及AngII诱导的心肌肥大中，均存在CaN依赖的信号通路活化，应用环胞素A抑制CaN活性可阻滞心肌肥大的发生。
, 百拇医药
八、结语与展望
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” 和转导通路，因而导致了不同的生化和转录反应。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：(1)G蛋白偶联的AT1、a1-AR和ET受体；(2)具有酪氨酸激酶活性的生长因子受体；(3)可利用胞质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、 整合素超家族等亦可能开启一组共同的信号通路。
介导肥大刺激与基因活化的信号通路有多条，其中MAPK途径可能起到了至关重要的作用，这不仅因为几乎所有的肥大刺激均可活化MAPK级联反应，还因为MAPK可活化与肥大基因结合的多种转录因子。另外，Ca2+信号及PKC亦在心肌肥大中起重要作用。
, 百拇医药
胞内信号转导通路是一个复杂的调节网络，不但各条通路之间存在各种交互联系，相互协同、相互制约；而且受到细胞代谢及其它生化反应的调节。对肥大信号通路的调控及肥大信号对核内基因表达的调控是当前该领域的热点课题。
国家自然科学基金重点项目(39730220)资助课题
参考文献
1，Glennon PE,Sugden PH,Poole-Wilson PA.Cellular mechanisms of cardiac hypertrophy.Br Heart J,1995,73∶496～499.
2，Hefti MA,Harder BA,Eppenberger HM,et al.Signaling pathways in cardiac myocyte hypertrophy.J Mol Cell Cardiol,1997,29∶2873～2892.
, 百拇医药
3，Harada K,Komuro I,Shiojima I,et al.Pressure overload induces cardiac hypertrophy in angiotensin Ⅱ type 1A receptor knockout mice.Circulation,1998,97∶1952～1959.
4，Calderone A,Takahashi N,Izzo NJ,et al.Pressure- and volume-induced left ventricular hypertrophies are associated with distinct myocyte phenotypes and differential induction of peptide growth factor mRNAs.Circulation,1995,92∶2385～2390.
5，Yamazaki,Komuro I,Kudoh S,et al.Mechanical stress activates protein kinase cascade of phosphorylation in neonatal rat cardiac myocytes.J Clin Invest,1995,96∶438～446.
, 百拇医药
6，Yamazaki T,Komuro I,Zou Y,et al.Norepinephrine induces the raf-1 kinase/mitogen-activated protein kinase cascade through both α1 and β-adrenoceptors.Circulation,1997,95∶1260～1268.
7，Cillespie-Brown J,Fuller SJ,Bogoyevitch MA,et al.The mitogen-activated protein kinase kinase MEK1 stimulates a pattern of gene expression typical of the hypertrophic phenotype in rat ventricular cardiomyocytes.J Biol Chem,1995,270∶28092～28096.
8，Bogoyevitch MA,Anderson MB,Gillespie-Brown J,et al.Adrenergic receptor stimulation of the mitogen-activated protein kinase cascade and cardiac hypertrophy.Biochem J,1996,314∶115～121.
, 百拇医药
9，Sadoshima J,Qiu Z,Morgan JP,et al.Angiotensin Ⅱ and other hypertrophic stimuli mediated by G protein-coupled receptors activate tyrosine kinase,mitogen-activated protein kinase,and 90kD S6 kinase in cardiac myocytes:the critical role of Ca2+-dependent signaling.Circ Res,1995,76∶1～15.
10，Kudoh S,Komuro I,Mizuno T,et al.Angiotensin Ⅱ stimulates c-Jun NH2-terminal kinase in cultured cardiac myocytes of neonatal rats.Circ Res,1997,80∶139～146.
, 百拇医药
11，Long CS.Autocrine and paracrine regulation of myocardial cell growth in vitro:the TGFbeta paradigm.Trends Cardiovasc Med,1996,6∶217～226.
12，Massague J,Hata A,Liu F.TGF-beta signalling through the Smad pathway.Trend Cell Biol,1997,7∶187～192.
13，Paatten M,Hartogensis WE,Long CS.Interleukin-1 beta is a negative transcriptional regulator of alpha1 adrenergic induced gene expression in cultured cardiac myocytes.J Biol Chem,1996,271∶21134～21141.
, 百拇医药
14，Saklatvala J,Davis W,Guesdon F.Interleukin l(IL1) and tumour necrosis factor (TNF) signal transduction.Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci,1996,351∶151～157.
15，Wollert KC,Taga T,Saito M,et al.Cardiotrophin-1 activates a distinct form of cardiac muscle cell hypertrophy.Assembly of sarcomeric units in series VIA gp130/leukemia inhibitory factor receptor-dependent pathways.J Biol Chem,1996,271∶9535～9545.
16，Zimmer HG,Irlbeck M ,Kolbeck-Ruhmkorff CK.Response of the rat heart to catecholamines and thyroid hormones.Mol Cell BioChem,1995,147∶105～114.
, 百拇医药
17，Ichikawa K,Hashijume k.Thyroid hormones action in the cell.Endocr J,1995,42∶131～140.
18，Sadoshima J,Izumo S.The cellular and molecular response of cardiac myocytes to mechanical stress.Annu Rev Physiol,1997,59∶551～571.
19，Molkentin JD,Lu JR,Antos CL,etal.A calcineurin dependent transcriptional pathway for cardiac hypertrophy.Cell,1998,93∶215～228.
20，Molkentin JD,Olson EN.GATA4:a novel transcriptional regulator of cardiac hypertrophy? Circulation,1997,96∶3833～3835., http://www.100md.com
单位：北京医科大学第一医院心血管研究所，北京 100034
关键词：心肌肥厚；信号转导通路；基因表达
生理科学进展000105 摘要 心肌肥厚是肥大刺激诱导核内基因异常表达的结果，细胞内信号转导通路是肥大刺激与核内基因转录活化的偶联环节。然而，不同刺激诱导的心肌肥大可能具有不同的“分子表型”，这主要取决于它们启动的信号转导通路。对心肌肥大信号转导通路的深入认识，不仅有助于阐明心肌肥厚的细胞分子机制，而且可为药物干预防治心肌肥厚提供新思路。
学科分类号 Q463;R54
Signal Transduction Pathways in Cardiac Myocyte Hypertrophy
, http://www.100md.com
FU Min-Gui,TANG Chao-Shu
(Institute of Cardiovascular Research,the First Hospital,Beijing Medical University,Beijing 100034)
Abstract Cardiac hypertrophy is the consequence of hypertrophic stimulus-induced changes in gene expression,which is linked by intracellular signal transduction.It is likely,however,that there are “molecular phenotypic” differences underlying cardiac hypertrophy triggered by different stimuli,which is caused by the different signal pathways that they initiated.Studying on the signal pathways in cardiac myocyte hypertrophy contributed to elucidate the cellular and molecular mechanisms of cardiac hypertrophy and might find some new strategies for the prevention of cardiac hypertrophy.
, 百拇医药
Key words Cardiac hypertrophy; Signal transduction pathway; Gene expression
心肌肥厚(cardiac hypertrophy)是指心肌细胞增大而无细胞分裂，是心肌细胞对高血压、瓣膜病、急性心肌梗塞及先天性心脏病等常见临床疾病的一种基本应答。由于人出生后不久心肌细胞就失去分裂的能力，所以成年心肌细胞只能以这种机制来适应负荷的增加。虽然初期心肌肥厚是一种有益的适应性反应，以求平衡心肌应激的增加，但长期应激所致的持续性心肌肥厚最终可导致扩张性心肌病、心衰和猝死。
从细胞水平上心肌肥厚可分为三个环节：胞外的肥大刺激信号、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。可诱发心肌肥大的刺激因素主要包括机械应激及多种神经体液因子，如血管紧张素Ⅱ(angiotensin Ⅱ，AngⅡ)、内皮素(endothelin，ET)、儿茶酚胺(catecholamine)、胰岛素样生长因子-1(IGF-1)、转化生长因子β(TGF-β)、白介素-1(IL-1)等。它们均可诱发心肌细胞内一些特异性基因的活化，产生各种特征性的心肌肥厚[1]。
, 百拇医药
心肌肥厚的表型特征是由核内基因表达模式决定的，大量研究表明[2]，肥大刺激30分钟以内即可诱发一系列早期反应基因(immediately early 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β-MHC、a-sk actin、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转导通路。
胞内的信号转导通路是胞外刺激与核内基因活化的偶联环节，对于心肌肥厚的发生发展起着至关重要的作用。对心肌肥大信号转导通路的深入认识，不仅有助于阐明心肌肥厚的细胞分子机制，而且可能为药物干预防治心肌肥厚开拓全新的思路。兹对近年来该领域的研究进展作一简要综述。
一、机械牵拉及其信号转导通路
, 百拇医药
体内外实验证实，牵张刺激是诱发心肌肥大的一个直接的刺激因素，并不一定需要神经或体液因子的介入。然而，牵拉刺激引起的胞内信号转导通路至今仍未完全阐明。Sadoshima等报道(1995)，机械刺激可诱导贮存在心肌细胞分泌颗粒中的AngⅡ释放，通过一种自分泌机制，作用于心肌细胞上的AngⅡ 1型受体(AT1受体)，从而活化蛋白激酶C (protein kinase C,PKC)及丝裂素活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)级联反应。然而机械牵拉诱导的Raf-1和MAPKs的活化并不完全被AngⅡ受体拮抗剂拮抗；另外牵拉刺激的Raf-1和MAPK的活化及氨基酸摄取增加等仅部分依赖PKC的活化；AngⅡ受体拮抗剂或PKC抑制剂可完全阻断AngⅡ诱导的MAPK的活化。进一步的研究[3]发现在AT1A基因敲除的小鼠上，压力超负荷同样可诱导心肌肥大的发生。以上结果说明，机械刺激诱导的心肌细胞肥大反应并不完全由AngⅡ介导，其本身可能直接启动胞内的信号转导，活化核内基因的表达。目前认为机械刺激启动胞内信号转导通路可能存在以下几种机制：(1)作用于细胞表面的机械力可能直接引起与质膜连接的某些分子如生长因子受体、G蛋白、磷脂酶或蛋白激酶的构型改变，从而使其直接活化，启动下游信号转导通路；(2)机械牵拉可能活化细胞上的“mechanotransducer”或“mechanoreceptor”(Komuro等.1994)如机械敏感的离子通道、细胞骨架或整合素，后者继而活化各种信号转导通路；(3)机械应激可能引起某些生长因子释放，这些因子作用于它们相应的受体，从而活化胞内信号系统。有研究表明[4]，压力负荷(PO)和容量负荷 (VO)可分别诱导不同生长因子的释放，如PO可诱导TGFβ3和IGF-1合成增加，而VO则使aFGF合成减少，这种差异可能正是它们产生不同肥大表型的原因。
, 百拇医药
Sadoshima等(1993)观察到牵拉培养的大鼠心肌细胞,可使PKC活性快速增加2倍以上，PKC抑制剂如H-7或staurosporine可完全阻断牵拉诱导的c-fos的表达。表明牵拉刺激可活化心肌细胞内的PKC，而且PKC的活化对牵拉诱导IE基因的表达是必不可少的。
Yamazaki等[5]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-1和MEKK→MAPKK→MAPKs→pp90RSK。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MAPK级联的活化可能存在PKC依赖和不依赖两种机制。最近研究表明，机械刺激可活化心肌细胞中的p21ras，后者可通过活化Raf-1启动MAPK级联反应。
应用EGTA除去培养介质中的Ca2+，对牵拉诱导的c-fos的表达无明显影响；应用ryanodine 耗竭胞内的贮Ca2+或应用可通透细胞膜的BAPTA-AM(一种Ca2+络合剂)，则可显著抑制牵拉诱导的c-fos的表达；说明牵拉诱导c-fos表达的信号通路不依赖外Ca2+的内流，但依赖内贮Ca2+的释放。另一方面应用钙调素(calmodulin,CaM)拮抗剂-W7完全抑制Ca2+/CaM依赖的蛋白激酶的活性，并不影响牵拉诱导的c-fos的表达，说明Ca2+/CaM激酶的活化对牵拉诱导的c-fos的表达并不重要，胞内Ca2+可能通过其他机制起作用[4]。另外的研究证实cAMP途径不参与牵拉诱导的c-fos基因的活化。
, 百拇医药
以上结果表明，牵拉刺激可能主要通过活化PKC和MAPK信号途径启动核内基因的表达；Ca2+信号在介导牵拉刺激的信号传递中可能起重要作用；而cAMP途径可能并不参与牵拉刺激的信号传递。
二、儿茶酚胺及其信号转导通路
儿茶酚胺作为心肌肥大的主要刺激因素之一已被很多研究证实。在急、慢性血流动力学超负荷时，均伴有心交感神经活性和循环血中儿茶酚胺含量增加。动物实验中，长期注射亚高血压剂量的去甲肾上腺素(NE)或异丙肾上腺素(ISO)均可诱发心肌肥大。在心肌细胞培养体系中，加入NE可引起心肌细胞蛋白合成显著增加，这些结果均表明儿茶酚胺可直接刺激心肌细胞肥大。
在心肌细胞上存在α1-和 β1-、β2-肾上腺素受体(AR)，以前曾认为儿茶酚胺刺激的心肌细胞肥大主要是由α1-AR介导的，β-AR不起作用，最近的研究表明[6]，α1-及β-AR均参与介导儿茶酚胺刺激的心肌细胞肥大。心肌细胞上的α1-AR是一种Gq蛋白偶联受体，可通过活化细胞膜的磷脂酶C(PLC-β)，使三磷酸肌醇(IP3)和甘油二酯(DAG)释放，前者使胞内游离Ca2+离子浓度增加，后者可激活PKC，PKC又可通过活化Raf-1而激活MAPK信号途径，MAPK转位入核可活化多种转录因子如SRF、GABA4、AP1等调节核内基因表达。Gillespie-Brown等[7]证实,MAPK信号途径的活化对苯肾上腺素(PE)诱导的ANF、β-MHC、skm-actin等基因的表达是必不可少的 。β-AR是一种Gs偶联受体， 可通过活化腺苷环化酶(AC)使胞内cAMP水平增高，PKA活化。在非心肌细胞中的研究表明， PKA通过使Raf-1激酶Ser43磷酸化而降低Raf-1激酶与ras的亲和性，从而抑制Raf-1激酶/MAPK级联反应 。cAMP升高可抑制某些细胞生长可能与此有关。但在心肌细胞中观察到，β肾上腺素激动剂(ISO)可诱导典型的心肌细胞肥大反应，如蛋白合成速率增加、肌原纤维聚集、c-fos和c-jun 表达 ，其信号途径一直不甚清楚。Bogoyevitch等[8]的研究表明，NE和ISO均可活化心肌细胞中的MAPK，应用佛波酯对心肌细胞预处理可部分下调NE对MAPK的活化作用，但不影响ISO的作用，提示PKC在 NE活化MAPK中起一定作用，但不参与ISO对MAPK的活化。另外，应用BAPTA耗竭胞外Ca2+或用nifepidine或varapamil阻断L-型Ca2+通道可抑制ISO对MAPK的活化，但对NE的作用无影响。说明Ca2+内流在ISO活化MAPK中起重要作用。PKA可磷酸化L-型Ca2+通道，促进Ca2+内流; Gs也可与L-型Ca2+通道偶联而促进Ca2+内流，使胞内Ca2+浓度增加 。Ca2+内流可能通过某种机制活化 MAPK和pp90RSK[9]。PKA不抑制心肌细胞中MAPK的活化可能正是因为心肌细胞中的MAPK不是经由ras途径活化的，而是通过Ca2+的动员而活化的。新近的研究发现[6]，NE诱导的MAPK的活化仅部分受α1-AR阻断剂或β-AR阻断剂的抑制；而同时应用这两种阻断剂则可完全抑制NE的作用，提示NE刺激的心肌细胞肥大可经a1和β-AR共同介导。
, 百拇医药
三 、血管紧张素Ⅱ及其信号转导通路
大量研究表明，心脏局部肾素-血管紧张素系统(RAS)在心肌肥厚的发生发展中起着重要作用；应用血管紧张素转换酶抑制剂ACEI可逆转心肌肥厚；体外实验显示AngⅡ可起着心肌细胞生长因子样作用，是刺激心肌肥厚的主要因素之一。AngⅡ受体主要分为两种亚型：AT1和AT2，AngⅡ刺激心肌肥大的作用是由AT1介导的。AT1受体是一种Gq及Gi偶联受体，一方面可激活PLC，使IP3和DAG生成增加，从而使胞内Ca2+浓度升高及PKC活化；另一方面可抑制AC活性，使cAMP含量下降，减弱了对CRE的激活作用。Sadoshima等(1993)观察到AngⅡ可活化PLC、PLD及PLA2，产生多种磷脂来源的第二信使，如IP3、DAG、磷脂酸(PA)及花生四烯酸(AA)等，从而启动多条信号转导通路。有报道[10]，AngⅡ还可经Ras→MEKK1→SEK途径活化胞内的JNK。对c-fos启动子的突变分析表明 ，AngⅡ刺激的c-fos增加主要是通过血清反应元件(SRE)介导的，Ca2+/CRE不能单独介导AngⅡ诱导的c-fos启动子的活化。
, http://www.100md.com
从以上可见，AngⅡ与 AT1受体结合可活化多条信号通路 ，其中PLC、PKC、SRE在AngⅡ诱导的肥大反应中可能起关键作用，胞内Ca2+及AA代谢产物亦起一定作用。
四、生长因子及其信号转导通路
经典的多肽生长因子可分为5个家族：EGFs、FGFs、IGFs、PDGFs和TGFs，其中FGF、TGFβ、IGF和 PDGF均可引起心肌细胞肥大[11]。在心脏，PDGF由非心肌细胞产生；FGF和TGFβ既可由心肌细胞产生，也可由非心肌细胞产生。IGF主要在肝脏生成，与IGFBP结合存在于循环中。
除了TGFβ和IGF-Ⅱ外 ，大多数生长因子如EGF、FGF、PDGF的受体均是跨膜的受体酪氨酸激酶，可经Ras→Raf→MEK→ERK途径活化核内转录因子，调节核内基因的表达。TGFβ受体是一种受体丝/苏氨酸激酶，Smad蛋白为TGFβ受体的第一个信号转导分子，受活化的受体磷酸化后，可形成复合物迁移入核，与DNA结合蛋白连接活化基因转录[12]。
, 百拇医药
五、细胞因子及其信号转导通路
IL-1β是一种重要的炎症介质，在免疫反应中起重要作用 。在体外培养的心肌细胞上，IL-1β可诱发颇具特征性的心肌细胞肥大[13]。细胞蛋白质含量增加，但胚心基因如a-sk actin、β-MHC表达没有改变，这与血管活性肽及生成因子诱导的心肌细胞肥大不同。Saklatvala等[14]证实IL-1β可活化JNK/SAPK及MAPK级联反应，但对IL-1β与受体结合后触发的信号机制仍不甚清楚。细胞因子受体(CR)本身不是酪氨酸激酶，但配体与受体结合后可与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，从而为下游效应分子提供了很多锚着位点，可通过几条途径活化下游信号通路。
Cardiotrophin-1(CT-1)是一种21.5kD的蛋白质，属IL-6家族成员。CT-1可活化另一种形式的心肌细胞肥大[15]，其特征是心肌细胞显著伸长，这与容量负荷下观察到的心脏形态改变是相似的。另外,CT-1可诱导一组即早基因及ANF基因的活化，但不活化a-sk actin基因。CT-1可在心肌细胞中表达， 因而以自分泌的方式起作用。CT-1的信号是通过gp130(一种白细胞抑制因子受体)依赖的信号通路传导的。Hirota等(1995)证实可表达gp130活化形式的转基因鼠可出现心肌肥大。
, http://www.100md.com
六、甲状腺素及其信号转导通路
在体外培养的心肌细胞上，三碘甲状原氨酸(T3)可诱导一种独具特征的心肌细胞肥大。与其它肥大刺激相反，T3可使a-MHC上调，而使β-MHC下调。有报道[16]，T3对大鼠心脏的正性变时、变力作用是由儿茶酚胺介导的。Bahouth等(1991)也曾证实T3可特异性刺激心肌细胞的β-AR基因表达。但另一方面，T3诱导的心肌肥大作用并不能被β-AR阻断剂阻断。T3可调节几种心肌收缩蛋白以及作为肥大标志的ANF基因的表达。已证实在a-sk actin、a-MHC和SERCA2基因启动子上含有T3反应元件。
T3作用的原始位点是细胞核，但其转运入核的机制仍不甚清楚。已鉴定出胞质内含有多种不同的T3结合蛋白，它们可能在将T3转运到线粒体或细胞核中起决定作用[17]。核内的T3受体(TR)是一种酸性的非组蛋白，属于激素反应性核转录因子超家族成员。 T3-TR复合物可与DNA调节区域的特异序列结合调节基因表达。
, 百拇医药
七、Ca2+信号及其依赖的信号转导通路
很多研究表明[18]，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可能通过活化CREBP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CaMPKⅡ活性并不影响牵拉诱导的c-fos的表达。晚近的研究表明[19]，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、β-MHC等基因的特异性表达[20]。我们的研究亦表明(Fu等，待发表)， 在压力超荷、儿茶酚胺及AngII诱导的心肌肥大中，均存在CaN依赖的信号通路活化，应用环胞素A抑制CaN活性可阻滞心肌肥大的发生。
, 百拇医药
八、结语与展望
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” 和转导通路，因而导致了不同的生化和转录反应。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：(1)G蛋白偶联的AT1、a1-AR和ET受体；(2)具有酪氨酸激酶活性的生长因子受体；(3)可利用胞质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、 整合素超家族等亦可能开启一组共同的信号通路。
介导肥大刺激与基因活化的信号通路有多条，其中MAPK途径可能起到了至关重要的作用，这不仅因为几乎所有的肥大刺激均可活化MAPK级联反应，还因为MAPK可活化与肥大基因结合的多种转录因子。另外，Ca2+信号及PKC亦在心肌肥大中起重要作用。
, 百拇医药
胞内信号转导通路是一个复杂的调节网络，不但各条通路之间存在各种交互联系，相互协同、相互制约；而且受到细胞代谢及其它生化反应的调节。对肥大信号通路的调控及肥大信号对核内基因表达的调控是当前该领域的热点课题。
国家自然科学基金重点项目(39730220)资助课题
参考文献
1，Glennon PE,Sugden PH,Poole-Wilson PA.Cellular mechanisms of cardiac hypertrophy.Br Heart J,1995,73∶496～499.
2，Hefti MA,Harder BA,Eppenberger HM,et al.Signaling pathways in cardiac myocyte hypertrophy.J Mol Cell Cardiol,1997,29∶2873～2892.
, 百拇医药
3，Harada K,Komuro I,Shiojima I,et al.Pressure overload induces cardiac hypertrophy in angiotensin Ⅱ type 1A receptor knockout mice.Circulation,1998,97∶1952～1959.
4，Calderone A,Takahashi N,Izzo NJ,et al.Pressure- and volume-induced left ventricular hypertrophies are associated with distinct myocyte phenotypes and differential induction of peptide growth factor mRNAs.Circulation,1995,92∶2385～2390.
5，Yamazaki,Komuro I,Kudoh S,et al.Mechanical stress activates protein kinase cascade of phosphorylation in neonatal rat cardiac myocytes.J Clin Invest,1995,96∶438～446.
, 百拇医药
6，Yamazaki T,Komuro I,Zou Y,et al.Norepinephrine induces the raf-1 kinase/mitogen-activated protein kinase cascade through both α1 and β-adrenoceptors.Circulation,1997,95∶1260～1268.
7，Cillespie-Brown J,Fuller SJ,Bogoyevitch MA,et al.The mitogen-activated protein kinase kinase MEK1 stimulates a pattern of gene expression typical of the hypertrophic phenotype in rat ventricular cardiomyocytes.J Biol Chem,1995,270∶28092～28096.
8，Bogoyevitch MA,Anderson MB,Gillespie-Brown J,et al.Adrenergic receptor stimulation of the mitogen-activated protein kinase cascade and cardiac hypertrophy.Biochem J,1996,314∶115～121.
, 百拇医药
9，Sadoshima J,Qiu Z,Morgan JP,et al.Angiotensin Ⅱ and other hypertrophic stimuli mediated by G protein-coupled receptors activate tyrosine kinase,mitogen-activated protein kinase,and 90kD S6 kinase in cardiac myocytes:the critical role of Ca2+-dependent signaling.Circ Res,1995,76∶1～15.
10，Kudoh S,Komuro I,Mizuno T,et al.Angiotensin Ⅱ stimulates c-Jun NH2-terminal kinase in cultured cardiac myocytes of neonatal rats.Circ Res,1997,80∶139～146.
, 百拇医药
11，Long CS.Autocrine and paracrine regulation of myocardial cell growth in vitro:the TGFbeta paradigm.Trends Cardiovasc Med,1996,6∶217～226.
12，Massague J,Hata A,Liu F.TGF-beta signalling through the Smad pathway.Trend Cell Biol,1997,7∶187～192.
13，Paatten M,Hartogensis WE,Long CS.Interleukin-1 beta is a negative transcriptional regulator of alpha1 adrenergic induced gene expression in cultured cardiac myocytes.J Biol Chem,1996,271∶21134～21141.
, 百拇医药
14，Saklatvala J,Davis W,Guesdon F.Interleukin l(IL1) and tumour necrosis factor (TNF) signal transduction.Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci,1996,351∶151～157.
15，Wollert KC,Taga T,Saito M,et al.Cardiotrophin-1 activates a distinct form of cardiac muscle cell hypertrophy.Assembly of sarcomeric units in series VIA gp130/leukemia inhibitory factor receptor-dependent pathways.J Biol Chem,1996,271∶9535～9545.
16，Zimmer HG,Irlbeck M ,Kolbeck-Ruhmkorff CK.Response of the rat heart to catecholamines and thyroid hormones.Mol Cell BioChem,1995,147∶105～114.
, 百拇医药
17，Ichikawa K,Hashijume k.Thyroid hormones action in the cell.Endocr J,1995,42∶131～140.
18，Sadoshima J,Izumo S.The cellular and molecular response of cardiac myocytes to mechanical stress.Annu Rev Physiol,1997,59∶551～571.
19，Molkentin JD,Lu JR,Antos CL,etal.A calcineurin dependent transcriptional pathway for cardiac hypertrophy.Cell,1998,93∶215～228.
20，Molkentin JD,Olson EN.GATA4:a novel transcriptional regulator of cardiac hypertrophy? Circulation,1997,96∶3833～3835., http://www.100md.com