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        缺氧誘導因子對急性心肌梗死后心肌細胞及細胞外基質(zhì)的影響

        2016-03-09 07:09:03張宇紅鄧麗玉顧新元唐利龍
        國際心血管病雜志 2016年1期
        關鍵詞:急性心肌梗死心肌細胞

        張宇紅 鄧麗玉 林 彬 涂 勝 顧新元 唐利龍

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        缺氧誘導因子對急性心肌梗死后心肌細胞及細胞外基質(zhì)的影響

        張宇紅鄧麗玉林彬涂勝顧新元唐利龍

        【摘要】急性心肌梗死是指冠狀動脈閉塞、血流中斷,使部分心肌因嚴重的缺血缺氧而發(fā)生局部壞死。而缺氧誘導因子作為機體應對缺氧應激的適應性反應的調(diào)控因子,參與了急性心肌梗死時心臟的適應性保護。該文主要介紹缺氧誘導因子的結(jié)構、功能及其對急性心肌梗死后心肌細胞及細胞外基質(zhì)的影響。

        【關鍵詞】急性心肌梗死;缺氧誘導因子;心肌細胞;細胞外基質(zhì);心臟保護

        作者單位:350108福建醫(yī)科大學附屬協(xié)和醫(yī)院心內(nèi)科(張宇紅,鄧麗玉,林彬,涂勝);512000廣東省韶關市粵北人民醫(yī)院心內(nèi)科(顧新元);411199湖南省湘潭市中心醫(yī)院心內(nèi)科(唐利龍)

        1概述

        缺氧誘導因子(hypoxia-inducible factor, HIF)是由α亞基和β亞基組成的異二聚體。哺乳動物有3種HIFα亞基的亞型,包括HIF1α、2α和3α,其蛋白穩(wěn)定性受氧濃度影響;而HIF的β亞基則可穩(wěn)定地在核內(nèi)表達且不受氧濃度調(diào)節(jié)。α亞基和β亞基都是螺旋-環(huán)-螺旋肽蛋白家族的成員。

        缺氧時,脯氨酸羥化酶的活性受抑制,HIF1α通過HLH和PAS區(qū)域與β亞基異源二聚體化,并與轉(zhuǎn)錄的共激活劑CBP/P300相結(jié)合,形成活性轉(zhuǎn)錄復合體,轉(zhuǎn)位至細胞核,介導靶基因缺氧應答部分的反向激活。HIF異二聚體可以識別并結(jié)合靶基因上的缺氧應答序列,這些序列擁有共同的堿基片段5-(A/G)CGTG-3。

        HIF1α在多細胞生物的各種類型細胞中均表達;而HIF2α僅在脊椎動物的特定細胞如角質(zhì)形成細胞表達,參與缺氧條件下新生血管形成;HIF3α也僅在某些特定細胞通過與HIF1α、HIF2α、HIF1β結(jié)合,抑制負性調(diào)節(jié)HIF1α、HIF2α的轉(zhuǎn)錄活性。迄今,大量實驗證明HIF可以調(diào)節(jié)超過200多種基因的轉(zhuǎn)錄活性,在應對缺氧應激損傷的適應性變化中發(fā)揮著重要作用。

        2HIF對急性心肌梗死后心肌的影響

        HIF是急性心肌梗死(AMI)后心臟適應性變化過程中的主要調(diào)節(jié)因子之一。在人和鼠都觀察到,提高HIF活性后心肌梗死面積縮小,左室收縮功能提高,存活率提高[8-9]。HIF的心肌保護作用是由多因素介導的,包括一系列HIF靶基因的轉(zhuǎn)錄及其相應信號轉(zhuǎn)導通路的活化。

        2.1調(diào)節(jié)心肌收縮

        心血管活性肽是心血管系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的重要調(diào)節(jié)者,也是HIF1的靶基因之一,在AMI早期有維持心肌收縮功能的作用[10]。心肌梗死后24 h內(nèi),機體通過激活HIF通路使心血管活性肽水平急劇升高[11],心血管活性肽再通過磷酸肌醇信號途徑PKCε和細胞外信號調(diào)節(jié)激酶途徑ERK1/2,激活下游肌球蛋白輕鏈激酶。肌球蛋白輕鏈被磷酸化后,Ca2+敏感性增強,促進心肌肌絲交聯(lián),使心肌收縮力增強[12],從而實現(xiàn)心臟保護作用。

        2.2調(diào)節(jié)心肌細胞能量代謝

        HIF1α通過多種靶基因共同作用,減少AMI后基礎氧耗,提高葡萄糖利用效率。HIF介導AMI后心肌有氧代謝受抑,無氧酵解增強的過程。實驗發(fā)現(xiàn),HL-1心肌細胞在缺氧后24 h,葡萄糖轉(zhuǎn)運體-1和乳酸水平分別增高5和15倍;線粒體電子傳遞鏈上的各種酶類包括復合體Ⅰ、Ⅳ和順烏頭酸酶的活性也不同程度地降低[13]。HIF1α促進正葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白-1(GLUT-1)、正葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白-3(GLUT-3)和己糖激酶Ⅰ基因(HK-1)、己糖激酶Ⅱ基因(HK-2)基因表達,使葡萄糖形成脫氧葡萄糖而不能進一步代謝[14]; HIF1α促進蛋白激酶(PDK)基因表達,磷酸化丙酮酸脫氫酶(PDH)的催化區(qū)域使之失活,使丙酮酸進入糖酵解途徑[15-16];HIF1α促進乳酸脫氫酶(LDH)和MOT4基因的表達,使丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸排出體外,同時減少線粒體源性自由基形成以減少心肌細胞死亡[17];另外正丙酮酸激酶PKM2既參與糖酵解過程,也與HIF1α結(jié)合促進其反向激活功能,以正反饋機制實現(xiàn)缺氧狀態(tài)下心肌細胞代謝轉(zhuǎn)化[18]。

        2.3調(diào)節(jié)線粒體功能

        HIF通過綜合作用使線粒體產(chǎn)生的自由基減少,起到心肌保護作用。線粒體源性自由基增加會對細胞造成氧化應激損傷[19],HIF1有助于維持AMI后自由基的穩(wěn)態(tài)。HIF上調(diào)線粒體中線粒體蛋白BNIP3的水平,與自噬基因Beclin1競爭結(jié)合癌基因Bcl2后,游離的Beclin1協(xié)同磷脂酰肌醇激酶3激活缺氧誘導性線粒體自溶[20]; HIF抑制線粒體電子傳遞鏈中復合體1和4的活性[21]; HIF激活微小核糖核酸miRNA-210,抑制鐵硫蛋白ISCU1/2,抑制三羧酸循環(huán)順烏頭酶和電子傳遞鏈復合體1的活性[22]。

        2.4調(diào)節(jié)炎癥反應

        炎癥趨化因子(如基質(zhì)細胞衍生因子-12和單核細胞趨化蛋白-5)以及血管黏附分子(如細胞間黏附素和血管源性細胞黏附素)的mRNA表達在心肌梗死區(qū)域升高[23]。而HIF1可控制炎癥反應,起心臟保護作用。有實驗表明,在缺血再灌注前激活HIF活性,可減少心肌細胞表達趨化因子如角質(zhì)細胞源性趨化因子、巨噬細胞炎癥蛋白-2、單核細胞趨化因子-1、中性粒細胞趨化因子和細胞間黏附分子-1的表達,從而抑制中性粒細胞的聚集,明顯降低了梗死面積[24]。

        3心臟細胞外基質(zhì)組成和功能

        正常情況下,細胞外基質(zhì)(ECM)由結(jié)構蛋白、非結(jié)構蛋白和由基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)、金屬蛋白酶組織抑制物(TIMP)組成的蛋白水解系統(tǒng)構成。AMI后,左室細胞外基質(zhì)發(fā)生了一系列形態(tài)和功能的變化,稱為心室重構。異常的心室重構會導致心臟纖維化或心室過度擴張[25-26]。

        心臟細胞外基質(zhì)主要由纖維母細胞活化、增殖分化形成的心肌成纖維細胞合成[27]。基質(zhì)結(jié)構蛋白包括膠原纖維、層黏連蛋白和纖連蛋白,基質(zhì)非結(jié)構蛋白包括結(jié)締組織生長因子、血栓調(diào)節(jié)蛋白、骨橋蛋白、骨黏連蛋白等[28]。其中,結(jié)構蛋白參與維持心室正常結(jié)構和功能;非結(jié)構蛋白通過細胞表面受體、生長因子、蛋白酶等參與調(diào)節(jié)結(jié)構蛋白。

        心臟細胞外基質(zhì)的MMP,主要包括MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-9、MMP-14。MMP可降解心臟所有基質(zhì)成分,受促炎因子如白細胞介素-1、腫瘤壞死因子-α和促纖維化因子如轉(zhuǎn)化生長因子-β、血管緊張素Ⅱ的調(diào)節(jié)[29-30]。MMP也受心肌成纖維細胞來源的TIMP調(diào)節(jié),主要包括TIMP-1和TIMP-2[31]。TIMP是內(nèi)源性MMP活性抑制劑,在維持成纖維細胞和MMP對細胞外基質(zhì)的合成降解平衡中起重要作用[32]。

        4HIF對AMI后細胞外基質(zhì)的影響

        AMI時心肌細胞不可逆性死亡,梗死區(qū)域炎癥細胞浸潤,使心肌成纖維細胞迅速被激活、增殖,釋放炎癥介質(zhì)以及MMP,降解細胞外基質(zhì)并吞噬組織碎片[33-34]。HIF在該過程中通過促基質(zhì)細胞遷移、低氧條件下細胞存活、細胞分化、生長因子釋放和基質(zhì)合成等發(fā)揮重要作用[35]。組織缺氧時,HIF1α上調(diào)P4HA2、P4HA2和PLOD2的基因表達,從而促進膠原沉積[36];HIF1α直接誘導TIMP-1、纖溶酶原激活物抑制劑-1、結(jié)締組織生長因子的表達[37],促進損傷部位膠原沉積;HIF1α激活心臟成纖維細胞內(nèi)的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶-1、DNA甲基轉(zhuǎn)移酶-3β,引起細胞內(nèi)廣泛的DNA甲基化,激活轉(zhuǎn)化生長因子-β信號通路,使細胞表達促纖維化基因產(chǎn)物如Ⅰ型、Ⅲ型膠原和α平滑肌肌動蛋白[38]。HIF1α過度表達則可使成纖維細胞過度增殖、分化,導致過多的基質(zhì)形成及心臟舒張功能障礙。

        5HIF促進AMI后新生血管合成

        AMI后HIF1通過刺激各種來源的促血管生成基因的轉(zhuǎn)錄和表達,如刺激血管內(nèi)皮生長因子、胎盤生長因子、血管生成素Ⅰ和Ⅱ、血小板源性生長因子和基質(zhì)細胞因子1以促進缺血部位新生血管與側(cè)支循環(huán)形成,從而減少梗死面積、保存心功能及降低患者死亡率[39]。在冠狀動脈疾病患者中,HIF1α水平上調(diào)與側(cè)支循環(huán)形成密切相關[40]。在大鼠心肌實驗觀察到HIF還可通過激活絲氨酸/蘇氨酸激酶-AMP依賴的蛋白激酶信號途徑,參與微血管內(nèi)皮細胞的血管形成[41]。HIF1α可通過各種信號通路啟動組織缺氧損傷后的組織修復進程,但其特異性調(diào)節(jié)機制尚未了解。

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        (收稿:2015-06-08修回:2015-08-03)

        (本文編輯:丁媛媛)

        通信作者:顧新元,Email:guxinyuanbob@sina.com

        基金項目:國家自然科學基金項目資助(81170241)

        doi:10.3969/j.issn.1673-6583.2016.01.013

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