任安民 曲新凱

GATA5是GATA轉(zhuǎn)錄因子家族中的一個(gè)重要轉(zhuǎn)錄因子，GATA家族可分為GATA1/2/3和GATA4/5/6。GATA廣泛存在于真核細(xì)胞生物中，其中GATA1/2/3主要調(diào)節(jié)造血組織發(fā)育，而GATA4/5/6主要調(diào)控心臟發(fā)育，心肌細(xì)胞增殖相關(guān)基因的表達(dá)[1]。其中，GATA5主要調(diào)控心血管細(xì)胞的分化，在心臟早期發(fā)育中有重要作用。近來研究發(fā)現(xiàn)，GATA5可以通過調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮細(xì)胞、心肌祖細(xì)胞等影響心血管疾病的發(fā)生發(fā)展。

1 GATA5概述

GATA5位于20號染色體20q13.3，是由397個(gè)氨基酸組成的轉(zhuǎn)錄因子，可特異性結(jié)合目的基因啟動子區(qū)域的5′-(A/T)GATA(A/G)-3′核苷酸序列[2]。GATA5含有2個(gè)進(jìn)化保守的鋅指結(jié)構(gòu)域，C端結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)與DNA的結(jié)合以及蛋白-蛋白相互作用，N端結(jié)構(gòu)域維持與DNA結(jié)合的特異性和穩(wěn)定性[3]。GATA5在心血管發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用[4]。在胚胎發(fā)育時(shí)期，GATA5的表達(dá)有時(shí)效性，在未受精的卵細(xì)胞到桑葚胚階段，GATA5幾乎沒有表達(dá)，至囊胚階段開始少量表達(dá)，在囊胚發(fā)育階段表達(dá)明顯增加，在心臟搏動開始階段表達(dá)增加至頂峰，在胚胎發(fā)育后期則逐漸回落至一個(gè)相對較高的水平[5]。GATA5在胚胎發(fā)育時(shí)期高表達(dá)于心臟中胚層和內(nèi)胚層中，也表達(dá)于肺臟、泌尿生殖脊、膀胱和腸道的上皮組織中，成年后GATA5主要表達(dá)于心內(nèi)膜，心肌組織，肝、腎、腸道、性腺等器官中。

2 GATA5在心血管疾病中的作用

2.1 GATA5在高血壓中的作用

原發(fā)性高血壓重要的病理機(jī)制之一是內(nèi)皮細(xì)胞可以通過分泌血管緊張因子或者血管舒張因子來影響血壓，同時(shí)內(nèi)皮細(xì)胞的舒縮作用對血管彈性和血壓調(diào)節(jié)也有重要作用。有研究通過單細(xì)胞RNA測序，發(fā)現(xiàn)GATA5在維持腎小球基底膜的完整性中發(fā)揮重要作用，并且與Tbx3、Prdm1和Pbx1等轉(zhuǎn)錄因子共同構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)調(diào)控腎小球穩(wěn)態(tài)[6]。Messaoudi等[7]發(fā)現(xiàn)敲除小鼠體內(nèi)GATA5基因，或者特異性敲除小鼠內(nèi)皮細(xì)胞GATA5基因，均能夠引起血壓升高。與對照組相比，這2種基因敲除動物體內(nèi)均出現(xiàn)了更為嚴(yán)重的腎小球損傷，但是在特異性敲除平滑肌細(xì)胞GATA5的小鼠中未發(fā)現(xiàn)血壓升高。研究認(rèn)為，GATA5可通過調(diào)控內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)一氧化氮合酶3(NOS3)水平和活性，影響一氧化氮(NO)的釋放，進(jìn)而改變血管的舒縮功能，影響腎小球?yàn)V過率和腎小管重吸收，使血容量出現(xiàn)變化，促使血壓改變。

GATA5可通過影響多條信號通路來影響內(nèi)皮細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。內(nèi)皮細(xì)胞在特異性敲除GATA5后，其蛋白激酶B(Akt)和NOS3的磷酸化被顯著抑制，蛋白激酶A(PKA)的3個(gè)磷酸化底物蛋白激酶催化亞單位β(PRKACB)、蛋白激酶調(diào)節(jié)亞單位2β(PRKAR2B)、蛋白激酶AMP活化催化亞基α2(PRKAA2)的表達(dá)也被明顯抑制，而促炎性因子白細(xì)胞介素(IL)-6、細(xì)胞間黏附分子-1(ICAM-1)和骨形態(tài)發(fā)生蛋白4(BMP4)的表達(dá)明顯增高[7]。該研究中的隊(duì)列研究分析提示，GATA5基因中一段區(qū)域存在6種基因變異(rs8113921、rs6061535、rs6142769、rs6587235、 rs6587239和rs6061245)，與抵抗血壓升高的效應(yīng)有密切關(guān)系，如GATA5外顯子5區(qū)域(富含剪切調(diào)控位點(diǎn)的區(qū)域)存在基因變異rs6587239，它造成相應(yīng)區(qū)域的鳥嘌呤被腺嘌呤取代，影響了GATA5的轉(zhuǎn)錄。Guo等[8]研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子Nkx3.2可降低GATA5的胞內(nèi)水平，特異性敲除動物內(nèi)皮細(xì)胞的沉默信息調(diào)節(jié)因子6(SIRT6)可促進(jìn)組蛋白H3第9位氨基酸殘基(H3K9)乙?；?，這可增加Nkx3.2的表達(dá)水平，降低GATA5的表達(dá)水平，進(jìn)而使NO釋放減少，細(xì)胞膜通透性增加，內(nèi)皮細(xì)胞功能失調(diào)，造成血壓增高。Nkx3.2的表達(dá)受表觀遺傳修飾調(diào)控[9]，Nkx3.2是直接抑制GATA5表達(dá)還是通過激活GATA5的抑制物來間接抑制GATA5表達(dá)目前尚未明確，表觀遺傳修飾通過Nkx3.2-GATA5調(diào)控血壓變化的機(jī)制有待進(jìn)一步探討。

2.2 GATA5在心臟發(fā)育中的作用

在心臟發(fā)育過程中，特異性基因的表達(dá)可調(diào)控細(xì)胞發(fā)育類型，最初的心臟祖細(xì)胞發(fā)育為心臟起搏細(xì)胞和工作細(xì)胞。正常的心臟發(fā)育需要轉(zhuǎn)錄因子、信號通路分子以及表觀遺傳調(diào)節(jié)因子的綜合調(diào)節(jié)[10]。GATA5被認(rèn)為是心臟形成過程中的看家調(diào)節(jié)基因，可調(diào)節(jié)相關(guān)心臟基因的表達(dá)，參與心肌細(xì)胞成熟、內(nèi)膜形成及心臟各原始腔室的分化，GATA5呈動態(tài)調(diào)節(jié)模式，隨著胚胎的發(fā)育該基因的表達(dá)逐漸減少。GATA5能促進(jìn)小鼠胚胎干細(xì)胞在體外分化為心肌細(xì)胞并表達(dá)心肌細(xì)胞特有的蛋白，呈現(xiàn)心肌細(xì)胞的生理活性，而GATA4和GATA6沒有這樣的效應(yīng)，這體現(xiàn)了GATA5在心肌細(xì)胞發(fā)育中的獨(dú)特性[11]。

GATA5也參與自噬對心臟發(fā)育的影響。研究發(fā)現(xiàn)胚胎自噬增多可增加胚胎心臟脊柱裂的風(fēng)險(xiǎn)，其調(diào)控方式可能是抑制胚胎心臟管狀組織發(fā)育時(shí)GATA4/5的表達(dá)[12]。Miyagi等[13]發(fā)現(xiàn)GATA4/5/6在斑馬魚心臟發(fā)育的早期階段反式激活連接蛋白36.7(Cx36.7)啟動子區(qū)域，加速Cx36.7的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，促進(jìn)胚胎心臟發(fā)育。也有研究指出GATA5的缺失能使染色質(zhì)可及性發(fā)生明顯改變，造成小鼠心臟發(fā)育畸形[14]。

小泛素相關(guān)修飾物(SUMO)作為泛素相關(guān)類似物(UBL)的重要成員，可與多種靶蛋白結(jié)合，發(fā)揮相應(yīng)的生物學(xué)功能。SUMO化修飾是一種動態(tài)可逆的蛋白質(zhì)翻譯后修飾，在各種細(xì)胞過程如轉(zhuǎn)錄、復(fù)制、細(xì)胞周期和應(yīng)激反應(yīng)中起關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用。在斑馬魚中，GATA5的SUMO化修飾是心臟發(fā)育必不可少的環(huán)節(jié)[15]。對GATA5基因324位賴氨酸(K324)和360位賴氨酸(K360)進(jìn)行修飾，將賴氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)榫彼?，并不會影響GATA5的亞細(xì)胞定位，但能影響GATA5的轉(zhuǎn)錄活性。K324變異能夠有效地修復(fù)斑馬魚體內(nèi)損傷的心臟前體細(xì)胞的分化能力，在GATA5的SUMO化修飾缺失的模型中，心臟發(fā)育的前期標(biāo)志質(zhì)Nkx2.5和Mef2cb均出現(xiàn)異常表達(dá)，且這種異常表達(dá)可由GATA5 SUMO化修飾逆轉(zhuǎn)。

作為調(diào)節(jié)心臟發(fā)育的關(guān)鍵因子，GATA5也參與多種藥物干擾胚胎心臟發(fā)育的過程。6-芐基氨基嘌呤(6-BA)是農(nóng)藥的常用成分，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，研究發(fā)現(xiàn)6-BA可通過p53信號通路促進(jìn)細(xì)胞凋亡，顯著抑制GATA5的表達(dá)，破壞斑馬魚胚胎的心臟發(fā)育[16]。動物體內(nèi)腸道菌群分泌的脂多糖(LPS)能夠通過抑制體內(nèi)GATA5表達(dá)，增加雞胚胎心臟脊柱裂的發(fā)生率。研究認(rèn)為LPS增加體內(nèi)活性氧(ROS)水平，對發(fā)育中的胚胎心臟前體細(xì)胞造成損傷[17]。這給研究GATA5與ROS的關(guān)系帶來啟發(fā)。有研究發(fā)現(xiàn)中藥物質(zhì)α-細(xì)辛腦能夠通過線粒體凋亡途徑加速胚胎心臟細(xì)胞的凋亡，增加心臟畸形率，使靜脈竇-動脈球間距發(fā)生改變，引發(fā)心包積液、心率減慢，而GATA5的mRNA水平出現(xiàn)異常升高[18]。

2.3 GATA5在心臟瓣膜疾病中的作用

GATA5能夠影響心臟瓣膜疾病的發(fā)生發(fā)展。主動脈瓣二葉畸形(BAV)是最常見的先天性心臟病，Laforest等[19]敲除小鼠的GATA5基因，180 d后發(fā)現(xiàn)小鼠的BAV發(fā)病率達(dá)25%，高于GATA5+/+小鼠的5%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)GATA5+/+小鼠的室間隔厚度[(0.643±0.028) mm對(0.814±0.030) mm，P=0.002]、左室后壁厚度[(0.658±0.021) mm對(0.772±0.014) mm,P<0.001]和左室質(zhì)量 (3.840±0.168) mg/g對(4.524±0.183) mg/g，P<0.05]均小于GATA5-/-小鼠。該實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)GATA5-/-小鼠的心肌細(xì)胞數(shù)量減少，但體積明顯增大，在特異性敲除內(nèi)皮細(xì)胞上的GATA5后作用依舊明顯，提示GATA5對內(nèi)皮細(xì)胞也發(fā)揮顯著作用。

心臟瓣膜的形成需要多種調(diào)控增殖、分化和瓣葉重構(gòu)的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的相互作用，GATA5在內(nèi)皮細(xì)胞中有Tbx20和Notch兩條下游調(diào)節(jié)通路，其中Notch1作用顯著[19]。有研究指出內(nèi)皮細(xì)胞釋放的NO是Notch1通路的關(guān)鍵調(diào)控因子，NO能通過調(diào)節(jié)Notch1通路下游因子Hey1的表達(dá)，改變Notch1的核定位[20]。但是有臨床試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在主動脈瓣單葉畸形和主動脈瓣二葉畸形患者的主動脈中，GATA5和內(nèi)皮一氧化氮合酶(eNOS)的mRNA表達(dá)水平顯著高于正常對照組，且在單葉式主動脈瓣畸形組中GATA5和eNOS的表達(dá)水平最高[21]，這提示嚴(yán)重的瓣葉畸形可能代償性刺激了GATA5的表達(dá)。

2.4 GATA5在先天性心臟病中的作用

GATA5基因序列的改變會使其功能部分或完全喪失，促進(jìn)心臟疾病的發(fā)生發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，GATA5的基因變異與家族性心房顫動[22]、法洛四聯(lián)癥、室間隔缺損、房間隔缺損和主動脈瓣二葉畸形等疾病有相關(guān)性。Alonso-Montes等[23]對122個(gè)主動脈瓣二葉畸形患者進(jìn)行基因測序分析，在GATA5中發(fā)現(xiàn)1種罕見的錯(cuò)義突變p.Arg202Gln(rs782614097)，并推斷該突變與人先天性主動脈瓣二葉畸形有關(guān)。Huang等[24]對85例法洛四聯(lián)癥患者進(jìn)行GATA5基因突變研究，發(fā)現(xiàn)2例患者存在GATA5新型雜合突變。1例患者GATA5基因609位的胞嘧啶被鳥嘌呤替代 (c.609C>G)，使得203位氨基酸處的天冬氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)楣劝彼?p.D203E)；另一例患者GATA5基因624位胞嘧啶被腺嘌呤替代(c.624C>A)，導(dǎo)致蛋白截短，使得蛋白N端僅有207個(gè)氨基酸(p.Y208X)。GATA5的這兩種突變能明顯降低GATA5的轉(zhuǎn)錄活性，與患者的法洛四聯(lián)癥關(guān)系密切。Kassab等[25]對185例先天性心臟病患者進(jìn)行研究，在1例右室雙出口患者中首次發(fā)現(xiàn)GATA5基因的純合突變p.Y142H，該突變會導(dǎo)致GATA5轉(zhuǎn)錄活性降低30%～40%。另有研究指出，GATA5基因雜合突變p.G240D與家族性擴(kuò)張型心肌病相關(guān)[26]。Hempel等[27]對1例患有先天性房間隔缺損和室間隔缺損的女嬰進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)2種新型GATA5雜合突變p.Ser19Trp和p.Arg202Gln，且2種突變與嬰兒泌尿生殖系統(tǒng)發(fā)育障礙相關(guān)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，p.Arg202Gln突變可使斑馬魚發(fā)生心臟脊柱裂，使HEK293細(xì)胞出現(xiàn)GATA5核內(nèi)定位錯(cuò)誤，轉(zhuǎn)錄活性降低。

綜上所述，GATA5可調(diào)控內(nèi)皮細(xì)胞舒縮功能和NO釋放，進(jìn)而調(diào)節(jié)血壓，主要機(jī)制可能通過Akt和NOS3的磷酸化來實(shí)現(xiàn)。GATA5還對血管瓣膜以及心臟早期發(fā)育和生長有影響，同時(shí)有助于心肌細(xì)胞的存活。GATA5的SUMO化修飾在心臟發(fā)育過程中有重要作用，多種有關(guān)GATA5的基因變異能夠?qū)е赂鞣N先天性心臟病。近年來有研究發(fā)現(xiàn)GATA5能調(diào)控肝癌細(xì)胞增殖遷移，促進(jìn)基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)-2、MMP-9的分泌[28]。GATA5對內(nèi)皮細(xì)胞作用顯著，而內(nèi)皮細(xì)胞可通過分泌MMP-2、MMP-9參與內(nèi)膜新生，促進(jìn)動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展。因此，GATA5在心血管疾病中的作用有待深入研究。