方麗花 李泱 張建成

ETV 轉(zhuǎn)錄因子是ETS(Ets translocation variant)基因家族的一個亞家族,對參與細(xì)胞增殖、分化、凋亡、組織重塑與再生等起著關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用[1]。Rommel等[2]研究顯示ETV 基因是血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)誘導(dǎo)心房重構(gòu)所必須的,可能也參與了心房顫動的發(fā)生。Shekhar 等[3]證明ETV1在心臟快速傳導(dǎo)組織中高表達,ETV1條件敲除小鼠可能存在His束-浦肯野纖維系統(tǒng)(HPS)結(jié)構(gòu)缺陷。Lee等[4]認(rèn)為經(jīng)過非轉(zhuǎn)基因干預(yù),ETV2/ER71可直接將出生后的人類細(xì)胞重新編程為具有功能的成熟內(nèi)皮細(xì)胞。ETV2/ER71則為內(nèi)皮細(xì)胞的發(fā)育所必須[5]。筆者對ETV 轉(zhuǎn)系因子及其在心律失常中的作用作一綜述。

1 ETV基因家族

ETV 是ETS轉(zhuǎn)錄因子的一個亞家族。1983 年,首個ETS轉(zhuǎn)錄因子基因在禽類E26紅母細(xì)胞增殖癥病毒中被鑒定出來,故命名為E-26轉(zhuǎn)化特異性基因[6]。ETS家族由28個基因組成,含進化保守的85個氨基酸。ETS結(jié)構(gòu)域顯示有三個α-螺旋和一個β-折疊,共同形成翼狀螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋基序,而5′-GGA(A/T)-3′則為核心結(jié)合序列[7]。利用基因敲除策略發(fā)現(xiàn),ETS家族分為12個亞家族:Ets、TCF、Erg、PEA3(ETV)、GABP、Elf、Erf、Yan、Spi、ESE、PDEF和ER71(ETV2)[8],在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)了20多個不同的ETS基因,它們的基因產(chǎn)物在ETS域外具有廣泛的同源性,而ER71/ETV2與其DNA 結(jié)合域以外的其他已知蛋白沒有同源性。PEA3亞家族具有N-未端的反式激活結(jié)構(gòu)域,由ETV1(ER81)、ETV4(PEA3)和ETV5(ERM)組成。DNA 序列特異性系統(tǒng)分析表明,ETV 家族成員優(yōu)先與5′-ACCGGAAGT-3′結(jié)合。作為激活域,ETV 結(jié)構(gòu)域是以分子內(nèi)方式調(diào)節(jié)的,即ETV 結(jié)構(gòu)域兩側(cè)的氨基酸抑制其DNA 結(jié)合能力,而特異抗體可解除此分子內(nèi)抑制[9]。

ETV 也可以對蛋白質(zhì)-DNA 和蛋白質(zhì)間相互作用產(chǎn)生影響,從而調(diào)節(jié)后者活性。而ETV 結(jié)構(gòu)域外部的序列差異是各自特性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),加之表達模式差異,最終導(dǎo)致ETV發(fā)揮不同的生物學(xué)效應(yīng)。

2 ETV的生物調(diào)控機制

2.1 成纖維細(xì)胞生長因子-RAS-細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(FGF-RAS-ERK)調(diào)節(jié)通路 ETV 的重要性首先在癌癥的研究中得到證實,ETV 基因的異常激活可以模仿致癌的RAS細(xì)胞轉(zhuǎn)化,并發(fā)現(xiàn)三個PEA3/ETV 基因和一個ERG基因與腫瘤發(fā)生有關(guān),ETV1、ETV4、ETV5 轉(zhuǎn)錄因子位于FGF-RAS-ERK 信號通路的下游[10]。Rommel等[2]認(rèn)為ETV1通過G 蛋白偶聯(lián)受體啟動,被RAS-MAPK(絲裂原活化蛋白激酶)通路激活;ETV1 亦可作為Ang II誘導(dǎo)的MAPKs活化下游的轉(zhuǎn)錄靶點,參與心房重構(gòu)。研究表明,ETV 轉(zhuǎn)錄因子在胚胎發(fā)育過程中受FGF 信號調(diào)控,CHIPseq分析揭示受體酪氨酸激酶抑制劑SPRY2是PEA3/ETV家族基因的直接靶標(biāo),Garg等[10]通過ETV-TKO 突變體晶狀體的RNA 原位雜交證實了這一點。進一步研究顯示,Sprauty(SPRY)蛋白反過來可以抑制Ras-MAPK 信號轉(zhuǎn)導(dǎo),這表明SPRY 的ETV 調(diào)節(jié)構(gòu)成一個負(fù)反饋回路。

2.2 NeuRegin-1神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白1(NRG1)調(diào)節(jié)通路 NRG1通過核糖體S6 激酶/絲裂原和應(yīng)激激活蛋白激酶(RSK/MSK)依賴的信號通路,上調(diào)胚胎心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)-β-半乳糖苷酶(cardiac conduction system-lacZ)報告基因的表達。NRG1處理可以增加CCS-LacZ在胚胎心臟中的表達,而ETV1在胚胎和出生后心臟中的表達也顯示NRG1 應(yīng)答[11]。Shekhar等[11]發(fā)現(xiàn),心臟ETV1受NRG1信號的翻譯后調(diào)控,且ETV1是心內(nèi)膜來源的NRG1調(diào)節(jié)心臟快速傳導(dǎo)系統(tǒng)基因轉(zhuǎn)錄過程中的關(guān)鍵因子。NRG1與其同源受體ErbB4的結(jié)合導(dǎo)致二聚化,從而激活下游諸多信號通路(Src、PI3K 和Ras-MAPK)而發(fā)揮作用[11]。Fatkin等[12]構(gòu)建了一個機制模型,指出心臟轉(zhuǎn)錄因子不是孤立作用的,而是與共激活因子和染色質(zhì)調(diào)節(jié)因子相互作用,構(gòu)成大分子轉(zhuǎn)錄復(fù)合體而發(fā)揮效應(yīng)。轉(zhuǎn)錄中介因子(mediator,MED)復(fù)合體在真核生物基因轉(zhuǎn)錄中起著關(guān)鍵的作用。首先發(fā)現(xiàn)MED 介入這些病理是MED13L 基因錯義突變與大動脈轉(zhuǎn)位的相關(guān)性。如今,MED13和MED15也被認(rèn)為與人類先天性心臟病有關(guān)。有證據(jù)表明,心臟MED13 主要參與核受體信號傳導(dǎo)的調(diào)節(jié),從而驅(qū)動參與調(diào)節(jié)心臟和全身能量穩(wěn)態(tài)的基因的轉(zhuǎn)錄。MED13還與多種病理狀況相關(guān),例如代謝綜合征和甲狀腺疾病相關(guān)的心力衰竭[13]。

2.3 Jag1-Notch調(diào)節(jié)通路 Garg等[10]通過轉(zhuǎn)錄組分析表明ETV 全敲除(ETV-TKO)突變體的晶狀體中編碼Notch信號的配體基因Jag1下調(diào),ETV-TKO 晶狀體中Jag1蛋白表達顯著降低,Notch受體通過Jag1 激活的蛋白水解產(chǎn)物Notch1-ICD(Notch1 intracellular domains)染色嚴(yán)重減少;該研究支持ETV 通過調(diào)節(jié)Jag1-Notch信號,控制晶狀體細(xì)胞分化。Li等[14]和Garg等[10]研究證明了晶狀體中Jag1表達受ERK 介導(dǎo)的FGF信號調(diào)控。研究表明ETV 的缺失引起ERK 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的嚴(yán)重紊亂;缺乏ETV 的晶狀體中ERK 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)升高,異常的ERK 激活可能刺激正常情況的下游靶標(biāo),這些靶標(biāo)通常因FGF信號丟失而沉默,導(dǎo)致進一步補償性變化,從而重新連接信號網(wǎng)絡(luò),它強調(diào)ETV 在由FGF 激活的穩(wěn)定細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的復(fù)雜作用,由此給出FGF 連接到Notch信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的完整分子級聯(lián)模式。

3 對心血管系統(tǒng)的生理效應(yīng)

3.1 形態(tài)發(fā)生中的功能 PEA3亞家族在形態(tài)發(fā)生中發(fā)揮重要作用,如早期發(fā)育、器官發(fā)生等[15]。ETV1主要在人腦、心臟中高表達,而在骨骼肌、腎臟等表達較低。ETV1在各發(fā)育階段的梳狀心房心肌(pectinated atrial myocardium,PAM)中均有表達[3]。在胚胎期,ETV1定位于PAM 和心室小梁心肌。在產(chǎn)后,ETV1表達仍保留在PAM 中,但主要局限于心室中的心室傳導(dǎo)系統(tǒng)和HPS。ETV1在竇房結(jié)和房室結(jié)中的表達較低。免疫熒光顯示,ETV1在成年小鼠心臟的PAM 和心室傳導(dǎo)系統(tǒng)中高表達。ETV1在成熟豬和胚胎人心臟中的表達模式是保守的[11]。值得注意的是,心臟轉(zhuǎn)錄因子具有多重相互作用,在心房肌細(xì)胞中已鑒定的ETV1結(jié)合位點,有三分之二與其他心臟轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點重合,且近一半是TBX5結(jié)合位點。盡管Rommel等[2]的數(shù)據(jù)表明,其中一些基因可能另外是ETV1的伴侶,但對何時、何地以及如何地將ETV1募集到轉(zhuǎn)錄復(fù)合物中的全面了解尚待研究。

ETV2的種間保守性很低,與其他ETS 蛋白在保守的DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域只有67%同源性,人和蛙及蛙和魚之間分別63%和81%的同源。ETV2/Etsrp71/ER71 對內(nèi)皮細(xì)胞系的發(fā)育非常重要[1]。ETV2在睪丸中也有表達,在腎上腺及發(fā)育中的大腦低表達。在ES/EB 分化系統(tǒng)中,ETV2 突變的細(xì)胞停滯在胚層祖細(xì)胞階段,未進展至側(cè)板中胚層。ETV2過表達導(dǎo)致Pdgfra下調(diào),促使向內(nèi)皮細(xì)胞分化。伴隨ETV2突變體中內(nèi)皮和造血譜系缺失或ETV2突變,心肌細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞增殖[1]。

ETV4和ETV5在胚胎干細(xì)胞(ESC)中表達,二者可能參與ESC的自我更新和多潛能分化[16]。有研究提示,雙基因敲除ETV4和ETV5,ESC 的增殖和分化降低,參與血管形成和再生[14]。

3.2 血管內(nèi)皮生成中的功能 心內(nèi)膜細(xì)胞在發(fā)育中發(fā)揮著獨特的作用,它們誘導(dǎo)一些心肌細(xì)胞形成心室內(nèi)的心肌嵴。這些細(xì)胞經(jīng)心內(nèi)膜向間充質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化(Endo MT),填充心內(nèi)膜墊,形成心臟瓣膜和部分室間隔和房間隔[17]。重要的是,心內(nèi)膜及其衍生物組織畸形,如先天性心臟瓣膜病或心肌致密化不全,與ETS等轉(zhuǎn)錄因子密切相關(guān)[15]。ETS在內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)育和功能中的作用被廣泛認(rèn)可。Schachterle等[18]報道,在目前存在的多種ETS 轉(zhuǎn)錄因子中,ETS1、FLI1、ETV1、ETV5、ERG 和ETV6在早期胚胎心臟中含量高。人內(nèi)皮細(xì)胞表達19 個ETS 因子,其中ETS1、ETS2、FLI1、ETV2和ETV6為小鼠血管發(fā)育所必須,ETS因子通過結(jié)合多種內(nèi)皮細(xì)胞基因來調(diào)節(jié)血管發(fā)育。Lee等[4]研究首次證明,經(jīng)過一段時間非轉(zhuǎn)基因干預(yù),ER71/ETV2 可直接將人成纖維細(xì)胞重新編程為具有生理功能的成熟內(nèi)皮細(xì)胞。這種新的重新編程模式將使各種心血管疾病的自體細(xì)胞和個性化藥物基因組治療成為可能[4]。

3.3 心臟快速傳導(dǎo)系統(tǒng)中的功能 心臟快速傳導(dǎo)組織分別源于梳狀和小梁狀心肌。此階段,梳狀和小梁細(xì)胞沿著心腔內(nèi)膜表面呈片狀生長,并獲得快傳導(dǎo)基因程序,在快速傳導(dǎo)組織維持到成年期[11]。ETV1 在快速傳導(dǎo)組織中高表達,通過富集Nkx2-5、Gja5 和SCN5A 建立快速傳導(dǎo)表型。ETV1基因缺陷鼠表現(xiàn)出心臟傳導(dǎo)缺陷和心室傳導(dǎo)系統(tǒng)異常[15]。一項表型全基因關(guān)聯(lián)研究(PheWAS)[19]顯示,ETV1與束支傳導(dǎo)阻滯和心臟傳導(dǎo)阻滯有關(guān)。

HPS起源于心臟發(fā)育期間的小梁細(xì)胞系。小梁的形成受心內(nèi)膜衍生的NRG1調(diào)節(jié),后者通過其同源受體復(fù)合物ErbB4和ErbB216 完成該效應(yīng)[2]。NRG1、ErbB4 或ErbB2基因缺失可導(dǎo)致小鼠心臟缺乏快速傳導(dǎo)的小梁區(qū)。進一步發(fā)現(xiàn)NRG1依賴的信號通路參與到心肌細(xì)胞的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò),負(fù)責(zé)HPS 形成。Shekhar等[3]證明ETV1 依賴基因網(wǎng)絡(luò)與心房和浦肯野纖維獨特的電生理特性有關(guān),心肌細(xì)胞特異性ETV1缺失導(dǎo)致心臟傳導(dǎo)異常、傳導(dǎo)相關(guān)基因(Nkx2-5、Gja5和SCN5A)表達下調(diào)。Kim 等[20]過表達IRX3顯示,IRX3可促進12個HPS富集的基因表達,IRX3與NKX2-5/TBX5轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合體相互作用,維持正常的HPS功能。

4 對心律失常的作用

4.1 與心臟分化異常 眾所周知,Wnt信號途徑對促進心肌細(xì)胞分化起著關(guān)鍵作用,ETV2在正常胚胎中可抑制Wnt通路,ETV2突變體,心肌細(xì)胞增殖與分化[5]。ETV2 過表達則影響ES/EB中胚層分化系統(tǒng)功能[21]。

4.2 與房性心律失常 Rommel等[2]發(fā)現(xiàn),小鼠心肌細(xì)胞過表達ETV1心房結(jié)構(gòu)重構(gòu),誘導(dǎo)房性心律失常的發(fā)生;反之,心肌細(xì)胞特異性敲低ETV1則可預(yù)防AngⅡ介導(dǎo)的心房重構(gòu)。ETV1敲除顯示,浦肯野氏纖維、心房肌和心室肌細(xì)胞的鈉電流呈現(xiàn)出不均勻性和正常功能喪失。有趣的是,這些小鼠的表型異常在出生后初期并不顯現(xiàn),但在青春期變得凸顯。12周時,過表達ETV1的小鼠具有明顯的心房擴張和血栓形成,其心室大小和功能正常。擴張的心房的組織病理學(xué)檢查顯示大量間質(zhì)纖維化,伴有肌節(jié)紊亂和線粒體耗竭,伴有心電圖上P波消失,提示傳導(dǎo)改變。

研究表明,ETV1 基因多態(tài)性與心房傳導(dǎo)缺陷密切相關(guān)[15]。永久性心房顫動患者心房組織樣本中發(fā)現(xiàn)ETV1顯著上調(diào)[3]。Rommel等[2]敲除ETV1,可防止Ang II引起的心房纖維化。目前尚不清楚是否有最終的共同信號分子參與心房顫動的啟動與維持。

4.3 與室性心律失常 心室顫動與IRX3有關(guān)[22],IRX3在浦肯野纖維的傳導(dǎo)調(diào)節(jié)中起著重要作用。梳狀心房心肌和HPS特殊的傳導(dǎo)特性與關(guān)鍵傳導(dǎo)基因有關(guān),其中包括SCN5A(編碼心肌鈉通道Nav1.5的α亞單位)和Gja5(編碼高電導(dǎo)縫隙連接蛋白40)最為重要[11]。Shekhar等[11]對ETV1基因敲除小鼠進行電生理分析,發(fā)現(xiàn)ETV1缺陷心臟傳導(dǎo)異常,表現(xiàn)為P 波、PR 間期和QRS 波持續(xù)時間延長。此外,30%的ETV1敲除鼠表現(xiàn)為束支阻滯。心內(nèi)膜電圖記錄顯示,ETV1敲除鼠的AH 和HV間期延長。ETV1基因缺陷的小鼠的心室傳導(dǎo)系統(tǒng)中Nkx2-5、Gja5和SCN5A 的水平降低。生理狀態(tài)下,在心房、浦肯野和心室肌細(xì)胞中鈉電流的生物特性并不均勻,起著心房和浦肯野細(xì)胞有更大的鈉電流,相應(yīng)Nav1.5的表達水平也更高。ETV1的缺失導(dǎo)致心房、浦肯野和心室肌細(xì)胞間鈉電流完全同質(zhì)化,表現(xiàn)出明顯的傳導(dǎo)缺陷。

5 總結(jié)和展望

隨著ETV 的發(fā)現(xiàn),已經(jīng)破譯了ETV 介導(dǎo)的中胚層形成,內(nèi)皮和心臟分化機制的諸多關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對ETV 上、下游基因調(diào)控級聯(lián)的深入探究,是我們清晰地認(rèn)識到心臟轉(zhuǎn)錄因子并非孤立作用,而是與共激活因子和染色質(zhì)調(diào)節(jié)因子提供形成大分子轉(zhuǎn)錄復(fù)合體發(fā)揮效應(yīng)。因此,了解心臟轉(zhuǎn)錄因子對心臟特別是傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)與功能的調(diào)控作用,對于揭示心律失常的發(fā)生發(fā)展機制和干預(yù)靶點的尋找有著重要的意義。