转化生长因子-β1对心房结构重构及细胞骨架蛋白的影响

刘发金 综述 肖骅 审校

(重庆医科大学附属第一医院心内科，重庆 400016)

心房颤动是临床最常见的持续性心律失常。心房颤动的发生过程同时伴有电重构和结构重构，电重构可进一步引发结构重构，导致永久性心房颤动的发生，即心房颤动本身又可促使心房颤动延续，称为“心房颤动引发心房颤动”(“AF begets AF”)［1］。研究发现持续性心房颤动复律后短期内心房电重构可完全消失，但结构重构持续存在，提示结构重构是心房颤动发生和发展的核心环节。转化生长因子-β1(transforming growth factor beta 1，TGF-β1)已被证实可诱发心肌细胞肥大和心肌纤维化，在心房颤动的发生发展中起着重要作用。

细胞骨架蛋白在维持细胞形态、保持细胞内部结构的有序性中起重要作用。同样，心肌细胞骨架蛋白在心肌舒缩功能的调节中发挥了重要作用，在扩张性心肌病、高血压、急性心肌缺血性疾病、糖尿病心肌病、心房颤动等疾病中均发现心肌骨架蛋白的表达变化。

1 TGF-β1/SMAD 信号通路与心房结构重构的关系

心房颤动从阵发性到持续性，再发展成永久性的整个过程中，可引起心房动作电位(atrial action potential，APD)、有效不应期(effective refractory period，ERP)及有效不应期频率适应性(effective refractory period-rate adaptability，ERP-RA)和心房传导速度的变化，即心房电重构，同时可引起心房扩张、纤维化改变，即结构重构。结构重构主要表现为心房肌细胞肥大、溶解、肌纤维丢失、心房连接蛋白表达的改变、线粒体形状和大小改变、肌浆网断裂、核周糖原堆积，核染色质离散等［2］。

心房纤维化是心房颤动发生和维持的一个重要因素，是心房颤动患者心房结构重构最突出的表现。TGF-β1作为最强的细胞外基质沉积促进剂和关键的致纤维化因子扮演着关键性角色［3］。Verheule 等［4］发现TGF-β1可选择性地引起心房间质纤维化，而心室组织正常，提示在高TGF-β1表达水平下，心房具有心肌纤维化的更强易感性。Xiao 等［5］在风湿性心脏病继发的心房颤动中，发现TGF-β1明显上升。机械牵张可诱导胶原合成，同时伴有TGF-β1在心房成纤维细胞表达增加，而慢性心房扩张可发生结构重构，导致心房颤动的发生［6］。在转基因小鼠构建过度表达TGF-β1的模型，可导致选择性心房纤维化和心房颤动易损性增加，而拮抗TGF-β1的抗纤维化药物或中和抗体，可防止心肌纤维化，减少易损性［7］。

上述研究表明，TGF-β1在心房颤动中可能担任重要角色。而另一方面，心房颤动本身可通过TGF-β1表达的显著增加，增加心房胶原蛋白产生，使心房颤动持久性和心房纤维化之间形成恶性循环［6-7］。这可解释持续性心房颤动发生的结构重构和易复发性。

TGF-β1通过Ⅰ、Ⅱ型受体及经典的SMAD 信号通路介导心房颤动患者选择性心房纤维化［8］。SMAD 蛋白是TGF-β1下游的主要信号传导分子，涉及SMAD蛋白有多种，如Smad2，3，4，6，7。信号传导基本过程为:TGF-β1配体先与Ⅱ型受体(TβRⅡ)结合，再与Ⅰ型受体(TβRⅠ)结合形成TGF-β1受体复合物，并使TβRⅠ磷酸化。活化的TGF-β1受体磷酸化激活Smad2 和Smad3，使二者构象发生变化，从受体上解离并与Smad4 结合形成低聚体复合物，复合物再转移至胞核内调节靶基因的表达［9］。在心脏主要是通过磷酸化Smad2 发挥作用，进一步研究发现，TGF-β1诱导的心房颤动，主要与下游的Smad2 和Smad7 的磷酸化水平改变有关。Smads 磷酸化，激活细胞外基质分子表达，如CollagenⅥ、endoglin、金属基质蛋白酶家族成员(MMP-2、MMP-9 和TIMP-1)，从而引发结构重构［10］。因此，TGF-β1/ SMAD 被认为是心房颤动结构重构的关键信号通路。

2 骨架蛋白与心脏结构重构

2.1 细胞骨架蛋白概述

细胞骨架是细胞内不同蛋白质纤维的聚合物和各种调控蛋白交错连接的网络结构。主要由三种主要类型蛋白丝组成，包括微丝(microfilament，MF)、微管(microtubule，MT)和中间丝(intermediate filament，IF)。

α 辅肌动蛋白(α-actinin)，在细胞内为反向平行的二聚体，具有N 末端肌动蛋白结合结构域、血影蛋白样中央重复结构域和C 末端“EF 手”结构域，可以交联肌动蛋白丝(actin)形成二聚体，“EF 手”结构可以结合Ca2+，是近年来在细胞骨架与细胞运动研究中的热点蛋白［11］。

α-actinin 参与调节F-actin 的装配与拆卸，调节Factin 的长度、极性、稳定性和三维结构，并将F-actin与细胞质和细胞膜的其他成分相连接，完成多种细胞功能［12］。目前发现α-actinin 有1，2，3，4 四种类型，呈细胞或组织特异性分布。通常根据其组织分布的不同而分成两类:α-actinin-1(非肌型)，α-actinin-2(肌型)，α-actinin-3(肌型)和α-actinin-4(非肌型)。非肌型蛋白对Ca2+敏感，而肌型不结合Ca2+［13］。α-actinin因独特的分布受到广泛研究。在肌肉细胞，α-actinin-2、α-actinin-3 特异分布在肌节的Z 带和闰盘;在非肌肉细胞，沿着应力纤维及黏着斑区域检测到α-actinin-1、α-actinin-4，显示此蛋白可能参与肌动蛋白微丝相互连接或与细胞膜连接［14-15］。

α-actinin-2 主要表达于心肌和骨骼肌，α-actinin-3只表达于骨骼肌［15］。α-actinin-2 编码基因ACTN2 位于1q42-q43。α-actinin-2 是细胞骨架的关键成分，是应力纤维关键成分之一。与其他应力纤维一起，使细胞具有抗切应力和牵张力。α-actinin-2 作为肌原纤维中Z 线主要组成部分，它连接细胞膜与细胞核，能将细胞外的信号经细胞膜离子通道直接传递至细胞核［11，16］。例如，在乳鼠心肌细胞中研究发现，α-actinin-2 在 维 持 Ca2+-activated K+channel (SK2 or KCa2.2)中起重要作用，α-actinin-2 特异性的siRNA可以影响SK2 通道在心肌细胞内的分布和定位［17］。α-actinin 通过与其相关蛋白包括整合素、钙黏素以及细胞信号传导通路中的信号分子等的协同作用，在稳定细胞黏附、调节细胞形状及细胞运动中发挥着重要作用。

心肌细胞骨架系统不仅在维持心肌细胞形态、参与收缩活动中发挥作用，还对膜离子通道的锚定和功能有重要调控作用，如钠通道等［18］。对小鼠心肌的研究发现，微丝结合蛋白α-actinin、dystrophin 与L型钙通道共同存在并调节通道的活动。在非心肌细胞共同表达钙通道与α-actinin，也出现通道失活变慢［19］。上述研究表明，细胞骨架蛋白不仅在结构重构的过程中发生可塑性变化，也能影响细胞的电生理活动。

2.2 心房颤动的心房重构中细胞骨架蛋白变化

心肌细胞骨架不仅作为细胞的支架，同时也参与细胞的一系列生理活动，因此，对心肌细胞骨架的研究日益受到重视。各种心血管疾病在心功能改变的同时，常伴有心脏形态的改变。在风湿性心脏病继发的心房颤动中，心房扩大加上心房的搏动节律改变，使得心房肌细胞的结构与动力学均受到极大影响，必然会影响细胞骨架变化。

在心房颤动的早期，仅仅牵张力改变，就可能会导致心房颤动［20］。Abbott 等［21］研究认为，心房牵张力的改变，能导致心房运动的模式改变，细胞运动功能发生变化。心房肌细胞周期性收缩与扩张涉及到细胞骨架的周期性重组与解聚。运动模式的改变，细胞骨架重组也会相应发生变化，也可能直接引发电重构的发生。Huang 等［22］采用双向凝胶电泳和串联质谱法鉴定风湿性心脏病继发心房颤动患者和正常窦性心律患者心耳组织内蛋白质表达差异，发现一共有19种蛋白有明显差异，这些蛋白可被分为三大类:参与细胞骨架和肌原纤维的蛋白;能量代谢相关蛋白;与氧化应激有关蛋白。Morillo 等［23］用22 只狗建立了快速心房颤动模型，试验前后，用二维超声心动图检查发现心房直径都明显增加;电子显微镜检查显示心房肌纤维排列紊乱。Thijssen 等［24］制作山羊心房颤动模型，发现在经过16 周的持续心房颤动后，可见横纹肌断续分布，染色变淡，心肌细胞外周仅可见斑片状残留;闰盘染色变淡;暗视野显微镜下观察，α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)总体表达水平显著增加。

这些研究表明:心房结构暂时的改变对心房电活动具有明显影响，心房持续性的结构改变可导致细胞骨架及相关蛋白的改变。

3 TGF-β1/SMAD 信号通路与细胞骨架蛋白

TGF-β1除了致纤维化的作用外，也可调控黏着斑蛋白和细胞骨架蛋白的表达。TGF-β1介导的肌成纤维细胞的分化及活化是人体纤维化疾病发病机制中一个关键事件。在心脏，TGF-β1被证实能促进成纤维细胞增殖并转变为肌成纤维细胞，接着进一步诱导这两种细胞产生大量的细胞外基质，从而促进心肌纤维化［25］。肌成纤维细胞具有介于成纤维细胞和平滑肌细胞的超微结构特点，因具有表达收缩蛋白，特别是α-SMA 蛋白的能力而被定义［26］。因此，TGF-β1可能介导结构重构并引发细胞骨架变化。

在多种细胞株中发现，内生性Smad2，3，4 与微管结合，TGF-β1触发Smad2，3，4 从微管脱离，磷酸化，迁移至细胞核，启动转录［27］。在小鼠乳腺上皮细胞、人乳腺癌MDA-MB-231 细胞、人肾HEK293T 细胞等研究中发现TGF-β1通过Smad 和p38MAPK，能够促进细胞表型转换、运动，以及促进细胞中应力纤维原肌球蛋白、α-actinin 和钙调理蛋白的表达［17］。Zheng等［28］的研究结果和上述结果一致，并进一步指出，表达上调的原肌球蛋白主要是高分子量原肌球蛋白，参与的SMAD 蛋白为Smad3 和Smad4。用人类心肌细胞祖细胞向心肌细胞诱导分化的实验中，向培养液中加入TGF-β1，Western blot 检测结果显示α-actinin-2 及p-Smad2 表达水平均升高，而抑制TGF-β1，α-actinin-2及p-Smad2 水平均下降，在培养液中加入阻碍TGF-β1信号通路的ALK5 激酶抑制剂，免疫荧光染色结果显示α-actinin/nuclei ratio 较TGF-β1刺激条件下明显下降［29］。这些研究表明，TGF-β1可能通过SMAD 信号通路影响细胞骨架蛋白α-actinin-2 的表达。

4 小结

心房重构与心房颤动关系密切，心房电重构促进了心房颤动的发生与维持，而结构重构包括心肌细胞及心肌间质的结构和功能的改变，最终使心房颤动演变为慢性持续性心房颤动。因此，延缓心房的结构重构能有效地预防心房颤动的复发。

TGF-β1与心房纤维化以及心房纤维化与心房颤动的复杂关系表明，TGF-β1在心房的结构重构中起关键作用。心房的结构重构包括肌溶解、肌小节丧失、细胞骨架重塑及骨架蛋白表达改变等。现已证实，TGF-β1/Smad2 能促进心房纤维化，而且无论结构重构还是纤维化，都伴随细胞骨架的重塑过程。TGFβ1能通过SMAD 信号通路引起α-actinin-2 表达升高，α-actinin-2 不仅在维持细胞骨架稳定、调节细胞形状及细胞运动中发挥着重要作用，还能影响细胞的电生理活动。因此，α-actinin-2 可能参与TGF-β1介导的心房结构重构过程。综上所述，TGF-β1可能在结构重构中通过α-actinin-2 影响电重构。其具体机制值得进一步研究。

［1］Lu Z，Scherlag BJ，Lin J，et al.Atrial fibrillation begets atrial fibrillation:autonomic mechanism for atrial electrical remodeling induced by short-term rapid atrial pacing［J］.Circ Arrhythm Electrophysiol，2008，1(3):184-192.

［2］阮洪梅，王玮.心房颤动发生机制的研究进展［J］.医学综述，2011，17(1):37-40.

［3］肖骅，雷寒.心房颤动患者心房纤维化研究进展［J］.心血管病学进展，2007，28(5):693-696.

［4］Verheule S，Sato T，Everett T 4th，et al.Increased vulnerability to atrial fibrillation in transgenic mice with selective atrial fibrosis caused by overexpression of TGF-β1［J］.Circ Res，2004，94:1458-1465.

［5］Xiao H，Lei H，Qin S，et al.TGF-beta1 expression and atrial myocardium fibrosis increase in atrial fibrillation secondary to rheumatic heart disease［J］.Clin Cardiol，2010，33(3):149-156.

［6］Burstein B，Nattel S.Atrial fibrosis:mechanisms and clinical relevance in atrial fibrillation［J］.J Am Coll Cardiol，2008，51(8):802-809.

［7］Park SJ，On YK，Kim JS，et al.Transforming growth factor β1-mediated atrial fibrotic activity and the recovery of atrial mechanical contraction after surgical maze procedure［J］.Int J Cardiol，2013，164(2):232-237.

［8］Rahmutula D，Marcus GM，Wilson EE，et al.Molecular basis of selective atrial fibrosis due to overexpression of transforming growth factor-β1［J］.Cardiovasc Res，2013，99:769-779.

［9］Yuan SM，Jing H.Cardiac pathologies in relation to Smad-dependent pathways［J］.Interact Cardiovasc Thorac Surg，2010，11(4):455-460.

［10］Polyakova V，Miyagawa S，Szalay Z，et al.Atrial extracellular matrix remodelling in patients with atrial fibrillation［J］.J Cell Mol Med，2008，12(1):189-208.

［11］Gautel M.The sarcomeric cytoskeleton:who picks up the strain［J］.Curr Opin Cell Biol，2011，23(1):39-46.

［12］陈唐葶，周翔，王立群，等.急性心肌缺血大鼠心肌α 辅肌动蛋白含量变化及其与心功能的关系［J］.南方医科大学学报，2011，31(6):970-974.

［13］Virel A，Backman L.Molecular evolution and structure of alpha-actinin［J］.Mol Biol Evol，2004，21(6):1024-1031.

［14］Isobe Y，Warnert FD，Flemanski LF.Three-dimensional immunogold localization of α-actinin within the cytoskeletal networks of cultured cardiac muscle and non-muscle cells［J］.Proc Natl Acad Sci USA，1988，85(18):6758-6762.

［15］Mills MA，Yang N，Weinberger RP，et al.Differential expression of the actinbinding proteins，α-actinin-2 and 3，in different species:implication for the evolution of functional redundancy［J］.Hum Mol Genet，2001，10(13):1335-1346.

［16］Shams H，Golji J，Mofrad MR.A molecular trajectory of α-actinin activation［J］.Biophys J，2012，103(10):2050-2059.

［17］Lu L，Timofeyev V，Li N，et al.Alpha-actinin2 cytoskeletal protein is required for the functional membrane localization of a Ca2+activated K+channel (SK2 channel)［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2009，106(43):18402-18407.

［18］Bakin AV，Safina A，Rinehart C，et al.A critical role of tropomyosins in TGFbeta regulation of the actin cytoskeleton and cell motility in epithelial cells［J］.Mol Biol Cell，2004，15(10):4682-4694.

［19］Sadeghi A，Doyle AD，Johnson BD.Regulation of the cardiac L-type Ca2+channel by the actin-binding proteins α-actinin and dystrophin［J］.Am J Physiol Cell Physiol，2002，282:C1502-C1511.

［20］de Jong AM，Maass AH，Oberdorf-Maass SU，et al.Mechanisms of atrial structural changes caused by stretch occurring before and during early atrial fibrillation［J］.Cardiovasc Res，2011，89(4):754-765.

［21］Abbott RD，Koptiuch C，Iatridis JC，et al.Stress and matrix-responsive cytoskeletal remodeling in fibroblasts［J］.J Cell Physiol，2013，228(1):50-57.

［22］Huang WJ，Zhou R，Zeng XR，et al.Comparative proteomic analysis of atrial appendages from rheumatic heart disease patients with sinus rhythm and atrial fibrillation［J］.Mol Med Rep，2011，4(4):655-661.

［23］Morillo CA，Klein GJ，Jones DL，et al.Chronic rapid atrial pacing.Structural，functional，and electrophysiological characteristics of a new model of sustained atrial fibrillation［J］.Circulation，1995，91:1588-1595.

［24］Thijssen VL，Ausma J，Liu GS，et al.Structural changes of atrial myocardium during chronic atrial fibrillation［J］.Cardiovasc Pathol，2000，9(1):17-28.

［25］Gao X，He X，Luo B，et al.Angiotensin Ⅱincreases collagen via transforming growth factor-beta 1 and extracellular signal-regulated kinase in cardiac fibroblasts［J］.Eur J Pharmacol，2009，606(1-3):115-120.

［26］Thannickal VJ，Lee DY，White ES，et al.Myofibroblast differentiation by transforming growth factor-β1is dependent on cell adhesion and integrin signaling via focal adhesion kinase［J］.J Biol Chem，2003，278(14):12384-12389.

［27］Dong CM，Li ZR，Alvarez R Jr，et al.Microtubule binding to Smads may regulate TGF beta activity［J］.Mol Cell，2000，5:27-34.

［28］Zheng Q，Safina A，Bakin AV.Role of high-molecular weight tropomyosins in TGF-β-mediated control of cell motility［J］.Int J Cancer，2008，122(1):78-91.

［29］Goumansa MJ，de Boer TP，Smitsa AM，et al.TGF-β1induces efficient differentiation of human cardiomyocyte progenitor cells into functional cardiomyocytes in vitro［J］.Stem Cell Res，2008，1(2):138-149.