热休克转录因子1对心脏的保护作用

张淑芳，陈 宁

(1.武汉体育学院 体育科技学院，湖北 武汉 430205；2.武汉体育学院 研究生院，湖北 武汉 430079；3.武汉体育学院 运动干预与健康促进协同创新中心，湖北 武汉 430079)

热休克转录因子1对心脏的保护作用

张淑芳1，2，陈 宁3

(1.武汉体育学院 体育科技学院，湖北 武汉 430205；2.武汉体育学院 研究生院，湖北 武汉 430079；3.武汉体育学院 运动干预与健康促进协同创新中心，湖北 武汉 430079)

热休克转录因子1(Heat Shock Transcription Factor 1,HSF-1)是调节应激反应的主要转录因子，它在应激条件下被激活。研究已证实，HSF-1在心肌细胞和其它组织器官中都有表达，它在心肌细胞抗炎、抗凋亡、抗缺血再灌注损伤中发挥着不可替代的作用。本文对HSF-1活性的调节以及其对心肌细胞的保护作用进行了综述，以期为心血管疾病的治疗拓展新思路。

热休克转录因子1；应激反应；心肌保护；运动训练

热休克反应(Heat shock response,HSR)[1]是机体内普遍存在的一种分子应激反应，当生物细胞受到高温、高压、自由基、毒物或感染等应激原作用时，它能够导致一系列基因表达的改变，并诱导一组热休克蛋白(Heat shock protein,HSPs)的表达增加。HSPs具有分子伴侣功能，参与蛋白质的正确折叠、聚合、转运、信号传递等生理功能[2]。HSPs的诱导表达受热休克转录因子(Heat shock transcription factor,HSF)的调控。目前发现的HSF共有四种，分别为HSF-1、HSF-2、HSF-3和HSF-4。在热休克反应中，起主要作用的是HSF-1。近期研究表明，HSF-1对于心肌细胞保护、抗炎、抗凋亡、抑制心肌纤维化等起着重要作用。本文将对HSF-1在心肌细胞保护中的作用进行总结和探讨，以期为心血管疾病的发病机制、预防和治疗提供一定的参考。

一、HSF-1

(一)HSF-1的结构

HSF-1主要由四个功能结构域组成，分别为DNA结合域(DNA binding domain,DBD)、三聚结构域(Timerization domain,TD)、转录活化结构域(Transcriptional activation domain,TAD)和调节结构域(Regulatory domain,RD)。DNA结合区域靠近HSF1的N-末端，位于HSF-1最保守的区域中。DNA通过主沟与HSF-1结合，具体的结合位点就是DNA上的热休克元件(Heat shock element,HSE)，HSF-1能识别HSE上的特异性“-nGAAn-”结构[3]。一个完整的HSE结构上通常有3个“-nGAAn-”结构，而完整的HSF-1也是以三聚体的形式与HSE结合。相对于DNA结合区域，三聚结构域位于HSF-1的C-末端。当HSF-1活化时，相互间需要通过三聚结构域形成HSF-1三聚体。HSF-1具有2个转录活化结构域，分别为TAD1和TAD2。热应激时HSF-1转录活化结构域获得转录活性需要一个称为调节结构域的辅助，它可能通过与其它蛋白相互作用特异性改变转录活化结构域。在正常温度时调节结构域抑制转录活化结构域的转录活性，而在热休克时提高转录活化结构域的转录活性，因此其作用是双方面的。

(二)HSF-1的活化与调节

1.HSF-1的活化过程

HSF-1从无活性到有活性的这一活化过程现在研究得较为清楚，简述如下：(1)正常情况下，HSF-1在胞浆中以无活性单体形式存在，当细胞处于应激状态时，细胞内环境发生变化，解除了对HSF-1的活性抑制，促进HSF-1由单体向三聚体转换。 (2)HSF-1三聚体移入核内，获得与HSE的特异性结合[4]。 (3)两者结合后，随着HSF-1上活化区域的暴露，即可促进热休克基因的转录。

2.HSF-1的调节

生物体调节HSF-1，主要通过控制HSF-1的活性。在影响HSF-1的多种因素中，HSPs是最重要的双重调节因素。HSF-1调控热休克蛋白70(HSP70)和热休克蛋白90(HSP90)以及一些小热休克蛋白家族，随着HSPs浓度的增加，会降低HSF-1与DNA结合的活性，使HSF-1三聚体发生解离，导致HSF-1失活。细胞内某些因子、激素可能也与HSF-1的活化有关，如核因子-КB(NF-КB)、内源性肿瘤坏死因子、前列腺素等。近年来，又发现许多外源性因素能够激活HSF-1，如：热休克、pH变化、渗透压变化、缺氧、缺血再灌注、过氧化氢、水杨酸盐、表面活性剂、蛋白酶抑制剂[5]以及其它的理化试剂等。

二、HSF-1对心脏的保护作用

(一)HSF1对过度压力负荷心脏的保护作用

HSF-1 在适应性心脏肥大以及在良性向非良性适应性心脏肥大转变过程中可能起着重要的调控作用。研究显示，在压力超负荷模型中，持续高表达HSF-1的转基因小鼠心功能表现更好，心肌肥厚程度、心肌纤维化、心肌细胞凋亡等均得到抑制；如果HSF-1活性被抑制，心肌功能将在压力超负荷的早期阶段明显受损[6]。动物实验发现，缩窄升主动脉(Constriction of transverse aorta,TAC)4周后，HSF-1转基因小鼠的心脏比正常小鼠相比，其心脏机能得到了更好的保护，表现为适应性的心肌肥厚，心肌收缩能力加强，血管再生增多[7]。这些结果表明，HSF1对超负荷心脏的功能起到了很好的保护作用。

(二)HSF-1在心脏氧化应激损伤中的作用

肖为民等研究发现，热休克预处理导致心肌细胞HSP70 及αB-晶状体蛋白表达明显增加，同时显著抑制过氧化氢(H2O2)所致细胞色素C(Cytochrome C,CytC)从线粒体释放,抑制Caspase28、Caspase29 和Caspase23 活化及相应的心肌细胞凋亡。在H2O2刺激下，心肌细胞内有细胞毒性作用的活性氧簇水平(Reactive oxygen species,ROS)增加，并激活HSF-l，而HSF-l可能通过负反馈机制抑制ROS的水平和作用，从实现而保护心肌细胞功能。HSF-1过度表达的新生小鼠能明显地抑制H2O2诱发的ROS和细胞凋亡增加。

(三)HSF-1对缺血再灌注损伤心脏的保护作用

在小鼠体内利用RNA干扰技术特异性性阻断HSF-1的表达，会使全身过热疗法(Whole body hyperthermia,WBH)小鼠的死亡率上升。即使存活的小鼠，对心肌缺血再灌注损伤的耐受能力也会下降，同时，HSF-1的阻抑会阻断HSP家族的表达(除了HSP32,HSP47和H60)。另外，HSF-1转基因小鼠心电图ST段上升幅度比普通小鼠低，同时能够使心肌得到更快的恢复，梗死面积相对减少，心肌细胞死亡率下降，这些表明HSF-1转基因小鼠的心脏更能耐受缺血再灌注损伤，而且，实验证明HSF-1转基因小鼠的HSP27,HSP70和HSP90表达也有显著升高。

(四)HSF-1在心肌细胞中的抗炎作用

HSF-1可以通过调节炎症反应保护心肌细胞，这主要是通过与一些炎症介质的相互作用而实现的。肿瘤坏死因子-α(Tumor necrosis factor-α,TNF-α)是一种重要的炎症介质，可以介导心肌细胞凋亡、抑制心肌功能。实验证明，心肌缺血会引起TNF-α基因的表达。而HSF-1可在TNF-α的上下游信号途径中起作用并将其阻断，从而在病理状态下发挥其细胞保护作用。另外，NF-КB也是参与炎症反应的重要信号转导分子，与心肌的炎症反应关系密切。有研究表明，HSP70能够抑制NF-КB的活化，从而保护心血管免于炎症反应的损害。而HSF-1也可能通过竞争性抑制作用阻止NF-КB诱导的信号转导。小鼠多聚二磷酸核糖聚合酶-1(Poly(ADP-ribose) polymerase-1,PARP-1)基因敲除后，通过增强HSF-1的活性和下调活化剂蛋白-1 (Active protein-1,AP-1)的炎症反应，从而起到显著的心肌保护作用。

三、HSF-1的心脏保护作用的机制

研究表明，HSF-1是通过抗凋亡、抑制肌纤维化、促进心肌血管增生等发挥心脏保护作用。

蛋白激酶B(Protein kinase B,Akt)具有细胞保护作用，Jun氨基末端末端激酶(Jun N-terminal kinase,JNK)和Caspase-3会引起细胞凋亡。缺血再灌注后，Akt的磷酸化在转基因鼠中强于野生鼠，JNK磷酸化在转基因鼠中无明显变化而野生鼠明显增强。所以认为HSF-1的心肌保护作用机制主要是活化的HSF-1诱导多种热休克蛋白的表达，热休克蛋白抑制凋亡酶体复合物形成继而抑制Caspase-3的活化；同时，可以激活Akt和抑制JNK的活性，实现对心肌细胞的保护作用。

研究指出，HSF-1是心肌微血管生长的关键因子。应用HSF-1基因敲除和转基因小鼠研究发现，HSF-1通过调控缺氧诱导转录因子-1(Hypoxia-inducing transcription factor-1,HIF-1)和P53，调节血管内皮生长因子(Vascular endothelial growth factor,VEGF)、促血管生成素-1表达，从而促进血管新生，增强心脏对压力超负荷的代偿能力，延缓心室重构和心力衰竭进程。国内研究也证实，HSF-1通过调控心肌VEGF和HIF-1表达增加，增强心肌微血管增生，增强心肌功能。

四、运动与HSF-1

(一)运动与HSPs

大量研究表明，运动训练能够增加HSPs的表达。运动会使机体内环境发生一系列的改变，如体温的升高、ROS的增加、代谢的变化、内分泌的改变等。这些变化与已经观察到的其它一些能够激活并诱导HSPs合成的应激因素相似。运动强度以及运动方式的不同，对机体的刺激也不一样。一般来讲，运动负荷越大，机体发生的反应越强。进一步研究发现，肌肉进行等张收缩后，HSP70和HSP60表达增加，而小分子HSP表达受到限制。相反，肌肉离心收缩后，HSP27和HSP25表达增加。HSPs表达的变化可能与运动对线粒体机能的保护、细胞骨架的维持、胰岛素敏感性等机制相关。

运动的外在表现为肌肉活动，其实是人体各个系统功能共同作用的结果。目前，关于运动对HSPs表达的影响，研究比较深入的是骨骼肌和心肌。许多研究表明，1次跑台运动能增加心肌HSPs的表达。耐力训练也会增加心肌HSPs表达的增加，其表达水平随运动强度的增加而增加。已经证明，增加心肌HSPs表达有助于其应对各种应激。运动过程中HSPs表达对心肌细胞的保护作用机制主要表现在：增强心肌细胞的抗氧化防御能力，参与心肌细胞新合成蛋白的折叠和装配，抑制细胞凋亡等。

(二)运动与HSF-1

HSF-1在运动中被激活，在运动引起的适应性心肌肥厚中起关键作用，运动引起的心肌适应性肥厚中，HSF-1及其诱导的热休克蛋白明显增加，伴有较少的心肌纤维化及较好的收缩功能，抑制HSF-1活性，运动引起的心肌适应性肥厚也会发生心功能不全。

目前，有关运动延缓病理性心肌重构机制一直是运动心血管研究领域的热点问题，激发内源性心肌保护因子是心血管研究领域的重要趋势。袁凌燕等研究了HSF-1在运动改善病理性心肌重构中的作用，通过2周实验观察有氧运动对压力超负荷代偿期的干预效果，发现正常小鼠心肌HSF-1表达较少，2周有氧运动增强正常心肌、TAC小鼠心肌HSF-1的表达。通过射血分数测试，运动明显增强了TAC小鼠的射血功能，肯定了2周有氧运动的心肌保护作用。

五、结语

综上所述，HSF-1对各种心肌损伤时心脏的保护作用已经得到证实，但对其心脏保护作用机制到目前为止还不十分清楚，许多基本问题还有待于进一步深入研究，期待其能为一些心脏疾病的发病机制与预防或治疗拓展新的思路。

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2095-4654(2015)04-0004-03

2015-02-11

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