转化生长因子β1在肺动脉高压中作用的研究进展

王丹姝，方莲花，杜冠华

(中国医学科学院药物研究所，北京市药物靶点研究与新药筛选重点实验室，北京 100050)

◇讲座与综述◇

转化生长因子β1在肺动脉高压中作用的研究进展

王丹姝，方莲花，杜冠华

(中国医学科学院药物研究所，北京市药物靶点研究与新药筛选重点实验室，北京 100050)

肺动脉高压是发病机制复杂的一种致命性疾病，其典型病理变化是肺动脉血管重构，进而降低血管壁的敏感性及增加肌束的收缩力，引起肺动脉压力升高、肺血管阻力增加，最终导致右心衰竭。多项研究表明，转化生长因子β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)在多种疾病中发挥重要作用，尤其是在心脑血管疾病。TGF-β1参与细胞的增殖、分化、迁移及凋亡等活动，通过调控多种信号通路促进平滑肌细胞增殖、细胞外基质沉积及内皮间质转化(endothelial-to-mesenchymal transition，EndMT)等过程，从而诱导肺动脉高压的发生发展。该文针对TGF-β1在肺动脉高压中的作用进行综述，从而为肺动脉高压的治疗提供潜在的药物靶点和治疗策略。

肺动脉高压；TGF-β1；血管重构；肺动脉平滑肌细胞；细胞外基质；肺动脉内皮细胞；内皮间质转化

肺动脉高压是一种发病机制复杂的心血管疾病，一般定义为在静息状态下右心导管检查平均肺动脉压力升高≥25 mmHg，其典型的病理变化是肺动脉血管重构，主要表现为肺动脉平滑肌细胞增殖、细胞外基质沉积及内皮间质转化(endothelial-to-mesenchymal transition，EndMT)，进而降低血管壁的敏感性及增加肌束的收缩力，引起肺动脉压力升高、肺血管阻力增加，最终导致右心衰竭。

转化生长因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)是一个同源二聚体，在哺乳动物中主要有TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3三种亚型[1]。其中TGF-β1在细胞中分布最多、活性最强且功能最广泛，已成为研究热点。TGF-β1在心血管疾病的发生发展中发挥重要作用，也是早期胚胎发育维持、成熟组织再生、炎症反应、血管生成等进程的关键调节因子[2]，通过调控细胞的增殖、分化、凋亡、迁移等活动来发挥作用。

多项研究表明，TGF-β1主要通过调控多种信号通路促进平滑肌细胞增殖、细胞外基质沉积及EndMT等过程参与到肺动脉高压病的发生和发展中，这一过程由肺动脉平滑肌细胞和肺动脉内皮细胞所主导。因此本文针对TGF-β1在肺动脉高压的发生和发展中发挥的作用进行综述，从而为阐明肺动脉高压的发病机制及治疗提供潜在的药物靶点。

1 TGF-β/Smad信号通路

1.1 TGF-β的结构特点、生理功能及Smad家族 TGF-β家族是一个多功能分子家族，拥有40多个结构、功能相似的成员，是一组广泛表达并在免疫系统及体内稳态维持中起多种作用的生长因子[3]，其中TGF-β和骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)是该家族中最主要的两个成员。TGF-β主要通过与跨膜的丝氨酸/苏氨酸激酶受体结合来发挥生物学效应，在细胞表面有两种TGF-β受体，分别是Ⅰ型TGF-β受体(TβRⅠ)和Ⅱ型TGF-β受体(TβRⅡ)，其中TβRⅠ有7类亚型(ALK1-7)，TβRⅡ有5类亚型(ActR-Ⅱ、ActR-ⅡB、AMHR-Ⅱ、BMPR-Ⅱ和TGF-bRⅡ)。TβRⅠ和TβRⅡ由3个特定的区域构成：1个氨基端与细胞配体结合域、1个跨膜结构域和1个羧基端丝氨酸/苏氨酸激酶结构域，均具有苏氨酸/丝氨酸激酶活性。

Smad转录因子对于TGF-β信号通路在胚胎发育及组织再生等方面具有重要调节作用。Smad蛋白由两个相互连接的球形区域组成，其N端区域的功能是与DNA结合，C端区域主要用来调节蛋白质与许多调控因子包括TGF-β受体、特定的细胞因子锚蛋白、DNA结合子等的内在联系[4]。Smads蛋白在细胞内作为转录因子调控基因表达，分别有8种Smad蛋白，即Smad 1～Smad 8。

Smads蛋白家族可以被分成3个功能组：受体调控蛋白(R-Smads)、普通调控蛋白(Co-Smads)及抑制性Smads蛋白(Ⅰ-Smads)。R-Smad分子被认为是TGF-β转录调控通路最主要的效应物。作为R-Smads、Smad 2和Smad 3在TGF-β调控下被磷酸化；而Smad 1、Smad 5和Smad 8通常在BMP蛋白作用下发生磷酸化；Smad 4是唯一的Co-Smad并在TGF-β和BMP信号转导通路中均发挥作用；Smad6和Smad7作为Ⅰ-Smads，通过与Smad 4竞争性结合来抑制R-Smads的活性[5]。

1.2 TGF-β/Smad信号通路的调控及下游通路 经典的TGF-β信号通路是以TGF-β为配体以Smad转录因子为核心调控不同的生物学效应。当配体与TGF-β结合时，2个II型TGF-β受体与2个I型TGF-β受体结合成复合体，在该复合体中II型TGF-β受体在I型TGF-β受体的丝氨酸/苏氨酸激酶区域将其磷酸化，从而使Smad蛋白磷酸化发挥作用。其中TGF-β主要激活Smad 2/3，而BMP主要刺激Smad 1/5/8磷酸化，但这些效应并不是独立存在的，在内皮细胞中TGF-β也可以通过ALK1/ALK5/TGF-bR-Ⅱ调节Smad 1/5/8的磷酸化。当Smad 2/3或Smad 1/5/8磷酸化后都与Smad 4形成Smad复合体，并进入细胞核内执行基因转录调节功能。 TGF-β也能激活一些其他非Smad依赖性的信号通路来发挥生物学效应，包括p38/MAPK、JNK、ERK1/2、PI3K及Rho蛋白激酶信号通路等[6]。

2 TGF-β1在肺动脉高压发生中的作用

肺动脉高压的主要病理变化是肺动脉血管重构，进而降低血管壁的敏感性、增加肌束的收缩力，引起肺动脉压力升高、肺血管阻力增加，是一种典型的血管损伤性疾病。血管收缩、血栓形成、肺动脉血管重构等多种发病机制在肺动脉高压发生发展中发挥作用[7]，均与肺动脉内皮细胞和肺动脉平滑肌细胞的结构、功能改变密切相关，平滑肌细胞增殖、细胞外基质沉积及EndMT是引起血管重构的主要因素。

2.1 TGF-β1对肺动脉平滑肌细胞的影响 血管生成和稳定离不开平滑肌细胞的作用，平滑肌细胞是肺动脉血管壁增厚的一个决定因素，在肺动脉高压中看到的肺动脉肌化现象被认为是平滑肌细胞异常增生，从而引发损伤修复反应[8]，包括平滑肌细胞增殖、分泌物增加及细胞外基质沉积等等。

TGF-β1主要通过调控p38/MAPK信号通路增加α-平滑肌肌动蛋白(a-smooth muscle actin，α-SMA)的表达，进而促进平滑肌细胞的增殖分化。同时，TGF-β1通过激活PI3K/Akt信号通路可以增加B淋巴细胞瘤-2(B cell lymphoma-2，Bcl-2)的表达，进而抑制肺动脉平滑肌细胞凋亡，并提高平滑肌细胞的细胞活力[9]。另外，基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)的失调被认为是促进平滑肌细胞增殖的重要机制。

细胞外基质是细胞周边结缔组织的基本组成部分，它能维持细胞及血管的完整性，并在细胞信号通路的调控及细胞间相互联系中发挥重要作用。细胞外基质中存在许多结构蛋白，如胶原蛋白、弹性蛋白及纤维连接蛋白等，其中胶原蛋白及弹性蛋白的相对数量决定血管的生物学活性[10]。胶原蛋白增多伴随弹性纤维被破坏，会引起细胞外基质重构、血管平滑肌细胞增殖，从而导致血管纤维化。

细胞外基质蛋白被MMPs所调控，在正常血管中，MMPs和组织金属蛋白酶抑制剂(tissue inhibitor of metalloproteinases，TIMPs)保持相对平衡并维持细胞外基质的稳定，两者的失衡将会引起细胞外基质沉积。研究表明，激活TGF-β1可以促进胶原蛋白及纤维连接蛋白的沉积，激活p38/MAPK信号通路可以上调MMP-9的表达从而导致MMPs和TIMPs之间的平衡破坏[11]。在肺动脉平滑肌细胞中，TGF-β1可呈剂量和时间依赖性的增加TIMP-1的表达[12]，进而减少细胞外基质蛋白的降解。另外，MMP-2和MMP-9可以促进TGF-β1的释放，进一步促进血管重构。

2.2 TGF-β1对肺动脉内皮细胞的影响 血管内皮细胞连接所有血管的通路，通过合成释放生物活性物质调节血管紧张性，在维持血管功能中起重要作用。内皮功能损伤以血管表型改变为特征，主要导致一氧化氮生成减少、氧化应激及血管炎症反应，是肺动脉高压的典型表征之一。

2.2.1 TGF-β1/Smad信号通路维持内皮细胞稳态 TGF-β1通过ALK5和ALK1受体分别激活Smad 2/3和Smad 1/5/8蛋白从而作用于内皮细胞，不同剂量的TGF-β1在内皮细胞发挥不同的效应。低剂量的TGF-β1通过AKT1激活Smad 1/5蛋白增强内皮细胞功能，促进内皮细胞增殖和迁移，并能刺激血管生成；而高剂量的TGF-β1通过AKT5激活Smad 2蛋白发挥抑制内皮细胞功能和存活的作用。因此，TGF-β1/ALK5/Smad 2/3信号通路会拮抗TGF-β1/ALK1/Smad 1信号通路，这两条通路的平衡关系将会影响TGF-β1在血管生成中的作用。

2.2.2 内皮间质转化 EndMT是在多种因素作用下内皮细胞失去其特征表型向间质细胞表型转变的过程。在此过程中，内皮细胞失去细胞-细胞间连接，形态逐渐转变为梭型，增殖迁移能力增加，内皮细胞特异性标记物如血小板—内皮细胞黏附因子(CD31)、血管内皮钙黏着蛋白(VE-cadherin)等表达下调，而间质细胞表征蛋白如α-SMA、成纤维细胞特异性蛋白(fibroblast-specific protein-1，FSP-1)等表达增加[13]。内皮细胞与间质细胞之间的联系是血管重构的重要影响因素，越来越多研究表明，EndMT参与到肺动脉高压的发生发展中，是肺动脉血管重构的重要机制，并被多种复杂的信号通路所调控。

TGF-β1是促进EndMT的一个重要刺激因子，其分子机制与Snail家族的转录因子相关，Snail基因敲除后可以抑制TGF-β1诱导的EndMT过程。研究显示，TGF-β1诱导的Snail表达上调依赖于Smad蛋白激活，同时与MEK、PI3K及p38 MAPK信号通路相关[14]。核因子2(nuclear factor-like 2，Nrf2)在氧化应激和炎症反应过程中起重要作用。研究表明,TGF-β1诱导的EndMT与Nrf2抗氧化信号通路有一定的联系[15]。血小板源性生长因子(platelet derived growth factor，PDGF)通过作用于PDGF受体调控多种细胞活动，并能促进肺动脉平滑肌细胞增殖，并与TGF-β1相互调控能促进TGF-β1诱导EndMT的作用[16]。

2.3 间接调控TGF-β1的刺激因子 许多刺激因子可以间接调控TGF-β1/Smad信号通路从而发挥对肺动脉高压的作用，如内皮素-1(endothelin-1，ET-1)、15-脂氧合酶(15-lipoxygenase，15-LO)和氟非尼酮(fluorofenidone，AKF-PD)等。它们能促进TGF-β1表达增加，从而引起纤维化进程导致血管重构。 ET-1是一个强有力的内源性血管收缩因子，在内皮功能损伤中发挥重要作用。ET-1可以激活G蛋白偶联的ETA和ETB 受体从而增加细胞内钙水平，增加cAMP浓度，进而激活磷脂酶C和蛋白激酶C，随后上调环氧酶-2(cyclooxygenase 2，COX-2)的水平，调节血管收缩并刺激平滑肌细胞增殖[17]。研究表明，ET-1对肺动脉平滑肌细胞无直接的促有丝分裂作用，但在炎性介质的刺激下可刺激细胞增殖，主要通过激活MAPK-ERK1/2信号通路[18]，表明炎症反应参与肺动脉高压的发病机制中[19]。另外，ET-1具有促血管生成及促有丝分裂的属性，并能通过刺激纤维原细胞诱导的胶原合成来促进细胞外基质重构，而且能明显增强TGF-β1增加Ⅰ型胶原及纤连蛋白沉积的作用，纤连蛋白的增加可能会导致组织形成细胞和免疫应答细胞间联系的改变，从而改变肺动脉平滑肌细胞对神经刺激的反应[20]。

花生四烯酸在15-LO催化作用下代谢产生15-羟二十碳四烯酸(15- hydroxyl twenty carbon four acid，15-HETE)，其在缺氧性肺动脉高压中起重要作用。内源性及外源性15-HETE均能促进肺动脉平滑肌细胞增殖，从而促进血管壁增厚及血管重构[21]。研究表明，TGF-β1能调控细胞周期促进细胞从增殖期向分裂期发展，并能增加细胞核内微管的生成。TGF-β1调节细胞生长、DNA合成及细胞周期等进程均通过对15-LO代谢途径的调控，TGF-β诱导的肺动脉高压大鼠平滑肌细胞中15-LO水平升高，15-HETE含量增加，TGF-βRI抑制剂SD-208可逆转TGF-β1的作用。这些研究为TGF-β1通路在肺血管重构及其在肺动脉平滑肌细胞增殖中的作用提供了新线索，可能成为肺动脉高压的重要发病机制[22]。 氟非尼酮(AKF-PD)是一种吡啶酮衍生物，主要作用于TGF-β1/Smad信号通路。研究表明，AKF-PD明显下调TGF-β1及其下游信号通路的表达，能够通过抑制TGF-β1诱导的成纤维细胞的激活来减弱小管间质性纤维化[23]，减轻TGF-β1引起的平滑肌细胞增殖，同时通过抑制下游MAPK信号通路激活活性氧簇的产生下调Ⅰ型及Ⅲ型胶原的表达，进而减少细胞外基质沉积，并缓解肺动脉高压症状[24]。这项研究为肺动脉高压提供了一个新型治疗药物，同时也说明TGF-β1具有成为抗肺动脉高压治疗靶点的潜力。

3 结语与展望

综上所述，TGF-β1通过调控多种信号通路促进平滑肌细胞增殖、细胞外基质沉积及EndMT，从而引起肺动脉血管重构，最终导致肺动脉高压。TGF-β1在肺动脉高压发生发展中的作用为肺动脉高压的治疗提供了潜在的药物靶点和新策略。

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Research progress on role of TGF-β1 in pulmonary artery hypertension

WANG Dan-shu， FANG Lian-hua， DU Guan-hua

(BeijingKeyLaboratoryofDrugTargetsIdentificationandDrugScreening，InstituteofMateriaMedica，ChineseAcademyofMedicalSciencesandPekingUnionMedicalCollege，Beijing100050，China)

Pulmonary artery hypertension is a disease with complicated pathogenesis, which is characterized by enhanced pulmonary artery constriction and arterial wall remodeling, leading to progressive increase of pulmonary vascular resistance and pulmonary artery pressure, then resulting in right heart failure. Many studies have shown that transforming growth factor-β1(TGF-β1) plays an important role in the development of various diseases, especially in cardiovascular and cerebrovascular diseases. TGF-β1 is involved in multiple cellular responses including cell proliferation, differentiation, migration and apoptosis. TGF-β1 participates in pulmonary artery hypertension mainly via promoting the proliferation of pulmonary artery smooth muscle cells as well as inducing the deposition of extracellular matrix and endothelial-to-mesenchymal transition(EndMT) through many signaling, which is mainly dominated by pulmonary artery smooth muscle cells and pulmonary artery endothelial cells. This review mainly introduces the role of TGF-β1 in pulmonary artery hypertension in order to provide potential drug targets and therapeutic strategies for pulmonary artery hypertension.

pulmonary artery hypertension; TGF-β1; vascular remodeling; pulmonary arterial smooth muscle cells; extracellular matrix；pulmonary arterial endothelial cells; endothelial-to-mesenchymal transition

时间：2017-5-25 17:44 网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1086.R.20170525.1744.002.html

2017-01-20,

2017-02-28

国家自然科学基金资助项目(No 81573645，81603101)；北京自然科学基金青年科学基金资助项目(No 7174322)

王丹姝(1993-)，女，博士生，研究方向：心脑血管药理学与新药发现，E-mail: wangdanhu@imm.ac.cn； 方莲花(1963-)，女，博士，研究员，博士生导师，研究方向：心脑血管药理学与新药发现，通讯作者，E-mail: fanglh@imm.ac.cn； 杜冠华(1956-)，男，博士，研究员，博士生导师，研究方向：神经药理学与新药发现，通讯作者，E-mail: dugh@imm.ac.cn

10.3969/j.issn.1001-1978.2017.06.001

A

1001-1978(2017)06-0741-04

R-05；R322.121；R322.74；R349.1；R544.05