转录激活因子3在心肌肥厚中的研究进展

马聪 杨俊 杨简

三峡大学第一临床医学院心内科（湖北宜昌 433003）

近年来我国心血管疾病患者高达2.9亿，因心血管疾病而死亡的人数占城乡居民总死亡人数的首位［1］。研究表明，心肌肥厚是高血压、急性心梗、心脏瓣膜病等心血管疾病向终末期心力衰竭发展的共同中间环节，同时也是增加心力衰竭发病率和死亡率的独立危险因素［2］。随着心肌肥厚研究的不断深入，转录激活因子3（activating transcription factor 3，ATF3）被发现在心肌肥厚的发展过程中有重要作用。因此，深入探索在心肌肥厚发生发展过程中异常表达的特异性转录因子ATF3及其信号通路，对研究心肌肥厚的发病机制以及寻找心肌肥厚新的治疗方案具有重要意义。本文就ATF3与心肌肥厚之间的关系及作用机制做一综述。

1 转录激活因子3（ATF3）

ATF3属于富含亮氨酸拉链（basicleucinezippe，bZlP）结构的cAMP反应元件结合蛋白转录因子（cAMP-response element-binding，ATF/CERB）家族成员之一，分子量为22kDa，可以编码生成含181种氨基酸的蛋白质，最早是从经佛波酯（TPA）处理后的Hela细胞中分离所获得［3］。作为ATF/CERB家族成员，ATF3可以作为转录激活剂或抑制剂，通过与家族其他成员的异二聚作用来增强转录，也可通过招募组蛋白去乙酰化酶1（histone deacetylase 1，HDAC1）到靶基因启动子来抑制转录［4］。有研究表示，ATF3在静止细胞中基本水平较低，但在如损伤、缺血或化学毒素等刺激下表达增加，并同时在多种靶基因的快速调控反应中起中心作用，是细胞自适应反应的中枢［5］。

2 心肌肥厚与ATF3的联系

心肌肥厚是心肌重构的中心环节，而心肌重构参与了几乎所有心脏疾病的病理过程。由于心脏重构是由多个g蛋白结合受体信号通路调控的［6］，因此，针对参与心肌重构的不同信号通路如Toll样受体4（Toll-like receptors 4，TLR4）、丝裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）等或这些通路所激活的核转录因子激活蛋白1（transcriptiona1 activating protein，AP-1）、早期生长应答因子 1（early growth response factor 1，EGR1）等转录因子［7-8］，ATF3作为适应性反应基因，已被证明可以参与到心肌细胞的多个调控靶点如MAPK和AMPK等信号通路以及EGR1、核因子B（nuclear factor κB，NF-κB）等转录因子中［9］。因此笔者推测，通过参与这类信号通路转导及转录因子的调控，ATF3可能在促进或抑制心肌重构、间质纤维化以及细胞凋亡等过程中发挥着关键作用。

2.1ATF3的负性作用ZHOU等［10］通过胸主动脉缩窄术建立小鼠循环压力超负荷模型时发现，与对照组相比，ATF3基因敲除（ATF3-KO）小鼠的胰岛素样生长因子1（insulin-like growth factor 1，Igf1）、转化生长因子2（transformation growth factor 2，Tgfb2）等肥厚信号和细胞外基质调控因子的表达增加，同时出现趋化因子、趋化因子受体和TLR4信号通路的上调以引起炎症因子增多。这不仅意味着ATF3在心肌肥厚的发展过程中起到了抑制作用，还表明ATF3的缺失会导致心肌的炎症反应加重。GIRALDO等［11］将小鼠暴露在内皮素1（endothelin-1，ET-1）下以建立心肌肥厚模型，发现ATF3-KO小鼠心肌细胞明显大于对照组，表明抑制心肌细胞内ATF3表达能加重由ET-1诱导心肌肥厚的程度。LIN等［12］使用横向主动脉缩窄术诱导ATF3-KO小鼠心肌肥厚后，再通过AAV8载体使ATF3在ATF3-KO小鼠体内重新表达，发现ATF3表达上调的小鼠心室收缩功能以及心肌细胞肥大程度较前相比明显改善，甚至连心肌间质纤维化、炎症浸润等过程也明显好转。ZHOU等［13］在另外一项研究中，也通过建立小鼠心肌肥厚模型发现抑制ATF3的表达可促进由压力超负荷引起的心肌肥大、功能障碍和纤维化。此类研究提示，在ATF3缺乏时，会在一定程度上加重心肌肥厚、心肌间质纤维化及炎症反应。NOBORI等［14］研究发现ATF3过表达可以对阿霉素诱导心肌细胞凋亡的过程起到显著的抑制作用。而细胞凋亡作为心肌重构过程中的重要基础反应，笔者猜测ATF3对心肌肥厚的负性调控作用可能与对细胞凋亡的抑制密切相关。

2.2ATF3的正性作用相关研究发现ATF3表达可能在心肌肥厚过程中产生正性调控作用。KOREN等［15］诱导小鼠慢性循环压力超负荷时发现，ATF3-KO小鼠心脏重构标志物的表达明显减少，同时发现其心肌细胞横断面积的增加程度与对照组相比显著降低。OKAMOTA等［16］通过建立小鼠缺血-再灌注模型诱导ATF3表达上调后发现，模型小鼠心肌细胞的变性和纤维化程度远大于假手术组，超声心动图提示模型小鼠的心脏出现收缩性降低和传导异常并且心房出现增大和肥厚。KOREN等［17］研究表明，在胚胎期，小鼠ATF3过表达会导致小鼠的心房扩大和过早死亡，成年小鼠ATF3的过表达即使在没有如压力过载等外在条件的情况下也足以诱发心室肥大，而ATF3-KO小鼠没有上述情况发生。这些研究意味着ATF3在心脏组织中的特异性表达在一定程度上都会影响心肌细胞的结构和功能，进而导致心肌肥厚的加重和心肌纤维化的进一步恶化。

3 ATF3在与心肌肥厚相关信号通路中的作用机制

心肌肥厚的产生，是由如机械性或神经体液性刺激等多种因素所引起的。从细胞和分子水平上来看，心肌肥厚的本质是肥大性刺激通过信号传导从而诱导核内基因异常表达的结果［18］。而细胞内信号转导作为肥大刺激传递与核内基因转录激活的重要环节，多种信号通路［7-8］如MAPK、TLR4/NF-κB、钙调磷酸酶以及AMPK等参与其中。ATF3在心肌肥厚中活化的确切机制目前尚不清楚，但ATF3作为一种早期压力诱导性基因，可能会通过参与这些与心肌肥厚相关的信号通路转导以使靶基因在细胞内过表达或抑制性表达从而达到对心肌肥厚发展过程的调控作用。

3.1ATF3与MAPKMAPK是能在心肌纤维化、心室重塑以及炎症反应等过程中发挥重要作用的信号通路，其相关下游通路如ERK1/2、JNK和p38-MAPK等都是机械负荷诱导心肌肥厚的关键信号通路，这些通路通过调节如AP-1、Nkx-2.5等转录因子的表达，从而促进心肌肥厚的发生。其中MAPK通路的中间环节产物MAP2K3影响着下游p38 MAPK的活化水平，在p38-MAPK通路介导心肌肥厚的过程中发挥着重要作用［19］。LI等［20］在使用血管紧张素II（Ang-II）诱导小鼠高循环压力模型时发现，与对照组相比，ATF3-KO小鼠的心肌细胞中MAP2K3的表达明显较多，表明在心肌细胞中ATF3抑制MAP2K3的表达，从而抑制心肌重塑。并且在后续的实验中，LI等［20］陆续证明ATF3是通过与MAP2K3的启动子结合，招募HDAC1，导致与MAP2K3基因相关的组蛋白去乙酰化，从而抑制MAP2K3表达。ZHOU等［13］在验证ATF3负性调控心肌肥厚时发现，在ATF3表达受抑制时，通路中的ERK1/2、JNK和p38 MAPK被显著激活，这说明ATF3对心肌肥厚的影响可能是通过ERK1/2和JNK等通路进行调控的。但在另外一项研究中，GUO等［21］使用前列腺素F2诱导ATF3表达时发现，ATF3的表达上调不仅能促进MAPK信号通路的激活，而且可以诱导MAPK的磷酸化。这表明，此项研究中，ATF3促进MAPK信号通路的激活和诱导其磷酸化水平增加，可能会在心肌肥厚的发展过程中起到正性的促进作用，从而导致心脏功能进一步恶化。目前这一矛盾作用的分子机制仍不明确，可能是ATF3分别形成不同的二聚体所致，也可能是由不同表达水平和持续时间的ATF3所引起。

3.2ATF3与TLR4/NF-κB研究已经证明可以通过调控NF-κB来减少凋亡以挽救心脏功能，提高心肌细胞在炎症反应中的存活率。而ATF3的表达正是通过TLR4/NF-κB信号通路来激活的，在这条通路中NF-κB可以转移到细胞核内进而引起炎症介质的表达，但同时ATF3可以通过招募HDAC1到炎症因子基因启动子上的NF-κB位点从而抑制NF-κB的转录，从而对心脏产生保护作用［22］。有学者发现ATF3的过表达增加了NF-κB的DNA结合活性以及激活Nkx-2.5，从而显著降低了IL-6的表达水平。KWON等［23］用脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）处理细胞，发现2 h后细胞核中的ATF3显著增加，NF-κB的二聚体p65蛋白在30 min内迅速积累到核内诱导目标基因的表达而在2 h后开始消失，由此可以发现ATF3和p65蛋白在细胞核内的水平是呈反比的。KWON等［23］随后用LPS处理缺乏ATF3的细胞时发现，p65蛋白无法与HDAC1结合，并且在LPS诱导8h后p65的乙酰化水平增加，而对照组中p65蛋白却能与HDAC1轻松结合，这说明ATF3在介导p65和HDAC1之间相互作用以及p65的乙酰化水平过程中发挥着重要的作用，此项实验后续也证明了ATF3是通过将HDAC1招募至p65蛋白复合物中并去乙酰化启动子，从而导致p65裂解以达到抑制炎症因子释放的目的。WU等［24］通过将小鼠肺组织暴露于香烟烟雾（CSE）的体外实验也证实了ATF3过表达会导致p65蛋白显著减少并且抑制着炎症因子IL-6、IL-8等释放。这些研究说明ATF3在TLR4/NF-κB通路中作为一种负性调控因子，可以通过抑制NF-κB相关蛋白的表达和炎症因子的释放，从而在改善心脏功能以及抑制心肌重构和纤维化等方面发挥着重要的作用。

3.3 ATF3与AMPKAMPK是代谢途径中的主要信号调节通路，主要用于感受体内的ATP/AMP比率以调节代谢。最初发现AMP在组织缺氧而显著增加时，会激活AMPK信号通路，从而抑制蛋白质的合成和促进糖的消耗［25］。此后越来越多的研究证实了AMPK作为一种能量传感器，可以通过抑制与心肌肥厚有关的下游信号通路如ERK1/2和真核伸长因子2（eukaryotic elongation factor，eEF2）从而在心室重塑、心肌细胞肥大等病理过程中发挥负性调控作用［26］。ATF3在心肌组织中与AMPK的相互作用关系目前尚未得到完整的实验证明，但其在如胰腺、肝脏等组织中与AMPK关系的研究已取得较大进展。KIM等［27］利用高糖诱导大鼠肥胖时发现，ATF3过表达的肥胖大鼠体内，AMPK磷酸化水平较对照组明显增高，并且此类大鼠胰腺在如胰凋亡水平明显高于对照组，而在将ATF3干扰RNA（siRNA）注射至其体内后，其葡萄糖代谢及细胞凋亡较前明显改善。这意味着ATF3抑制着AMPK在胰腺组织中发挥有利影响，笔者推测ATF3在心肌组织中同样可以通过增加AMPK的磷酸化以降低其活性，从而增强ERK1/2、eEF2等下游信号通路，以进一步加重心肌肥厚和心肌纤维化。

4 总结与展望

ATF3作为细胞自适应反应的中枢，通常会抑制转录，发挥负性调控作用。但是ATF3可能在不同的细胞环境中产生不同程度的表达而起到激活作用。在不同刺激下，ATF3在心肌肥厚中所起到的作用是有害还是有利的，目前仍有争议。这种差异可能是由于ATF3在转录调控中的双重作用，作为抑制因子或激活因子所造成。因此，调控ATF3表达很可能是预防心脏病理性应激的重要手段，其上调可能对心肌肥厚的发展起抑制作用，但持续过度表达的ATF3可能是一种转录激活剂，这对心脏是有害的，这表明调节ATF3表达的水平和持续时间是很重要的。然而，使ATF3在心肌肥厚中产生的激活或抑制作用达到平衡的具体基因表达水平和持续时间目前尚未明确，其作用是否与其他信号通路有关?是否存在其他的转录因子在心肌肥厚的过程中对ATF3的表达产生协同或拮抗作用?这些问题目前仍未得到完整的回答，但随着ATF3被人们所了解，探索ATF3产生激活或抑制作用的具体表达水平和持续时间有望为心肌肥厚的治疗提供新的治疗靶点和思路。