Kruppel样因子2与心血管疾病的研究进展

黄欣欣,应燕萍

(广西医科大学第一附属医院,南宁 530021)

心血管疾病(cardiovascular diseases,CVDs)是指主要以心血管病变为病理基础的一系列循环系统疾病,包括动脉粥样硬化、脑卒中、心肌梗死、心力衰竭、高血压、心肌病和周围动脉血管疾病等[1]。来自美国心脏协会(American Heart Association,AHA)的数据显示,2017年全球因心血管疾病导致的死亡数约为1780万(95%置信区间(confidence interval,CI)1750～1880万)[1],占全球死亡总数的31.8%。心血管疾病在全球范围内造成巨大的健康和经济负担,积极找寻心血管疾病预防和治疗的干预靶点,降低心血管疾病发病率、死亡率和提高患者生活质量是当前的紧要任务。

Kruppel样因子(kruppel-like factors,KLFs)是锌指类DNA结合转录因子家族中的亚家族,其作为一个多基因家族共由18名成员(KLF1～KLF18)组成。KLFs亚家族在细胞生长与分化、增殖与凋亡、迁移、代谢等生物过程发挥着重要调控作用,参与了生物体内包括心血管、呼吸、消化、神经等多个系统的病理生理过程[2];其在哺乳动物体内的表达和分布具有组织差异性,如KLF1主要表达于红细胞、KLF2在肺和血管内皮细胞中高表达、KLF4在胃肠道表达丰富。KLF2隶属于这个多基因家族,由Anderson等[3]于1995年首次从小鼠的肺组织中发现并成功克隆,因此,也被命名为肺转录因子(lung kruppel like factor,LKLF)。研究显示,KLF2在循环系统中表现出抗炎、抗凝、调节血管生成、抗氧化、调控免疫细胞等作用,与心血管疾病密切相关,参与包括动脉粥样硬化、脑卒中、心肌梗死和心力衰竭等心血管疾病的发生、进展与转归。现就KLF2的生物学功能,及其参与心血管疾病发生发展的机制和研究进展进行综述。

1 KLF2的结构特征

KLF2基因定位于人类常染色体10p13.1号染色体上,负责354个氨基酸的编码。KLFs家族成员在进化上高度保守,KLF2作为KLFs家族的一员具有其特异性的结构特征,其中,氨基端含3个由两个半胱氨酸残基和两个组氨残基酸耦合一个Zn2+组成的串联的Cys2/His2锌指样结构,能与富含GC结合位点序列的靶基因DNA启动子或增强子结合并起到转录调节作用;而相较于保守的氨基端,羧基端在结构和功能特征上具有多样性和特异性,家族中所有成员羧基端的转录调控区域包括转录激活结构域和转录抑制结构域存在显著差异性且能与不同的共激活因子、共阻遏因子以及共修饰因子结合,通过激活或抑制下游靶基因的表达从而调控不同的表观遗传修饰,发挥不同的生物学功能。

2 KLF2的生物学功能

2.1 抗炎介质

KLF2是内皮细胞(endothelial cells,ECs)炎症激活的新型转录调节因子,调控内皮炎症基因的表达。炎症细胞、促炎因子、粘附分子以及趋化因子共同介导了血管内皮的炎症反应。炎症刺激下,内皮细胞合成并释放促炎因子如肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白 介 素-1β(interleukin-1β,IL-1β)以及粘附分子包括E-选择素(E-selectin)、血管细胞间黏附分子1(vascular cell adhesion molecule1,VCAM1)、细胞间粘附分子1(intercellular adhesion molecule1,ICAM1)等炎症介质诱导血液中单核细胞和白细胞滚动并粘附到内皮上[4-6],启动炎症瀑布级联。研究表明,KLF2能下调内皮细胞中VCAM1、ICAM1、E-选择素等粘附分子的表达,同时,通过抑制炎症趋化因子单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1)的表达显著减少单核细胞和白细胞对内皮细胞的粘附并诱导内皮抗炎表型,减轻内皮炎症反应[7-9]。另有研究显示,过表达KLF2还可以阻断核因子-κB炎症信号通路的传导,抑制核因子-κB依赖的巨噬细胞炎性激活以及内皮促炎基因的表达[10-11]。免疫细胞向内皮细胞聚集以及单核细胞对内皮细胞的粘附被认为是动脉粥样硬化疾病进展的主要驱动力[12]。内皮炎症可导致血管内皮功能障碍,而内皮功能障碍被认为是心血管疾病的标志,因此,KLF2可能是包括动脉粥样硬化在内的内皮炎症相关心血管疾病的潜在治疗靶点。

2.2 调控血管生成

KLF2对于血管的生成与正常发育必不可少。Klf2基因敲除的小鼠胚胎因血管破裂而无法存活[13]。以往研究发现,KLF2通过抑制6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶(6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-biphosphatase,PFKFB)的活性阻止6-磷酸(6-phosphate)向果糖2,6-二磷酸(fructose2,6-biphosphate)转化,从而阻断内皮细胞糖酵解过程,致使内皮细胞增殖和迁移能力下降,血管生成受抑[14]。除糖酵解途径,李娜等[15]发现,KLF2可调控血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)受体2-血管内皮生长因子A(VEGFA)信号轴,影响血管生成的关键步骤即内皮细胞的增殖与迁移。研究证实,KLF2与VEGFA启动子结合,从转录水平抑制VEGFA表达[16],从而抑制血管的生发。此外,AMPK-KLF2信号轴的激活通过诱导内皮克隆形成细胞向内皮细胞分化,参与促红细胞生成素介导的血管生成作用[17]。血管新生是伤口愈合、癌症以及各种缺氧/缺血性疾病病程发展与转归的关键[18],通过激活或抑制KLF2的表达来调控血管的生发与成熟可作为上述疾病的治疗切入点。

2.3 舒张血管

一氧化氮(nitric oxide,NO)是已知的最强效的血管扩张剂[19],由内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)在分子氧(oxygen,O2)和辅助因子四氢蝶呤(tetrahydrobiopterin,BH4)的协助下催化L-[3H]精氨酸(l-arginine)转化为L-[3H]瓜氨酸(L-citrulline)产生[20-21]。eNOS作为KLF2的下游靶标,KLF2通过与其启动子特异性结合并调控L-[3H]精氨酸与eNOS氧化酶结构域内血红素基团的偶联状态影响NO的合成与释放[19-22],从而调控血管的收缩与舒张。此外,染色质免疫共沉淀(chromatin immunoprecipitation,CHIP)结果显示,KLF2能与控制血管舒缩的血红蛋白(hemoglobin,Hb)α结合并抑制其表达,从而减少内皮细胞中血红蛋白α对NO的摄取,使得NO从内皮细胞向血管平滑肌细胞扩散增加,促使血管舒张[23]。血管舒张受损与内皮促炎、促血栓形成表型有关[24],由此可见,KLF2介导的血管舒张对血管健康状态的维持具有重要意义。

2.4 抗血栓形成

生理条件下,血管内皮表现为抗血栓表型以保证血液的正常流动。用小干扰RNA沉默KLF2的表达后,抑制凝血激活的血栓调节蛋白(thrombomodulin,TM)、阻止血小板聚集的NO以及促纤维蛋白降解的组织型纤溶酶原激活物(tissue plasminogen activator,tPA)表达减少[25],导致血小板聚集、血液凝固性增高及血栓形成;相反,过表达KLF2则抑制了促凝血激活的纤溶酶原激活物抑制剂1(proenzyme activator inhibitor1,PAI1)和组织因子(tissue factor,TF)的表达[26]。TF是外源性凝血途径的启动因子,凝血酶原激活和纤维蛋白形成是内源性和外源性凝血途径的共同步骤,提示KLF2可通过调节抗/促凝血活性物质的表达或是通过调控内、外源性凝血途径的激活来调控血栓的发生。

2.5 抗氧化

研究表明,氧化应激(oxidative stress,OS)与动脉粥样硬化、心肌梗死、脑卒中以及糖尿病等多种疾病的进展有关。KLF2通过抑制活性氧(reactive oxygen,ROS)的产生并诱导抗氧化物酶的表达,而发挥抗氧化作用[27]。KLF2表达受损时,内皮细胞ROS产生增多、白细胞粘附增强、内皮细胞凋亡增加[28],导致内皮功能障碍。研究发现,他汀类药物通过激活KLF2诱导抗氧化的过氧化物还原酶6(peroxiredoxin6)硫酸化,从而降低内皮细胞ROS水平、减少脂质过氧化,减轻内皮氧化应激[29]。

3 KLF2与心血管疾病

3.1 动脉粥样硬化

动脉粥样硬化(atherosclerosis)是血管的一种慢性炎症性疾病,其主要特征是大、中动脉内皮表面粥样斑块形成以及单核细胞/巨噬细胞对血管内皮的粘附、浸润,引起动脉壁增厚而造成动脉闭塞[30]。有学者发现,KLF2表达减少与颈动脉粥样硬化模型大鼠颈动脉内膜断裂、中膜层钙化斑块形成和弹性层失去连续性有关[31]。临床研究也发现,冠状动脉粥样硬化患者血清中KLF2含量较健康人低,并且,KLF2血清含量与斑块稳定性的相关分析结果显示患者血清中KLF2的含量与斑块稳定性呈正相关(r=0.0534,P＜0.01)[32],斑块的不稳定性增加致使斑块易于破溃,导致不良心血管事件发生风险增大。单核细胞粘附于ECs随后迁移到内皮间隙分化为巨噬细胞,巨噬细胞摄取循环中的氧化低密度脂蛋白导致泡沫细胞形成,加剧动脉粥样硬化的进展,而KLF2能通过抑制多种粘附分子和趋化因子的表达并阻断炎症通路的激活以抑制单核细胞对血管内皮的粘附、中断动脉粥样硬化发病的必要环节,从而发挥抗动脉粥样硬化的作用。

3.2 脑卒中

脑卒中(stroke)俗称中风,是世界范围内获得性致残的主要原因,包括缺血性脑卒中和出血性脑卒中[33]。Zhang等[34]认为,缺血性脑卒中发生后局部缺血/缺氧导致脑血管内皮发生氧化应激致使eNOS表达减少和NO的生物利用度降低,进而导致脑血管收缩增强、脑血流量减少是引发脑损伤的主要原因。及时恢复病变部位的供血/供氧是减少卒中后脑损伤的关键,如前所述,KLF2可以强烈诱导eNOS的表达并促进NO合成,促使血管舒张、血流量增加,有利于减轻卒中所致的脑组织缺血/缺氧损伤。但最近研究也发现,卒中急性期恢复脑血流的再灌注可导致血脑屏障(blood-brain barrier,BBB)通透性增加、脑损伤进一步加重[35]。在大鼠缺血性脑卒中模型中,尿酸通过激活KLF2-VEGFA信号通路改善BBB的通透性,阻止脑循环外免疫活性物质进入脑组织,减少炎症引起的脑损伤发生[36],机制研究证实,这与KLF2下调VEGFA表达后紧密连接蛋白表达增多促使内皮细胞间连接紧密有关[37]。目前,缺血性卒中发生后的3～4.5h内静脉使用阿替普酶(alteplase)恢复脑部血供是首选的治疗方案[38],但阿替普酶的使用受严格的时间窗和禁忌症限制,激活KLF2信号通路提供了治疗脑卒中的新思路。

3.3 心肌梗死

心肌梗死(myocardial infarction,MI)是由于冠状动脉狭窄或闭塞引起心肌长时间缺血/缺氧而导致心肌坏死,是一种高致死率的疾病[39]。大量研究证明,KLF2对于促进内皮细胞增殖能力和改善心肌功能至关重要。在急性心肌梗死(acute myocardial infarction,AMI)患者的血清中观察到KLF2mRNA表达降低并伴随心肌和内皮损伤标志物心肌肌钙蛋白I(cardiac troponin I,CTNI)、心肌型脂肪酸结合蛋白(heart-type fatty acid binding protein,HFABP)和血管性血友病因子(von willebrand factor,vWF)表达增加,梗死心肌组织表达炎性标志物如IL-1β、IL-6以及TNF-α增多[40]。相反,上调KLF2表达后,AMI诱导的内皮损伤得到修复、心肌和内皮损伤标志物浓度降低,血管内皮细胞增殖能力增强,有效地挽救了坏死的心肌[41]。心肌梗死后持续的炎症反应可导致房室重构即间质纤维化和心肌肥厚,最终进展为心力衰竭。心肌重塑和间质纤维化始于内皮功能障碍[42],KLF2的激活在心肌梗死中表现出强大的内皮损伤修复能力和抗炎能力,但其具体的保护作用机制还有待进一步研究。

3.4 心力衰竭

心力衰竭(heart failure,HF)是一种由多种心血管疾病引起的、病因各异的临床综合征,在全球范围内具有高的发病率和死亡率[43]。研究者发现,Klf2基因敲除小鼠心内膜垫发育过程的关键步骤即上皮-间充质转化过程无法完成,导致心脏瓣膜发育欠成熟,而后小鼠死于心力衰竭[44]。Li等[45]用含KLF2小干扰RNA的RGD-肽磁性纳米颗粒靶向诱导内皮细胞特异性KLF2抑制后,辛伐他汀对主动脉缩窄后压力超负荷引起的心功能障碍的保护作用丧失,表现为间质纤维化和心肌肥厚;间质纤维化和心肌肥厚是心室重构的特征表现,心室重构是心力衰竭的主要病理改变。经证实,KLF2能直接抑制内皮转化生长因子-β1(transforming growth factor-beta-1,TRG-β1)的表达或通过抑制KLF2-Foxp1-TRGβ1信号轴的激活来限制心脏成纤维细胞的增殖、迁移和肌成纤维细胞的形成[45-46],从而改善病理性的心肌纤维化和肥大,延缓心室重构,预防心力衰竭的发生。KLF2还与心力衰竭的预后有关。颈动脉体KLF2表达减少导致颈动脉体化学感受器敏感性增加,致使交感神经活动亢进、呼吸紊乱以及心率失常的发生[47],交感神经活动亢进、呼吸紊乱以及心律失常被认为是慢性心力衰竭患者的主要死因。

4 小结与展望

综上所述,KLF2具有抗炎、抗血栓、抗氧化以及调控血管生成与舒张等强大的心血管保护功能,参与动脉粥样硬化、脑卒中、心肌梗死和心力衰竭等心血管疾病的发生发展过程并影响着疾病的临床结局。KLF2为心血管疾病的治疗提供了更多的选择,针对KLF2上下游分子的研究是未来预防和治疗心血管疾病新的切入点与关键,通过调节KLF2的表达或功能可为心血管疾病的治疗提供新的治疗策略。