FGF对心脏发育与健康的作用

黎 婷

(芜湖职业技术学院,安徽 芜湖 241000)

心脏是一个泵血的肌性器官,通过血管与各器官、组织之间进行O2与CO2、营养物质和代谢废物之间的交换,泵血功能失常是导致心脏问题发病和死亡的主要原因[1].心脏也是胚胎发育过程中形成的第一个器官,胚胎心脏发育过程中和心脏祖细胞之间有密切的信号联系[2].许多生物因子如骨形成蛋白、胰岛素样生长因子、Wnt、血管内皮生长因子及促红细胞生成素都以旁分泌或内分泌信号分子参与心脏的发育、健康和疾病[1-2].

成纤维细胞生长因子FGF也是信号蛋白,人和小鼠FGF家族包含22个成员,大部分FGF作为旁分泌因子或内分泌因子参与多种主要器官如肝、肾、脑和骨骼的发育、健康和疾病,当然也参与心脏的发育、健康和疾病[3-5].对FGF参与心脏发育、健康、疾病中各种作用的研究,可以为心脏疾病的临床治疗提供一种新思路[6].

1 FGF家族

FGF家族是一个包含约150个氨基酸的信号蛋白,最初是在脑中作为成纤维细胞的生长因子被分离发现[7].FGF在各种胚胎和动物的组织中广泛表达,在细胞增殖、细胞凋亡、神经细胞生长、细胞活性和细胞修复等方面发挥多种生物功能.而人和小鼠FGF家族存在120个氨基酸的保守序列,FGF家族不包含FGF15和FGF19,因为二者同源,小鼠和人分别命名为FGF15和FGF19,可以将FGF家族分为几个亚科,也可以根据作用机制分为旁分泌、内分泌和自分泌3个亚科[8].

旁分泌FGFs包括FGF1-FGF10、FGF16-FGF18、FGF20和FGF22,在它们的羧基端有硫酸类肝素结合位点.旁分泌FGF的硫酸类肝素结合位点与细胞膜表面的FGF受体(FGFreceptors,FGFRs)结合,进一步发挥其生物学功能,通过旁分泌作用于旁边的靶细胞对发育和生理产生作用.该硫酸类肝素结合位点是由重复的硫酸化葡糖醛酸构成的长线性碳链构成,与特异性细胞表面跨膜蛋白受体的N-乙酰葡糖胺双糖结合.FGFRs蛋白由FGFR1、FGFR2、FGFR3和FGFR4基因选择性剪接产生的,FGFRs具有不同的FGF结合特异性.硫酸类肝素对于FGFs和FGFRs结合的稳定性是必需的,FGFs-FGFRs-硫酸类肝素复合体产生FGFR二聚体和激活FGFR胞内酪氨酸激酶,引发关键的胞内信号通路,如RASMAPK、PI3K-AKT、PLCγ和STAT[8].

内分泌FGFs包括FGF5/19、FGF21和FGF23,并不是通过其硫酸类肝素结合位点与受体结合发挥作用,而是通过碳端的Klotho结合位点与FGFRs的αKlotho或βKlotho结合,内分泌FGFs主要作为内分泌信号参与代谢.αKlotho和βKlotho是由1000个氨基酸组成的单链跨膜蛋白,其功能域位于胞质,在内分泌FGFs作用的靶器官特异性表达.内分泌FGFs不能单独与FGFR、αKlotho或βKlotho有效结合,需要与FGFR-Klotho复合体才能形成有效结合,FGF15/19与FGFR4-βKlotho复合体结合,FGF21与FGFR1c-βKlotho复合体结合,FGF23与FGFR1c-αKlotho复合体结合,进而激活FGFR参与的胞内信号通路.FGF15/19和FGF23抑制代谢和增殖活性,FGF21只抑制代谢活性[9].

自分泌FGFs包括FGF11-FGF14,不是分泌信号蛋白,而是以自分泌方式调控神经元的电兴奋性[7-8].

2 利用FGF敲除小鼠模型对FGF调控发育作用的研究

心脏祖细胞间的信号联系对胚胎心脏发育是必需的,如起源于第二生心区细胞和神经嵴细胞的流出道的重塑对于心脏动脉极是必需的.第二生心区位于咽中胚层,参与胚胎循环形态发生中的心脏管道生成;神经嵴细胞起源于背神经层中的神经外胚层,参与心垫及心间隔生成.FGF以旁分泌信号在胚胎心脏发育中起调控作用,如FGF8、FGF9、FGF10、FGF15/19和FGF16[1,7].

FGF8是一个旁分泌信号,以旁分泌方式通过硫酸类肝素结合位点激活FGFR1c,在胚胎早期阶段表达.FGF8敲除小鼠模型研究发现,起源于中胚层和内胚层的结构缺失FGF8,对于原肠胚形成是致命的;FGF8对于心脏循环和神经嵴细胞存活是必需的,神经嵴细胞缺失导致流出道和心间隔缺陷[7,10].

FGF9也是以旁分泌方式通过硫酸类肝素结合位点激活FGFR1c,研究发现,FGF9敲除小鼠在出生后由于肺发育缺陷死亡率极高,且心脏与对照组比较显著减小,意味着FGF9敲除小鼠在胚胎发育阶段心肌细胞增殖的显著减少,显示FGF9是胚胎心肌细胞的生长因子[7].

FGF10以旁分泌方式通过硫酸类肝素结合位点激活FGFR2b,研究发现,FGF10敲除小鼠在出生后由于缺失多种器官死亡率极高,如四肢和肺,其右心室形态也发生改变.FGF10和FGFR2b在心肌细胞中普遍表达,在心肌成纤维细胞中不表达,但是促进成纤维细胞向心肌细胞转化,显示FGF10在胚胎心脏中以自分泌/旁分泌方式调控特异性心肌细胞的增殖.FGF10缺失导致心肌细胞增殖显著变少,心壁显著变薄[7,11].

FGF15/19在发育的咽弓表达,研究发现,FGF15/19敲除小鼠由于主动脉干和肺动脉干发育紊乱的心脏缺陷,在胚胎阶段13.5 d到出生后7 d都有死亡,主动脉干和肺动脉干发育缺陷与流出道早期形态发生缺陷有关,显示FGF15/19对于心脏流出道的形态发生是必需的.FGF15/19作为内分泌信号通过βKlotho激活FGFR4,但是βKlotho和FGFR4敲除小鼠在出生后是存活的,没有表现出心脏缺陷,证实FGF15/19以旁分泌方式调控心脏发育,与FGFR4/βKlotho通路无关[4].

FGF16以旁分泌方式通过硫酸类肝素结合位点激活FGFR1c,FGF16在小鼠胚胎的心肌细胞中显著表达.FGF16敲除的C57BL/6小鼠外形和生育机能正常,但是心脏重量和心肌细胞数量相较于对照组略有减少,FGF16是胚胎心肌细胞的生长因子.FGF16敲除小鼠的胚胎心脏表型和FGF9敲除小鼠的相似,说明FGF9和FGF16在胚胎心肌细胞增殖中协同作用.但是FGF16敲除的Swiss黑鼠由于心房壁和心室壁薄等心脏缺陷在胚胎11.5 d开始死亡,这些表型差异可能是由于遗传背景不同[7-10].

3 利用FGF敲除或转基因小鼠模型对FGF病理生理学作用的研究

心肌肥大和纤维化的心脏病患者容易病程加重,是造成心脏病发病率和死亡率的主要原因.心肌因子是心脏自身分泌的调控蛋白,对心脏功能极为重要,研究发现,FGFs如FGF2,FGF9,FGF10,FGF16和FGF21以旁分泌方式作为心肌因子参与心脏的病理生理过程[12].

FGF2以旁分泌方式作为胞外蛋白,通过硫酸类肝素结合位点激活FGFRs,其中FGFR1c被FGF2激活作用最大,FGF2在小鼠各组织中广泛表达.FGF2敲除小鼠貌似正常,但是FGF2敲除小鼠因心肌梗死和异丙肾上腺素引起的心脏肥大和纤维化发病率增高,血样中肾素和血管紧张素Ⅱ水平增加,引起高血压和代偿性心脏肥大等慢性心脏病发病率上升[7,12].而心肌特异性FGF2转基因小鼠表现出心脏肥大的恶化,可以被细胞外信号调节激酶(ERK)抑制剂延缓,显示FGF2促进心脏肥大和纤维化进程.FGF2敲除小鼠表现出缺血再灌注损伤,导致梗死面肌和心脏功能恶化加剧,显示它对心脏缺血再灌注损伤的功能,该作用通过抑制自体吞噬的增加特异性蛋白激活PI3K-AKT信号通路实现,被线粒体功能障碍等通过PI3K-AKT和RAS-MAPK信号通路被抑制.上述研究显示FGF2主要通过旁分泌作用对心脏细胞发挥功能,通过激活FGFR1c作用于RAS-MAPK和PI3K信号通路,从而促进心脏重塑[13].

采用多样化教学方式，提高学生的学习积极性是提高课程教学质量的关键[6]。自《常微分方程》课程立项为校精品课程建设以来，在教学方法上我们主要做了如下改革。

FGF9心肌特异性表达转基因小鼠因微血管扩张引起左心室肥大,但是对收缩和舒张功能没有影响,但易发梗塞,微血管数量增多,间质纤维减少.转基因孕鼠胚胎FGF9表达减少,心脏收缩功能加强.体外培养的大鼠心肌细胞添加FGF9后,增殖速度加快,内皮细胞网络形成增多[14].

新生小鼠心脏具有再生能力,直至出生后7 d再生能力急剧下降消失FGF10心肌特异性表达转基因小鼠心脏损伤后心肌细胞增殖能力提高,但是上皮细胞转化成间质细胞和成纤维细胞的数量没有增加.胚胎发生过程中心肌细胞增殖量逐渐减少,而FGF10转基因小鼠心肌细胞增殖量加大,显示出FGF10对心脏损伤修复的作用[15].

血管紧张肽Ⅱ引起心脏肥大和纤维化,转化生长因子TGF-β1(Transforming growth factor-β1,TGF-β1)是血管紧张肽Ⅱ的下游因子,FGF16敲除小鼠中TGF-β1表达量显著增加,导致血管紧张肽Ⅱ引起的心脏肥大和纤维化,其表型和FGF2敲除小鼠相反.心脏中FGF16和FGF2分别主要在心肌细胞和非心肌细胞表达,FGF2对体外培养的心肌细胞有明显的促增殖作用,而FGF16没有该作用;FGF16是一个心源旁分泌因子,与血液动力有关,与FGF2竞争性结合FGFR1c抑制其活性.FGF2显著增加TGF-β1表达,FGF16可以抑制该途径,由此可见FGF16与FGF2生物作用的显著区别,FGF16通过与FGF2竞争性结合FGFR1c,预防心脏肥大和纤维化.GATA结合蛋白家族是锌指转录因子,GATA4调控对胚胎发育的心脏特异性基因,GATA4敲除小鼠的心室功能由于心肌细胞复制量减少显著降低,其心脏中FGF16的表达量显著减少,导致冠状血管发生减少,心脏肥大和纤维化加重,显示GATA4通过FGF16对新生动物心脏再生进行调控[17].

FGF21必需与FGFRs结合才能发挥其功能,但是FGF21与FGFRs硫酸类肝素的结合亲和力很低,FGF21主要在肝脏表达,与βKlotho结合激活FGFR1c,通过内分泌方式发挥远距离调控作用[18].FGF21敲除小鼠和转基因小鼠都是通过内分泌方式调控葡萄糖和脂质代谢,但是作用不同[19].FGF21敲除小鼠心脏重量增加,异丙肾上腺素处理后心脏肥大加剧;心脏FGF21表达量比肝低,在心区不适时表达量显著增加,可以抑制异丙肾上腺素引起的心脏肥大[20],而βKlotho和FGFR1c主要在心肌表达,显示FGF21通过旁分泌方式作用于心肌,与βKlotho结合激活FGFR1c后引发MAPK信号通路预防心脏肥大.糖尿病Ⅰ型小鼠模型心脏中FGF21表达量增加,FGF21敲除小鼠因糖尿病导致的心肌凋亡更为显著;而FGF21处理可以显著降低体外培养的心肌细胞因软质酸盐导致的细胞凋亡,显示FGF21通过激活MAPK信号通路预防因高脂或糖尿病导致的心肌凋亡[20].临床上使用非诺贝特胶囊作为过氧化物酶体增生物激活受体α激动剂降低脂肪水平,促进心脏FGF21和sirtuin1基因表达,预防因糖尿病引起的心脏功能障碍、炎症,但是不能预防FGF21敲除糖尿病小鼠的心脏衰退[21].FGF21可以通过上调sirtuin1介导的自体吞噬,预防心脏病理和功能异常导致的Ⅰ型糖尿病,上述研究显示FGF21通过旁分泌方式对心脏进行保护[22].

4 分析临床病例对FGF病理生理学作用的研究

FGF信号失调导致多种人类疾病,包括遗传病、代谢病和癌症等,旁分泌信号FGF2、FGF21和FGF23的失调导致心脏疾病;心脏疾病影响血清中FGF15/19、FGF21和FGF23水平,说明FGFs是心脏疾病的生物标记[12].

心包腔积液导致心包内压,严重影响心脏功能,心包腔积液患者出现炎症后,FGF2水平提高,可能参与炎症性心包疾病的病理过程.4型心肾综合征患者因慢性肾脏病导致心脏损伤,因心脏肥大加剧和射血分数减小引起氧化性应激加重[7].行5/6肾切除术建立大鼠4型心肾综合征模型,其心脏FGF2表达水平、ERK1/2磷酰化和NADPH氧化能力显著增加,显示4型心肾综合征的心脏损伤是由于氧化性应激导致NADPH氧化增加后激活ERK1/2信号通路,并上调FGF2表达引起[12].促纤维化因子TGFβ1具有显著性激活成肌纤维细胞和导致胞外基质失调的作用,TGFβ1持续性上调导致成肌纤维细胞介导的纤维化;FGF2可以延缓TGFβ1介导的纤维化,显示FGF2在因纤维化导致心脏结构异常疾病中的临床治疗潜力[13].

FGF21是一个典型的内分泌信号蛋白,但是主要以旁分泌信号调控心脏功能.心房颤动患者,常见伴有持续性心律失常,也是心脏疾病如风湿性心脏病的常见表现,其FGF21在心房组织和血清表达水平显著上升,显示FGF21以旁分泌方式参与心房颤动心房纤维化的形成和进程[23,24].

FGF23作为骨源激素与FGFR受体结合产生生物反应,调控磷酸化和维生素D的代谢;FGF23与FGFRs的硫酸类肝素结合亲和力极低,但是可以与αKlotho高度结合激活FGFR1c.尽管FGF23是典型的内分泌信号,但是以旁分泌信号途径调控心脏功能.FGF23在CKD患者心肌细胞表达水平极高,通过上调FGFR4和激活钙神经素-NFAT信号通路引发左心室肥大,与左心室肥大发病显著相关,显示FGF23、FGFR4和钙神经素表达水平上调与左心室肥大显著相关,对CKD患者心肌激活性T细胞的细胞核因子也起到了活化作用.人心肌细胞中的FGF23唯一激活FGFR4,FGFR4特异性阻断抗体能够抑制FGF23引起的心脏肥大,并延缓CKD大鼠的左心室肥大,显示FGF23通过旁分泌方式激活FGFR4引起左心室肥大[25,26].

上述心脏疾患动物模型研究结果证实了FGFs的治疗功能,然而在人临床病例中并没有过报道,但是为心脏疾患患者的临床治疗提供了一种新的治疗策略.

5 结 论

综上所述,FGFs作为旁分泌因子、类激素内分泌因子和自分泌因子,参与机体的发育、健康和疾病.上述小鼠模型和临床病例中的FGF信号失调,显示多种FGF参与心脏的发育、健康和疾病.FGF9,FGF10和FGF16以旁分泌因子参与胚胎心脏发育;FGF2,FGF9,FGF 10和FGF16以旁分泌因子参与出生后心脏的病理过程;心脏疾病病例血清中FGF15和FGF19显著下降,FGF21和FGF23显著增加,显示它们在心脏病理过程中的作用.上述研究发现了FGF对维持心脏正常功能的重要作用,并为心脏疾病的临床治疗提供了一种新思路.