|
本文刊于：中华心血管病杂志, 2020,48(07): 616-620 作者：杨丹 樊迪 杨政 唐其柱 单位：武汉大学人民医院 代谢与相关慢病湖北省重点实验室 摘要 信号转导子和转录激活子（STAT）3是一种在多种组织（包括心肌）中表达的信号分子。多项体内外研究表明，STAT3参与了多种病理生理状态下的心肌保护以及心肌肥厚调节。STAT3可被多种因素激活，包括细胞因子、生长因子、神经内分泌因素、缺血缺氧刺激等。作为一种功能多样化的转录因子，STAT3能与大量的信号分子相互作用，并形成了多种细胞内外信号通路，这些以STAT3为核心的信号通路在心血管生理（如妊娠）及病理（如心肌细胞坏死、缺血再灌注损伤、心肌肥厚、心肌纤维化等）过程中均发挥了重要的调节作用。我们对近年来STAT3在多种心血管疾病中作用机制的进展进行了综述。 心血管疾病是一大类严重威胁人类健康的疾病，具有高患病率、高住院率、高致残率和高病死率的特征。心血管疾病亦是目前全球人口死亡的最主要原因，据统计2012年有1 750万人死于心血管疾病，占全球死亡总数的31%。然而，心血管疾病的发病机制非常复杂，大量的分子以及信号通路介导了心血管病的发生发展。信号转导子和转录激活子（signal transducer and activator of transcription，STAT）3是STAT家族7个成员之一，在包括心肌在内的多种组织器官中表达。以往大量研究证实了STAT3在肿瘤中的信号转导及转录激活作用，近年来越来越多的研究发现STAT3及其相关信号通路在心血管系统的一些病理生理过程中也发挥了关键的调控作用，如心肌细胞坏死、缺血再灌注损伤(ischemia reperfusion injury, IRI)、心肌肥厚、心肌纤维化、产后心肌病（postpartum cardiomyopathy,PPCM）等。此外，针对STAT3及相关信号通路的药物为心血管疾病的治疗带来了新的希望。因此，我们对STAT3作为重要调控因子如何介导多种心血管疾病的发生发展，以及对试图通过干预STAT3来防治心血管疾病的相关研究进行了综述与展望。STAT是一大类具有细胞质内信号转导和细胞核内转录激活双重作用的蛋白，广泛存在于哺乳动物细胞中。STAT家族包括7个成员, 即STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5a、STAT5b和STAT6，在心肌中均有表达。STAT由750~850个氨基酸组成，具有高度保守的序列，即N端寡聚结构域-卷曲结构域-DNA结合域-连接体-Src同源结构区2（SH2）-C端激活域［1］。所有STAT家族成员的C末端都包含1个保守的酪氨酸残基，可被上游调控物质磷酸化，并与SH2结构域相互作用，共同参与下游信号转导。尽管STAT家族成员高度同源，可功能却千差万别。其中，STAT3作为最早发现的STAT家族成员，因具有多重重要作用而备受研究人员关注。1994年首次发现了STAT3，Akira等［2］从小鼠肝脏核提取物中纯化和克隆了STAT3，并确定了STAT3是一种DNA结合因子，在急性反应期选择性地与白细胞介素（IL)-6反应元件结合。Zhong等［3］发现STAT3作为一种由酪氨酸磷酸化激活的STAT家族成员，可被表皮细胞生长因子（epidermal growth factor，EGF）和IL-6激活而对干扰素-γ（IFN-γ）无响应。STAT3包括多种亚型，包括长型STAT3α，截短型STAT3β和STAT3γ，以及假定的新形式STAT3δ，各种亚型均通过转录物3′端的选择性剪接，由17q21号染色体内的一个基因衍生而来［4］。STAT3通过信号转导和转录激活参与了生物体内复杂多样的生命活动，是当前的研究热点，其在肿瘤领域的研究已经取得阶段性的成果，STAT3作为多种肿瘤通路的汇合点，在肿瘤细胞中持续大量表达，能够促进肿瘤细胞增殖、抵抗细胞凋亡、介导原癌性炎症和抑制抗肿瘤免疫等［1,5］，STAT3在一定程度上已经成为肿瘤治疗的重要分子靶点。据世界卫生组织（WHO）统计，2016年由缺血性心肌病所致全球死亡数接近1 000万。而在过去15年中，心血管疾病一直是全球首位死亡原因，成为目前医疗卫生领域面临的重大挑战之一。STAT3作为一种在多种信号级联通路中常见的急性反应性因子，在心血管疾病中的作用机制亦是引起广泛关注。IRI指缺血一定时间的心肌重新恢血液供应后，心肌不一定都会恢复其正常结构和功能，反而出现心肌细胞损伤加重的情况。IRI已被确定为外科或经皮冠状动脉介入治疗（percutaneous coronary intervention，PCI）患者心肌梗死面积的决定性因素。而缺血前处理和缺血后处理的相继发现使减少IRI成为可能，大量研究聚焦于缺血再灌注心肌保护。 STAT3在IRI、缺血前处理、缺血后处理等过程中发挥着重要的心肌保护作用。Hilfiker-Kleiner等［6］采用Cre/LoxP介导的重组方法培育的STAT3缺陷小鼠，对IRI的易感性显著增加，小鼠存活率明显降低，IRI中STAT3的心肌保护作用可能通过抑制心肌细胞凋亡、促进毛细血管生长、控制间质胶原代谢等实现。在缺血前处理时STAT3磷酸化水平增加，可能依赖于Janus激酶（Janus kinase，JAK）2/STAT3通路以及下游诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase, iNOS）的激活促进心肌保护［7］。此外，Boengler等［8］发现经3个循环的10 s缺血/10 s再灌注的缺血后处理，小鼠心肌风险区域的百分比显著减少，而经JAK2-STAT3阻滞剂AG-490干预的野生型小鼠，或用α-肌球蛋白重链基因启动子/Cre重组酶转基因小鼠与STAT3flox/flox小鼠杂交产生的心肌特异性STAT3敲除的小鼠却得到了相反的结果，证实了STAT3在缺血后处理过程中对缺血心肌的保护作用。Kleinbongard等［9］通过Western blot法量化并比较了大量缺血再灌注实验中猪左心室样本中多种蛋白的磷酸化情况，发现除STAT3以外无其他信号蛋白的磷酸化与梗死面积减少有关，表明STAT3是缺血性调节的共同通路。 STAT3的心肌保护主要通过以下通路实现：（1）生存活化因子增强途径（survivor activating factor enhancement，SAFE）：SAFE信号通路主要由肿瘤坏死因子（TNF）和STAT3组成，多项研究证明抑制SAFE通路足以消除缺血前处理和缺血后处理的心肌保护效应。缺血再灌注过程中TNF被激活，与肿瘤坏死因子受体2（TNFR2）特异性结合，通过TNF受体相关因子2（TRAF2）-鞘氨醇激酶1 （sphingosine kinase 1，SK1）-1磷酸鞘氨醇（sphingolipid sphingosine-1-phosphate, S1P）-STAT3或JAK-STAT3进行信号转导，最终导致STAT3磷酸化［Tyr705和Ser727两个位点，分别被JAK和细胞外调节蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）活化］，此后磷酸化的STAT3可调控下游相关基因（如连接蛋白43、叉头框蛋白O-1、半胱氨酸蛋白酶-3、Bcl-2相关X蛋白等）转录［10］。在高密度脂蛋白（HDL）/S1P处理的心肌中，S1P与S1P2亚受体结合，通过ERK1/2-JAK-STAT3激活SAFE信号通路促进心肌保护［10］。（2）再灌注损伤修复激酶途径（reperfusion injury salvage kinase，RISK）：RISK通路由一组生存前蛋白激酶组成，包括磷脂酰肌醇-3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）、蛋白激酶B（protein kinase B，PKB）、糖原合成酶激酶3β（glycogen synthase kinase-3β，GSK3β）和ERK1/2。STAT3参与了缺血再灌注过程中RISK信号通路的激活：在细胞质中，由心肌应激产生的活性氧（reactive oxygen species，ROS）刺激JAK2/STAT3途径，进而激活PKB和ERK2并直接或间接地下调GSK3β和糖原合酶（glycogen synthase，GS），经磷酸化的STAT3进入细胞核，直接抑制GSK3β基因的表达，起到心肌保护的作用［11］。（3）线粒体相关途径：STAT3还存在于线粒体中，线粒体可能是缺血再灌注过程中STAT3心肌保护作用的共同下游途径。被上游因子激活的磷酸化STAT3能刺激呼吸作用（主要与复合体Ⅰ有关）和抑制线粒体通透性转换孔（mitochondrial permeability transition pore，MPTP）的开放，免疫共沉淀证实该过程是通过STAT3与亲环蛋白D（一种与线粒体内膜结合时促进MPTP开放的基质蛋白）相互作用实现的［12］。在猪的缺血再灌注模型中也发现线粒体STAT3能够通过调控复合体Ⅰ/钙发挥心肌保护作用［13］。 总之，STAT3在缺血再灌注心肌保护通路中必不可少，以STAT3为靶点的治疗在缓解IRI方面可能具有一定作用。 心肌梗死是由于冠状动脉闭塞、血流中断导致心肌严重而持久的缺血、缺氧以及局部坏死，表现为正常心肌细胞的不可逆丧失、不良的心肌重构反应和进行性心脏功能恶化，是全球死亡的主要原因之一。Enomoto等［14］首次发现STAT3在亚急性心肌梗死患者中的潜在的心肌保护作用，研究选用心肌特异性敲除STAT3小鼠，从心肌梗死后第11天开始连续14 d注射他莫昔芬，建立亚急性期心肌梗死小鼠模型，即STAT3 iCKO小鼠。STAT3 iCKO小鼠死亡率增加，Masson三色染色显示其心肌纤维化明显加重，超声心动图证实小鼠心功能恶化，二氢乙啶荧光分析显示超氧化物产生增加，此外免疫组化分析显示STAT3 iCKO小鼠毛细血管密度降低。可见心肌梗死亚急性期维持固有的STAT3活性可能对心力衰竭有预防作用。IL-10介导的STAT3磷酸化可以增加心肌梗死后心肌毛细血管密度，并有助于改善心室功能［15］。STAT3在巨噬细胞介导的心肌梗死后修复过程中也起到一定作用，主要通过IL-10-STAT3-半乳聚糖-3轴促进骨桥蛋白（osteopontin，OPN）介导的修复性巨噬细胞生成，这些巨噬细胞通过纤维化和清除凋亡细胞，促进心肌梗死后组织修复［16］。此外，微小RNA（microRNA，miR） 在心肌梗死中也能调控STAT3的活性，抑制miR-124能特异地促进STAT3表达，阻止细胞凋亡并改善心肌梗死后线粒体功能［17］，miR-21通过IL-6/STAT3途径在急性心肌梗死中起到调节作用 ［18］。最近研究表明，恩格列净、干细胞治疗辅药艾塞那肽等药物或能通过调控STAT3及相关通路起到治疗心肌梗死的作用［19］。心肌肥厚是心肌对各种神经、激素和血流动力学因素的反应，最初是代偿性的，有助于维持心肌的正常功能，但长期刺激会使心功能恶化，甚至导致心力衰竭。心肌肥厚的病理表现为心肌细胞增大和心肌收缩/舒张功能障碍。多项体内、外研究表明，STAT3作为关键因子参与了心肌肥厚的分子调控。IL-6-糖蛋白130（glycoprotein 130，gp130）被认为是心肌肥厚的主要上游通路，IL-6家族的细胞因子［IL-6、白血病抑制因子（leukemia inhibitory factor，LIF）、心肌营养素-1（cardiotrophin-1，CT-1）等］与gp130共同受体结合形成复合物，随后通过JAK1/2-STAT3、鼠肉瘤病毒（rat sarcoma virus，Ras）-迅速加速性纤维肉瘤（rapidly accelerated fibrosarcoma，Raf）-丝裂原活化蛋白激酶激酶（mitogen-activated protein kinase kinase，MEK）-ERK和PI3K/PKB 3条途径转导，其中STAT3依赖的下游通路在心肌肥厚中起到核心作用，Tyr705磷酸化的STAT3形成同/异二聚体，转入细胞核并调控心肌肥厚相关下游基因的转录，其中细胞因子信号转导抑制因子（suppressor of cytokine signaling，SOCS）通过与JAK 激酶域或胞质磷酸酪氨酸残基相互作用，对STAT3的激活起到负反馈作用［20］。Wang等［21］发现聚ADP核糖聚合酶1（poly ADP-ribose polymerase，PARP1）在心肌组织中可与STAT3相互作用，使STAT3保持在磷酸化状态，下游靶基因持续大量表达，最终导致病理性心肌肥厚，揭示了基于STAT3的PARP1有望成为药物治疗心肌肥厚的新型靶标。非磷酸化形式的STAT3（U-STAT3）在心肌肥厚中也发挥着作用，Yue等［22］发现在血管紧张素Ⅱ1型受体（angiotension Ⅱ type 1 receptor，AT1R）转基因小鼠中，U-STAT3的核累积与心肌肥厚的发展呈正相关，主要通过OPN和G蛋白信号调节因子2（regulator of G protein signaling 2，RGS2）的异常表达实现，U-STAT3有望成为心肌肥厚的有效预后标志物。此外，由特定原因引起的心肌肥厚还涉及一些特殊的分子机制，在肥胖诱导的心肌肥厚中，全身和/或局部瘦素的增加与心肌瘦素受体（leptin receptor，LEPR）-STAT3激活的增强促进心肌肥厚的发生，其中LEPR的Tyr1138起到主要作用，另一方面肥厚信号介质的慢性过度激活以及激活STAT3依赖性心肌保护通路的不适应性可能会促进恶性的心肌重塑［23］。Xu等［24］发现在高血糖大鼠中，血红素氧合酶-1（HO-1）-STAT3信号通路可能参与了心肌肥厚的发生。在高负荷所致的心肌肥厚中，STAT3转录因子活性、线粒体STAT3水平和氧化磷酸化功能均被热休克蛋白H11激酶/热休克蛋白22（Hsp22）下调［25］。STAT3在心肌肥厚过程中发挥作用涉及的信号通路为进一步寻找相关的治疗提供了思路。心肌纤维化是大多数心肌病理状态的组成部分，其特点是心肌细胞外基质的积累。广泛的心室纤维化主要见于与急性心肌细胞死亡相关的疾病，大量心肌细胞的突然丢失引发炎症反应，导致以胶原为基础的瘢痕增生，最终可导致心功能障碍，甚至发展为心力衰竭。Jacoby等［26］首次发现心肌限制性缺失STAT3的小鼠其心肌纤维化和心力衰竭易感性增加。然而也有研究发现抑制JAK-STAT3通路可改善犬体外成纤维细胞的促纤维化作用，同时减轻心肌梗死后小鼠左心房纤维化［27］。STAT3在心肌纤维化过程中的作用复杂，通过多种信号通路参与心肌纤维化的调控。抑制STAT3可减少IL-6诱导的大鼠心肌胶原合成，IL-6/STAT3信号通路可能与慢性心力衰竭中组蛋白脱乙酰基酶（histone deacetylases，HDAC）抑制剂mocetinostat抗纤维化作用有关［28］。另外在1型糖尿病大鼠心肌纤维化模型中发现，STAT3可上调结缔组织生长因子（connective tissue growth factor，CTGF）和基质金属蛋白酶-9（matrix metalloprotein-9，MMP-9）的表达水平，隐丹参酮可抑制STAT3信号转导，改善糖尿病引起的心功能受损和心肌纤维化，人参皂苷Rh2通过过氧化物酶体增殖剂激活受体δ（PPARδ）-STAT3信号也能改善1型糖尿病大鼠心肌纤维化［29］。最近一项研究表明，心肌纤维化小鼠产生促红细胞生成素的肝癌相互作用体B2（erythropoietin-producing hepatoma interactor B2，EphrinB2）表达显著增加，通过向心脏中注射含EphrinB2-shRNA的慢病毒可显著减少α平滑肌肌动蛋白（α-SMA）等纤维化指标，EphrinB2的这一作用是通过STAT3和转化生长因子β（TGF-β）/母亲DPP 同源物3（Smad3）信号的激活和相互作用完成的，免疫共沉淀法证实STAT3的卷曲结构域以及DNA结合域和Smad3的MH2区域相互结合形成STAT3-Smad3复合物，STAT3磷酸化可增强该过程［30］。PPCM是一种病因不明的疾病，其特征是女性在妊娠的最后1个月和分娩后的第1个月突发心力衰竭，其发病率虽不高却有极高的病死率。研究发现心肌特异性敲除STAT3的雌性小鼠可发生PPCM，而PPCM患者左心室中STAT3蛋白水平显著低于正常人，提示STAT3对PPCM具有保护作用。随着STAT3水平的降低，产后锰超氧化物歧化酶（manganese superoxide dismutase，MnSOD）的表达降低，导致氧化应激增加及组织蛋白酶D（cathepsin D，CD）的释放，CD将相对分子质量为23 000催乳素转化为有害的16 000形式，其可诱导内皮细胞凋亡、毛细血管解离和血管收缩，损害心肌细胞代谢，从而促进PPCM［31］。另外，低水平的STAT3还能促进miR-199a和miR-7a的生成，两种miR分别抑制下游的erb-b2受体酪氨酸激酶4（erb-b2 receptor tyrosine kinase 4，ErbB4）和葡萄糖转运蛋白4（glucose transporter 4，GLUT4）表达，葡萄糖摄取受限，使得三磷酸腺苷活性降低以及ROS大量生成，导致能量缺乏和氧化应激，最终导致PPCM ［32］。综上所述，STAT3是心血管疾病中一个重要的信号调控因子。在不同的病理状态下，STAT3被相应上游通路激活，在Tyr705/Ser727位点进行磷酸化，随后启动下游信号转导，一方面入核调控相关靶基因的表达，另一方面作用于线粒体并影响呼吸作用和能量代谢，在不同的心血管疾病中发挥着正向或负向的调控作用。STAT3激活剂或抑制剂在基础和临床研究中都处于高度发展阶段。目前，抑制STAT3以治疗STAT3过表达的心血管系统疾病研究较为广泛，通过间接阻断STAT3信号通路上游分子或直接靶向STAT3蛋白，来抑制与STAT3信号转导相关的过程，如STAT3磷酸化、STAT3二聚体形成、核易位、STAT3 与DNA结合和STAT3靶基因表达等。但是，靶向STAT3治疗心血管疾病尚面临着严峻的挑战。STAT3在多种组织中都有表达，非心肌组织中持续激活STAT3与多种血液病和实性恶性肿瘤相关，因此任何以上调STAT3为目的的治疗方法都必须是心肌选择性的。另外，任何以STAT3为靶标的治疗方式都应该对STAT3信号通路具有高度特异性，如通过gp130激活STAT3通路需考虑到这些信号是否会转导到JAK/STAT3以外的其他通路，通过抑制STAT3表达的药物应靶向抑制STAT3蛋白而不阻断其他重要信号分子或STAT家族其他成员。总之，关于STAT3在各种心血管疾病中的作用机制目前掌握的仅是冰山一角，许多依赖于STAT3信号通路的调控机制以及不同通路的相互联系等尚处于研究阶段，而依赖于STAT3的药物研究则需要在上述研究进一步深入的情况下开展。
|
