心力衰竭与心肌细胞凋亡的研究进展

.心力衰竭与心肌细胞凋亡的研究进展王红英,曹雪滨(中国人民解放军第二五二医院心内科,河北保定071000)中图分类号:R 541.6文献标识码:A文章编号:1006-2084(2008)18-2727-04基金项目:全军十一五课题(06MA 074)通讯作者摘要:心肌细胞凋亡是在一系列基因调控下进行的程序化细胞死亡,与许多心血管疾病的发生、发展密切相关。近年来研究发现,衰竭心脏中存在心肌细胞凋亡,细胞凋亡可能是心力衰竭发病机制的一个重要环节。本文就细胞凋亡的通路及调控,细胞凋亡在心力衰竭中的作用及心力衰竭的治疗予以综述。关键词:心力衰竭;心肌细胞凋亡TheResearchProgressofHeartFailureandMyocardialApoptosisWANG Hong-ying,CAO Xue-bin.(DepartmentofCardiology,the 252ndHospitalofPeoplesLiberationArmy,Baoding 071000,China)Abstract:Themyocardialapoptosisreferstoaprogrammedcelldeathcontrolledbyaseriesofgenes,Whichhasbeendemonstratedtobercloselyelatedtotheoccurrenceanddevelopmentofmanycardiovasculardiseases.Recentstudiesfoundthatmyocardialapoptosisexistsinheartfailureandapoptosismaybeanim-portantlinkinthepathogenesisofheartfailure.Thispaperreviewedthepathwayandregulationofapoptosis,theroleofapoptosisinheartfailureandthetreatmentforheartfailure.Keywords:Heartfailure;Myocardialapoptosis心力衰竭是各种病因导致的以心脏收缩和(或)舒张功能受损为特点的器质性心脏病的终末阶段,是心脏病患者死亡的重要原因。近年来的研究表明,心力衰竭发生时左室功能不恶化是心肌细胞反复丢失和(或)剩余的心肌细胞收缩功能逐渐退化的结果,而凋亡可能是心细胞不断丢失的根源所在。心肌细胞凋亡使心肌细胞大量丧失,当心肌细胞数量减少到一定程度,必然会导致心力衰竭进行性恶化1。1细胞凋亡的概念和特征细胞凋亡即程序性细胞死亡,是一种细胞自身基因控制的主动性死亡过程,其形态特征为染色质固缩边集、DNA片段化、胞质浓缩、胞膜皱缩并发泡形成凋亡小体,生化上表现为DNA梯形条带2。2细胞凋亡通路2.1死亡受体通路死亡受体属于肿瘤坏死因子基因家族,其共同特征是有相似的、富含半胱氨酸的细胞外结构域。已知死亡受体5种,即Fas(CD95/Apol)、肿瘤坏死因子受体1(TNFR-1)、死亡受体3(DR 3)、死亡受体4(DR 4)和死亡受体5(DR 5),前3种受体相应的配体分别为FasL(CD95L)、肿瘤坏死因子、Apo-3L,后2种均为Apo-2L。死亡受体和相应配体结合,caspases-8寡聚化,从而启动链式信号转导级联途径,最终导致细胞凋亡3。2.2线粒体通路在各种促细胞凋亡信号作用下,线粒体通透性转变为不可逆的过度开放,导致线粒体跨膜电位崩解,呼吸链解耦联,基质渗透压升高,内膜肿胀,细胞色素C释放到胞质,在ATP/ddATP存在下,与凋亡蛋白活化因子(Apaf-1)形成多聚体复合物,通过Apaf-1氨基端caspase募集结构域募集细胞中的caspase-9前体,一个活化的Apaf-1可募集多个caspase-9,并使其自我剪切和活化,启动caspase的级联反应,激活下游caspase-3和caspase-7,完成对相应底物的切割,引起细胞凋亡。现已明确线粒体参与细胞凋亡过程,起着主开关作用4。2.2.1线粒体膜电位(m)耗散与细胞凋亡线粒体是双层膜围成的囊状结构,外膜与内膜间的空腔称为外室,由内膜围成的腔称为内室或线粒体基质。线粒体外膜的通透性较大,可允许相对分子质量在15 103以下的物质自由通过,因此外室的成分与胞质基本相似,线粒体内膜的通透性较小,相对分子质量 1.5 103的物质不能自由通过,但可通过内膜上的一些载体蛋白与通道运输某些物质。内膜上有质子泵,它将线粒体基质中的质子泵入外室,使粒体内外室电压不平衡而形成跨膜电位(mitochondrialtransmembranepotential,m)。m所形成的电化学梯度为实现线粒体的生物能量合成功能所必需。多种毒素、细胞氧化应激或缺血、缺氧等病理因素所致细胞凋亡均首先发生m下降,一旦线粒体m耗损,会严重影响线粒体功能、基因转录和蛋白质合成。m下降还会导致氧化磷酸化脱耦联、氧自由基生成增多和ATP衰竭,从而诱发心肌细胞凋亡细胞进入不可逆的凋亡过程。抑制m的下降可以有效阻抑细胞凋亡的进程。因而,m下降被许多学者称之为细胞凋亡的特异性标志5。2727医学综述2008年9月第14卷第18期MedicalRecapitulate,Sep 2008,Vol.14,No.182.2.2线粒体渗透性转换孔的开放研究表明,m崩解的主要原因在于线粒体渗透性转换的发生,线粒体渗透性转换的改变受线粒体渗透性转换孔调控6。线粒体渗透性转换孔是位于线粒体内外膜间的蛋白复合体,有胞质的己糖激酶、外膜的苯二嗪受体、电位依赖性离子通道即孔蛋白,外室的肌酸激酶、内膜的腺苷酸转运蛋白及基质的亲环蛋白D所组成。观察游离的线粒体表明,低ATP、胞质Ca2+升高及活性氧簇的增加可以使腺苷酸转运蛋白的构向改变,进而引起线粒体渗透性转换孔的开放。生理状态下PT孔的周期开放可防止外室正离子过度蓄积,当在凋亡信号的诱导下,PT孔的持续开放则使m崩解,呼吸链解耦联,线粒体基质渗透压的升高,内膜肿胀,并可伴随线粒体膜间隙的细胞色素C、细胞凋亡诱导因子和caspase酶原等的释放,通过凋亡的级联反应引起细胞凋亡7。研究表明,线粒体膜线粒体通透性转运孔道短暂抑制剂环孢素A以及特异性抑制剂BA均可有效阻止线粒体通透性转运孔道开放,抑制线粒体膜m降低,从而阻断了心肌细胞凋亡的过程8。3心肌细胞凋亡的调控3.1肿瘤坏死因子家族与凋亡调控肿瘤坏死因子是由激活的巨噬细胞产生一类细胞因子,通过激活caspase蛋白酶、转录因子核因子B、丝裂原活化蛋白激酶等途径,实现其细胞毒性、抗病毒、免疫调节及转录调节等多种生物学活性9。3.2Bcl-2家族蛋白与凋亡调控目前已知Bcl-2基因有10余种,包括抑制凋亡基因(Bcl-2、Bcl-xL、Mcl-1、A 1PBfl-1、Bcl-W)或促进凋亡基因(Bax、Bcl-Xs、Bak、Bad、Bik、Bim、Bid、Hrk、BoK)。促凋亡和抗凋亡蛋白在Bcl-2家族中共存,提示二者的相对浓度是凋亡调控中的“变阻器”10。Bcl-2蛋白和Bax蛋白均属于Bcl-2家族,前者是抗凋亡蛋白,后者是促凋亡蛋白,二者蛋白水平的高低与凋亡调控直接相关。Bcl-2和Bax各自可形成同源二聚体,也可相互结合形成异源二聚体。Bcl-2与Bax所形成的异源二聚体中二者的比例决定细胞到底该向存活还是死亡的方向发展。Danial等11认为,线粒体膜表面分别存在着Bcl-2家族的Bax同源二聚体,非磷酸化的Bad将直接导致Bax的单聚化,从而形成线粒体Ca2+内流和细胞色素C外流的PTT交换通道,导致细胞凋亡。3.3细胞色素C与凋亡调控细胞色素C不仅可作为呼吸链电子传递的物质,也是调控细胞凋亡的一种主要蛋白。线粒体损伤后,细胞色素C作为应激传感器被释放到细胞质中,从而引发细胞执行凋亡程序。Chiu等12认为,细胞色素C释放早于跨膜电位改变,是一个更早期的凋亡事件。也有学者认为,Bcl-2家族中促凋亡蛋白Bax可在线粒体外膜上形成特异性通道,介导细胞色素C的外流13。3.4caspase家族与凋亡调控caspase被死亡信号激活后,其激活第二信使如Ca2+、Bcl-2、神经酰胺、活性氧簇等,后者作用于线粒体,线粒体释放的pro-caspase-2、-3、-9被激活后,再激活caspase-3、-6、-7。激活的caspase-3、-6、-7再作用于p38激酶,诱导线粒体渗透性转换进一步提高,促进caspase-2、-3、-9的释放,实现死亡信号的级联放大,加快细胞凋亡。Reed14在研究caspase-3与线粒体跨膜电位之间的关系后,发现caspase激活主要有2条途径,一是跨膜电位下降时,从线粒体外室释放的细胞凋亡诱导因子激活caspase-3;二是从线粒体释放出来的细胞色素C,与Apaf-1、caspase-9形成复合体,活化caspase-3。总之,caspase既与线粒体通路密切相关,又与死亡受体通路紧密相连。3.5Ca2+与凋亡调控细胞凋亡早期线粒体出现内膜渗透性改变,通透性增加Ca2+的摄入、跨膜电位降低、细胞色素C和凋亡诱导因子的释放等。Ca2+浓度的改变在线粒体上游的凋亡早期信号转导通路中可能起了关键作用。He等15发现,Ca2+能结合线粒体通透性转运孔道上的金属结合位点,开放线粒体通透性转运孔道,从而诱导渗透压的改变、ATP的耗竭和线粒体的皱缩,细胞色素C释放,活化caspase-9和caspase-3,而诱发细胞凋亡。细胞内Ca2+增多,会引起跨膜电位(m)的改变。m的降低可使线粒体内贮钙进一步释放,引起细胞内钙的持续增加以及DNA断裂。而且m的降低,影响了能量代谢过程,造成脂质过氧化,引起细胞凋亡。3.6p53与凋亡调控p53基因作为一种转录因子能促进或抑制很多与细胞周期及凋亡相关基因的表达(如p21和Bax等),因此p53可通过直接或间接调节凋亡通路中多个关键因子调控凋亡。p53对死亡受体通路和线粒体通路均有重要作用。Bennett等16发现,p53能通过高尔基复合体转运Fas短暂促进血管平滑肌细胞表面Fas表达,并促进Fas/FADD的结合诱导凋亡。Burns等17的研究发现,人肿瘤细胞过表达p53能诱导该细胞凋亡,而特异性抑制剂分别抑制caspase-8及caspase-9后均能抑制这种p53依赖的凋亡,表明p53对死亡受体通路和线粒体通路均有影响。4细胞凋亡在心力衰竭发展中的作用心肌细胞凋亡成为代偿性心肌肥厚转向心力衰2728医学综述2008年9月第14卷第18期MedicalRecapitulate,Sep 2008,Vol.14,No.18竭的关键因素18。Leri等19在快速心室起搏造成的犬心力衰竭模型中发现,心力衰竭组较对照组肿瘤抑制蛋白p53激活及表达增强4.8倍,p53DNA与Bax启动子的结合活性升高;心肌中Bcl-2蛋白表达下降92%,Bax蛋白表达增强52%,Bcl-2与Bax蛋白的比例下降,提示p53及p53依赖基因的激活在起搏诱导的心力衰竭中对凋亡调节起关键作用。Sha-rov等20在犬冠状动脉栓塞致心力衰竭模型中也发现有心肌细胞凋亡的形态学和生化特征,且细胞凋亡在陈旧性心肌梗死灶的边缘部位最明显。Li等21报道,自发性高血压大鼠在向心力衰竭转变过程中,细胞凋亡的数目较非心力衰竭的自发性高血压大鼠高4倍,而较对照组的WKY鼠高17倍。上述动物实验结果提示,心力衰竭时确有心肌细胞凋亡存在。Narula等22采用TUNEL及琼脂糖凝胶电泳,对5例进展性心力衰竭患者(4例为原发性扩张性心肌病,1例为缺血性心肌病)行心脏移植术时的心脏标本进行研究,发现心肌细胞凋亡指数为5%35.5%,凋亡的心肌细胞并不是均匀分布在整个心肌层,而是呈灶性分布。这些结果表明,心肌细胞凋亡在心肌病进展到晚期心力衰竭的过程中起重要作用。5阻断心肌细胞凋亡在心力衰竭治疗中的作用阻断心肌细胞凋亡的信号转导通路将有助于阻遏凋亡的发生,这将是今后防治心力衰竭的新途径。Cardiotrophin1(CT-1)是一强大的心肌生存因子,通过激活心肌细胞的丝裂原活化蛋白激酶通路,减少心肌细胞的凋亡。Sheng等23报道,CT-1可阻断因血清去除所致的心肌细胞凋亡的发生,其作用是通过激活需要丝裂原活化蛋白激酶的抗凋亡信号途径。采用抗补体C5治疗,可减少多核白细胞在缺血/再灌注心肌区的集聚,防止细胞因子引起的心肌细胞凋亡。胰岛素样生长因子1亦可抑制心肌细胞发生凋亡,其机制可能为增强细胞生存力,诱导Mdm-2生成,Mdm-2与p53结合形成复合物,使p53减少。降低p53可引起血管紧张素原、血管紧张素受体和Bax的合成减少,从而抑制凋亡24。DeMois-sac等25研究发现,caspase抑制剂(Ac-Yrad-Cho)预处理心肌细胞,能降低低氧状态下心肌细胞的caspase-3活性,减少细胞色素C释放及细胞凋亡。Yue等26报道,心肌细胞缺血/再灌注后细胞内丝裂原活化蛋白激酶、细胞外信号调节激酶、p38和TNK 2活性增加同时出现细胞凋亡,应用p38抑制剂SB 242719P38和TNK 2抑制剂SB 203580预处理后,缺血/再灌注产生的心肌细胞凋亡分别减少42.8%和63.3%。6结语在慢性心力衰竭的进展过程中,心肌细胞的凋亡可能起重要的作用。了解心肌细胞凋亡的分子基础,阻断凋亡的信号途径,增强细胞抵御凋亡能力,可减少心肌细胞的缺失,减慢心力衰竭的进程,可能是新的治疗途径。然而,对心肌细胞凋亡的干预研究刚刚起步,尚有许多问题有待解决,所以当务之急是进一步明确细胞凋亡的分子机制,进一步阐明刺激凋亡的信号通路及这些信号与细胞凋亡之间的耦联环节,找出有效的抗心肌细胞凋亡的方法,是未来努力的方向。参考文献 1GaballaMA,Goldman S.Ventricularremodelingin heartfailureJ.CardFail,2002,8(6Suppl):S476-S485. 2胡厚祥,陈光辉.心力衰竭时心肌细胞凋亡的研究进展J.国外医学心血管疾病分册,1998,25(1):10-12. 3AshkenaziA,DixitVM.Deathreceptors:signalingandmodulationJ.Science,1998,281(5381):1305-1308. 4樊体俊,夏兰,韩贻仁.线粒体与细胞凋亡J.生物化学与生物物理学报,2001,33(1):7-12. 5FradeJM,MichaelidisTM.Origin ofeykaryoticprogrammed celldeath:aconsequenceofaerobicmetabolismJ.BioEssay,1997,19(9):827-832. 6林其谁.线粒体与细胞凋亡J.生物化学与生物物理学报,1999,31(2):116-118. 7GromptonM.ThemitochondrialPTPanditsroleincelldeathJ.Bichem J,1999,341(5):233-249. 8KongJY,RabkinSW.Palmitate-inducedapoptosisincardiomyo-cytesismediatedthroughalterationsinmitochonria:preventionbycyclosporineAJ.Biocim 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