楊 絮（綜述），張勇剛（審校）

（汕頭大學醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院心內(nèi)科，廣東汕頭 515041）

器官纖維化是指某器官由于局部缺血、化學物理因素、免疫反應、感染等慢性損傷，導致細胞外基質(zhì)合成與降解失調(diào)、基質(zhì)過量沉積的過程。器官纖維化的病理生理機制尚未闡明，Smads信號分子的激活在器官纖維化過程中發(fā)揮著重要作用。現(xiàn)就Smads蛋白與器官纖維化疾病的研究進展予以綜述。

1 Smads蛋白家族的組成及其信號轉(zhuǎn)導

Smads蛋白家族由轉(zhuǎn)化生長因子（transforming growth factor，TGF）超家族成員內(nèi)具有信號轉(zhuǎn)導功能的多種轉(zhuǎn)錄因子組成，屬于TGF超家族的亞家族，其命名源于最初發(fā)現(xiàn)的兩種蛋白，即Drosophilamothers againstdpp（Mad）和 C．elegans Sma 的融合［1］。到目前為止，哺乳動物Smads蛋白家族已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了8個成員，根據(jù)在信號傳遞過程中的作用，分為三大類:① 受體激活性 Smads（receptor-activated Smads，R-Smads），包括 Smad1、2、3、5、8，主要存在于細胞質(zhì)中，激活后可進入細胞核。其中Smad1、5、8主要由骨形成蛋白激活，而Smad2、3主要由TGF-β、激活素激活。② 通用性 Smad（common mediator Smads，Co-Smads），即 Smad4，為 R-Smads的伴侶，分布于細胞質(zhì)和細胞核。Smad4與R-Smads結(jié)合形成異二聚體，介導R-Smads核轉(zhuǎn)位。③ 抑制性Smads包括，Smad6和Smad7，是信號轉(zhuǎn)導的負反饋調(diào)節(jié)分子，主要分布于細胞核中。

Smads蛋白相對分子質(zhì)量為（42～60）×103，由三個部分組成:①MH1區(qū)，即高度保守的氨基端，約130個氨基酸，是信號轉(zhuǎn)導的抑制性結(jié)構(gòu)域。②MH2區(qū)，即高度保守的羧基端區(qū)，約200個氨基酸，主要與Smads蛋白二聚體的形成及核轉(zhuǎn)運相關(guān)。在基礎狀態(tài)下，MH2區(qū)被MH1區(qū)抑制，使Smads蛋白處于非活化狀態(tài)。③L區(qū)，即MH1和MH2之間鏈接區(qū)，與Smads蛋白同聚體的形成有關(guān)，其長度和序列多變。當受到外界信號（如TGF-β、AngⅡ、AGEs等）刺激時，R-Smads MH2區(qū)中的受體磷酸化位點（SsxS模序，即set-set-x-ser序列）激活，絲氨酸發(fā)生磷酸化，即解除MH1區(qū)的抑制作用，此過程即為R-Smads的激活?；罨蟮腞-Smads構(gòu)型改變，迅速與Smads錨著蛋白分離，而與Co-Smads結(jié)合形成異二聚體進入細胞核內(nèi)。在核內(nèi)，Smad3和Smad4可與DNA核苷酸序列上的Smads結(jié)合元件（即5'-GTCTA GAC-3'）特異性結(jié)合，Smad2由于MH1結(jié)構(gòu)域被修飾，不能與Smads結(jié)合元件結(jié)合，而與Smad4共同結(jié)合至DNA復合體中。Smads蛋白可以通過與轉(zhuǎn)錄共激活因子共同作用，促進基因的表達，還可以結(jié)合轉(zhuǎn)錄共抑制因子，下調(diào)基因的轉(zhuǎn)錄。在此過程中，還需要其他轉(zhuǎn)錄因子（如轉(zhuǎn)化生長影響因子、造血細胞分化調(diào)控基因、Smads核轉(zhuǎn)錄共抑制因子等）輔助參與。細胞質(zhì)中Smads蛋白的降解可以通過核小體和泛素蛋白酶途徑進行。

一系列研究表明，Smads蛋白是參與細胞的生長、增殖、凋亡、形態(tài)發(fā)生、免疫反應等過程中的重要信號分子，參與了多種器官纖維化過程，如心肌纖維化［2］、腎纖維化［3］、血管纖維化［4］等。

2 Smads與器官纖維化的關(guān)系

實質(zhì)器官纖維化的發(fā)生過程可概括為三個步驟:①損傷后上皮細胞大量產(chǎn)生、釋放并激活細胞因子（如白細胞介素6、白細胞趨化蛋白1等）使炎性細胞向原始損傷部位募集;②炎性浸潤細胞進一步分泌細胞因子，損傷上皮實質(zhì)器官，并且刺激成纖維細胞增殖，產(chǎn)生基質(zhì)蛋白;③當原始傷害刺激因素和炎癥減退后，損傷部位的生物合成反應（細胞外基質(zhì)合成）的自我激活和持續(xù)是纖維化形成的關(guān)鍵［5］。

2．1 Smads與心肌纖維化 心臟主要用由心肌細胞和心肌間質(zhì)組成。心肌間質(zhì)包括非心肌細胞（主要是成纖維細胞）和細胞外基質(zhì)，后者85%由Ⅰ型和Ⅲ型膠原組成，由心肌成纖維細胞合成和分泌［6］。心肌纖維化指心肌組織中膠原纖維過量沉積，各型膠原比例失調(diào)、排列紊亂，是心肌重構(gòu)的主要表現(xiàn)之一，為各種心臟疾病發(fā)展到一定階段的共同病理改變。心肌成纖維細胞大量增殖、合成膠原是心肌纖維化進展的重要特征，多種活性因子能夠激活心肌成纖維細胞，促進心肌纖維化的發(fā)展，其中最主要有腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)、TGF-β1，其他活性因子包括內(nèi)皮素、尾加壓素Ⅱ、肝細胞生長因子、基質(zhì)金屬蛋白酶、血小板衍化生長因子等。然而，這些活性因子促進心肌纖維化的機制仍未完全闡明，而Smads信號分子的作用受到廣泛的關(guān)注。

有報道［7］，在心肌梗死后，TGF-β、Activin 等表達水平升高，同時伴有Smad2、3、4的激活。在高膽固醇飲食誘導心肌纖維化模型中，TGF-β表達上調(diào)，其下游信號Smads蛋白相應增加，同時膠原合成增多，ColⅠ/Ⅲ增加，凋亡細胞增多，心肌出現(xiàn)典型纖維化特征。體外研究發(fā)現(xiàn)［8］，TGF-β 介導的 Smads蛋白的磷酸化可以誘導心臟造血干細胞向成纖維細胞分化，而心臟造血干細胞是自身免疫性心肌炎中TGF-β誘導心肌纖維化的主要靶點。另外，小鼠主動脈縮窄術(shù)后，TGF-β 上調(diào)［9］，從而激活 Smad2/3和Smad1/5信號，誘導基質(zhì)蛋白產(chǎn)生。這都提示了TGF-β/Smad信號通路的激活在心肌纖維化過程中發(fā)揮重要作用。最近報道［10］，可溶性TGFβⅢ型受體可以抵抗 TGF-β誘導的 Smad2/3的活化，阻斷Smads信號轉(zhuǎn)導通路，抑制肌成纖維細胞分化，抑制心肌纖維化。

AngⅡ也可通過激活Smads信號途徑促進心肌纖維化的過程。AngⅡ能夠刺激p-Smad2/3和Smad4的表達，還能夠誘導TGF-β產(chǎn)生、協(xié)同TGF-β作用，促進纖維化發(fā)展，該效應可以被AngⅡ1型受體阻斷劑氯沙坦抑制，提示Smads激活是AngⅡ介導心肌纖維化的重要機制之一。在Smad3野生型和基因剔除型小鼠上，AngⅡ能誘導血壓升高［11］，Smad3野生型組同時伴有 TGF-β、結(jié)締組織生長因子（connective tissue growth factor，CTGF）、ColⅠ/Ⅲ、α 平滑肌肌動蛋白表達上調(diào)，然而，Smad3基因剔除型組并無此變化。提示Smad3在心肌纖維化和心肌重塑中起關(guān)鍵作用。與此同時，在p-Smad2/3表達升高的同時，伴隨著核因子κB/p65表達增高，提示核因子κB/p65可能是Smads信通路介導纖維化過程的一個重要的中介分子。

此外，Smads信號通路在糜酶［12］、雷帕霉素靶蛋白［13］和心肌細胞凋亡信號轉(zhuǎn)導［14］中也發(fā)揮了重要的作用，參與糜酶、雷帕霉素靶蛋白和心肌細胞凋亡、心肌纖維化。

但是，近來有研究提示，Smads信號通路在心肌纖維化中扮演了另外一種角色。Divakaran等［15］采用Smad3－/－小鼠制作主動脈縮窄后左心室壓力超荷模型，發(fā)現(xiàn)小鼠死亡率顯著提高，認為可能與Smad3缺失引起的惡性心律失常有關(guān)，但具體機制尚不清楚。同時還發(fā)現(xiàn)，Smad3－/－小鼠主動脈縮窄后心重指數(shù)（心重/體質(zhì)量比）、左心室厚度以及肌細胞橫斷面積均明顯上升，出現(xiàn)向心性肥大。提示Smad3可能在限定心肌細胞肥大中發(fā)揮了重要作用。國內(nèi)學者也發(fā)現(xiàn)，AngⅡ能夠誘導心肌成纖維細胞上Smad7合成增加。Smad7是一個心臟的保護因子，基因上含有與Smad3～Smad4結(jié)合的序列，可因R-Smads激活后數(shù)小時內(nèi)被誘導產(chǎn)生，從而抑制Smad2/3磷酸化，通過負反饋機制抑制心肌纖維化。對于AngⅡ誘導心肌成纖維細胞上Smad7的產(chǎn)生可能是一種代償性升高。這可能為研究Smads蛋白在促進或者逆轉(zhuǎn)心肌纖維化中的信號機制提供一種新的啟示。

2．2 Smads信號通路與腎間質(zhì)纖維化 腎間質(zhì)纖維化的機制相當復雜，其中腎臟細胞外基質(zhì)生成細胞（包括腎間質(zhì)成纖維細胞、腎小球系膜細胞和腎小管上皮細胞）發(fā)揮著重要作用。在氧自由基、細胞因子等損害因素刺激下，這些細胞發(fā)生增殖，合成大量細胞外基質(zhì)，堆積于腎間質(zhì)，導致腎小球硬化和間質(zhì)纖維化，是各種腎臟疾病發(fā)展到腎衰竭的共同通路和病理基礎［16］。許多證據(jù)表明，上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelial tomesenchymal transition，EMT）是腎纖維化的一個關(guān)鍵的機制［4］。與EMT相關(guān)的信號機制主要有TGFβ/Smads，整合素/整合素連接激酶和 Wnt/βcatenin信號通路［16］。其中，TGF-β 是目前認為的最強的促腎纖維化因子，而Smads蛋白是目前發(fā)現(xiàn)的TGF-β主要作用底物，能夠把TGF-β信號從細胞外傳遞到細胞核。很多EMT相關(guān)基因（如CTGF、整合素連接激酶、β1整合素、Wnt、Snail、Id1、α 平滑肌肌動蛋白、基質(zhì)金屬蛋白酶 2［4］）是 TGF-β/Smads 信號的作用靶點。

Sebe等［17］發(fā)現(xiàn)TGF-β促進豬的近曲小管上皮細胞上Smad2和Smad3蛋白磷酸化水平上調(diào)。其他學者發(fā)現(xiàn)［18］，Wistar大鼠體內(nèi)注射 AngⅡ 24 h后Smad3蛋白磷酸化水平明顯升高，該作用可持續(xù)至2周。在體外培養(yǎng)的腎小管上皮細胞上［19］，AngⅡ分別刺激15 min和24 h，發(fā)現(xiàn)Smad2/3蛋白磷酸化水平明顯上調(diào)，早期（15 min）通過AngⅡ1型受體-細胞外信號調(diào)節(jié)激酶/p38-Smads信號通路，而遲發(fā)相通過（24 h）AngⅡ1型受體-TGF-β-Smads信號途徑來實現(xiàn)。Smad2/3活化后，又進一步激活下游的CTGF、ColⅠmRNA和蛋白表達。Smads激活進入細胞核后，與Snail和EMT轉(zhuǎn)錄相關(guān)因子1等結(jié)合，調(diào)節(jié)其下游EMT相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄［1］，如促進間質(zhì)細胞和肌成纖維細胞標志物α平滑肌肌動蛋白、波形蛋白表達上調(diào)，而內(nèi)皮細胞標志物上皮鈣黏蛋白表達明顯減少［17，18］，提示 Smads 介導了 AngⅡ誘導的 EMT過程。有學者分別對Smad2和Smad3進行RNA干擾，發(fā)現(xiàn)干擾Smad3 RNA表達后可以抑制AngⅡ誘導的CTGF和ColⅠ的表達［19］。另外，體內(nèi)外實驗都發(fā)現(xiàn)［4，17］，Smad3 基因缺失可以抑制 EMT 相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄，抵抗EMT，減輕腎纖維化，提示Smad3在介導腎臟EMT和腎纖維化中起關(guān)鍵作用。

與Smad2/3相反，Smad7可以抑制EMT、抵抗腎纖維化。細胞內(nèi)轉(zhuǎn)染Smad7可以拮抗Smad2/3的磷酸化，抑制其下游 CTGF和ColⅠ的表達［19］，并能抑制TGF-β誘導的α平滑肌肌動蛋白的表達［17］、抑制EMT。在腎臟疾病中，Smads的激活不僅與TGF-β上調(diào)有關(guān)，還與Smads的降解和調(diào)節(jié)因子有關(guān)［4］。

2．3 Smads與血管纖維化 血管纖維化表現(xiàn)為細胞外基質(zhì)異常增多，過度沉積和基質(zhì)重塑，導致血管管徑縮小和（或）管壁增厚，是高血壓、糖尿病等的主要并發(fā)癥。腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)、內(nèi)皮素、尾加壓素Ⅱ、TGF-β、CTGF、白細胞趨化蛋白1和血小板源生長因子等的激活與血管纖維化密切相關(guān)。另外，血管纖維化也與干擾素 γ、成纖維細胞生長因子2、一氧化氮以及基質(zhì)金屬蛋白酶等抑制和降解基質(zhì)合成的因子失調(diào)有關(guān)。

Smads信號分子的激活在血管纖維化發(fā)生過程中亦發(fā)揮關(guān)鍵作用。有報道［20］，在高血壓動脈硬化患者腎動脈膠原沉積和纖維發(fā)展過程中，TGF-β通過激活Smads可以上調(diào)細胞外基質(zhì)相關(guān)基因（如前膠原、纖連蛋白、CTGF）表達。此外，體內(nèi)和體外實驗均發(fā)現(xiàn)［21］，AngⅡ能夠激活大鼠主動脈 Smad2/4，促進p-Smad2核轉(zhuǎn)位，增強其下游CTGF啟動子活性，升高基因蛋白水平。該效應可以被氯沙坦和p38促分裂原活化蛋白激酶抑制劑SB203580部分阻斷。轉(zhuǎn)染Smad7可以阻斷TGF-β誘導的纖連蛋白、膠原和CTGF的表達。有研究證實AngⅡ可通過TGF-β依賴性和非依賴性途徑激活血管平滑肌細胞中Smads信號通路，參與血管纖維化［5］。此外，AGEs能夠激活 Smad2/3［22］，增加膠原合成，即使在 TGF-βRⅠ、TGF-βRⅡ突變細胞中也存在上述現(xiàn)象，該效應可被細胞外信號調(diào)節(jié)激酶/p38促分裂原活化蛋白激酶抑制劑阻斷，提示糖基化終末產(chǎn)物能夠直接刺激Smads，并且促分裂原活化蛋白激酶和Smads之間的串話可能在糖尿病血管病變中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

另外，Smads信號在血管外膜細胞參與血管纖維化過程中也發(fā)揮了重要作用。有報道TGF-β1能夠激活血管外膜成纖維細胞上Smads信號分子，并與促分裂原活化蛋白激酶以及整合素信號分子之間具有串話效應［23］。也有研究發(fā)現(xiàn)，過表達Smad7可減弱血管球囊擴張術(shù)后血管外膜細胞的遷移和膠原沉積，從而減輕血管纖維化［24］。

由此可見，Smads信號在血管纖維化中擔當著重要的角色。但在此過程中，Smad2和Smad3可能發(fā)揮了不同的作用。有報道Smad3缺失的血管平滑肌細胞中［5］，AngⅡ介導的血管纖維化作用消失，而Smad2缺失并無此效應。也有發(fā)現(xiàn)異位表達的Smad3可以協(xié)同TGF-β誘導纖連蛋白表達［25］，提示Smad3在血管纖維化中起了關(guān)鍵的作用。

3 結(jié)語

Smads信號與器官纖維化有著密切的關(guān)系。Smads不同亞型在促器官纖維化過程中擔當著不同的角色。以Smad 2、Smad 3為代表的R-Smads是纖維化疾病的正調(diào)控因子，以Smad 7為代表的I-Smads是纖維化疾病的負調(diào)控因子。靶向阻斷Smad 2、Smad 3蛋白的磷酸化或提高Smad 7表達以阻斷TGF-β、AngⅡ、AGEs等信號轉(zhuǎn)導通路，有望為器官纖維化疾病的臨床治療提供一種新的途徑。

［1］Derynck R，Gelbart WM，Harland RM，etal．Nomenclature:vertebrate mediators of TGF-β family signals［J］．Cell，1996，87（2）:173．

［2］Yuan SM，Jing H．Cardiac pathologies in relation to Smad-dependent pathways［J］．Interact CardioVasc Thorac Surg，2010，11（4）:455-460．

［3］Liu YH．New insights into epithelial-mesenchymal transition in kidney fibrosis［J］．JAMSoc Nephrol，2010，21（2）:212-222．

［4］Wang W，Huang XR，Canlas E，etal．Essential role of Smad3 in angiotensin Ⅱ-induced vascular fibrosis［J］Circ Res，2006，98（8）:1032-1039．

［5］Guarino M，Tosoni A，Nebuloni M．Direct contribution of epitheliuMto organ fibrosis:epithelial-mesenchymal transition［J］．HuMPathol，2009，40（10）:1365-1376．

［6］Gao X，He X，Luo B，etal．Angiotensin Ⅱ increases collagen Iexpression via transforming growth factor-beta1 and extracellular signal-regulated kinase in cardiac fibroblasts［J］．Eur J Pharmacol，2009，606（1/3）:115-120．

［7］Zhu XY，DaghiniE，Rodriguez-PorcelM，etal．Redox-sensitivemyocardial remodeling and dysfunction in swine diet-induced experimental hypercholesterolemia［J］．Atherosclerosis，2007，193（1）:62-69．

［8］Kania G，Blyszczuk P，Stein S，etal．Heart-infiltrating prominin-1+/CD133+progenitor cells represent the cellular source of transforming growth factorβ-mediated cardiac fibrosis in experimental autoimmunemyocarditis［J］．Circ Res2009，105（5）:462-470．

［9］Xia Y，Lee K，Li N，etal．Characterization of the inflammatory and fibrotic response in a mouse model of cardiac pressure overload［J］．HistocheMCell Biol，2009，131（4）:471-481．

［10］廉瑞青，陳躍杰，許增祿，等．sTRII拮抗新生大鼠心肌成纖維細胞內(nèi)TGF-β1誘導的信號和肌成纖維細胞分化［J］．中國臨床解剖學雜志，2010，28（2）:184-187．

［11］Huang XR，Chung AC，Yang F，etal．Smad3 mediates cardiac inflammation and fibrosis in angiotensinⅡ-induced hypertensive cardiac remodeling［J］．Hypertension，2010，55（5）:1165-1171．

［12］趙曉燕，趙連友，鄭強蓀．轉(zhuǎn)化生長因子β1/Smad通路調(diào)控糜酶誘導的大鼠心臟成纖維細胞增殖［J］．心臟雜志，2010，22（1）:25-29．

［13］Chen CY，Sun YN，Yang ZC，etal．Effects ofmTOR inhibitor rapamycin on Smad 3 protein and collagen typeⅠexpression in rat myocardial fibroblasts infected with coxsackie virus［J］．Zhonghua Xin Xue Guan Bing Za Zhi，2008，36（2）:156-160．

［14］Heger J，Warga B，Meyering B，etal．TGFβ receptor activation enhances cardiac apoptosis via SMAD activation and concomitant NO release［J］．JCell Physiol，2010．

［15］Divakaran V，Adrogue J，Ishiyama M，etal．Adaptive and maladptive effects of Smad3 signaling in the adultheartafter hemodynamic pressure overloading［J］．Circ Heart Fail，2009，2（6）:633-642．

［16］Efstratiadis G，Divani M，Katsioulis E，etal．Renal fibrosis［J］．Hippokratia，2009，13（4）:224-229．

［17］Sebe A，Leivonen SK，F(xiàn)intha A，etal．Transforming growth factorβ-induced alpha-smoothmuscle cell actin expression in renal proximal tubular cells is regulated by p38βmitogen-activated protein kinase，extracellular signal-regulated protein kinase1，and the Smad signalling during epithelial-myofibroblast transdifferentiation［J］．Nephrol Dial Transplant，2008，23（5）:1537-1545 ．

［18］Carvajal G，Rodríguez-Vita J，Rodrigues-Díez R，etal．AngiotensinⅡactivates the Smad pathway during epithelial mesenchymal transdifferentiation［J］．Kidney Int，2008，74（5）:585-595．

［19］Yang F，Chung AC，Huang XR，etal．Angiotensin Ⅱ induces connective tissue growth factor and collagenⅠexpression via transforming growth factor-βdependent and independent Smad pathways the role of Smad3［J］．Hypertension，2009，54（4）:877-884．

［20］Ruiz-Ortega M，Rodríguez-Vita J，Sanchez-Lopez E，etal．TGF-β signaling in vascular fibrosis［J］．Cardiovasc Res，2007，74（2）:196-206．

［21］Rodríguez-Vita J，Sánchez-López E，Esteban V，etal．AngiotensinⅡactivates the Smad pathway in vascular smoothmuscle cellsby a transforming growth factor-βindependent mechanism［J］．Circulation，2005，111（19）:2509-2517．

［22］Li JH，Huang XR，Zhu HJ，etal．Advanced glycation end products activate Smad signaling via TGF beta dependent and independent mechanisms:implications for diabetic renal and vascular disease［J］．FASEB J，2004，18（1）:176-178．

［23］Liu P，Zhang C，F(xiàn)eng JB，etal．Cross talk among Smad，MAPK，and integrin signaling pathways enhances adventitial fibroblast functions activated by transforming growth factor-beta1 and inhibited by Gax［J］．Arterioscler Thromb Vasc Biol，2008，28（4）:725-731．

［24］Mallawaarachchi CM，Weissberg PL，Siow RC．Smad7 gene transfer attenuates adventitial cellmigration and vascular remodeling after balloon injury［J］．Arterioscler Thromb Vasc Biol，2005，25（7）:1383-1387．

［25］Ryer EJ，HoMRP，Sakakibara K，etal．PKCdelta is necessary for Smad3 expression and transforming growth factor beta-induced fibronectin synthesis in vascular smooth muscle cells［J］．Arterioscler Thromb Vasc Biol，2006，26（4）:780-786．