李金綜述，項海燕、唐燕華審校

轉化生長因子-β/Smad信號通路在胸主動脈瘤中的研究進展*

李金綜述，項海燕、唐燕華審校

轉化生長因子-β（TGF-β）/Smad 信號通路主要作用包括：機體細胞增殖抑制、調(diào)節(jié)免疫功能和維持細胞外基質(zhì)穩(wěn)態(tài)等。近年來，已有大量文獻報道該通路上的基因突變可能與胸主動脈瘤（TAA）發(fā)病相關。本文簡要地回顧了通路的組成及信號轉導過程，并重點介紹信號通路上的基因突變與胸主動脈瘤的關系及其相關的發(fā)病機理，為后繼臨床研究提供參考。

胸主動脈瘤;基因突變;發(fā)病機制;轉化生長因子-β（TGF-β）;Smad

胸主動脈瘤（thoracic aortic aneurysm，TAA）是指胸主動脈病理性的擴張，超過正常血管直徑50%的一類臨床上較常見的主動脈疾病，其診斷若不及時或延誤治療，可最終導致并發(fā)癥的出現(xiàn)而危及生命。然而，95%的TAA在急性事件如主動脈夾層（aortic dissection，AD）或動脈瘤破裂等并發(fā)癥發(fā)生以前，患者通常在臨床上不表現(xiàn)出明顯的陽性癥狀[1]，因而其病程進展容易被忽視。TAA每年平均擴張 0.1～0.29 cm，一旦其達到或超過一定大小時（升主動脈 5.5 cm，降主動脈6.5cm），則出現(xiàn)夾層、破裂及死亡等并發(fā)癥的風險急劇增加[2]，因此對TAA 易感人群的判定、疾病發(fā)展的監(jiān)控和及時治療干預則顯得尤為重要。TAA病因多且復雜，目前對于其具體的發(fā)病機理仍不清楚。已有大量證據(jù)表明 TAA 存在遺傳易感性，相關基因突變可能是 TAA 發(fā)病的高危因素[3]。尤其對于轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）/Smad信號通路在TAA 中的研究，更是成為近年來國內(nèi)外學者競相探討的熱點。本文就 TAA 相關疾病篩查 TGF-β/Smad 信號通路的基因突變及其可能的發(fā)病機理進行闡述。

1 轉化生長因子-β/Smad 信號通路簡介

TGF-β/Smad 信號通路是受體耦聯(lián)絲氨酸/蘇氨酸激酶信號轉導的重要組成部分，其特點是具有絲氨酸/蘇氨酸激酶的活性。通路由 TGF-β 家族，TGF-β受體（transforming growth factor-β receptor,TβR）及受體底物 Smad 蛋白家族組成[4]。

TGF-β 家族是一類分泌性的多肽信號分子，它們在氨基酸序列上高度同源，其中TGF-β1 在細胞中含量最豐富，可介導增殖抑制，誘導凋亡和調(diào)節(jié)細胞外基質(zhì)等作用，TGF-β2 則參與調(diào)節(jié)免疫功能[4]。TβR 根據(jù)其結構和功能特點可分為3類：Ⅰ型受體（TβRⅠ）、Ⅱ型受體（TβRⅡ）和Ⅲ型受體（TβRⅢ），三者均為跨膜蛋白。起信號轉導作用的是 TβRⅠ和 TβRⅡ，胞內(nèi)含絲氨酸/蘇氨酸激酶結構域，TβRⅢ主要調(diào)節(jié) TGF-β 與其他受體結合[4-6]。受體下游信號分子Smad 家族，目前至少發(fā)現(xiàn)有9種，可分為受體調(diào)節(jié)型 Smad(R-Smad )、共同介質(zhì)型 Smad(Co-Smad )和抑制型 Smad（I-Smad）。其中與 TGF-β/Smad 信號通路相關的R-Smad 主要是指 Smad2 和 Smad3,Co-Smad 在哺乳動物中僅有Smad4，I-Smad主要參與 TGF-β/Smad 信號通路自身負反饋調(diào)節(jié)[4,5]。

經(jīng)典的 TGF-β/Smad 通路信號轉導過程主要分以下步驟進行：①TGF-β 作為配體，先與 TβRⅡ結合，將其磷酸化激活后再激活 TβRⅠ,完成信號跨膜轉導。②TβRⅠ的絲氨酸/蘇氨酸激酶結構域活化后，可使下游R-Smad(Smad2/3)磷酸化并激活，其進一步與 Co-Smad（Smad4）結合，形成R-Smad/Co-Smad 復合物并核內(nèi)轉移。③R-Smad/Co-Smad復合物在細胞核內(nèi)作為轉錄因子調(diào)控靶基因翻譯，最終實現(xiàn)信號轉導[4,6]。

2 胸主動脈瘤相關疾病概述

TAA 相關的疾病大多為常染色體顯性遺傳疾病,根據(jù)臨床表征有無其他組織器官受累可分為綜合征型和非綜合征型。綜合征型常伴有多組織器官受累，主要包括馬凡綜合征（marfan syndrome，MFS）,洛伊迪茨綜合征（loey-dietz syndrome,LDS）,動脈瘤骨關節(jié)炎綜合征（aneurysms-osteoarthritis syndrome,AOS）和幼年性息肉病綜合征(juvenile polyposis syndrome,JPS)等。非綜合征類是主要指單純型或孤立型 TAA，一般可分為散發(fā)性 TAA（sporadic thoracic aortic aneurysm，STAA）和家族性 TAA(family thoracic aortic aneurysm，F(xiàn)TAA)等。

MFS 是最早發(fā)現(xiàn)的，也是最常見的 TAA 相關結締組織疾病,其典型臨床表現(xiàn)包括：高大身材、漏斗胸、蜘蛛指、細長四肢、晶狀體異位、主動脈根部擴張及TAA 等多器官受累[3,6]，其中大部分 MFS 病例被確立與纖維連接蛋白-1基因突變的發(fā)生相關[3,7]。LDS 由Loeys 等[8]于2005年首次發(fā)現(xiàn)并描述，其臨床特征除動脈迂曲、TAA 外還可伴有眼距增寬，懸雍垂/腭裂，顱縫早閉，半透明皮膚和皮膚萎縮性疤痕等異常，其中以顱面部畸形為主的稱 LDSⅠ 型，以皮膚表現(xiàn)為主的稱 LDSⅡ型[7,8]。AOS 及 TAA 相關的 JPS 則發(fā)現(xiàn)的更晚，于近期才被研究者們報道并關注[9-13]。AOS 除動脈迂曲、皮膚和輕度顱面部異常等與 LDS 表型重疊外，還可有早期（特別是嬰幼兒期）即出現(xiàn)的 TAA 及骨關節(jié)炎等特征[9,11，12]。而JPS 的主要特點是胃腸道具有形成錯構瘤性的息肉傾向，常伴有心臟二尖瓣功能異常、輕度胸主動脈擴張及遺傳性出血性毛細血管擴張[10，13]。一個家族中有多個成員受累稱 FTAA，其中 20% 以上的直系親屬可患有動脈瘤（包括顱內(nèi)和腹主動脈動脈瘤等）[14]。STAA 則一般無家族史，可能與先天遺傳[15]或后天性因素有關。

3 轉化生長因子-β/Smad 信號通路上的基因突變與胸主動脈瘤

經(jīng)典 TGF-β/Smad 信號通路的完整性是保證該通路信號轉導的前提，通路中任一環(huán)節(jié)蛋白質(zhì)的表達異?；蛳嚓P基因的突變，都可能成為 TAA 發(fā)病的契機（ 表1）。

表1 TGF-β/Smad 信號通路上的基因突變與胸主動脈瘤的關系

3.1轉化生長因子-β基因(TGFB)突變

TGF-β 由 TGFB 編碼，其可作為配體啟動整個通路信號轉導。TGFB2 定位于人類染色體 1q41,用于編碼翻譯TGF-β2。自2012年 ，Boileau 等[16]首次在 FTAA 伴有輕度MFS表型的家族中檢測出 TGFB2 突變以來，在 TAA 人群中開展 TGFB2 突變的研究已取得了較多突破。Renard 和他的同事利用直接測序法在146個 STAA 患者中發(fā)現(xiàn)了4種雜合突變[15]。Lindsay 等[17]在8個 LDS 家庭中也同樣檢測出了6種雜合突變，并在轉染的小鼠模型中證實了 TGFB2 突變能引起小鼠主動脈根部瘤。這些突變被認為導致 TGFB2 功能喪失[15，16]或 mRNA 的衰變增強[17]。而對于其他 TGF-β 家族基因突變，國內(nèi)外尚未報道。因此 TGFB2 突變可使信號轉導在起始端受阻，并可能為 STAA，F(xiàn)TAA 及 LDS 發(fā)病的遺傳易感因素之一。

3.2轉化生長因子-β受體基因（TGFBR1/2）突變

TβRⅠ 和 TβRⅡ 均為跨膜蛋白，分別由 TGFBR1 和TGFBR2 編碼表達。TGFBR1 定位于人類染色體 9q33-34,具有9個外顯子，而 TGFBR2 定位于人類染色體 3p24-25，具有7個外顯子，目前在 LDS、FTAA 等 TAA 患者中至少已檢測出8種 TGFBR1[7,18,19]及27種 TGFBR2[7,19-22]突變。這些突變主要為錯義突變，它們大部分都發(fā)生在用于編碼絲氨酸/蘇氨酸激酶結構的外顯子區(qū)域[7,19-22]，因而可能導致受體激活功能受損。2014年，Gallo 等[23]成功利用兩個分別敲除了 TGFBR1 和 TGFBR2 以及一個轉染了突變 TGFBR2 的小鼠重現(xiàn)了LDS 的臨床表型。這些現(xiàn)象表明 LDS 的發(fā)病可能與 TGFBR1/2 突變或功能喪失密切相關。此外，TGFBR2 突變還可在 MFS 患者中被檢出，這類伴有 TGFBR2 突變的MFS與典型的 MFS 不同，其臨床表現(xiàn)無眼部受累且基因篩查未發(fā)現(xiàn)纖維連接蛋白-1基因突變，因而被定義為 MFSⅡ 型[6,7]。綜上可知，TGFBR1/2 突變及功能喪失將導致經(jīng)典 TGF-β/ Smad 通路信號跨膜轉運受阻，從而可能提供致病基礎。其中TGFBR1/2 突變可能與 LDS、FTAA 等發(fā)病密切相關，并且TGFBR2 突變也可作為MFSⅡ 型的診斷要點。

3.3Smad基因（SMAD）突變

Smad 由 SMAD 編碼翻譯，為受體下游信號分子，介導信號由胞質(zhì)向核內(nèi)轉導。TAA 人群中 SMAD 突變檢測也是近年才逐漸被人們所關注，現(xiàn)已有不少文獻報道了SMAD3 及 SMAD4 突變與 TAA 的發(fā)病相關[9-13,24]。SMAD3定位于 15q21-22,目前已在13個 AOS 家庭中檢測出13種突變，其中有8個發(fā)生在介導 Smad3 和 Smad4 聚化形成R-Smad/Co-Smad 復合物的結構域[9,11,24]。SMAD4 定位于18 q21.1,2011年由 Andrabi 等[10]首次在一名有 TAA 家族史的 JPS 患者中檢測到一個無義突變。隨后，Teekakirikul等[13]在兩名 JPS 合并輕度主動脈根部擴張的患者中也發(fā)現(xiàn)了重復序列突變和缺失突變。部分突變可誘導 mRNA 衰變加速或過早終止翻譯[10,12]。這些信息提示，SMAD3 及SMAD4突變將影響 Smad 的表達及功能，使信號向核內(nèi)轉導受阻，并分別可能是 AOS 和 JPS 發(fā)病的遺傳易感因素之一。

4 基因突變導致胸主動脈瘤發(fā)病的機制探討：看似矛盾的結論

對于 TGF-β/Smad 信號通路上的基因突變導致 TAA 形成的機理，目前國際上還存有很大爭議[17]。一方面研究認為突變可使通路上各蛋白質(zhì)的功能和表達異常，導致信號轉導受阻而引發(fā)疾病[7,9-22]。另一方面，在 TAA 小鼠模型及患者的組織蛋白測定的研究中，學者們卻意外地發(fā)現(xiàn)了 TGF-β信號高表達[17,23,25-29]。該現(xiàn)象進一步說明病變組織中 TGF-β信號高表達可能是 TAA 發(fā)病的重要因素之一，這與先前的結果似乎構成了悖論。

4.1信號轉導受阻

TGF-β/Smad 通路信號的完整轉導，將上調(diào)靶基因表達結締組織生長因子（connective tissue growth factor,CTGF）、纖溶酶原激活物抑制劑-1 (plasminogen activator inhibitor-1，PAI-1)和組織基質(zhì)金屬蛋白酶抑制因子(tissue inhibitor of metalloproteinases,TIMPs)等產(chǎn)物[6,17]。這些產(chǎn)物具有促膠原纖維合成、抗纖溶和抗蛋白水解等功能。另外，Inamoto 等[30]在體外移植培養(yǎng) TGFRBR2 突變的血管平滑肌細胞（vascular smooth muscle cells，VSMC）中，發(fā)現(xiàn) VSMC 收縮蛋白的表達較對照組明顯減少，且成纖維細胞向肌纖維母細胞分化發(fā)育受阻。由此可認為完整 TGF-β/Smad 通路的作用可能與促進細胞外基質(zhì)（extracellular matrix ECM）合成[6]、調(diào)節(jié)主動脈壁的穩(wěn)態(tài)[17]及維持 VSMC 的正常功能有關，其信號轉導受阻將可能導致血管壁的抗損傷和修復能力減弱。

4.2信號高表達

經(jīng)典 TGF-β/Smad 通路功能喪失如何導致 TGF-β 信號高表達，目前尚無定論。近期的研究主要傾向于反饋調(diào)節(jié)機制[17,27,31]和 Smad2 自激活[23,32]這兩種解釋。

反饋調(diào)節(jié)的發(fā)生可能與機體長期缺乏信號轉導激活，VSMC 通過補償性自分泌或旁分泌的方式促使 TGF-β1 表達上調(diào)有關[17]，并且這種反饋調(diào)節(jié)通常呈現(xiàn)過度激活[17,31]。大量證據(jù)表明，過表達的 TGF-β1 可繞過經(jīng)典途徑的關鍵介質(zhì)激活細胞外信號調(diào)節(jié)激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）來啟動替代途徑完成信號轉導[17,27]。該通路的靶基因產(chǎn)物主要為基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase, MMP）,是 ECM 中重要的蛋白水解酶，其表達增多將協(xié)同激活的纖溶系統(tǒng)加速 ECM 降解[27,28]，從而可能參與血管壁的損傷破壞。

Smad2自激活可能是 TGF-β1 過表達[27]或過度降解的彈性纖維[25]作用的結果，自激活的 Smad2 能進一步上調(diào)靶基因表達 CTGF[32]以促膠原纖維合成。因而可推測 Smad2自激活可能是機體為應對血管損傷而產(chǎn)生的自我保護機制。然而這種保護機制矯枉過正，過表達的 CTGF 不僅促進機體產(chǎn)生功能缺陷的膠原纖維[27]，而且可能導致血管壁過度纖維化，其具體過程仍待考究。所以，Smad2 自激活可能也參與了加重血管損傷和退行性變。

總之，TGF-β/Smad 通路信號轉導受阻與 TGF-β 信號高表達的兩種結論可能并不矛盾，二者在致病過程中有著因果和協(xié)同關系。基因突變引發(fā)通路信號轉導受阻是起因，信號高表達是反饋調(diào)節(jié)的后果，其介導 ERK 替代途徑激活是關鍵，而血管壁破壞增加和抗損傷能力減弱則是二者協(xié)同作用的結局，由此而可能引發(fā)TAA。

5 展望

現(xiàn)已有大量文獻報道稱血管緊張素Ⅱ型受體抑制劑氯沙坦可通過抑制 TGF-β1 的過表達及 ERK 替代途徑激活，來減輕小鼠模型 TAA 的進展[23,33]，同樣 TGF-β1 中和抗體也能取得良好療效[17]。由此可知，修改 TGF-β1 上游調(diào)控或干預其下游效應可為未來單純運用藥物緩解 TAA 提供可能[27]。目前有關人體的藥物治療還在試驗研究中[26]，期待其能有好的結果呈現(xiàn)。此外，對 TAA 患者 TGF-β/Smad 信號通路上的基因突變篩查，有助于對易感人群的判定和 TAA 相關疾病的鑒別診斷，同時可為臨床上疾病的監(jiān)控和個體化管理治療提供一定的參考價值。

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2014-04-01)

(編輯:汪碧蓉)

國家自然基金（批準號81160019）

330006 江西省南昌市，南昌大學第二附屬醫(yī)院 心胸外科

李金 住院醫(yī)師 碩士研究生 主要從事心臟各類疾病與基因突變相關性研究 Email:m15870005858@163.com 通訊作者：唐燕華Email:tyh6565@163.com

R54

A

1000-3614( 2014 ) 11-0957-04

10.3969/ j. issn. 1000-3614. 2014.11.028