潘蒙蒙 吳成龍 鐘書城 湛傳紅 惠羽凡 段艷宇

1.贛南醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 (江西 贛州 341000)

2.贛南醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院 (江西 贛州 341000)

3.贛南醫(yī)學(xué)院第一臨床學(xué)院 (江西 贛州 341000)

4.深圳愛灣醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室 (廣東 深圳 518000)

5.深圳罕見病代謝組學(xué)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)工程研究中心 (廣東 深圳 518000)

心血管疾病是全球死亡的主要原因[1]。廣泛的心肌細(xì)胞死亡導(dǎo)致心室重塑和心力衰竭。成人心臟心肌受損后再生能力有限，不足以使心肌功能恢復(fù)；而新生兒心臟損傷后心肌功能可恢復(fù)和先天性心臟病心臟手術(shù)后兒童無瘢痕的報道提示早期心肌細(xì)胞具有再生能力[2]；可見，人類心肌再生具有年齡依賴性。而低等脊椎動物的心臟則不同，Kenneth D Poss等人發(fā)現(xiàn)，成年斑馬魚的心肌能夠完全再生[3]。因此，解析心肌細(xì)胞去分化和增殖的機(jī)制對于實(shí)現(xiàn)并指導(dǎo)人類的治療策略具有研究價值。近幾年，從新生心肌細(xì)胞增殖機(jī)制著眼進(jìn)而探討成年心臟再生是廣泛使用的策略。對心肌細(xì)胞增殖機(jī)制的研究中,主要熱點(diǎn)在于轉(zhuǎn)錄因子、氧化代謝、信號通路等，然而干預(yù)這些靶點(diǎn)促心肌細(xì)胞的效果是否具有臨床意義仍不清楚, 這些干預(yù)方法是否有潛在的副作用尚待明確。因此解析影響調(diào)控心肌細(xì)胞增殖能力的因素，對調(diào)控心肌細(xì)胞增殖能力的關(guān)鍵因素進(jìn)一步研究十分關(guān)鍵。本文將對心肌細(xì)胞增殖方式及心肌細(xì)胞增殖的影響因素展開綜述。

1 心肌細(xì)胞的來源和再生

哺乳動物胚胎發(fā)育早期，心肌細(xì)胞來源于中胚層中的祖細(xì)胞形成的原始條紋中，隨后這些祖細(xì)胞逐步分化形成心肌細(xì)胞；在后期，心肌細(xì)胞開始向初始的成熟狀態(tài)轉(zhuǎn)變，增殖能力逐漸降低[4]。出生后，哺乳動物的心肌增殖能力快速喪失。小鼠心肌細(xì)胞的增殖能力在出生一周內(nèi)處于暫時激活狀態(tài)，并且增殖能力會隨著年齡的增加而減弱[5]。心肌損傷后，哺乳動物心肌再生能力具有年齡依賴性。Enzo R Porrello等人通過對小鼠切除心尖和手術(shù)結(jié)扎冠狀動脈實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，新生小鼠心臟的再生能力在出生后的第一周內(nèi)喪失[6]。Enik Lázár等人通過放射性碳(14C)出生日期測定實(shí)驗(yàn)表明，即使是在中年和老年人中，人類心臟仍能產(chǎn)生新的心肌細(xì)胞，但不足以彌補(bǔ)心臟損傷后心肌組織的極度喪失[7]。

值得關(guān)注的是，Bettencourt-Dias M等人通過對斑馬魚截肢實(shí)驗(yàn)和蠑螈譜系跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，低等脊椎動物中成年受損心肌，可以通過去分化的心肌細(xì)胞的再分化和增殖得到彌補(bǔ)[8-9]。此后，Senyo等人應(yīng)用兩種不同的脈沖追蹤方法即穩(wěn)定同位素標(biāo)記的遺傳命運(yùn)圖和多同位素成像質(zhì)譜(MIMS)，發(fā)現(xiàn)在成年小鼠的正常心肌穩(wěn)態(tài)及心肌損傷后，新的心肌細(xì)胞可由先前存在的心肌細(xì)胞產(chǎn)生[10]。

2 影響心肌細(xì)胞增殖的因素

2.1 轉(zhuǎn)錄因子心肌細(xì)胞增殖時受到許多轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控。Spielmann N等人證明，Nkx2-5和Tbx20兩種轉(zhuǎn)錄因子對早期心臟發(fā)育很重要[11]。Owen W J Prall等人對小鼠的研究表明，在心臟形態(tài)發(fā)生的最早階段，Nkx2-5與 Bmp2和Smad1一起在負(fù)反饋回路中調(diào)節(jié)心臟祖細(xì)胞池的規(guī)模和分化之間的時間平衡[12]。Cornelis J Boogerd等人通過對小鼠胚胎的研究發(fā)現(xiàn)，Tbx20是驅(qū)動心臟祖細(xì)胞形成的心臟轉(zhuǎn)錄程序的關(guān)鍵組成部分，細(xì)胞周期分析表明Tbx20突變會導(dǎo)致心肌細(xì)胞的增殖減少及其在G1-S相變時期的停滯[13]。Ahmed I Mahmoud等人對大鼠新生兒心肌細(xì)胞研究發(fā)現(xiàn)，Meis1與出生后早期心肌細(xì)胞增殖有關(guān)，在出生后第7天的表達(dá)增加[14]。Meis1缺失會刺激周期正調(diào)控因子如檢查點(diǎn)激酶1和細(xì)胞周期蛋白D2等的上調(diào)，可以將出生后新生兒心肌細(xì)胞增殖的窗口期從7天延長至14天[15]。Nguyen NUN等人采用免疫沉淀和鄰近結(jié)扎試驗(yàn)在對小鼠心臟的研究中發(fā)現(xiàn)同源盒蛋白Hoxb13在出生后心肌細(xì)胞增殖中充當(dāng)Meis1的輔助因子，與Meis1有相似的表達(dá)模式。缺失Hoxb13在出生后第7天可延長心肌細(xì)胞增殖的窗口期，重新激活成人心臟中的心肌細(xì)胞周期[16]。

成纖維細(xì)胞生長因子(FGF)在心臟發(fā)育中發(fā)揮關(guān)鍵功能。FGF通過影響第二心區(qū)來影響流出道的形成，在正常形態(tài)發(fā)生中發(fā)揮核心作用。FGF家族中的FGF3、FGF8、FGF10和FGF15/19在胚胎心臟發(fā)育中主要以旁分泌信號發(fā)揮作用，參與胎兒心肌細(xì)胞增殖的調(diào)節(jié)[17]。Karin Jennbacken等人研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF16特異性誘導(dǎo)心臟祖細(xì)胞的增殖并誘導(dǎo)人心肌細(xì)胞中的細(xì)胞周期活性[18]。Fabien Hubert等人通過對小鼠心肌梗死(MI)模型的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)gf10表達(dá)降低導(dǎo)致成年小鼠MI后心肌細(xì)胞增殖受損，心肌纖維化增強(qiáng)。Fgf10上調(diào)可以增強(qiáng)心肌細(xì)胞增殖和防止瘢痕，這些實(shí)驗(yàn)表明FGF10是一個潛在的臨床靶點(diǎn)，可以促進(jìn)心臟修復(fù)和再生[19]。

2.2 非編碼RNA非編碼RNA(Non-coding RNA)如長鏈非編碼RNA(lncRNA)和小分子RNA(miRNA)在心肌細(xì)胞增殖過程中發(fā)揮著重要的作用。Ning Liu等人對新生和成年小鼠的研究表明，一種新的富含心肌細(xì)胞的心臟lncRNA，在心肌細(xì)胞增殖過程中參與轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)過程，對成人心臟穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要[20]。Feng Gao等人通過對成年小鼠心臟的研究發(fā)現(xiàn)，miR-19a/19b可增強(qiáng)心肌細(xì)胞增殖并刺激心肌再生，以應(yīng)對MI損傷[21]。miR-195通過直接抑制細(xì)胞周期基因刺激出生后心肌細(xì)胞退出細(xì)胞周期，從而抑制細(xì)胞增殖；而miR-195-5p敲低則減輕了缺氧/有氧誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞損傷[22]。miR-20、miR-30、miR-141通過抑制Cyclin-A2，并且上調(diào)CDK抑制劑以及負(fù)性細(xì)胞周期調(diào)節(jié)劑的表達(dá)來抑制心肌細(xì)胞增殖[23]。

2.3 氧化代謝環(huán)境缺氧、缺氧誘導(dǎo)的細(xì)胞信號和線粒體代謝也是脊椎動物心肌細(xì)胞周期和心臟再生的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。最近，Lincai Ye等人發(fā)現(xiàn)，中度缺氧(75%～85%)能減少線粒體氧化DNA損傷，降低DNA損傷反應(yīng)，促進(jìn)心肌細(xì)胞增殖。輕度缺氧(＞85%)和重度缺氧(＜75%)會增加DNA損傷,導(dǎo)致細(xì)胞周期停滯[24]。線粒體活性氧(ROS)對心肌細(xì)胞增殖有不同的效果，RatulDatta Chaudhuri通過對大鼠心肌細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，ROS積累增加可以激活ERK-1 /2，穩(wěn)定細(xì)胞核內(nèi)缺氧誘導(dǎo)因子-1即HIF-1α的表達(dá)量，促進(jìn)bnip3介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。而ROS的表達(dá)量降低會下調(diào)ERK-1/2活性，從而抑制bnip3的表達(dá)而抑制細(xì)胞凋亡[25]。

代謝過程和代謝物與哺乳動物心肌的再生有緊密的聯(lián)系。Jiyoung Bae等人通過對新生小鼠心臟的研究發(fā)現(xiàn)，對出生一周內(nèi)的小鼠注射琥珀酸鹽可導(dǎo)致心肌細(xì)胞周期過早退出，從而抑制新生兒心臟再生反應(yīng)，高水平的琥珀酸鹽可以誘導(dǎo)心肌細(xì)胞DNA損傷，降低先前存在的心肌細(xì)胞的增殖潛力。丙二酸通過抑制琥珀酸脫氫酶活性將代謝向糖酵解轉(zhuǎn)變，促進(jìn)成人心肌梗死后的心肌細(xì)胞的增殖和心臟再生[26]。此外，新生兒早期，脂肪酸β氧化在促進(jìn)新生小鼠心臟的心肌細(xì)胞增殖和肥厚生長中起著至關(guān)重要的作用。Tongtong Cao等人研究發(fā)現(xiàn)，小鼠在出生后2～5天時，心肌細(xì)胞代謝從糖酵解轉(zhuǎn)向脂肪酸β氧化；如果抑制脂肪酸β氧化或增強(qiáng)糖酵解，可以實(shí)現(xiàn)維持新生小鼠心肌細(xì)胞增殖的能力[27]。

2.4 信號通路影響心肌細(xì)胞增殖的信號通路主要有Hippo、Wnt/β-Catenin和Notch信號通路等。Hippo通路是一種核心激酶級聯(lián)反應(yīng)，激活時會負(fù)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄共激活因子YAP及其較小的旁系同源物TAZ。Hippo途徑失活時，YAP去磷酸化并易位到細(xì)胞核中，與TEAD轉(zhuǎn)錄共激活子結(jié)合，從而刺激基因表達(dá)，有助于細(xì)胞存活、遷移和增殖[28]。此外，Jaemin Byun等人通對小鼠的心臟研究發(fā)現(xiàn)，YAP的下調(diào)作用減弱了壓力超負(fù)荷期間心臟肥大的程度，同時增加了左心室壁應(yīng)激，心肌細(xì)胞細(xì)胞的凋亡和心功能不全[29]。

Wnt/β-Catenin信號通路在進(jìn)化上高度保守，主要參與器官發(fā)育、損傷修復(fù)、組織重塑和炎癥，在心臟發(fā)育和正常心臟穩(wěn)態(tài)中均起核心作用。Gregory A Quaife-Ryan等人研究發(fā)現(xiàn)，β-Catenin在未成熟和成熟的心肌細(xì)胞中具有不同的作用。β-Catenin驅(qū)動細(xì)胞周期相關(guān)的基因網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)未成熟新生兒心肌細(xì)胞和人多能干細(xì)胞-心肌細(xì)胞的增殖。雖然不能促進(jìn)成人心肌細(xì)胞增殖，改善了心肌梗死后的疤痕大小，起到了保護(hù)心臟的效應(yīng)[30]。在心臟發(fā)育中，Wnt信號通路的GSK-3β通過激活細(xì)胞周期和相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的機(jī)制，如Cyclin D1、Gata4、NF-AT家族和c-Myc，促進(jìn)心肌細(xì)胞增殖[31]。

Notch信號傳導(dǎo)在心肌損傷后的心肌細(xì)胞增殖中起著重要作用。Wenyuan Wang等人通過對斑馬魚的研究發(fā)現(xiàn)，阻斷Notch信號傳導(dǎo)可能致使增殖性心肌細(xì)胞的數(shù)量普遍減少，最終導(dǎo)致細(xì)胞周期在G0/G1期停滯。Notch信號也能通過激活Bmp信號傳導(dǎo)，從而促進(jìn)心肌細(xì)胞重編程和心臟再生[32]。此外，神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白(NRG)可以誘導(dǎo)心肌細(xì)胞增殖；Long Zhao等人研究發(fā)現(xiàn)，Notch信號傳導(dǎo)通過間接控制NRG影響心肌細(xì)胞增殖。并且，Notch信號的過度激活也抑制了心肌細(xì)胞的增殖，這意味著心肌細(xì)胞增殖性更新可能對Notch信號的干擾較為敏感[33]。

3 小結(jié)與展望

心肌細(xì)胞去分化和增殖是一個嚴(yán)格調(diào)節(jié)的過程。盡管心肌細(xì)胞增殖和分化方面的研究取得了一定進(jìn)展，為尋求通過心肌再生策略修復(fù)成人受損心臟提供了新知識，但仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。這篇綜述論述了轉(zhuǎn)錄因子、氧化代謝、信號通路和小RNA在調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞增殖和心臟再生中的關(guān)鍵作用。值得注意的是這些機(jī)制中的大多數(shù)似乎都集中在對細(xì)胞周期和細(xì)胞周期蛋白的調(diào)控上；這提示細(xì)胞周期和細(xì)胞周期蛋白在心肌再生和調(diào)控心肌細(xì)胞增殖方面的研究具有臨床轉(zhuǎn)化前景。