HEY基因家族在哺乳動物心血管發(fā)育中的作用

化 冰 楊夢晗 池亞菲 王 超

(首都醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院實驗動物學系，北京100069)

1922年，研究者［1］在果蠅中發(fā)現(xiàn)了一類具有轉錄抑制作用的基因，由于這類基因負責其軀干、肢體和翅膀上與感覺神經功能有關的鬃毛或毛發(fā)發(fā)育，因此被命名為Hairy基因。Hairy類基因編碼的蛋白質為一種具有堿性螺旋-環(huán)-螺旋結構的轉錄抑制因子，因此統(tǒng)稱為Hairy相關蛋白［2］。隨后，在哺乳動物體內也發(fā)現(xiàn)了一類與Hairy相關蛋白結構和功能相似的HEY(Hairy and enhancer-of-split related with YRPW motif)基因。近年來研究［3］顯示，HEY基因家族通過介導Notch信號系統(tǒng)影響心臟發(fā)育，與人類心臟瓣膜形成，心肌及大血管發(fā)育密切相關，如HEY2基因突變會引起人類諸多類型先天性心臟病。本文主要綜述了HEY基因家族在人類心血管發(fā)育中的作用。

1 HEY基因家族及其編碼蛋白的特點

1999年，Leimeister C等［4］在小鼠腎臟發(fā)育早期調節(jié)基因中，發(fā)現(xiàn)了一類編碼蛋白結構與Hairy相關蛋白相似的基因，分別命名為HEY1、HEY2和HEYL (Hey-Like)，統(tǒng)稱HEY基因家族。該家族編碼蛋白質均屬具有堿性螺旋-環(huán)-螺旋(basic helix-loop-helix，bHLH)的轉錄因子。蛋白結構分析［5］表明，HEY蛋白家族與其他的Hairy相關蛋白結構存在差異，導致其與DNA的結合存在特異性，因此被歸為新的蛋白亞家族。其差別在于：①HEY1和HEY2的C-端的4個氨基酸序列不同于Hairy相關蛋白;HEYL則因為沒有該基因序列而被稱為Hey-Like基因;② Hairy相關蛋白bHLH結構域的堿性區(qū)依賴脯氨酸與DNA特異性結合，而HEY家族為甘氨酸;③HEY蛋白的C-端有一個特異的TE(I/V)GAF結構域。

2 HEY基因家族在哺乳動物心血管發(fā)育中的作用

2.1 在心臟發(fā)育中的作用

HEY基因家族參與了哺乳動物心臟發(fā)育，但所承擔的角色和重要性有別。HEY1在心臟發(fā)育早期僅在心房細胞中表達，HEY2則在心室細胞中表達［6］。在出生后，HEY1和HEY2在心臟中的表達就逐漸減退［7］。當分別敲除小鼠HEY1和HEYL基因后，并不影響小鼠繁殖，且心血管系統(tǒng)也未表現(xiàn)功能異常［8］。但HEY2基因敲除后情況發(fā)生了變化，Kokubo H等［9］研究發(fā)現(xiàn)，HEY2－/－小鼠表現(xiàn)出嚴重的心血管畸形，包括法洛四聯(lián)癥、三尖瓣狹窄或閉鎖或室間隔缺損等心臟畸形。在出生后早期，大部分純合突變小鼠死于充血性心力衰竭并伴有心臟的明顯擴大。對生后5 d的純合突變小鼠行超聲心動圖檢查發(fā)現(xiàn)有二尖瓣和三尖瓣返流，膜部室間隔缺損，繼發(fā)孔房間隔缺損等畸形所導致的血流動力學異常。

1)參與心臟瓣膜的形成：心臟瓣膜形成的主要過程是瓣膜形成位置的內皮細胞特化、增生并分化為間質細胞，被稱為內皮-間質轉化(endothelial-to-mesenchymal transformation，EMT)［10］。單 獨 研 究［11］HEY2－/－小鼠發(fā)現(xiàn)，HEY2－/－小鼠房室瓣的發(fā)育異常，HEY2－/－小鼠表現(xiàn)出一系列與瓣膜發(fā)育失控相關的心臟畸形，包括法洛四聯(lián)癥、三尖瓣閉鎖和室間隔缺損。說明HEY2基因表達對心臟瓣膜的形成是必需的。HEY1和HEY2雙敲除小鼠則僅有很少的細胞能進行EMT，提示HEY1和HEY2在EMT過程中均起作用。

研究［12］顯示，在人類法洛四聯(lián)癥患兒HEY2基因的5個外顯子中，未發(fā)現(xiàn)突變位點，只發(fā)現(xiàn)2個新的雜合性同義突變位點，說明HEY2基因可能不是人類法洛四聯(lián)癥發(fā)病的相關基因。其發(fā)病機制有待于深入研究。

2)參與心肌正常發(fā)育：HEY2在小鼠心肌細胞的正常發(fā)育中起重要作用，而且HEY1基因與HEY2基因之間的相互作用對心肌小梁的形成和維持是必需的。Kokubo H等［11］發(fā)現(xiàn)，HEY1－/－和HEY2－/－小鼠均表現(xiàn)出心室肌小梁的缺陷。實驗初期，小鼠心室腔具有致密部和小梁部，其后小梁部心肌細胞凋亡，導致肌小梁的形成不良。正常情況下，如果二尖瓣出現(xiàn)返流，則左心室的收縮功能會代償性增加。HEY2－/－小鼠超聲心動圖檢查發(fā)現(xiàn)該類小鼠存在二尖瓣返流，但左心室收縮功能卻降低了［13］。研究［14］發(fā)現(xiàn)HEY2－/－小鼠心肌細胞出現(xiàn)線粒體形態(tài)異常，糖原顆粒堆積和肌原纖維組織破壞等問題。存活的HEY2－/－小鼠有輕度畸形表現(xiàn)，且超聲心動圖表現(xiàn)出左心室射血分數(shù)的降低［15］。據(jù)此推測該小鼠心肌細胞發(fā)育不良是左心室收縮功能降低的主要原因。

2.2 在血管發(fā)育中的作用

在血管內皮細胞發(fā)育過程中，3種HEY基因表達有重疊結構域，提示它們之間功能上互補。成年小鼠血管損傷后，HEY2基因有調節(jié)血管平滑肌增生和遷移的功能［16］，而HEY2－/－小鼠未表現(xiàn)血管發(fā)育異常。HEY1－/－和 HEY2－/－小鼠胚胎表現(xiàn)出嚴重的血管畸形，血管畸形雖然不影響血管的初始形成，但會導致胚胎和卵黃囊中重要大血管的缺失。在正常小鼠胚胎大血管的發(fā)育形成過程中，左右背側動脈向下向后融合為腹側的降主動脈繼而與前主靜脈相連，HEY1－/－、HEY2－/－小鼠左右背側動脈發(fā)育不良，其通過毛細血管及其他分支血管代替降主動脈發(fā)育直接與前主靜脈相通，這一發(fā)現(xiàn)與斑馬魚grl基因突變或敲除的血管表現(xiàn)極為相似。與小鼠HEY2基因同源的斑馬魚gridlock(grl)基因突變后，斑馬魚表現(xiàn)出背側軀干至尾部的血流中斷［17］。由此可見，HEY基因是血管發(fā)育的關鍵基因之一。

3 HEY基因家族是Notch信號的重要靶基因

Notch信號通路在脊椎動物和無脊椎動物中高度保守，它在決定細胞的分化上起關鍵作用。Notch信號通路主要由 Notch受體、Notch配體和 RBP-Jκ (RBP-J kappa associated molecular)等組成。其中RBP-Jκ是DNA轉錄因子，也稱CSL。哺乳動物分別有4種Notch受體(Notch1～4)和5種配體(Deltalike1、3、4和Jagged1、2)。當Notch受體與相鄰細胞間的Notch配體結合后，通過早老素依賴的蛋白水解效應，Notch受體被蛋白酶切割，釋放Notch胞內結構區(qū)(Notch intercellular domain，NICD)，進入細胞核在MAML轉錄復合物(MAML transcription complex)的作用下，與RBP-Jκ結合，使其由轉錄抑制物轉變?yōu)榧せ钗铮{節(jié)下游靶基因HEY基因家族表達(Notch信號通路詳見圖1)。目前促進NICD釋放的蛋白酶為γ—促分泌酶抑制劑DAPT，激活Notch途徑可通過加入其重組的受體蛋白實現(xiàn)，如重組大鼠 Jagged1蛋白［18］。

目前已經證實，Notch受體在心血管系統(tǒng)有表達［19］。甄一松等［3］通過對小鼠的研究，發(fā)現(xiàn)Notch信號對于心室壁小梁心肌細胞的增生和分化起到非常關鍵的作用。Notch信號通路促進了血管發(fā)育過程中的動脈分化。在Notch配體Delta-like4的刺激下，激活Notch信號可誘導動脈內皮細胞表達的特異性標志如ephrinb2的表達［6］。

圖1 Notch信號通路Fig.1 Notch signaling lineNICD：notchintercellular domin;RBP-J：RBP-J kappa associated molecular.

秦亞錄等［20］通過對Notch信號通路的研究可知，在HEY基因家族中，HEY1、HEY2、HEYL均受到Notch信號調節(jié)，且是Notch為數(shù)不多的靶基因。HEY基因家族的所有基因也都在血管中表達［21］，其表達始于血管形成早期，其中HEY1的表達限制在內皮層，而HEY2和HEYL則在平滑肌細胞層中優(yōu)勢表達。HEY基因家族在 Notch胞內結構區(qū) NICD與轉錄因子RBP-Jκ結合后被激活，作用于心血管系統(tǒng)影響其發(fā)育，如Notch信號的配體Jagged1突變小鼠均在胚胎期死于嚴重的血管畸形，提示了HEY基因家族介導Notch信號通路在血管形成、構建及動靜脈分化中的作用［22］。由于HEY2－/－小鼠與人類Jagged1突變表型相似，而Jagged1是Notch的5種配體之一。因此可能是由HEY2基因缺失造成Notch信號通路傳遞障礙引起的心肌肥厚和心肌纖維紊亂。有研究［23］發(fā)現(xiàn)，HEY2－/－小鼠雖然沒有導致心肌肥厚，但是出現(xiàn)左右心腔擴大，心房基因的錯位表達。Pedrazzini實驗室最近研究［24］表明，HEY基因家族介導Notch信號通路還參與了心肌肥厚形成過程中脅迫環(huán)境下的心肌保護。因此可以認為HEY基因家族是血管系統(tǒng)Notch途徑中主要的轉換分子。

綜上所述，HEY基因在心血管發(fā)育中起到重要作用，尤其是HEY2基因的突變可引起多種先天性心臟病與心血管畸形的發(fā)生，但具體的作用機制有待于進一步研究，對HEY2基因功能的詮釋有助于了解先天性心臟病與心血管畸形等疾病發(fā)生的規(guī)律和研究新的治療方案。

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