Endoglin (CD105)與心力衰竭的研究進展

劉奎，陳麗，田洲舟，李浩宇，丁雪峰*

(1.川北醫(yī)學院附屬醫(yī)院，四川 南充 637000；2.川北醫(yī)學院臨床醫(yī)學系，四川 南充 637100；3.川北醫(yī)學院研究生院，四川 南充 637000)

0 引言

心力衰竭(heart failure, HF)是由于心臟結(jié)構(gòu)或功能異常導致的心室充盈或射血障礙的一種復(fù)雜臨床綜合征[1,2]，是多數(shù)心血管疾病的最終歸宿，其已成為老年人口住院和死亡的最主要原因。HF的發(fā)病率與患病率也逐年增加，構(gòu)成了一個嚴重的公共衛(wèi)生問題[3,4]。過去三十多年來，心血管醫(yī)學基礎(chǔ)研究對HF的病理生理機制有了深入的探索，明確了一些針對HF的許多潛在的診斷和治療靶點。心肌纖維化是HF過程中重要的病理基礎(chǔ)之一，防治心肌纖維化已成為近年來研究的熱點。在心肌纖維化的發(fā)生與發(fā)展過程中，轉(zhuǎn)化生長因子β1(TGF-β1)是公認的促進纖維化的重要因子之一，其下游的Smads蛋白是重要的細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導和調(diào)節(jié)分子。Endoglin是一種跨膜糖蛋白，研究證明endoglin是TGF-β1受體復(fù)合物(TβR)的附加成分[5]，涉及血管生成、血管損傷修復(fù)、動脈粥樣硬化、心肌纖維化等病理生理過程。充分認識endoglin與心血管疾病之間的聯(lián)系，將endoglin作為HF管理中的診斷和治療靶點具有重要意義。本文將對endoglin結(jié)構(gòu)、生物學功能、及在心肌纖維化和HF中的研究進展進行綜述。

1 Endoglin的分子結(jié)構(gòu)、基因定位及分子功能

1985年，Quackenbus等[6]應(yīng)用雜交瘤技術(shù)從鼠非-B、非-T急性淋巴細胞性白血病細胞中獲得的單克隆抗體mAb 44G4 (monoclonal Antibody，mAb)對前B淋巴細胞性白血病細胞系HOON進行研究，發(fā)現(xiàn)了主要定位于各組織的血管內(nèi)皮細胞上的endoglin。1988年，Gougos等[7]應(yīng)用相同的mAb 44G4在正常組織的間質(zhì)內(nèi)皮細胞、培養(yǎng)的內(nèi)皮細胞以及白血病細胞檢測到了Endoglin的存在。第五屆國際人類白細胞分化抗原會議，專家們應(yīng)用單克隆抗體鑒定聚類分析法將Endoglin編號為CD105(即cluster of differentiation105)[6]。

Gougos等[8,9]研究顯示endoglin是一種細胞膜糖蛋白，分子量為180 kD，由二硫鍵將兩個分子量為95 kD的亞單位連接而成的同型二聚體，且具有種屬特異性。對人內(nèi)皮細胞表達庫分離的endoglin cDNA序列分析表明，endoglin是一種由633個氨基酸構(gòu)成的I型細胞膜蛋白，其中細胞外區(qū)有561個氨基酸殘基，跨膜區(qū)有25個氨基酸殘基，胞質(zhì)區(qū)有47個氨基酸殘基。

采用低分辨率結(jié)構(gòu)分析技術(shù)發(fā)現(xiàn)，endoglin細胞外區(qū)由反并聯(lián)的單體構(gòu)成，每個單體分為3部分(如上圖)，即一個沒有任何已知蛋白特征的“孤兒域”和兩條共包含8個半胱氨酸殘基“透明帶子域”。前者介導了endoglin與TGF-β超家族間的相互作用，后者具有高度的保守性，具有重要的生物學作用[7,9-11]。

Endoglin的細胞外區(qū)包含若干具有一致生物序列的N-低聚糖鏈和O-低聚糖鏈，其中糖基化部分占了大約30%。人類endoglin蛋白包含精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸三肽序列(Arg-Gly-Asp，RGD)，RGD肽通過與細胞外基質(zhì)中的整合素或其他RGD受體結(jié)合，在細胞粘附方面具有重要作用[9,12,13]。但是，RGD三肽序列在其他物種中并不具有保守性。最近的研究證明了，endoglin能夠通過RGD生物序列或者通過一種功能性的等價鼠TDD肽與α5β1連接素相連接，從而促進白細胞滲出[14]。

根據(jù)細胞質(zhì)區(qū)尾部氨基酸構(gòu)成的不同，endoglin分為長鏈endoglin (long endoglin，L-endoglin)和短鏈endoglin (short endoglin，S- endoglin)2種形式。L-endoglin包含633個氨基酸，其中胞質(zhì)區(qū)尾部有47個氨基酸，主要在內(nèi)皮細胞表達，且與TGF受體復(fù)合物中的β-聚糖胞漿內(nèi)尾部具有高度相似性。S- endoglin含600個氨基酸，在胞質(zhì)區(qū)尾部只有14個氨基酸[15]。值得注意的是，endoglin的胞質(zhì)區(qū)總是處于磷酸化狀態(tài)，通過TGF-β I型和II型受體介導細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導，或與細胞內(nèi)相關(guān)粘附蛋白相互作用，從而發(fā)揮生物學功能[16,17]。

Endoglin的細胞外區(qū)在基質(zhì)金屬蛋白酶14 (matrix metalloproteinase 14，MMP14)蛋白水解作用下釋放進入血液循環(huán)中，形成可溶性的endoglin(soluble endoglin，sEng)，能自然對抗TGF-β信號，因此其在心血管系統(tǒng)疾病中具有重要的作用。早期的研究發(fā)現(xiàn)，endoglin脫落形成sEng是一種生理過程，sEng血漿水平升高和疾病發(fā)生發(fā)展存在潛在的相關(guān)性[17-19]。

盡管有這些發(fā)現(xiàn)，但sEng的細胞來源、脫落機制和潛在功能還有待全面研究。

Fernández- Ruiz等[20]從基因水平確定了人endoglin基因位于染色體9q34ter，包含15個外顯子，其中有13個外顯子編碼細胞外區(qū)。而且endoglin的表達可被TGF-β1上調(diào)。Endoglin主要表達于內(nèi)皮細胞(endothelial cell, EC)，然而在巨噬細胞、胎盤合體滋養(yǎng)層、間質(zhì)細胞、血管平滑肌細胞及心臟成纖維細胞也有少量表達，但是在心肌細胞極弱表達或者不表達[18]。

2 Endoglin作用機制的研究

心肌重構(gòu)是導致HF的重要病理生理基礎(chǔ)之一。心功能的下降激活一系列信號轉(zhuǎn)導通路，促進心肌細胞肥大和心肌纖維化。在心肌重構(gòu)的各個階段，涉及了各種信號轉(zhuǎn)導級聯(lián)反應(yīng)。其中，TGF-β超家族發(fā)揮了重要作用。

2.1 TGF-β超家族及TGF-β受體

TGF-β超家族由一類結(jié)構(gòu)和功能相關(guān)的多肽生長因子組成，TGF-β是該家族的重要成員之一。在哺乳動物中主要存在3種形式：TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3。其中，TGF-β1在體細胞系中所占的比例最高(>90%)、分布最廣、活性最強、功能最多，是一類具有調(diào)整細胞增殖、分化、遷移、細胞外基質(zhì)合成和血細胞生成等功能的細胞因子，同時還涉及血管發(fā)生、血管生成、創(chuàng)傷修復(fù)和纖維化過程[21]。

TGF-β1受體(TβR)是存在于細胞表面的跨膜糖蛋白，包括TGF-β1Ⅰ型受體(TβRⅠ)、TGF-β1II型受體(TβRⅡ)和TGF-β1Ⅲ型 受 體(TβRⅢ)，TβRⅢ包 括endoglin和β-聚糖。TβRⅠ和TβRⅡ幾乎存在于所有細胞表面，介導細胞間的信息識別與傳遞[21]。早期的研究于TGF-β1和TGF-β3亞型受體復(fù)合物中發(fā)現(xiàn)endoglin，其主要通過胞外和胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)域與TβRⅠ和TβRⅡ相互作用，減弱了細胞對TGF-β1的反應(yīng)[22]；β-聚糖缺乏內(nèi)在活性，主要與TGF-β的儲存有關(guān)[5]。Endoglin的基因結(jié)構(gòu)與β-聚糖高度同源，被認為是TβR III得活性成分。研究還顯示，endoglin與激活素、BMP 2、BMP 7、BMP 9和BMP 10之間有相互作用，介導細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導[10,23,24]。Endoglin在細胞信號轉(zhuǎn)導中具有重要的作用，但endoglin在TGF-β信號通路中的確切機制還需進一步的研究。

2.2 TGF-β1/Smads信號通路

TGF-β超家族信號在細胞內(nèi)傳導主要由Smads蛋白介導。TGF-β作為配體與受體結(jié)合后形成受體復(fù)合物，激活Smads蛋白進入細胞核內(nèi)，共同激活或抑制靶基因的轉(zhuǎn)錄。哺乳動物Smads分為三類[25]，受體激活型Smads (R-Smads)，包括Smad 2/3、Smad1/5/8；共同介質(zhì)型Smad(Co-Smad)，哺乳動物中只有一種即Smad4，參與所有TGF-β超家族成員的信號傳導；抑制型Smads(I-Smads)，包括Smad6和Smad7，通過阻斷R-Smads與TGF-β受體或Co-Smads的結(jié)合，對TGF-β信號轉(zhuǎn)導通路發(fā)揮負調(diào)控作用，其適當表達是調(diào)節(jié)TGF-β信號傳導的重要因素之一。在TGF-β1與其受體結(jié)合后，可激活Smad2和Smad3，進而與共同通路型Smad4形成三聚體轉(zhuǎn)位到核內(nèi)，上調(diào)一些與細胞外基質(zhì)合成相關(guān)的基因表達，致細胞外基質(zhì)的沉積，而Smad6和Smad7則可抑制Smad2、Smad3的磷酸化，起負反饋調(diào)節(jié)作用[25]。

2.3 Endoglin與TGF-β1/Smads信號通路

TGF-β1是最重要的促纖維化生長因子之一，在血管緊張素II的作用下，TGF-β1表達增加，促使成纖維細胞向肌成纖維細胞轉(zhuǎn)分化，產(chǎn)生細胞外基質(zhì)蛋白，如I型膠原等，促進心肌纖維化。

有趣的是，從肝臟纖維化、腎臟纖維化、硬皮病、輻射后的胸部纖維化等研究發(fā)現(xiàn)存在endoglin過度表達，提示endoglin可能會下調(diào)纖維化機制[17,18]。J. P. Burke等[27]研究腸克羅恩病成纖維細胞，發(fā)現(xiàn)endoglin表達增加，endoglin負向調(diào)節(jié)TGF-β1信號，調(diào)節(jié)磷酸化的smad3、結(jié)締組織生長因子(connective tissue growth factor，CTGF)產(chǎn)生和膠原沉積。因此，endoglin在纖維發(fā)生方面，以及組織重構(gòu)過程中可能具有重要的作用。Lebrin等[28]證明了endoglin參與了TGF-β/ALK1信號通路，并間接抑制TGF-β/ALK5促進內(nèi)皮細胞增殖。而Pece等[29]研究結(jié)果恰恰相反，在endoglin無效型細胞中發(fā)現(xiàn)細胞增殖更快，ALK1/Smad1信號增強，但ALK5/Smad2信號并沒有變化，后者認為endoglin是TGF-β/ALK1通路的負反饋調(diào)節(jié)因子。Guo 等[30]研究發(fā)現(xiàn)endoglin過表達通過抑制Smad3轉(zhuǎn)錄激活下調(diào)TGF-β/ALK5/ Smad3信號。Smad3主要調(diào)節(jié)TGF-β的纖維化作用，在心肌梗死大鼠心臟的梗死區(qū)域，Smad3表達有選擇地被激活，抑制Smad3可能會阻止心室的纖維重構(gòu)，同時還可以避免TGF-β阻斷后所致的不必要效應(yīng)[31,32]。但是endoglin是如何影響TGF-β/ALK1或TGF-β/ALK5信號仍然是不清楚的。更進一步的研究需要將這些問題闡明清楚。

3 Endoglin與心力衰竭

3.1 細胞水平研究

目前關(guān)于endoglin的細胞水平研究多集中在血管生成和心肌纖維化方面。endoglin缺乏會引起血管平滑肌發(fā)育不全，導致內(nèi)皮重構(gòu)，提示endoglin缺乏是遺傳性出血性毛細血管擴張癥(HHT1)的病理機制[33]。研究者認為endoglin是一條調(diào)節(jié)血管新生過程中內(nèi)皮-間質(zhì)相互聯(lián)系的信號通路，并且是血管疾病一項重要的發(fā)病機制。用TNF-a或者過氧化氫刺激衰老的人臍靜脈內(nèi)皮細胞(HUVEC)，sEng表達增加。對L6E9成肌細胞的研究表明，endoglin表達可減少TGF-β1在細胞外基質(zhì)合成中的作用，且主要通過ERK1/2通路起作用[34]。Kui等[35]發(fā)現(xiàn)endoglin參與了Ang II-AT1受體介導的心臟成纖維細胞的纖維化過程，為心臟重構(gòu)機制的研究提供了一個全新的視角。Kou-Gi等[36]研究體外培養(yǎng)的心臟成纖維細胞，發(fā)現(xiàn)阿托伐他汀通過抑制PI-3激酶、Akt和磷酸化的Smad3，減少Smad3/4連接激活，抑制endoglin的表達而發(fā)揮抗纖維化作用。大量研究表明，在心肌細胞中無endoglin表達。Kou-Gi等[37]從基因水平研究endoglin，發(fā)現(xiàn)miR-208a促進endoglin的表達，從而引起心臟纖維化。

3.2 動物HF模型研究

Navin等[38]研究壓力負荷誘導的HF大鼠模型，發(fā)現(xiàn)endoglin在心肌纖維化方面，以及心肌重構(gòu)過程中可能具有重要的作用。證實HF大鼠endoglin表達減少，心臟纖維化減弱、左室功能得到保護及存活率得到改善。針對endoglin的靶向治療可減少心肌纖維化。阿托伐他汀能夠減少HF大鼠左室TGF-β1、endoglin和I型膠原蛋白的表達，減少纖維化面積[36]。Wang 等[39]證明了mir-208a能增加在容量超負荷心力衰竭誘導的心肌纖維化大鼠endoglin的表達，而阿托伐他汀則通過抑制endoglin的表達而減少容量超負荷誘導的心肌纖維化。他汀通過控制endoglin相關(guān)的病理性心血管疾病，可能會成為充血性HF患者治療的另一種策略。

3.3 HF患者的臨床研究

Navin等[38]做了一項與健康的對照組相比的獨立研究，可疑的左室功能不良患者循環(huán)sEng水平是顯著地增加(P<0.005)，與左室舒張末壓(LVEDP)和紐約心功能(NYHA)分級正相關(guān)，而與LVEF呈負相關(guān)。在預(yù)測左室舒張末壓增加方面，sEng水平比ANP或BNP具有更高的敏感性、特異性、準確性及預(yù)測價值。即使在LVEF正常的患者，隨著LVEDP和NYHA增加，循環(huán)中sEng水平亦增加；充血性HF患者在給予藥物治療后，伴隨著患者心室充盈壓降低，sEng水平也是降低的。作者認為這些發(fā)現(xiàn)提示sEng水平可作為心室充盈壓增加的生物標記。

Kevin等[40]以肱動脈血流介導的擴張反應(yīng)(FMD)研究吸煙對HF患者內(nèi)皮功能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與非吸煙者相比，吸煙者其內(nèi)皮功能受到了保護，sEng表達較低，因過多的sEng會減少NO合成，調(diào)節(jié)血管緊張，損傷內(nèi)皮細胞，而吸煙者恰恰相反。由此可以解釋吸煙的心衰患者短期生存率有所改善的相關(guān)報道。

Tomokazu等[41]對穩(wěn)定的冠狀動脈疾病的患者進行研究發(fā)現(xiàn)，與低sEng相比，高sEng者具有更高的心血管事件(MACE)發(fā)生率。Cox比例風險模型表明慢性腎臟病、左室射血分數(shù)和sEng水平都是MACE的顯著預(yù)測因子。sEng可以作為PCI術(shù)后的慢性冠心病患者心血管事件的一個預(yù)測標記。作者還發(fā)現(xiàn)，sEng也是CHF發(fā)生的有意義的預(yù)測因子。本實驗表明，血漿sEng水平增高的患者血管損傷更加顯著，最終發(fā)展為血管的功能不良。有趣的是，sEng可能是肺動脈高壓內(nèi)皮功能不良的預(yù)測因子[42]。但是為確定CHF患者中sEng的重要性，需要一個更大的人群來做更進一步的研究。

Navin等[18]第一次報道了HF患者心臟左室endoglin表達增加，采用中和抗體和siRNA的方法，在人心臟成纖維細胞確定了endoglin是TGF-β1信號通路所需的，sEng能通過Smad-2/3和ERK信號限制TGF-β1信號通路和I型膠原的合成。實驗者從壓力負荷誘導的HF大鼠模型、人的心臟成纖維細胞及HF患者心臟左室三個方面進行研究，結(jié)果表明endoglin是TGF-β1信號通路中至關(guān)重要的組成部分，減少endoglin的表達可使心臟纖維化程度降低、左室功能得到保護等。針對endoglin的靶向治療減少了心臟纖維化，為HF的患者提供了一項潛在的全新的治療方法。

3.4 目前的研究限制、缺陷及展望

sEng在HF中的作用仍然是鮮為人知的。首先，HF中sEng表達增加的潛在機制未知。sEng可能發(fā)生于心肌組織局部或者循環(huán)系統(tǒng)，因為在HF中MMP 14水平是增加的[43]。其次，sEng水平增高阻礙TGF-β1信號轉(zhuǎn)導的機制也是未知的。Endoglin可能是通過一些TGF-β家族配體來調(diào)節(jié)TGF-β1信號，而且sEng可能擔任TGF-β超家族配體中的一種[23]。sEng可能促進信號通路的改變，抑制TGF-β1信號，比如BMP7[44]。然而，最近的研究表明僅BMP9和BMP10可能是與sEng具有高度親和力連接的配體[10]。sEng通過胞外域釋放的方式釋放，通過移除endoglin主要的細胞外的區(qū)域活性成分表明受體是沒有功能的，留下非功能的胞質(zhì)尾區(qū)不能與TβR II相互反應(yīng)。Navin等[18,34]針對endoglin的靶向治療減少了心臟纖維化，但是由于采用腺病毒方法的實驗技術(shù)方面的挑戰(zhàn)，不能檢測在一個長期的HF模型中sEng是否改善心臟功能。

在HF患者中endoglin表達增加，而且循環(huán)中sEng也是直接增加的。然而，endoglin通過驅(qū)使心肌纖維化促進有害的心肌重構(gòu)，sEng也可能作為負反饋回路來限制TGFβ1/endoglin信號通路。sEng確切的功能仍然有待去證明，但是sEng可能在HF中充當潛在的診斷標記，并且參與了HF相關(guān)的心肌重構(gòu)。

4 小結(jié)

Endoglin是轉(zhuǎn)化生長因子β1(TGF-β1)受體復(fù)合物的附加成分，在疾病的發(fā)病機制中，涉及TGF-β超家族的復(fù)雜反應(yīng)，毫無疑問與促纖維化信號通路相聯(lián)接。但是endoglin的完整的生物學功能尚有待進一步探討，尤其是與TGF-β的相互作用機理尤為重要，這將促使我們對TGF-β進行不斷深入的研究。由于sEng可能作為負反饋回路來限制TGFβ1/endoglin信號通路，檢測sEng可從另一方面來反映TGF-β的作用，而且endoglin還具備與TGF-β非相關(guān)的作用，尤其是同BMP等生物蛋白相互的作用，它會為心血管疾病的研究和防治帶來新的視角。