TRPM7在心臟疾病中的研究進展

徐穎,湯依群

(中國藥科大學,江蘇 南京 211198)

《中國心血管病健康和疾病報告2021》指出我國心血管患病率處于持續(xù)上升階段,心血管疾病死亡率仍居首位。心臟是人體重要的器官,其功能異常離不開離子通道改變。TRPM7(transient receptor potential cation channel subfamily M member 7)是細胞膜上重要的非選擇性陽離子受體電位,是早期胚胎發(fā)育必需的通道。TRPM7的結(jié)構(gòu)是由三個主要區(qū)域組成:N端、通道域和C端,位于跨膜空間的通道結(jié)構(gòu)域包含有P環(huán),形成了離子傳導。此外,TRPM7的C端有兩個結(jié)構(gòu)域:絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶結(jié)構(gòu)域和α-激酶結(jié)構(gòu)域[1]。TRPM7通道與激酶結(jié)構(gòu)域會有互相影響,其活性受細胞內(nèi)陽離子(如Mg2+)、Mg-ATP、低細胞內(nèi)pH值等的負調(diào)控[2]。TRPM7結(jié)構(gòu)特點決定了其可以調(diào)控離子分布和參與細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導,TRPM7通透的陽離子包括二價陽離子Zn2+、Ni2+、Co2+、Mg2+、Ca2+等。TRPM7在心臟和腎臟中表達最高,通過調(diào)節(jié)細胞內(nèi)外離子平衡,如Ca2+、Mg2+穩(wěn)態(tài),參與各類疾病的發(fā)生、發(fā)展過程,以及細胞增殖、活力、遷移、黏附和細胞凋亡的生理過程[3]。目前研究表明,TRPM7不僅在早期心臟發(fā)生期間對心肌增殖至關(guān)重要,并在成年心臟中促進成纖維細胞的遷移分化[4],參與轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor β,TGF-β)介導的纖維化[5]。TRPM7可以作為免疫調(diào)節(jié)劑,在炎癥期間參與調(diào)節(jié)中性粒細胞募集[6],以及調(diào)控巨噬細胞增殖極化和細胞因子表達[7-8]。本文主要對TRPM7在心臟疾病過程中的研究進展做一總結(jié),為今后的研究提供相應(yīng)參考。

1 TRPM7與心肌纖維化

心肌纖維化是許多心血管疾病的共同病理反應(yīng),細胞異?；罨瘜е履z原、纖維連接蛋白、彈性蛋白等過度沉積并且伴隨降解失調(diào),由此發(fā)展出纖維性增殖,進而形成多種心臟疾病,如心肌肥大、心力衰竭和心律失常等。肌成纖維細胞是心臟成纖維細胞(cardiac fibroblast,CF)分化形成的,心肌損傷、氧化應(yīng)激、炎癥等病理刺激介導肌成纖維細胞合成并沉積,導致過多的細胞外基質(zhì)蛋白(extracellular matrix,ECM)積蓄,從而引發(fā)纖維化。纖維化形成的疤痕可增加肌肉組織的硬度并降低心臟收縮力,產(chǎn)生異常心臟傳導和心室壁僵硬,損害心臟功能[9]。損傷的心肌細胞可以引發(fā)心肌組織代謝改變,誘發(fā)炎癥和病理重塑[10],產(chǎn)生和分泌多種旁分泌因子,如白細胞介素(interleukin)、TGF-β、成纖維細胞生長因子(ibroblast growth factor,FGF),調(diào)節(jié)成纖維細胞的功能[11]。心臟纖維化的生化機制涉及受損的Ca2+或Mg2+穩(wěn)態(tài)、氧化應(yīng)激、血管血流異常和細胞因子的活化[12]。TRPM7介導的TGF-β/Smads信號轉(zhuǎn)導是促進纖維化的重要信號通路,TGF-β1可以誘導心房成纖維細胞轉(zhuǎn)化為肌成纖維細胞,通過調(diào)節(jié)其下游分子Smad2/3和應(yīng)激活化蛋白激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)促進心臟纖維化。

心肌細胞 TRPM7在心臟病理學中的作用尚不清楚,但成纖維細胞通過其與心肌細胞的復雜相互作用來創(chuàng)造和維持心臟的生化和機械環(huán)境。心臟成纖維細胞中的TRPM7與心臟炎癥和纖維化以及心房顫動有關(guān)[13]。氧化應(yīng)激和炎癥等病理刺激下,TRPM7通過介導大鼠原代心臟成纖維細胞中的Ca2+流入和細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK1/2)活化而促進過氧化氫(hydrogen peroxide,H2O2)誘導的心臟纖維化,TRPM7還介導Mg2+和Ca2+流入?yún)⑴c血管緊張素Ⅱ(angiotensin Ⅱ,AngⅡ)介導的心肌纖維化,黃芪甲苷通過靶向成纖維細胞miR-135a-TRPM7-TGF-β/Smad通路抑制了ISO誘導的心臟纖維化[14]。阻斷或沉默TRPM7會抑制SMA表達和CF增殖,抑制心肌纖維化。

在纖維化進展過程中,活化的巨噬細胞產(chǎn)生細胞因子,包括腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α,TNFα)和TGF-β1,刺激肌成纖維細胞產(chǎn)生ECM[15]。TRPM7影響巨噬細胞增殖和功能,TRPM7缺陷型巨噬細胞顯示出LPS誘導的炎癥基因表達顯著降低[16]。TRPM7在M1型巨噬細胞中高度表達[7],同時參與了巨噬細胞向M2表型的極化以及M2巨噬細胞的增殖。缺失激酶結(jié)構(gòu)域的TRPM7缺陷小鼠炎癥反應(yīng)失調(diào),TNFα、IL-12、IL-10和Arg1的基因表達增加,其中IL-10和Arg1是組織修復和纖維化消退階段的重要蛋白質(zhì),體內(nèi)巨噬細胞與成纖維細胞共培養(yǎng)后,誘導了成纖維細胞的增殖分化與促纖維化表型[17]。TRPM7可以通過STAT1/STAT6途徑調(diào)節(jié)巨噬細胞極化,阻斷TRPM7可以抑制STAT1磷酸化并促進STAT6磷酸化來抑制M1型巨噬細胞極化[7],缺失激酶結(jié)構(gòu)域的TRPM7缺陷小鼠表現(xiàn)出心肌組織中Stat1的磷酸化增加[17]。TRPM7通過離子調(diào)控介導了LPS誘導的巨噬細胞活化和核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)的核轉(zhuǎn)位[16],在單側(cè)輸尿管梗阻小鼠模型中抑制TRPM7可以消除巨噬細胞活化和增殖[15],因此可以推測TRPM7參與調(diào)控了巨噬細胞活化與細胞因子釋放,抑制其表達可以減少ECM沉積,抑制纖維化發(fā)展。以上研究發(fā)現(xiàn)表明TRPM7在心臟纖維化的分子機制和病理過程中發(fā)揮著重要調(diào)控作用,多數(shù)研究認為其調(diào)控作用是朝促纖維化方向發(fā)展,加重心肌病變。

2 TRPM7與缺血性心肌病

缺血性心肌病是全球死亡的主要原因之一,心臟血流阻塞可導致心肌缺血,持續(xù)性心肌缺血會導致心肌梗死,造成心肌細胞死亡,產(chǎn)生不可逆的心肌損傷以及心臟功能障礙。阻塞后冠狀動脈血流改變會造成心肌缺氧,ATP水平降低,導致離子跨細胞膜重新分配的不平衡[18]。缺血時心肌損傷是由多種因素引起的,例如鈣超載、氧自由基的大量產(chǎn)生、中性粒細胞遷移和聚集等,這些會導致炎癥細胞活化[19]。心肌梗死后,壞死的心肌細胞釋放損傷相關(guān)分子模式(damage associated molecular patterns,DAMPs)在成纖維細胞中誘導促炎表型,誘導細胞因子和趨化因子的分泌并刺激白細胞浸潤[20]。在長時間缺血過程后再灌注會形成再灌注損傷,導致心肌頓挫、心肌梗死面積增大甚至惡性心律失常。缺血缺氧情況下,心肌能量代謝發(fā)生紊亂,氧化磷酸化受損,無氧代謝成為主要的代謝方式。

TRPM7表達與心肌損傷之間存在正相關(guān)關(guān)系。Tymianski等[21]研究表明TRPM7在缺血性疾病中起關(guān)鍵作用。TRPM7在心臟缺血期間介導Ca2+流入和細胞死亡,并在心肌缺血再灌注期間過程參與再灌注損傷,協(xié)助清除凋亡細胞。香芹酚作為TRPM7通道的天然抑制劑,通過抗氧化和抗凋亡途徑保護大鼠急性心肌梗死的心臟,激活有絲分裂原活化蛋白激酶/細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(MAPK/ERK)和絲/蘇氨酸激酶/一氧化氮合酶(Akt/eNOS)信號通路保護心肌缺血再灌注損傷[22]。

TRPM7表達水平在缺氧條件下明顯增加[23],缺血再灌注可以增加H9C2細胞中低氧誘導因子-1α(hypoxia inducible factor-1,HIF-1α)和TRPM7的表達,增加細胞凋亡的程度,而敲低TRPM7可顯著減輕H9C2細胞的再灌注損傷,減少凋亡[19]。缺血后ATP水平下調(diào)促進檸檬酸循環(huán)代謝物琥珀酸鹽在缺血期間大量積累,其在再灌注時迅速氧化,琥珀酸的積累誘導線粒體產(chǎn)生過量ROS[24],激活HIF-1α[25]。激活的HIF-1α在心肌細胞缺氧引發(fā)的細胞保護和代謝變化中起關(guān)鍵作用,促進糖酵解產(chǎn)生[19]。AMP依賴的蛋白激酶[adenosine 5′-monophosphate(AMP)-activated protein kinase,AMPK]是與代謝紊亂相關(guān)的潛在靶點,作為細胞對能量壓力和線粒體損傷的反應(yīng)的中心介質(zhì)發(fā)揮作用。有研究表明TRPM7沉默可能激活A(yù)MPK以促進HIF-1α泛素化蛋白酶體降解,從而減弱HIF-1α介導的糖酵解,促進糖酵解轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸姿峄?OXPHOS),從而抑制卵巢癌細胞的增殖[26]。此外,Ca2+和活性氧(reactive oxygen species,ROS)信號系統(tǒng)有著相互作用,在其他缺氧疾病下,TRPM7可能參與了缺氧引發(fā)的心臟代謝改變。

在急性損傷期間,受損組織釋放炎癥介質(zhì)和募集的白細胞會改變屏障功能[27],而鈣是重要的第二信使,參與影響內(nèi)皮通透性的信號通路。在血管阻塞后,內(nèi)皮TRP通道可以通過介導Ca2+進入來控制血管生成,以響應(yīng)細胞外生長因子,例如VEGF和堿性成纖維細胞生長因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)[28]。研究發(fā)現(xiàn)TRPM7通道具有調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮細胞的功能,其對細胞內(nèi)Mg2+濃度的降低和氧-葡萄糖剝奪敏感。沉默TRPM7促進細胞遷移、傷口愈合和血管形成。在體外氧-葡萄糖剝奪后,TRPM7負調(diào)節(jié)腦微血管內(nèi)皮細胞的遷移和血管形成[29]。因此,TRPM7可能在缺血性心臟中負調(diào)節(jié)血管生成過程。

TRPM7是調(diào)節(jié)凋亡細胞信號通路的中心調(diào)節(jié)因子,介導吞噬體持續(xù)酸化所必需的陽離子電流,在缺乏TRPM7的情況下,巨噬細胞不能完全酸化或消化吞噬體所吞噬的死亡細胞[30],TRPM7通道的Ca2+流入與自噬水平相關(guān),這表明TRPM7通過介導Ca2+信號參與吞噬體成熟和細胞分解代謝過程。TRPM7介導的Ca2+與Mg2+內(nèi)流還參與了巨噬細胞內(nèi)cAMP-蛋白激酶A(cyclic-AMP dependent protein kinase A,cAMP-PKA)信號激活的抑癌基因LKB1/AMPK軸后續(xù)反應(yīng)[31]。

綜上所述,TRPM7在心肌梗死、缺血再灌注等心臟血流異常疾病中有著重要作用,不僅參與了心肌損傷機制,還參與血管重建、凋亡過程以及缺血性疾病的代謝機制,但是在心臟代謝方面研究較少,有待進一步研究。

3 TRPM7與糖尿病心肌病

糖尿病心肌病是重要的糖尿病并發(fā)癥之一,主要特征是心臟功能障礙、氧化應(yīng)激和代謝紊亂。高血糖、血脂異常等糖尿病損傷促進了心肌病變,導致心臟代謝紊亂。代謝紊亂促進了心臟重塑、纖維化、舒張功能障礙,以及胰島素代謝信號受損、葡萄糖攝取受損和線粒體功能障礙等。全身胰島素產(chǎn)生不足或細胞胰島素抵抗導致的胰島素信號受損會降低心臟葡萄糖攝取,與糖尿病相關(guān)的能量壓力會誘導代謝和信號通路的改變[32]。

生理水平的ROS是正常心血管細胞穩(wěn)態(tài)所必需的信號分子,但糖尿病細胞內(nèi)高血糖會導致過量的ROS產(chǎn)生,激活核聚(ADP核糖)聚合酶,從而抑制GAPDH,將早期糖酵解中間體分流到致病信號通路中。胰島素抵抗通過增加脂肪酸通量和氧化作用導致心肌細胞產(chǎn)生過多的活性氧。TRPM7是胰腺內(nèi)分泌發(fā)育和高脂飲食誘導的β細胞增殖的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[33],抑制TRPM7表達可以上調(diào)葡萄糖刺激的胰島素來緩解1型糖尿病[34]。此外,TRPM7可以被氧化應(yīng)激激活。在高糖條件下,免疫細胞和血管內(nèi)皮細胞的TRPM7表達增加,表明TRPM7在糖尿病的病理生理學中發(fā)揮作用。在鏈脲佐菌素(streptozotocin,STZ)誘發(fā)的小鼠糖尿病模型中,TRPM7在1型糖尿病小鼠中過度表達,沉默TRPM7可以減少海馬神經(jīng)元的凋亡,減緩神經(jīng)損傷[35]。因此,TRPM7不僅參與調(diào)控胰島素分泌,還可以響應(yīng)氧化應(yīng)激,高糖刺激下在心臟多種細胞中表達增加,促進了心臟炎癥。

糖尿病對血管內(nèi)皮有多種負性影響,損傷內(nèi)皮的屏障功能,增加內(nèi)皮通透性和促進黏附分子沉積于血管間質(zhì),改變內(nèi)皮細胞內(nèi)多種血管活性因子的合成,從而影響血管緊張性、血流動力學等生理功能,加劇糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生。TRPM7是促進細胞外Mg2+進入細胞并調(diào)節(jié)隨后的Mg2+信號傳導的主要質(zhì)膜轉(zhuǎn)運蛋白。Mg2+可以調(diào)節(jié)血管功能,Mg2+缺乏,與高血壓、阿爾茨海默病、中風、偏頭痛、心血管疾病和糖尿病等有關(guān)[36]。Mg2+缺乏會增強小鼠的內(nèi)皮屏障通透性,細胞外Mg2+主要通過TRPM7通道和鎂離子轉(zhuǎn)運蛋白1(magnesium ion transporter 1,MagT1)轉(zhuǎn)運蛋白進入內(nèi)皮細胞,Mg2+可減少內(nèi)皮中的Ca2+信號傳導,降低內(nèi)皮細胞內(nèi)ROS水平和炎癥。此外,Mg2+信號傳導增加內(nèi)皮細胞的存活和生長、黏附和遷移,還增強cAMP、FGF1/2、Akt、Ang和eNOS表達促進細胞骨架重組和連接蛋白以增強屏障功能[36]。沉默TRPM7可促進人臍靜脈內(nèi)皮細胞的生長和增殖,并防止高血糖引起的損傷。因此,可以認為TRPM7參與了糖尿病的發(fā)生發(fā)展,但目前關(guān)于TRPM7與糖尿病心肌病相關(guān)報道較少,有待進一步研究。

4 總結(jié)與展望

TRPM7作為TRP通道家族成員之一,不僅是胚胎發(fā)育中必要的通道,還發(fā)揮離子通道特性,平衡細胞內(nèi)外離子發(fā)布,在心臟多種疾病的病理過程中起關(guān)鍵作用。多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)TRPM7介導了離子轉(zhuǎn)運參與心肌纖維化、心肌缺血、糖尿病心肌病的發(fā)生,促進心肌病變。通道孔與TRPM7分子內(nèi)的激酶結(jié)構(gòu)域的融合促使TRPM7產(chǎn)生動態(tài)變化應(yīng)對各種環(huán)境,將蛋白質(zhì)表達、離子轉(zhuǎn)運和胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導事件結(jié)合起來。因此有必要進一步了解TRPM7生物學功能及作用機制。目前TRPM7相關(guān)藥物包括抑制劑NS8593,2-氨基乙基二苯基硼酸酯(2-APB),waixenicin A以及多種中藥成分。NS8593作為TRPM7的選擇性抑制劑,阻止了Ca2+內(nèi)流,其可以作為潛在的氣管擴張藥物[37]。2-APB具有良好的促進皮膚傷口愈合的作用[38],其作用機制包括通過抑制TRPM7表達來調(diào)節(jié)成纖維細胞增殖進而改善小鼠皮膚創(chuàng)傷。Waixenicin A是TRPM7的特異性抑制劑,最新研究表明用waixenicin A治療后減少了缺氧缺血性腦損傷[39],因此waixenicin A可能是治療缺血性疾病的有效藥物先導化合物。此外,多種中藥成分,如香芹酚、黃芪甲苷Ⅳ等,是多靶點藥物,研究已表明這些成分可以調(diào)控TRPM7表達來改善多種疾病[14,40]。關(guān)于TRPM7的研究大多數(shù)處于動物模型階段,若想通過TRPM7緩解或者治療相關(guān)疾病,還需要大量研究者進行更深一步的研究。本綜述闡述3種心臟疾病和TRPM7的最新關(guān)聯(lián),希望通過對TRPM7通道多種生物功能的分析討論,為治療相關(guān)疾病以及藥物研究提供理論依據(jù)。