转化生长因子β信号通路调控血管衰老的作用机制研究进展
时间：2023-03-23 08:30:06 来源：千叶帆 本文已影响人
胡海亮，刘炬
1 山东中医药大学中医学院，济南 250014；
2 山东第一医科大学第一附属医院医学研究中心
血管衰老作为整体性衰老的一部分，是人体衰老发生的关键因素。即使无明显疾病的老年人，随着年龄增加，血管同样会发生结构和功能上的改变，随之而来的心、肾、脑等衰老相关疾病风险也相应增加。转化生长因子β（TGF-β）超家族是一个包含众多成员的多功能细胞因子大家族，参与调节细胞生长、增殖、分化、迁移和凋亡等过程。衰老细胞表现出细胞周期性停滞和衰老相关分泌表型（SASP），TGF-β作为SASP的重要组成部分，在血管衰老相关的疾病中起重要作用［1］。近年研究表明，TGF-β信号通路能够通过对血管纤维化、血管钙化、细胞自噬、炎症反应、端粒长度、端粒酶活性以及新型长寿靶点的调控影响血管衰老，从而在血管衰老相关疾病中发挥作用。现就TGF-β信号通路调控血管衰老的作用机制综述如下。
衰老血管表现出渐进式的血管重塑，胶原纤维沉积增加，进而导致血管纤维化，而血管纤维化也与高血压、动脉粥样硬化、糖尿病、肾纤维化等年龄相关疾病关联密切。血管纤维化主要的病理表现为细胞外基质（ECM）蛋白的过度沉积，TGF-β作为主要的促纤维化细胞因子，也是ECM最重要的调节剂，能够通过诱导ECM中蛋白的表达能力增强及抑制ECM酶解使组织蓄积过量的ECM，从而产生血管纤维化。ALK5/Smad3信号通路已被证实可在不同的组织纤维化疾病中发挥作用，通过阻断ALK4/5的激活，可以抑制TGF-β诱导的Smad2和Smad3磷酸化，进一步抑制成纤维细胞激活和胶原蛋白生成，从而使血管发生纤维化。呼永河等［2］研究发现，下调TGF-β的表达可抑制p38丝裂素活化蛋白激酶（p38 MAPK）磷酸化，减少胶原蛋白Ⅰ和胶原蛋白Ⅱ的合成，改善动脉纤维化。YANG等［3］研究显示，给予主动脉纤维化小鼠血管活性肽阿拉曼定可以显著抑制TGF-β诱导的p38、ERK和JNK等蛋白表达的增加，从而减轻血管纤维化进程。Janus激酶2（JAK2）是组织纤维化的关节调节因子，有研究表明，TGF-β1能够通过诱导JAK2磷酸化诱导血管纤维化［4］。
血管钙化的特征是钙磷酸盐复合物形式的矿物质沉积，其最重要的病理因素为血管平滑肌细胞（VSMCs）向成骨样细胞的转化及分化。TGF-β是驱动VSMCs向成骨转化及分化的关键调节剂，TGF-β的异常上调会导致血管钙化。Runt相关转录因子2（Runx2）、骨桥蛋白（OPN）是临床常用的成骨标志物，HE等［5］研究显示，磷酸盐可显著增强VSMCs中TGF-β 活性，且 TGF-β1能够通过上调 VSMCs中Runx2的mRNA水平及OPN的蛋白水平，降低平滑肌蛋白22α（SM22α）的mRNA水平，从而导致血管钙化。基质金属蛋白酶（MMP）是一种依赖锌和钙的内肽酶，在生理和病理条件下参与组织重塑，其中明胶酶A（MMP-2）及明胶酶B（MMP-9）都已被发现可在血管钙化的形成中起到重要作用。研究显示，在血管中，MMP-2和MMP-9均受到了TGF-β的调控［6］。一项针对MMP-10的研究发现，MMP-10有助于动脉粥样硬化和血管钙化的形成［7］。在之前的报道中，已经发现在肿瘤细胞中TGF-β能够通过上调肌细胞增强因子2（MEF-2）诱导MMP-10激活，而其在血管组织中是否参与这种调控过程，还有待阐明［8］。内皮—间质转化（EndMT）是内皮细胞（ECs）形态向间充质细胞（MSCs）形态转变的过程，并伴随ECs功能下降，MSCs功能增强，最终形成具有成骨潜能的细胞。研究表明，EndMT也受到TGF-β通路的调节，其可通过Smad2/3信号通路增强Snail、Twist和Slug这些EndMT转录因子的表达，从而调控EndMT形成［9］。
全身性慢性炎症（SCI）是一种低级别的非感染性炎症状态，慢性炎症环境下存在大量的炎症因子，炎症因子水平的增高使得机体内原有的抗炎、促炎平衡失调，导致血管功能损伤。研究表明，健康老年人体内白介素细胞6（IL-6）、肿瘤坏死因子α（TNF-α）、IL-1β水平明显高于健康青年人［10］。TGF-β1能够诱导促炎因子的表达，包括 IL-6、TNF-α、IL-1β等［11］，而这些因子都是SASP中的成员，参与细胞衰老的过程。
在已知的Smad经典信号通路中，Smad2/3信号通路能够通过TGF-β1的调控负责抗炎作用，而Smad7则可与TGF-β1型受体形成稳定的复合物，通过抑制Smad2/3通路来发挥促炎作用［12］。近期研究发现，在动脉粥样硬化鼠模型ECs中，TGF-β诱导了多种趋化因子和细胞因子及其受体，包括趋化因子2（CCL2）、白细胞黏附因子ICAM-1及VCAM-1、MMP-2，这些因子已经被发现可以通过不同方式参与炎症的调控［13］。一项以百岁老人为研究对象的研究发现，随着年龄的增加，TGF-β的水平也相应增高，并且TGF-β可以作为抗炎因子发挥作用［14］。由上可见，TGF-β在对炎症反应的调控中发挥了双向调节作用，而具体TGF-β的调控作用是如何在这种抗炎—促炎模式下转换的，可能是未来研究新的方向。
细胞自噬是通过溶酶体降解途径，吞噬自身老化细胞质中的蛋白质或细胞器，使其进入囊泡来维持细胞稳态从而实现机体自我保护的一种方式。细胞自噬与衰老存在密切联系，自噬机制和自噬的调节途径被认为是长寿的调节剂。在衰老动物模型中发现，随着年龄增长，机体自噬能力会降低。自噬的调节失调已被认为是多种年龄相关疾病的关键诱因［15］。自噬的过程受到信号网络的调控，而这些信号网络主要通过改变营养、能量和生长因子水平来发挥作用。雷帕霉素（mTOR）和活化蛋白激酶（AMPK）是目前发现的细胞自噬主要调控靶点。mTOR是细胞生长的关键稳态调节因子，负反馈调节自噬，限制自噬介导的细胞溶质物质的分解代谢。mTOR的激活能够降低细胞功能，诱导细胞衰竭，从而减少组织的修复，促进衰老相关疾病的发展［16］。
TGF-β通路可以通过Smad非依赖及Smad依赖两种途径参与自噬的调控，包括PI3K-Akt-mTOR轴及JNK轴［17］。在细胞层面，不同的细胞周期维持不同的自噬水平，G1期细胞自噬水平最低，G1细胞周期停滞导致细胞损伤，降低细胞容量，加速衰老的进程。研究表明，TGF-β参与了mTOR诱导的G1细胞周期停滞［16］。有研究发现，在VSMCs和ECs中自噬功能受限，并伴随TGF-β分泌增加，加速了细胞衰老和凋亡，提示血管相关性疾病中TGF-β可能通过调控细胞自噬发挥作用［18］。作为TGF-β的靶点分子，mTOR低表达可以促进细胞保护性自噬，减弱核因子 κB（NF-κB）活化，从而缓解动脉粥样硬化［19］。AMPK是自噬过程中能量感知和细胞信号调控的一个重要激酶，作为TGF-β通路和PI3K-Akt-mTOR轴的抑制因子，其已在多项研究中被发现可以缓解血管的衰老过程［20-21］。
端粒缩短是细胞衰老的标志物之一，每一次的细胞分裂都会使端粒缩短，直到达到临界长度，称为Hayflick极限，而后细胞会发生不可逆转的细胞周期停滞，从而出现细胞功能障碍，其机制涉及染色体末端诱导持续的DNA损伤反应（DDR）和细胞活力丧失。衰老的细胞通常会伴随着端粒酶活性的降低，端粒酶活性主要取决于人端粒酶逆转录酶（hTERT）的转录调控。端粒功能障碍诱导的衰老细胞会分泌出大量的细胞因子，统称为SASP，作为SASP的成员之一，TGF-β信号通路负向调控hTERT的表达［22］。研究表明，TGF-β 可以通过 TGF-β1/Smad3/NADPH氧化酶4（NOX4）信号通路以旁分泌的方式诱导端粒功能障碍，并导致DDR和DNA病灶（TIF）的形成［23］。体内研究也表明，通过抑制TGF-β信号下游通路Smad2和Smad3的磷酸化可以促进hTERT的表达，从而维持端粒长度［24］。从细胞层面延伸至血管组织层面，研究发现细胞衰老和血管衰老之间存在联系，端粒长度和端粒酶活性可以作为血管衰老的指标［25］。
近年来，从基因层面对衰老的研究发现了众多长寿调控基因，包括叉头转录因子（FOXOs）、沉默调节蛋白（Sirtuins）等。FOXOs属于叉头蛋白家族，作为一种转录因子参与协调代谢稳态和调节衰老。哺乳动物包括4个FOXO成员，分别是FOXO1、FOXO3、FOXO4、FOXO6。近期研究显示，FOXO3A是血管内稳态的核心保护因子。在灵长类食蟹猴模型中，主动脉和冠状动脉ECM、平滑肌细胞和外膜成纤维细胞中均发现FOXO3A下调，研究者并通过数据库预测发现，TGF-β1可能是FOXO3A的潜在调控因子［26］。另有研究显示，TGF-β1主要通过PI3K/Akt通路对FOXO3A进行负向调控，Akt将FOXO3A磷酸化后，导致其与细胞核隔离并失去活性，从而失去了对靶基因表达的能力［27］。FOXO3A还可受到多种蛋白激酶磷酸化，包括ERK1/2、p38、IKK、SGK、JNK、c-JunN末端激酶等，而这些蛋白激酶都是TGF-β信号通路调控的下游靶点［28］，而TGF-β具体是否通过这些激酶参与到了FOXO3A以及其他FOXOs家族的调控还有待研究。
Sirtuins是一种NAD+依赖的去乙酰酶，以组蛋白和非组蛋白为目标，调节广泛的生物过程，包括DNA修复、氧化应激反应及能量代谢。Sirtuins可通过去除靶蛋白的乙酰基，进而促进或抑制靶蛋白的活性，从而在细胞内发挥维持组织内稳态的作用，延缓与年龄相关的血管衰老。哺乳动物中存在7种Sirtuins（SIRT1～7），分布在不同的亚细胞区，SIRT6是被研究最多的亚型。有研究报道，缺乏SIRT6会加速小鼠衰老，而过表达SIRT6则会延长小鼠的寿命。MAITY等［29］研究表明，SIRT6能够通过遗传表观机制抑制TGF-β信号的传导，其机制为通过使组蛋白乙酰化，抑制TGF-β信号通路中关键基因TGF-β1、TGF-β2的 mRNA表达；
并且随着机体年龄的增长，SIRT6结合TGF-β信号通路中基因启动子能力显著降低，而Smad3与这些启动子结合能力增加。
综上所述，血管衰老是一个渐进式的过程，TGF-β及其下游信号在血管衰老的进程中能够通过对血管纤维化、血管钙化、细胞自噬、炎症反应、端粒长度、端粒酶活性以及新型长寿靶点的调控发挥作用，但是仍有许多的问题需要解决。第一，TGF-β在动脉粥样硬化中表现出了正面和负面两种不同作用机制，在慢性炎症中也表现出了双重调控作用，作为一种多效转化因子，TGF-β如何进行的这种角色转变，以及对应的信号机制，还有待进一步研究。第二，FOXO和Sirtuins等新型长寿调控靶点已经在血管外的其他组织中被发现可以参与到TGF-β通路的调控机制中，因不同组织的特异性，其是否能在血管中，特别是老化血管中参与到TGF-β的调控机制中还有待研究。TGF-β在许多组织细胞中都有表达，并在特定的生理病理环境中表现出双向调控作用，想通过完全抑制TGF-β信号通路延缓衰老可能不是理想的选择。但是，TGF-β可以为下游的一些衰老标志物提供研究方向，通过对血管衰老的新认识，能够确定针对的治疗靶点，从而为延缓血管衰老以及消除血管衰老所带来的相关疾病提供新的研究方向。
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