轉化生長因子β/骨形成蛋白通路與肺動脈高壓

黃 璨，李夢濤，王 遷，趙久良，曾小峰

中國醫(yī)學科學院 北京協(xié)和醫(yī)學院 北京協(xié)和醫(yī)院風濕免疫科，北京100730

【關鍵詞】肺動脈高壓;轉化生長因子β;骨形成蛋白;骨形成蛋白受體2

肺動脈高壓 (pulmonary artery hypertension，PAH)是一種較為罕見的肺循環(huán)壓力升高的臨床綜合征，其發(fā)病率為5～15/百萬［1-2］，但不同種族分布有差異，即使積極治療，致死率仍較高。肺動脈高壓定義為:靜止時右心漂浮導管測得平均肺動脈壓≥25 mm Hg，肺毛細血管楔壓≤15 mm Hg(除外左心疾病相關性)，且肺血管阻力＞3 Wood units(mmHg/L·min)，并除外肺部疾病和 (或)慢性缺氧相關性、慢性血栓栓塞性肺高壓及其他因素所致肺高壓［3］。

2013年尼斯第五屆肺高壓論壇根據發(fā)病機制將肺高壓 (pulmonary hypertension)分為5型，其中肺動脈高壓是第I型，左心疾病相關性肺高壓為第Ⅱ型，肺部疾病和 (或)慢性缺氧相關性肺高壓為第Ⅲ型，慢性血栓栓塞性肺高壓為第Ⅳ型，其他因素所致肺高壓為第Ⅴ型［4］。肺動脈高壓又可根據病因分為特發(fā)性、遺傳性、藥物相關性、疾病相關性 (如結締組織病、艾滋病、門脈高壓、先天性心臟病、血吸蟲病等)及肺靜脈閉塞病和新生兒持續(xù)性肺動脈高壓［5-7］。

參與肺動脈高壓發(fā)病的多種細胞因子，包括前列腺素、血栓形成素、內皮素、一氧化氮、5-羥色胺等［8］均可通過影響血管舒縮功能、調控內皮細胞和血管平滑肌細胞增殖或凋亡及形成微血栓這三個環(huán)節(jié)的作用［9］，最終引起相似的病理改變，即動脈內膜纖維化、血管內皮細胞叢樣增生、中膜增厚和肺微動脈閉塞［3］。然而，目前包括結締組織病在內很多導致肺動脈高壓的發(fā)病機制仍未研究清楚。近年來，對遺傳性肺動脈高壓的研究則在解讀肺動脈高壓發(fā)病機制方面給出了新的思路，也給肺動脈高壓的診斷和治療指引了新的方向［10］。

肺動脈高壓的遺傳學基礎

1951年，Dresdale醫(yī)生首次描述了原發(fā)性肺動脈高壓 (primary pulmonary hypertension，PPH)及其血流動力學改變;1954年他發(fā)現(xiàn)了肺動脈高壓家系，將之稱為家族性肺動脈高壓 (familial pulmonary artery hypertension，F(xiàn)PAH)［11］，而散發(fā)肺動脈高壓患者則被稱為特發(fā)性肺動脈高壓 (idiopathic pulmonary artery hypertension，IPAH)。2000年Nichols和Morse兩個研究團隊分別均將FPAH遺傳學改變定位于2q31-32的骨形成蛋白受體 2(bone morphogenetic protein receptor type 2，BMPR2)基因［12-14］。此后，多項研究發(fā)現(xiàn)亦有IPAH患者攜帶BMPR2基因突變［15-16］。據文獻報道，70%的FPAH患者有BMPR2基因突變［9，17］，而IPAH也高達10%～40%，其原因在于攜帶BMPR2基因突變者僅 10% ～20%有臨床表現(xiàn)［18］。2001年，Trembath［15］發(fā)現(xiàn)轉化生長因子 β (transforming growth factor β，TGFβ)超家族中另一成員激活素受體樣激酶1(activin receptor-like kinase type 1，ALK1)與遺傳性毛細血管擴張癥患者的肺動脈高壓發(fā)病相關，提示TGFβ通路在肺動脈高壓發(fā)病中具有重要作用。這一通路中的其他成員，包括Endoglin、SMAD等基因突變也在其后被發(fā)現(xiàn)與肺動脈高壓相關［19-21］。

轉化生長因子β家族與肺動脈高壓

TGFβ/骨形成蛋白 (bone morphogenetic protein，BMP)通路在細胞和組織生長增殖、傷后愈合、炎癥反應等多方面具有重要作用［22］。這一超家族包括信號通路中的多種蛋白，共同實現(xiàn)信號轉導功能。細胞因子 (TGFβ或BMP)結合并激活細胞表面不同類型的絲氨酸-蘇氨酸受體 ［TGFβ受體 (TGFβ receptor，TGFβR)、BMPR］，磷酸化下游Smad蛋白，進而通過細胞核內轉錄因子激活或抑制DNA轉錄，調控細胞功能［23］。

TGFβ超家族成員在細胞因子、細胞膜表面受體、Smad蛋白等水平均存在多種亞型，可通過多種形式的結合調控細胞內應答。如TGFβ主要作用于TGFβR，形成TGFβR1與TGFβR2復合體，激活Smad2/3通路;而BMP主要作用于BMPR，形成BMPR1與BMPR2復合體，激活Smad1/5/8通路［24］。這兩條通路最終回歸于共同的Smad 4通路，但似乎存在相互制衡作用。Newman等［23］認為，在肺動脈高壓發(fā)病過程中，TGFβ主要起促增殖作用，BMP主要起抗增殖作用，正因為這種平衡關系在BMPR2基因突變個體中被打破，才導致肺動脈高壓發(fā)病。Atkinson等［25］通過原位雜交和免疫組化方法證實了肺組織中BMPR2低表達。

有趣的是，TGFβ/BMP通路在肺血管內皮細胞和肺平滑肌細胞中的作用似乎不同。BMPR2抑制血管內皮細胞凋亡、促進其生存，BMPR2突變體更容易出現(xiàn)血管內皮細胞凋亡［24］。事實上，血管內皮細胞凋亡被認為是肺動脈高壓的始動因素，血管屏障破壞后，多種因素才能夠到達平滑肌細胞層面而引起其過度增殖［24］，從這個角度看，TGFβ/BMP通路對于兩種細胞的相悖作用實則為協(xié)同關系。Eickelberg等［24］認為，BMPR2表達量下調后，本應與之形成異源二聚體的BMPR1被釋放出來，更自由地與其他受體亞型相結合，從而引起下游通路的不典型表現(xiàn)。不同的BMP亞型，如BMP2、4、9等則是引起血管內皮細胞TGFβ/BMP信號通路不同作用的起始因素［9］。

骨形成蛋白受體2與肺動脈高壓

基因突變

BMPR2位于2號染色體長臂3區(qū)3帶，有13個外顯子，長度為4000個堿基對，編碼1038個氨基酸［11，26］。1～3號外顯子編碼胞外區(qū)，4號外顯子編碼跨膜區(qū)，5～11號外顯子編碼胞內絲氨酸-蘇氨酸活性區(qū)，12和13號外顯子編碼胞內C末端［11］。歐洲、美國和日本等多個隊列BMPR2基因研究，已經發(fā)現(xiàn)超過140種突變類型，這些突變類型包括錯義突變，終止突變，編碼框移位、重復、重排等多種類型，外顯子2、3、6、8、12中也發(fā)現(xiàn)存在單核苷酸多態(tài)性［26］，但5號和13號外顯子尚未發(fā)現(xiàn)突變［11］。提示每個PAH家系都具有獨特的遺傳學改變。

致病機制

TGFβ超家族受體在自然進化中較為保守，已發(fā)現(xiàn)的由點突變引起的BMPR2蛋白氨基酸改變多存在于高度保守區(qū)或明確功能區(qū)，這些點突變很可能改變了受體功能［25，27-28］。終止突變、編碼框移位等突變類型則無法產生具有正常功能的受體，轉錄產物通常在胞內被降解。Machado等［27］認為，這些BMPR2雜合子可能通過一種“單倍劑量不足”機制致病，即雙倍體中一個基因存在突變并產生功能缺失的編碼蛋白，由于功能正常的蛋白數(shù)量不足，即使另一基因功能正常仍可致病的一種機制［23］。但Elliott［26］認為，顯性負相 (即突變基因表達產物影響細胞功能)也是一種可能的發(fā)病機制。目前針對BMPR2雜合突變體如何致病這一問題尚沒有明確的答案，但這些假說都在一定程度上有其合理性。

根據對遺傳家系的研究，BMPR2遺傳方式被認為是常染色體顯性遺傳，但某些家庭成員未出現(xiàn)相應的臨床表現(xiàn)，提示存在不完全外顯性。研究者們還發(fā)現(xiàn)，家族遺傳中出現(xiàn)遺傳早現(xiàn)現(xiàn)象，即子代與父代相比，出現(xiàn)癥狀早、臨床表現(xiàn)重，但目前尚未明確其遺傳學基礎［26］，可能存在未知的外源和內源調控因素導致不完全外顯和遺傳早現(xiàn)發(fā)生。

基因調控

Vanderbilt醫(yī)院的Phillips等［29］團隊對BMPR2雜合子進行了 TGFβ1單核苷酸多態(tài)性 (single nucleotide polymorphism，SNP)活性程度和患病年齡與外顯率相關分析，結果發(fā)現(xiàn)低活性SNP者發(fā)病年齡更大，隨著SNP活性升高，外顯率顯著性升高，因而得出TGFβ1 SNP能夠調控BMPR2雜合子FPAH患者外顯率和發(fā)病年齡的結論。

Austin等［30］針對BMPR2不同類型突變是否影響臨床表現(xiàn)進行研究，發(fā)現(xiàn)女性BMPR2突變攜帶者比無突變者發(fā)病年齡更早;BMPR2錯義突變與終止突變相比，發(fā)病年齡和死亡年齡均更早，生存期更短，提示病情程度更為嚴重;對于某些攜帶終止突變基因的患者，甚至可以嘗試用氨基糖甙類藥物進行治療［12］。Austin等［31］同時分析了雌激素代謝與肺動脈高壓的相關性，發(fā)現(xiàn)突變攜帶者CYP1B1基因453位點的氨基酸改變與外顯率直接相關，雌激素代謝產物在是否具有臨床表現(xiàn)兩組中也有差異。

有學者同時證實，攜帶突變基因而無臨床癥狀者，其細胞BMPR2轉錄水平高于攜帶突變基因且出現(xiàn)臨床癥狀的患者，提示 BMPR2轉錄水平可能與肺動脈高壓發(fā)病相關［12］。

Presbyterian醫(yī)院的研究通過SNP和連鎖分析，發(fā)現(xiàn)對BMPR2有調控作用的4個區(qū)域，分別位于3q22 (median LOD=3.43)、3p12(median LOD=2.35)、2p22(median LOD=2.21)和13q21(median LOD= 2.09)［32］，但這些區(qū)域中究竟是哪些位點通過何種機制對BMPR2轉錄和表達進行調控，仍待進一步驗證。

其他與肺動脈高壓相關的遺傳學研究

在肺動脈高壓發(fā)病過程中，血管收縮、過度增殖和在位血栓是3個重要環(huán)節(jié)［3，18］，TGFβ/BMP信號通路可能主要通過調控增殖和凋亡致病，而其他血管收縮及原位抗凝通路上的基因突變亦可能是產生肺動脈高壓的原因，或對TGFβ/BMP信號通路起調控作用，其中包括5-羥色胺通路、一氧化氮通路、內皮素通路、腎素-血管緊張素系統(tǒng)中相關通路、鉀離子通道、鈣離子通道等［8，23，33］。

Morrell等［9］在2009年對肺動脈高壓發(fā)病機制介紹中詳盡闡述了上述多條通路的作用。但目前關于這些通路遺傳學作用的研究并不多，除5-羥色胺轉運體啟動子多態(tài)性已被證實與肺動脈高壓發(fā)病及疾病嚴重程度具有相關性外［34-36］，其他通路是否具有明確的遺傳學致病性仍待進一步驗證。

最近全基因組關聯(lián)分析 (genome-wide association study，GWAS)發(fā)現(xiàn)小腦肽2(cerebellin 2 precursor，CBLN2)前體位點與肺動脈高壓相關［37-38］，凝血酶致敏蛋白-1(thrombin sensitization protein-1，TSP-1)［39］和組織型纖溶酶原激活劑抑制物 (t-plasminogen activator inhibitor-1，tPAI-1)［40］也引起了人們的關注。

需要指出的是，上述多種遺傳學研究都是基于FPAH和IPAH，針對其他疾病相關性肺動脈高壓患者的遺傳學研究尚無明確發(fā)現(xiàn)。

以轉化生長因子β通路為靶點的藥物治療

目前對于肺動脈高壓的靶向治療藥物主要包括前列腺素類似物、內皮素受體拮抗劑和磷酸二酯酶抑制劑，然而肺動脈高壓的治療仍是一個棘手難題。對TGFβ/BMP通路的研究為肺動脈高壓的治療提供了新的靶點和思路［41］。Newman等［23］2008年發(fā)表的綜述介紹了基于TGFβ/BMP通路至少5個潛在的治療靶點，包括抑制TGF-β胞外信號轉導、抑制胞內TGFβ信號轉導、促進BMP胞外信號轉導、促進胞內BMPR2信號轉導和胞內磷酸化調控。

抑制TGFβ胞外信號產生可通過洛沙坦實現(xiàn)，這一血管緊張素受體阻滯劑能夠抑制TGFβ1前體剪切形成TGFβ1，從而降低胞外TGFβ水平。洛沙坦在馬凡綜合征小鼠模型中成功地用于預防主動脈瘤形成［42］，在人類馬凡綜合征的治療尚處于前期階段，還沒用于治療肺動脈高壓的先例。

酪氨酸激酶抑制劑可抑制胞內TGFβ信號轉導通路，這主要是因為TGFβ可上調血小板源生長因子(platelet-derived growth factor，PDGF)受體，通過受體本身的酪氨酸激酶介導PDGF的作用而引發(fā)肺動脈高壓，伊馬替尼能夠干擾這一作用，為治療肺動脈高壓提供新的可能［43］。目前，伊馬替尼已在進行Ⅱ期臨床試驗。

促進BMP胞外信號轉導的潛在有效藥物包括他汀類 (增強BMPR2啟動子功能)，BMP類似物、針對BMPR2基因的RNAi等。與BMP胞內信號途徑相關的其他通路也可作為治療靶點，相關藥物包括阿司匹林、5-羥色胺等。抑制胞內磷酸化可增強Smad活性，也是潛在靶點之一，但這些藥物目前尚未開發(fā)。

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【中圖分類號】R541.5;R394.3 【

文獻標志碼：】A 【

文章編號：】1674-9081(2015)01-0042-05

DOI：10.3969/j.issn.1674-9081.2015.01.009

(收稿日期：2014-02-25)

通信作者：曾小峰 電話:010-69158793，E-mail:Xiaofeng．zeng@cstar．org．cn