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第三节 信号转导与病理生理变化
本节以举例的方式来阐述几种常见病理生理改变的主要信号转导途径。在炎症反应发生过程中，Toll样跨膜受体、细胞NF-κB信号通路和以TNF-α为代表的促炎细胞因子等介导的细胞内信号通路具有重要的作用；心肌肥大信号通路的病理刺激可分为两类，一是通过容积、压力负荷等机械牵张诱导心肌肥大，二是通过激素、细胞因子及肽生长因子等神经-体液因素介导了心肌的肥大信号通路；肿瘤、糖尿病等病理发展过程中的新生血管生成则通过多种因子的相互作用来调控相应的信号通路。
一、调控炎症的细胞内信号通路
（一）Toll样受体介导的细胞内信号通路
Toll样受体（Toll-like receptor，TLR）是一种跨膜蛋白，其胞外段含有3个胞外段辅助蛋白（MD-1，MD-2和RP105），参与对病原体相关分子模式的识别；胞内段含有髓样分化因子 88（MyD88），作为一种重要的转接蛋白参与TLRs介导的信号转导。在病原微生物感染时，其利用细胞外段富含亮氨酸的重复基序与相应的配体结合，而胞质段的TIR结构域在与一些接头蛋白如 MyD88、TRIF、Mal、TRAM及SARM结合后，便可捕获IL-1受体相关蛋白激酶等，启动下游信号转导，从而诱导丝裂原活化蛋白激酶、NF-κB以及 c-Jun等一些炎症相关转录因子的激活，促进炎症介质（inflammatory mediator）表达。炎症介质是指在炎症过程中由细胞释放，参与或引起炎症的具有生物学活性的物质。按其来源可分为细胞源性炎症介质和血浆原性炎症介质。来自血浆的有缓激肽、补体、纤维蛋白肽和纤维蛋白降解产物。来自细胞的有组胺、5-羟色胺、前列腺素、过敏反应慢反应物质、淋巴因子、溶酶体成分等。按其作用可分为血管活性物，趋化剂等。它们能使血管扩张、通透性增高、平滑肌收缩或引起疼痛等。
自1997年发现人类TLRs以来，目前发现该家族至少包括12个成员。在全身各种组织广泛表达，比如心肌细胞、皮肤上皮细胞、小肠内皮细胞等，其中人TLR3只在树状突细胞表达，由此可提示，细菌产物可刺激机体多种宿主细胞发生反应。由于不同的病原体产生的配体分子都只能结合特定的TLRs，例如TLR2可识别肽聚糖、脂蛋白、酵母多糖等，而TRL4则识别脂多糖及质膜酸等，从而诱导TLRs结合不同的接头蛋白，因此启动不同的下游信号通路，产生TLRs信号通路的多样性。在目前已知的5个接头蛋白中，SARM参与了TLRs信号通路的负性调控。
（二）NF-κB信号通路在调控炎症介质表达中的作用
NF-κB是Rel家族蛋白的同源或异源二聚体转录因子，由 p50、p52、Rel、RelB 和 p60 组成，而 p50：p60的组合含量最多，表达最广泛。它的激活通过调控许多炎症介质表达，包括细胞因子、黏附分子、趋化因子、生长因子、可诱导性酶如环加氧酶-2、诱导性NO合酶等，调节白细胞的黏附与迁移等，在炎症反应发生发展过程中具有十分重要的作用。正常情况下，NF-κB与其抑制物 I κB紧密结合而潴留在胞质，而在应激、病原体产物如脂多糖，以及促炎细胞因子如TNF-α、IL-1等刺激下，通过不同的信号通路可导致I κB激酶的激活，使得I κB氨基末端丝氨酸残基磷酸化，随后磷酸化的I κB经泛素化修饰而到26S蛋白酶体进行靶向降解，从而释放了 NF-κB二聚体，后者便得以激活而移位入核内。在核内，NF-κB结合到靶基因的κB增强子元件上，启动靶基因的转录表达。
（三）TNF-α在炎症反应中的作用
TNF-α是促炎细胞因子中的重要一员。TNF-α可通过诱导炎症细胞、内皮细胞等黏附分子、细胞因子的表达，诱发细胞凋亡等参与炎症反应。TNF-α发挥作用是借助于细胞表面两种不同的受体，即TNFRⅠ和TNFRⅡ来发挥作用的。TNFR相关死亡域蛋白（TRADD），TNFR 连接因子 2（TRAF2）及受体作用蛋白（RIP）间接结合在TNFRⅠ上，也可直接结合到TNFRⅡ上。因此，在两种TNF受体激活后，可直接作用于 TRAF2而使 NF-κB诱导激酶（NF-κB-inducing kinase，NIK）活化，进而激活IKK复合体，使IκB磷酸化、泛素化后降解，最终导致NF-κB激活，参与炎症反应。此外，TRAF2也可通过激活ASK1/JNK激活转录因子AP-1来协同NF-κB调控炎症介质表达。然而，大多数细胞毒作用都是由TNFRI来介导的，其死亡结构域与接头蛋白Fas相关死亡域蛋白（Fas-associated death domain protein，FADD）相互作用激活了半胱天冬酶caspase-8，从而启动凋亡信号通路。目前用于临床的特异性拮抗TNF-α的治疗包括TNFRI融合蛋白以及TNF-α的单克隆抗体，它们在一些炎症性疾病的治疗中取得了显著的疗效，如风湿性关节炎。
二、心肌肥厚的信号转导通路
心脏在生理性应激如运动、病理性刺激如压力/容积负荷以及某些编码肌小节蛋白基因突变都可诱导心肌细胞出现某些基因的高表达、蛋白质合成增加，从而出现心肌肥厚（cardiac hypertrophy），参与心室重构过程。生理性心肌肥厚是机体的积极代偿适应性反应，具有保护作用，而病理性心肌肥厚可导致心脏收缩、舒张功能的下降、冠状动脉循环障碍以及促发心律失常，因此成为心脏病发病及致死的重要危险因素。预防或者逆转病理性心肌肥厚已成为改善患者预后最为重要的治疗措施。由于各种细胞外刺激都是通过胞内特定的信号转导通路来启动相关基因的表达和蛋白质合成，因此，阐明这些信号通路对开发治疗靶标具有战略性意义。然而，参与心肌肥厚的细胞内信号转导机制是非常复杂的，主要原因是一方面由于各种病理性刺激的异质性，另一方面是不仅多条信号通路参与介导心肌肥厚，而且通路之间存在复杂的交互作用（cross-talk）（图13-6）。这些病理刺激大致可分为两大类，一是生物机械及拉伸敏感性，二是神经-体液因素，包括激素、细胞因子及肽生长因子等。
图13-6 心肌肥厚的信号转导通路
NE：norepinephrine，去甲肾上腺素；AngⅡ：angiotensinⅡ，血管紧张素Ⅱ；ET：endothelin，内皮素；IGF-Ⅰ：insulin-like growth factorⅠ，胰岛素样生长因子Ⅰ；EGF：epidermal growth factor，表皮生长因子；FGF：fibroblast growth factor，成纤维细胞生长因子；CT-1：cardiotrophin-1，心脏营养素-1；LIF：leukemia inhibitory factor，白血病抑制因子；TNF：tumor necrosis factor，肿瘤坏死因子；GPCRs：G-protein coupled receptor，G 蛋白偶联受体；RTK：receptor tyrosine kinase，受体酪氨酸激酶；integrins：整合素；MLP：muscle-specific LIM protein，肌 肉 特 异 性 LIM 蛋 白；PI3K：phosphatidylinositol 3-kinase，磷 脂 酰 肌 醇-3 激 酶；PLCβ：phospholipase Cβ，磷脂酶 Cβ；AC：adenyl cyclase，腺苷酸环化酶；NIK：NF-κB-inducing kinase，NF-κB 诱导性激酶；IKK，I κB kinase complex，I κB 激酶复合体；CAKβ：cell adhesion kinaseβ，细胞黏附激酶β；FAK：focal adhesion kinase，黏着斑激酶；PKD：protein kinase D，蛋白激酶 D；PKA：protein kinase A，蛋白激酶 A；PKC：protein kinase C，蛋白激酶 C；Small GTPase：小 GTP酶；Calmodulin：钙调节蛋白；Calcineurin：钙调神经磷酸酶；HDAC：histone deacetylases，组蛋白去乙酰酶；ROS：reactive oxygen species，活性氧簇；mTOR：the mammalian target of rapamycin，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白；GSK：glycogen synthase kinase，糖原合酶激酶；NF-AT：nuclear factor of activated T cells；活化 T 细胞核因子；NF-κB：核因子κB；STAT 3：signal transducer and activator of transcription 3，信号转导及转录激活因子3；ERK：extracellular signal-regulated kinase，细胞外信号调节激酶
（一）机械牵张诱导心肌肥厚的相关信号转导机制
机械性刺激如容积、压力负荷等可通过两种途径诱导心肌肥大，一是直接激活心肌细胞内在的一些机械敏感受体来介导。而目前对于机械敏感受体的研究并不十分清楚，研究提示整合素β 1作为一种跨膜受体，其锚定于可收缩的细胞骨架使其与细胞外基质连接起来，从而在将生物机械信号向生物化学信号转换的过程中发挥至关重要的作用。此外，位于肌丝、Z盘及闰盘的一些牵张激活离子通道以及牵张感受器可能也参与了将这些机械刺激信号转化为生化信号进行传递。其中，柯斯特梅蛋白复合体结构（costameres）是排列在心肌细胞 Z盘像肋骨样裹绕肌小节，连接黏着斑与细胞外基质的重要的蛋白复合体结构。黏着斑蛋白（vinculin）是其标志性蛋白，此外，它还包括了许多细胞骨架蛋白。因此，它与整合素（integrin）、细胞外基质共同构成了一个功能性机械力感受器，介导机械力向生物信号的转化。整合素是细胞表面一类重要的兼具黏附和信号转导功能的受体，细胞外基质蛋白，如纤粘连蛋白、层粘连蛋白和胶原等是其主要配体。整合素是由18种α、8种β链亚基通过非共价键组成的异二聚体。在心肌表达有α 1、α 3、α 5、α 6、α 7及α 9亚单位，而β亚单位主要为β 1A和β 1D。整合素并非随机分布在心肌细胞表面，而是镶嵌在肌质膜与柯斯特梅体相接。其胞质结构域利用一些接头蛋白与许多细胞骨架蛋白相连，共同在质膜内表面形成了黏着斑，而β亚单位可直接与细胞骨架蛋白如踝蛋白（talin）、α-辅肌动蛋白（α-actinin）、丝蛋白（filamin）及张力蛋白（tensin）结合而与肌丝相连。因此，在机械力作用于细胞外基质-整合素-柯斯特梅体这个巨大的复合体结构时，诱导了该结构的形变，尤其是整合素，由此可招募并激活许多胞质蛋白激酶如黏着斑激酶、整合素连接激酶、细胞黏附激酶β、Src、Rho激酶、PKC ε、丝裂原活化蛋白激酶以及 Akt等，启动了相关信号通路共同参与调节心肌细胞的基因表达、蛋白质合成，从而诱导心肌肥厚。
除直接通过机械力感受器来触发信号传导外，机械力刺激还可诱导机体产生一些神经-体液因子包括激素（如血管紧张素Ⅱ、内皮素 1等），生长因子（如碱性纤维生长因子、胰岛素样生长因子Ⅰ、转化生长因子-β等），以及细胞因子（如IL-6、心肌营养素Ⅰ及白血病抑制因子等），从而通过启动这些神经-体液因子特异性信号转导通路来发挥作用。
（二）神经-体液因子介导的心肌细胞肥大信号通路
神经-体液因子诱导的心肌细胞肥大是由一些特异性细胞膜受体来介导的，包括G s偶联受体的G s/cAMP/PKA通路，G q偶联受体的 G q/PLC β/Ca 2+、PKC通路，受体酪氨酸激酶介导的如EGFR/Ras/ERK、PI3K/Akt信号通路，非受体酪氨酸激酶如 TGF-β/Smad通路，IL-6家族的 gp130/JAK/STAT通路等。尽管这些通路的起源具有明显的不同，然而，研究发现，胞质中某些信使分子却在许多信号通路中都发挥着重要作用，因此，它们成为了许多心肌细胞肥大信号通路的交叉会聚点，包括一些蛋白激酶，如PKC、MAPK等，小 G蛋白如Rho、氧化应激蛋白、染色质重塑相关因子、转录因子等。对这些膜受体介导的信号通路已在本章第二节进行了阐述，这里主要介绍几种与心肌肥厚密切相关的转录因子，因为各种信号通路最终都是通过这些转录因子如 GATA4、MEF2、NF-AT、STAT3、NF-κB、Smad及KLF5等来调控相关基因的表达来发挥效应的。值得一提的是，近年陆续也发现几种参与负性调控心肌肥厚的过程的转录因子，如Nab1等。
1.GATA4
GATA家族是一类锌指转录因子，包括6个成员，其中GATA1～3主要在血液系统表达，心脏表达GATA4～6，在心脏发育中均具有重要作用，而GATA5只在胚胎发育阶段表达。在心脏过表达GATA4和6的小鼠都可出现明显的心肌肥厚。目前对GATA4在心肌肥厚中的研究更多一些。在肥厚刺激因素中，压力负荷等机械刺激及G s/q偶联受体的刺激都可通过激活 RhoA/ROCK、ERK、p38诱导GATA4 Ser105磷酸化，从而促进其核移位及DNA结合活性，除Ser105，至少还有 6个Ser位点也可能参与了其转录活性的调节，例如，PKA可调节GATA4 Ser 261位点磷酸化，而促进GATA4与CBP/p300作用，后者的内在乙酰基转移酶活性进而有助于GATA4进行乙酰化修饰，进而增加其转录活性。此外，某些肥厚刺激，如异丙肾上腺素及去氧肾上腺素刺激大鼠心肌也可诱导GATA4本身表达上调，但目前对调控GATA4转录的机制并不清楚。有趣的是，一些肥厚刺激如内皮素1等可通过激活GATA4增加骨形态发生蛋白4及前内皮素原的表达，而后者又可反过来进一步促进GATA4的激活，从而形成正反馈调节。相反，PI3K/Akt/GSK3β通路激活则参与负性调节GATA4转录活性。这是由于GSK3β可与GATA4直接相互作用而使其N末端磷酸化，从而阻止GA-TA4入核来抑制转录活性。研究发现在核内，激活的GATA4可与大量的核因子及辅激活因子在其锌指结构域的C末端结合，而辅阻遏物FOG-2则与该结构域的N末端结合。研究证实，这些与GATA4结合的辅助因子如Nkx2.5、NF-AT、MEF-2及SRF在协同诱导心肌肥厚中具有非常重要的作用，抑制这些辅助因子的功能可有效降低GATA4的转录活性。因此，GATA4与这些辅助因子构成的转录复合体成为了多种肥厚相关信号通路的会聚点。
2.活化T细胞核因子家族
活化T细胞核因子（nuclear factor of activated T cells，NF-AT）家族即活化T细胞核因子家族，包括NF-AT c1～5，其主要参与Ca 2+信号诱导的基因调节，在心血管、骨、免疫系统等发育及许多系统疾病的发生发展中具有重要作用。大量的证据提示，钙调神经磷酸酶/NF-AT信号通路在心肌肥厚中具有重要的作用。在心肌过表达构造性激活的钙调神经磷酸酶或者是NF-AT，均可诱导明显的心肌肥厚、心力衰竭及猝死。钙调神经磷酸酶是一个高度保守的钙调蛋白依赖的丝/苏氨酸蛋白磷酸酶，它由一个催化亚单位、一个调节亚单位及钙调蛋白共同组成的酶复合体。在正常情况下，NF-AT以高度磷酸化状态存在于胞质，当各种刺激诱发细胞内Ca 2+升高以后，激活钙调神经磷酸酶，催化NF-AT c1～4的N末端多个丝氨酸残基位点进行脱磷酸化反应，从而激活NF-AT移位入核，尽管它与靶基因的亲和力较低，但它可与核内其他一些辅助因子如 AP-1、MEF2及 GATA4等一起结合到靶基因的启动子上，调节基因表达，因此，其转录活性受其他非 Ca 2+信号转导通路的调节。胞内同时还存在许多蛋白激酶包括PKA、GSK3β、JNK、p38及酪蛋白激酶，它们均可催化NF-AT的磷酸化，一方面促进其出核，同时抑制它入核，使其停留于胞质而失活。
3.信号转导及转录激活因子3
信号转导及转录激活因子 3（signal transducer and activator of transcription 3，STAT3），是 STAT 家族 7 成员之一，参与细胞生长、分化、增殖、恶性转化及凋亡等生物学过程的调控。在心血管系统，近来发现它是介导IL-6家族如 IL-6、CT-1等细胞因子诱导的心肌肥厚的核心转录因子。此外，研究证实，它在G q偶联受体如血管紧张素Ⅱ受体、α-肾上腺素受体经转位激活介导的心肌肥厚中具有重要作用。通常情况下，gp130受体与配体结合后，可招募并激活非受体酪氨酸激酶JAK，激活的JAKs又可使受体磷酸化而暴露出 STAT3 SH2的结合位点，从而招募STAT3的聚集，JAKs便利用其JH1结构域催化STAT3上相应部位的酪氨酸残基发生磷酸化。与此同时，JAKs也可提供其他含SH2结构域信号分子的锚定位点，例如蛋白磷酸酶、一些接头蛋白如Shc、生长因子受体结合蛋白 2、Cbl以及 PI3K的p85亚单位等，这有利于建立与其他信号通路对话的基础。除JAKs，其他非受体酪氨酸激酶如Src家族也可激活STAT3。对于受体型酪氨酸激酶家族来说，如表皮生长因子受体，受体激活则可直接诱导STAT3活化。激活的STAT3离开受体，在胞质内形成同源或异源二聚体进入核内，结合在靶基因的启动子上调控基因转录。与STAT3相互作用的转录因子还包括c-Jun、Sp1以及NF-κB等。目前发现非磷酸化STAT3也可形成二聚体，在正常情况下在胞质与核之间自由穿梭。这种穿梭取决于输入与输出信号的整合。STAT3激活除与 Tyr705以及Ser727磷酸化有关外，目前证实还存在乙酰化修饰。参与STAT3-Ser磷酸化的激酶依赖于种属、细胞类型、刺激因素的不同而有明显的不同，包括H7敏感激酶、PKC δ、PI3K、MAPK、CaMKⅡ等。而酪氨酸磷酸酶如 SHP-1、CD45、PTP1B等、细胞因子信号转导抑制因子（SOCS）家族、活化 STATs的蛋白抑制因子（PIAS）家族以及一些脚手架蛋白如StIP1、GRIM-19等则参与 STAT激活的负反馈调节。
4.肌增强因子2
在心肌肥厚信号通路中，肌增强因子 2（myocyte enhancer factor 2，MEF2）是介导Ca 2+/钙调蛋白依赖激酶（CaMK）及MAPK信号的重要转录因子。在脊椎动物，4个MEF2基因编码四种MEF2A～D。MEF2A和2D在成熟心肌表达较多。在心肌细胞，其激活机制与SRF类似，当胞内Ca 2+升高后可诱发CaMK的自身磷酸化，活化的CaMK可诱导Ⅱ类HDAC与MEF2从DNA结合结构域分离，进而与 14-3-3蛋白一起出核，而MEF2则协同GATA-4、NF-AT一起参与调控基因转录。而MAPK则可直接对MEF2的转录激活结构域进行磷酸化修饰而增强CaMK对它的激活效应。在心脏，四种Ⅱ类 HDAC都有表达，它们的N末端含有两个保守的CaMK、PKC/蛋白激酶D磷酸化位点，这些位点的磷酸化可促进它们的出核，从而减轻 HDAC对染色质重排的抑制，同时打开MEF2-HDAC复合体，激活 MEF2而促进基因转录。此外，新的证据提示，一些非Ca 2+依赖的PKC亚型及 G βγ也可诱导 HDAC5和 9的磷酸化而促进MEF2转录活性增加。因此，MEF2可能是胞内许多肥厚信号通路的一个重要会聚点。
三、血管生成的信号转导通路
血管发生是保证组织正常血液供应、维持功能的前提。然而，在许多病理条件下，如肿瘤、糖尿病性视网膜病等，通常伴有过多的新生血管形成而促进疾病的发生发展，而对于正常组织如心肌、肢体的持续的缺血、坏死，血管新生有助于组织结构和功能的恢复，然而这时血管新生的能力又往往是有限的。因此，针对血管新生的靶向治疗具有重要的临床意义。血管新生是一个复杂而连续的过程，首先是机体分泌一些促血管生成生长因子，结合到组织已有血管内皮细胞上相应的受体，通过胞内信号转导，从而使血管内皮细胞激活而诱导生成一些新的效应分子，包括酶。这些酶可作用于血管壁基底膜而溶解出现细小微空，内皮细胞随之开始分化、增殖，并从这些微空迁移至病变组织，一旦内皮细胞卷绕形成血管环后，同时诱导的一些肌肉细胞如血管平滑肌细胞及外膜细胞的增殖附着可使新生血管结构完善。在这一过程中，一些黏附分子、整合素，以及在血管新生的方向上，分泌基质金属蛋白酶对局部组织的溶解作用，都参与了新生血管的芽生（sprouting）。在正常情况下，机体内促进血管发生的诱导因子及抑制因子二者之间保持平衡。目前已发现可促进血管生成的因素有血管内皮细胞生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、血管生成素-1（angiopoietin-1）、成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor，FGF）、血管生成因子（angiogenin）、TNF-α等，相反，抑制血管生成的因素有血管新生抑制素（angiostatin）、内皮抑制素、IL-4、IL-12、IL-18及纤溶酶原激活物抑制因子等。
VEGF是一个40kD的同源二聚体糖蛋白，哺乳动物有五个亚型，分别是 VEGFA～D及胎盘生长因子（placenta growth factor，PLGF），在人类命名为 VEGFA121、VEGFA145、VEGFA165、VEGFA189及 VEGFA206。其中，VEGFA165表达最多、生物活性最强。体内多种细胞如内皮细胞、平滑肌细胞等均可分泌表达，受多种生长因子及细胞因子的调控，如血小板衍化生长因子、IL-1β等。其发挥作用是由三种受体酪氨酸激酶VEGFR1～3及一些共受体（co-receptor）来介导，后者如类肝素硫酸蛋白聚糖（heparan sulphate proteoglycan，HSPG）及neuropilins等。其中VEGFR1可结合 VEGFA、B及 PLGF；R2可结合 VEGFA 和 E；R3结合VEGFC和D。此外，VEGFC和D经蛋白酶解修饰后也可与R2低亲合力结合。
作为一类受体酪氨酸激酶，其受体酪氨酸激酶活性是调控其下游信号通路的关键。研究证实，缺氧不仅可诱导VEGF表达，同时通过缺氧诱导因子直接结合受体特异性启动子元件，也可诱导VEGFR1和VEGFR2的转录上调。一旦与VEGF结合后，VEGF可形成同源或异源二聚体，这种受体二聚化可增强自身的酪氨酸激酶活性并诱导受体发生自身磷酸化，从而招募一些相互作用蛋白来介导下游信号转导，例如 R1可与 PI3K 的 p85、PLC ν、SHP2、Grb2及Nck等结合而传递信号。R2主要通过与几个含SH2结构域的蛋白如PLC ν结合，激活PKC/ERK调控内皮细胞增殖，而借助Tyr1175位点与接头蛋白Shb结合可调控内皮细胞迁移及PI3K/Akt活化，其他还有 Sck/ShcB、Grb2及TSAd等。此外，R2激动可经 Ras、PLC ν/PKC 两种途径激活 Raf/MEK/ERK级联；经 Cdc42/p38/HSP27通路调节骨架重排；经FAK/桩蛋白调节细胞迁移过程中黏着斑的形成。R3的Tyr1337磷酸化介导了与 Shc-Grb2复合体结合；R3激动可以PKC依赖方式诱导 ERK激活，同样也可激活PI3K/Akt通路参与胚胎发育。R3也可结合PLC ν、SHP2，诱导 STAT3/5的激活。除此之外，VEGF可与大量的共受体相互作用调控相应的信号通路，例如与整合素信号通路共同参与介导机械力刺激信号。VEGF不同配体可经由同一受体介导不同的生物学效应，而 R1和 R2，R2和 R3在膜上又可形成异源二聚体，而且不同受体之间还可相互调节作用，因此，VEGF的信号转导机制非常复杂，目前对各亚型VEGF及各种受体介导的特异性信号通路及其生物学意义的研究都不很清楚。