Endoglin (CD105)与心力衰竭的研究进展

刘奎，陈丽，田洲舟，李浩宇，丁雪峰*

(1.川北医学院附属医院，四川 南充 637000；2.川北医学院临床医学系，四川 南充 637100；3.川北医学院研究生院，四川 南充 637000)

0 引言

心力衰竭(heart failure, HF)是由于心脏结构或功能异常导致的心室充盈或射血障碍的一种复杂临床综合征[1,2]，是多数心血管疾病的最终归宿，其已成为老年人口住院和死亡的最主要原因。HF的发病率与患病率也逐年增加，构成了一个严重的公共卫生问题[3,4]。过去三十多年来，心血管医学基础研究对HF的病理生理机制有了深入的探索，明确了一些针对HF的许多潜在的诊断和治疗靶点。心肌纤维化是HF过程中重要的病理基础之一，防治心肌纤维化已成为近年来研究的热点。在心肌纤维化的发生与发展过程中，转化生长因子β1(TGF-β1)是公认的促进纤维化的重要因子之一，其下游的Smads蛋白是重要的细胞内信号转导和调节分子。Endoglin是一种跨膜糖蛋白，研究证明endoglin是TGF-β1受体复合物(TβR)的附加成分[5]，涉及血管生成、血管损伤修复、动脉粥样硬化、心肌纤维化等病理生理过程。充分认识endoglin与心血管疾病之间的联系，将endoglin作为HF管理中的诊断和治疗靶点具有重要意义。本文将对endoglin结构、生物学功能、及在心肌纤维化和HF中的研究进展进行综述。

1 Endoglin的分子结构、基因定位及分子功能

1985年，Quackenbus等[6]应用杂交瘤技术从鼠非-B、非-T急性淋巴细胞性白血病细胞中获得的单克隆抗体mAb 44G4 (monoclonal Antibody，mAb)对前B淋巴细胞性白血病细胞系HOON进行研究，发现了主要定位于各组织的血管内皮细胞上的endoglin。1988年，Gougos等[7]应用相同的mAb 44G4在正常组织的间质内皮细胞、培养的内皮细胞以及白血病细胞检测到了Endoglin的存在。第五届国际人类白细胞分化抗原会议，专家们应用单克隆抗体鉴定聚类分析法将Endoglin编号为CD105(即cluster of differentiation105)[6]。

Gougos等[8,9]研究显示endoglin是一种细胞膜糖蛋白，分子量为180 kD，由二硫键将两个分子量为95 kD的亚单位连接而成的同型二聚体，且具有种属特异性。对人内皮细胞表达库分离的endoglin cDNA序列分析表明，endoglin是一种由633个氨基酸构成的I型细胞膜蛋白，其中细胞外区有561个氨基酸残基，跨膜区有25个氨基酸残基，胞质区有47个氨基酸残基。

采用低分辨率结构分析技术发现，endoglin细胞外区由反并联的单体构成，每个单体分为3部分(如上图)，即一个没有任何已知蛋白特征的“孤儿域”和两条共包含8个半胱氨酸残基“透明带子域”。前者介导了endoglin与TGF-β超家族间的相互作用，后者具有高度的保守性，具有重要的生物学作用[7,9-11]。

Endoglin的细胞外区包含若干具有一致生物序列的N-低聚糖链和O-低聚糖链，其中糖基化部分占了大约30%。人类endoglin蛋白包含精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸三肽序列(Arg-Gly-Asp，RGD)，RGD肽通过与细胞外基质中的整合素或其他RGD受体结合，在细胞粘附方面具有重要作用[9,12,13]。但是，RGD三肽序列在其他物种中并不具有保守性。最近的研究证明了，endoglin能够通过RGD生物序列或者通过一种功能性的等价鼠TDD肽与α5β1连接素相连接，从而促进白细胞渗出[14]。

根据细胞质区尾部氨基酸构成的不同，endoglin分为长链endoglin (long endoglin，L-endoglin)和短链endoglin (short endoglin，S- endoglin)2种形式。L-endoglin包含633个氨基酸，其中胞质区尾部有47个氨基酸，主要在内皮细胞表达，且与TGF受体复合物中的β-聚糖胞浆内尾部具有高度相似性。S- endoglin含600个氨基酸，在胞质区尾部只有14个氨基酸[15]。值得注意的是，endoglin的胞质区总是处于磷酸化状态，通过TGF-β I型和II型受体介导细胞内信号转导，或与细胞内相关粘附蛋白相互作用，从而发挥生物学功能[16,17]。

Endoglin的细胞外区在基质金属蛋白酶14 (matrix metalloproteinase 14，MMP14)蛋白水解作用下释放进入血液循环中，形成可溶性的endoglin(soluble endoglin，sEng)，能自然对抗TGF-β信号，因此其在心血管系统疾病中具有重要的作用。早期的研究发现，endoglin脱落形成sEng是一种生理过程，sEng血浆水平升高和疾病发生发展存在潜在的相关性[17-19]。

尽管有这些发现，但sEng的细胞来源、脱落机制和潜在功能还有待全面研究。

Fernández- Ruiz等[20]从基因水平确定了人endoglin基因位于染色体9q34ter，包含15个外显子，其中有13个外显子编码细胞外区。而且endoglin的表达可被TGF-β1上调。Endoglin主要表达于内皮细胞(endothelial cell, EC)，然而在巨噬细胞、胎盘合体滋养层、间质细胞、血管平滑肌细胞及心脏成纤维细胞也有少量表达，但是在心肌细胞极弱表达或者不表达[18]。

2 Endoglin作用机制的研究

心肌重构是导致HF的重要病理生理基础之一。心功能的下降激活一系列信号转导通路，促进心肌细胞肥大和心肌纤维化。在心肌重构的各个阶段，涉及了各种信号转导级联反应。其中，TGF-β超家族发挥了重要作用。

2.1 TGF-β超家族及TGF-β受体

TGF-β超家族由一类结构和功能相关的多肽生长因子组成，TGF-β是该家族的重要成员之一。在哺乳动物中主要存在3种形式：TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3。其中，TGF-β1在体细胞系中所占的比例最高(>90%)、分布最广、活性最强、功能最多，是一类具有调整细胞增殖、分化、迁移、细胞外基质合成和血细胞生成等功能的细胞因子，同时还涉及血管发生、血管生成、创伤修复和纤维化过程[21]。

TGF-β1受体(TβR)是存在于细胞表面的跨膜糖蛋白，包括TGF-β1Ⅰ型受体(TβRⅠ)、TGF-β1II型受体(TβRⅡ)和TGF-β1Ⅲ型 受 体(TβRⅢ)，TβRⅢ包 括endoglin和β-聚糖。TβRⅠ和TβRⅡ几乎存在于所有细胞表面，介导细胞间的信息识别与传递[21]。早期的研究于TGF-β1和TGF-β3亚型受体复合物中发现endoglin，其主要通过胞外和胞内的结构域与TβRⅠ和TβRⅡ相互作用，减弱了细胞对TGF-β1的反应[22]；β-聚糖缺乏内在活性，主要与TGF-β的储存有关[5]。Endoglin的基因结构与β-聚糖高度同源，被认为是TβR III得活性成分。研究还显示，endoglin与激活素、BMP 2、BMP 7、BMP 9和BMP 10之间有相互作用，介导细胞内信号转导[10,23,24]。Endoglin在细胞信号转导中具有重要的作用，但endoglin在TGF-β信号通路中的确切机制还需进一步的研究。

2.2 TGF-β1/Smads信号通路

TGF-β超家族信号在细胞内传导主要由Smads蛋白介导。TGF-β作为配体与受体结合后形成受体复合物，激活Smads蛋白进入细胞核内，共同激活或抑制靶基因的转录。哺乳动物Smads分为三类[25]，受体激活型Smads (R-Smads)，包括Smad 2/3、Smad1/5/8；共同介质型Smad(Co-Smad)，哺乳动物中只有一种即Smad4，参与所有TGF-β超家族成员的信号传导；抑制型Smads(I-Smads)，包括Smad6和Smad7，通过阻断R-Smads与TGF-β受体或Co-Smads的结合，对TGF-β信号转导通路发挥负调控作用，其适当表达是调节TGF-β信号传导的重要因素之一。在TGF-β1与其受体结合后，可激活Smad2和Smad3，进而与共同通路型Smad4形成三聚体转位到核内，上调一些与细胞外基质合成相关的基因表达，致细胞外基质的沉积，而Smad6和Smad7则可抑制Smad2、Smad3的磷酸化，起负反馈调节作用[25]。

2.3 Endoglin与TGF-β1/Smads信号通路

TGF-β1是最重要的促纤维化生长因子之一，在血管紧张素II的作用下，TGF-β1表达增加，促使成纤维细胞向肌成纤维细胞转分化，产生细胞外基质蛋白，如I型胶原等，促进心肌纤维化。

有趣的是，从肝脏纤维化、肾脏纤维化、硬皮病、辐射后的胸部纤维化等研究发现存在endoglin过度表达，提示endoglin可能会下调纤维化机制[17,18]。J. P. Burke等[27]研究肠克罗恩病成纤维细胞，发现endoglin表达增加，endoglin负向调节TGF-β1信号，调节磷酸化的smad3、结缔组织生长因子(connective tissue growth factor，CTGF)产生和胶原沉积。因此，endoglin在纤维发生方面，以及组织重构过程中可能具有重要的作用。Lebrin等[28]证明了endoglin参与了TGF-β/ALK1信号通路，并间接抑制TGF-β/ALK5促进内皮细胞增殖。而Pece等[29]研究结果恰恰相反，在endoglin无效型细胞中发现细胞增殖更快，ALK1/Smad1信号增强，但ALK5/Smad2信号并没有变化，后者认为endoglin是TGF-β/ALK1通路的负反馈调节因子。Guo 等[30]研究发现endoglin过表达通过抑制Smad3转录激活下调TGF-β/ALK5/ Smad3信号。Smad3主要调节TGF-β的纤维化作用，在心肌梗死大鼠心脏的梗死区域，Smad3表达有选择地被激活，抑制Smad3可能会阻止心室的纤维重构，同时还可以避免TGF-β阻断后所致的不必要效应[31,32]。但是endoglin是如何影响TGF-β/ALK1或TGF-β/ALK5信号仍然是不清楚的。更进一步的研究需要将这些问题阐明清楚。

3 Endoglin与心力衰竭

3.1 细胞水平研究

目前关于endoglin的细胞水平研究多集中在血管生成和心肌纤维化方面。endoglin缺乏会引起血管平滑肌发育不全，导致内皮重构，提示endoglin缺乏是遗传性出血性毛细血管扩张症(HHT1)的病理机制[33]。研究者认为endoglin是一条调节血管新生过程中内皮-间质相互联系的信号通路，并且是血管疾病一项重要的发病机制。用TNF-a或者过氧化氢刺激衰老的人脐静脉内皮细胞(HUVEC)，sEng表达增加。对L6E9成肌细胞的研究表明，endoglin表达可减少TGF-β1在细胞外基质合成中的作用，且主要通过ERK1/2通路起作用[34]。Kui等[35]发现endoglin参与了Ang II-AT1受体介导的心脏成纤维细胞的纤维化过程，为心脏重构机制的研究提供了一个全新的视角。Kou-Gi等[36]研究体外培养的心脏成纤维细胞，发现阿托伐他汀通过抑制PI-3激酶、Akt和磷酸化的Smad3，减少Smad3/4连接激活，抑制endoglin的表达而发挥抗纤维化作用。大量研究表明，在心肌细胞中无endoglin表达。Kou-Gi等[37]从基因水平研究endoglin，发现miR-208a促进endoglin的表达，从而引起心脏纤维化。

3.2 动物HF模型研究

Navin等[38]研究压力负荷诱导的HF大鼠模型，发现endoglin在心肌纤维化方面，以及心肌重构过程中可能具有重要的作用。证实HF大鼠endoglin表达减少，心脏纤维化减弱、左室功能得到保护及存活率得到改善。针对endoglin的靶向治疗可减少心肌纤维化。阿托伐他汀能够减少HF大鼠左室TGF-β1、endoglin和I型胶原蛋白的表达，减少纤维化面积[36]。Wang 等[39]证明了mir-208a能增加在容量超负荷心力衰竭诱导的心肌纤维化大鼠endoglin的表达，而阿托伐他汀则通过抑制endoglin的表达而减少容量超负荷诱导的心肌纤维化。他汀通过控制endoglin相关的病理性心血管疾病，可能会成为充血性HF患者治疗的另一种策略。

3.3 HF患者的临床研究

Navin等[38]做了一项与健康的对照组相比的独立研究，可疑的左室功能不良患者循环sEng水平是显著地增加(P<0.005)，与左室舒张末压(LVEDP)和纽约心功能(NYHA)分级正相关，而与LVEF呈负相关。在预测左室舒张末压增加方面，sEng水平比ANP或BNP具有更高的敏感性、特异性、准确性及预测价值。即使在LVEF正常的患者，随着LVEDP和NYHA增加，循环中sEng水平亦增加；充血性HF患者在给予药物治疗后，伴随着患者心室充盈压降低，sEng水平也是降低的。作者认为这些发现提示sEng水平可作为心室充盈压增加的生物标记。

Kevin等[40]以肱动脉血流介导的扩张反应(FMD)研究吸烟对HF患者内皮功能的影响，结果发现，与非吸烟者相比，吸烟者其内皮功能受到了保护，sEng表达较低，因过多的sEng会减少NO合成，调节血管紧张，损伤内皮细胞，而吸烟者恰恰相反。由此可以解释吸烟的心衰患者短期生存率有所改善的相关报道。

Tomokazu等[41]对稳定的冠状动脉疾病的患者进行研究发现，与低sEng相比，高sEng者具有更高的心血管事件(MACE)发生率。Cox比例风险模型表明慢性肾脏病、左室射血分数和sEng水平都是MACE的显著预测因子。sEng可以作为PCI术后的慢性冠心病患者心血管事件的一个预测标记。作者还发现，sEng也是CHF发生的有意义的预测因子。本实验表明，血浆sEng水平增高的患者血管损伤更加显著，最终发展为血管的功能不良。有趣的是，sEng可能是肺动脉高压内皮功能不良的预测因子[42]。但是为确定CHF患者中sEng的重要性，需要一个更大的人群来做更进一步的研究。

Navin等[18]第一次报道了HF患者心脏左室endoglin表达增加，采用中和抗体和siRNA的方法，在人心脏成纤维细胞确定了endoglin是TGF-β1信号通路所需的，sEng能通过Smad-2/3和ERK信号限制TGF-β1信号通路和I型胶原的合成。实验者从压力负荷诱导的HF大鼠模型、人的心脏成纤维细胞及HF患者心脏左室三个方面进行研究，结果表明endoglin是TGF-β1信号通路中至关重要的组成部分，减少endoglin的表达可使心脏纤维化程度降低、左室功能得到保护等。针对endoglin的靶向治疗减少了心脏纤维化，为HF的患者提供了一项潜在的全新的治疗方法。

3.4 目前的研究限制、缺陷及展望

sEng在HF中的作用仍然是鲜为人知的。首先，HF中sEng表达增加的潜在机制未知。sEng可能发生于心肌组织局部或者循环系统，因为在HF中MMP 14水平是增加的[43]。其次，sEng水平增高阻碍TGF-β1信号转导的机制也是未知的。Endoglin可能是通过一些TGF-β家族配体来调节TGF-β1信号，而且sEng可能担任TGF-β超家族配体中的一种[23]。sEng可能促进信号通路的改变，抑制TGF-β1信号，比如BMP7[44]。然而，最近的研究表明仅BMP9和BMP10可能是与sEng具有高度亲和力连接的配体[10]。sEng通过胞外域释放的方式释放，通过移除endoglin主要的细胞外的区域活性成分表明受体是没有功能的，留下非功能的胞质尾区不能与TβR II相互反应。Navin等[18,34]针对endoglin的靶向治疗减少了心脏纤维化，但是由于采用腺病毒方法的实验技术方面的挑战，不能检测在一个长期的HF模型中sEng是否改善心脏功能。

在HF患者中endoglin表达增加，而且循环中sEng也是直接增加的。然而，endoglin通过驱使心肌纤维化促进有害的心肌重构，sEng也可能作为负反馈回路来限制TGFβ1/endoglin信号通路。sEng确切的功能仍然有待去证明，但是sEng可能在HF中充当潜在的诊断标记，并且参与了HF相关的心肌重构。

4 小结

Endoglin是转化生长因子β1(TGF-β1)受体复合物的附加成分，在疾病的发病机制中，涉及TGF-β超家族的复杂反应，毫无疑问与促纤维化信号通路相联接。但是endoglin的完整的生物学功能尚有待进一步探讨，尤其是与TGF-β的相互作用机理尤为重要，这将促使我们对TGF-β进行不断深入的研究。由于sEng可能作为负反馈回路来限制TGFβ1/endoglin信号通路，检测sEng可从另一方面来反映TGF-β的作用，而且endoglin还具备与TGF-β非相关的作用，尤其是同BMP等生物蛋白相互的作用，它会为心血管疾病的研究和防治带来新的视角。