STAT3信号通路在缺血性心脏病血管再生中的作用研究进展

祝慧 刘长梅 翟淼浡 杜鑫 李昕玺 徐会圃

缺血性心脏病（Ischemic heart disease，IHD）是目前世界范围内导致死亡的主要原因之一，给个人和社会医疗资源带来巨大负担[1]。传统的慢性IHD病理生理学观点认为，IHD的发生主要是由脂质斑块逐渐累积，进而形成梗阻性动脉粥样硬化斑块导致[2]。近年来，随着对IHD研究的不断深入，临床、血管造影及尸检结果都表明IHD的发生是一系列复杂的病理生理过程。许多有冠状动脉疾病证据的患者在血管造影时并没有发现明显的冠状动脉粥样硬化，相反，一些有严重冠状动脉粥样硬化的患者既没有胸痛症状，也没有任何冠状动脉疾病的证据，这些理论和临床现实之间的矛盾提示IHD与冠状动脉粥样硬化的发生并不是1:1的关系，冠状动脉粥样硬化所致的狭窄仅为IHD的复杂多因素病理生理过程中的一个因素[3]。目前，对IHD的认识是包括“自发性”血栓形成、冠状动脉狭窄及痉挛、炎症、微血管功能障碍、内皮功能障碍和血管生成等多种因素共同作用的结果[4]。

IHD的防治已成为全球首要的安全问题[5]。过去几十年，IHD的预防和治疗不断取得进展，药物治疗、经皮冠状动脉腔内成形术+支架置入术、冠状动脉旁路移植术、人工辅助循环和人工心脏、以及心脏移植等均已显著改善了IHD患者的预后[6]，但仍有大量患者不能接受常规治疗。研究表明，新血管形成对恢复缺血心肌的血液灌注至关重要，适当的灌注和血管完整性是维持心肌稳态的关键条件[7]。近年来，随着分子生物学的进展和辅助生长因子的引入，利用血管再生治疗IHD已成为心血管基础研究领域的热点之一[8]。

血管生成是新毛细血管发芽的过程，主要包括血管内皮细胞的激活及一氧化氮介导的血管扩张，基底膜及细胞外基质的降解，成纤维细胞、肥大细胞及中性粒细胞等释放趋化因子，引导内皮细胞迁移至需要血管生成的部位，进而使新生血管内皮细胞及周细胞增殖，新基底膜形成及新生血管网络重构、成熟和稳定[6]，但确切机制尚未明确。在心肌梗死的修复过程中，我们可以看到冠状动脉侧支循环的形成能够恢复缺血区心肌灌注，从而减少心功能障碍的发生。然而机体自身生成的新生血管往往不足以代偿冠状动脉闭塞诱发的心肌缺血。因此，刺激缺血区小血管生长，促进侧支循环的建立，为缺血心肌提供重要的血流来源，完成缺血区血管的自我搭桥便成了重要的治疗方法[9]。

信号转导与转录激活因子（Signal transducer and activator of transcription，STAT）首次发现于1994年，是一种能与靶基因调控区DNA结合的胞质蛋白家族[10]。STAT分布于多种类型的组织和细胞中，有6个功能结构域，包括N端结构域、DNA结合域、SH2结构域、卷曲螺旋结构域、酪氨酸活化区域和转录活化结构域[11]。迄今为止，在人和哺乳动物中已发现至少7个STAT家族成员，包括STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5a、STAT5b、STAT6[12]。STAT家族成员通常位于细胞的细胞质区域，处于非活性状态，这些蛋白分子具有较为特别的信号转导和转录因子的作用，可以在外界信号的刺激下激活并直接转入细胞核内引发相应靶基因的转录，介导多种细胞功能，包括生存、生长和增殖以及血管生成等[13]。STAT家族成员的氨基酸序列及其组织特异性分布有极大的多样性，这也是它们在对分子外信号蛋白反应中的不同作用的主要原因[14]。

STAT3作为STAT家族的成员，是信息传递过程中的主要枢纽，整合和转导来自40多种细胞因子和生长因子的信号[15]，通过将活化的质膜受体的信号传递到细胞核，对各种刺激作出反应，从而调节基因转录。最早提出STAT3与血管生成有关的证据之一是来自于绒毛尿囊膜巨噬细胞集落刺激因子（Granulocyte-macrophage colony-stimulating factor，GM-CSF）诱导鸡的血管生成活性[16]，其研究结果表明，组成型STAT3的激活可上调血管内皮生长因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF）表达和血管生成；下调STAT3的激活可以抑制VEGF的表达，抑制血管生成[17]。

STAT3也是癌症中许多致癌信号通路的汇聚点[18]。STAT3在癌症中具有高频率的组成性激活，并可促进肿瘤细胞生存和增殖。肿瘤细胞中组成性激活的STAT3已被证明能促进肿瘤侵袭和血管生成。血管生成是大肿瘤生长所必需的，由肿瘤缺氧引发。在缺氧条件下，肿瘤相关的巨噬细胞被招募到肿瘤部位，产生趋化因子和促血管生成因子[19]。我们发现，STAT3信号通路介导肿瘤细胞、肿瘤间质中的髓细胞和内皮细胞之间的多向交叉，有助于肿瘤血管生成[20]。通过STAT3诱导血管生成因子（如VEGF和bFGF）的体内、外实验均证明STAT3信号通路激活并诱导血管生成，对肿瘤血管生成是必需的[21]。

近年来，由于经皮冠状动脉腔内成形+支架置入术、冠状动脉旁路移植术等治疗的创伤性，以及其在弥漫性病变患者治疗中的局限性，治疗性血管再生术已成为治疗缺血性疾病领域的研究新方向。一些血管生成诱导剂如碱性成纤维细胞生长因子（Basic fibroblast growth factor，bFGF）和VEGF已被用于通过促进新血管形成、伤口愈合和组织再生来治疗缺血性疾病[22]。STAT3不仅对肿瘤的血管形成发挥重要作用，在缺血性心脏病中也可以通过多种信号转导途径促进缺血区心肌组织小血管再生。

1 STAT3通过JAK/STAT3信号转导通路促进缺血区心肌组织血管再生

在哺乳动物中，Janus激酶（Janus kinase，JAK）是一类胞质内可溶性蛋白酪氨酸激酶，有JAK1、JAK2、JAK3和酪氨酸激酶2（Tyrosine kinase 2，TYK2）4种家族成员，包括SH2结构域、JAK假酶区、FERM结构域和蛋白酪氨酸激酶（PTK）以及其他同源相似结构域[23]，它们在结构上都有7个同源结构域（JH1～7），JH1是具有催化活性的激酶结构域，JH2是抑制激酶活性、诱导信号转导的结构域，JH3和JH4主要是稳定酶的结构构象，JH6和JH7是受体结合域。该家族的3个成员（JAK1、JAK2和TYK2）基本上在所有细胞中表达，而JAK3主要在造血细胞中表达。

JAK/STAT信号通路最初是在IFN-α、IFN-γ和IL-6介导的下游信号通路中发现的[24]。STAT、JAK及JAK相关受体是JAK/STAT信号途径的3个主要组成部分，JAK/STAT3是其中重要的一个信号转导通路，也由这3部分组成[25]。JAK可与细胞膜上的信号分子受体结合，当细胞外信号分子作用于细胞膜上相应的受体后，引起受体分子的二聚化，使JAK分子相互靠近并磷酸化激活，活化的JAK分子引起受体胞内区域构象改变，使受体胞质内区域磷酸化形成STAT3分子的停泊位点，使STAT3通过其SH2结构域与磷酸化的受体分子结合，并在JAK激酶的作用下发生磷酸化，磷酸化的STAT3形成二聚体进入细胞核内与特定的DNA序列结合，调节基因转录，进而发挥多种生物学效应[26]。研究表明，JAK/STAT3信号通路的激活主要调节VEGF、存活基因、增殖基因、侵入性因素等[27]。

JAK/STAT3信号传导途径是多种细胞因子和生长因子在细胞中传递信号的共同途径，且与机体各种生命活动密切相关。有研究表明[28]，促红细胞生成素（EPO）及粒细胞集落刺激因子[29]（G-CSF）可通过激活JAK2/STAT3通路上调心肌间质细胞衍生因子-1（SDF-1）的表达，进而诱导骨髓间充质干细胞（BMSCs）归巢至缺血损伤的心肌组织，通过旁分泌方式促进VEGF的表达，协同SDF-1促进新生血管的形成、减少梗死心脏内细胞的凋亡。陈磊磊等[30]认为，在心肌梗死大鼠中，经eNOS基因转染后，eNOS表达增加，JAK1/STAT3信号通路的蛋白表达增加，从而明显增加NO生成，促进新生血管形成，推测eNOS可通过激活JAK1/STAT3信号通路增加NO的表达水平，使血管扩张及VEGF生成增加，从而促进血管生成。Duan等[31]在对缺血再灌注损伤大鼠的离体实验中表明，姜黄素（Cur）对心脏有保护作用，其作用可被JAK2/STAT3信号通路特异性抑制剂AG490阻断，表明Cur可通过激活JAK2/STAT3信号通路，减轻缺血再灌注损伤，发挥心脏保护作用。Liu等[32]在高糖对大鼠骨髓多能祖细胞（rMAPCs）作用的研究表明，VEGF的表达与rMAPCs中JAK2及STAT3的组成性激活相关。高糖培养基中培养的rMAPCs、JAK2和STAT3的酪氨酸磷酸化和磷酸化的STAT3的核转位显著降低，且VEGF的mRNA及蛋白表达水平下降，更加证明抑制JAK2-STAT3信号通路可影响VEGF的表达，从而影响血管生成。此外，在巨细胞动脉炎的小鼠模型中[33]，JAK/STAT3信号可驱动炎症血管壁中炎症相关的微血管生成，JAK/STAT3抑制剂Tofacitinib可以抑制新血管生成反应，更加证实JAK/STAT3信号转导通路在血管再生中的作用。

2 STAT3通过STAT3/HIF-1α信号转导通路促进缺血区心肌组织血管再生

低氧诱导因子HIF-1是由HIF-1α和HIF-1β两种亚基组成的异源二聚体[34]，两个亚基均属于bHLH/PAS家族蛋白[35]。N末端均含有bHLH/PAS同源区，对于二聚化及与靶基因的结合必不可少；C末端是反式激活区，包括2个反式激活域（TAD）即TAD-N和TAD-C，2个TAD序列间的区域为抑制结构域，抑制TAD的转录激活[36]。有研究表明，HIF-1α与急性低氧反应有关[37]。HIF-1α由氧来调节其蛋白的稳定性，在正常氧饱和度下，检测不到HIF-1α的表达，当氧气浓度低于5%时，HIF-1α稳定存在于细胞中[38]。HIF-1α的活性对于组织缺血后的恢复是十分必要的。HIF-1α可以上调与血管生成相关蛋白的基因表达，如促进血管生成的VEGF及其受体等来增加血流，降低缺血损伤[39]。在HIF-1α基因敲除的股动脉结扎模型中发现，VEGF等血管生长因子没有被激活，缺血后再灌注能力降低[40]。在心肌肥大、心肌梗死、伤口愈合和视网膜血管再生的模型中也发现，HIF-1α具有促血管生成作用。这些结果表明，HIF-1尤其是HIF-1α在缺血组织中介导促血管生成的作用[41～43]。

STAT3和HIF-1α同时调控相关基因的转录。HIF-1α基因的启动子包含几个STAT3结合位点，并且在癌细胞和小鼠T细胞中均证实了STAT3与HIF-1α启动子的结合[44，45]。抑制STAT3的基因表达使HIF-1α的mRNA和蛋白水平降低，而促进STAT3表达则上调了HIF-1α的mRNA和蛋白表达水平[15]。有研究表明[15]，STAT3/HIF-1α信号在正常人体血管生成和伤口愈合过程中有重要作用。当冠状动脉血流减少时，HIF-1α表达水平增加，促进STAT3在缺血区域的磷酸化，上调VEGF-α和FGF-2的表达[15]。Job's综合征患者存在冠状动脉血管灌注减少，研究发现可能与血管生成相关的STAT3/HIF-1α信号通路缺陷有关，通过稳定HIF-1α并恢复其信号传导可纠正这些异常，进一步证实该信号通路促血管生成的作用[15]。进一步的研究表明[46]，缺氧条件下，VEGF的最佳表达需要STAT3和HIF与VEGF启动子的结合。STAT3调控AKT的表达，而AKT是生长信号诱导HIF-1上调的必须因子。阻断STAT3信号通路可抑制肿瘤生长，减少血管生成，并取消JAK/STAT3和PI3K/AKT信号通路所诱导的肿瘤血管生成作用。

因此，STAT3可以通过调控HIF-1α的表达间接调控VEGF的水平，进而调节血管生成。STAT3/HIF-1α信号通路在人类ECM重构、血管生成和伤口愈合过程中具有重要作用[15]。

3 STAT3通过IL-6/STAT3信号转导通路促进缺血区心肌组织血管再生

1985年Kishimoto等从人T细胞中首先获得IL-6的cDNA克隆，并在1986年统一命名为白细胞介素-6。IL-6是一种促炎细胞因子[47]，可由多种细胞产生。IL-6受体（Interleukin-6 receptor， IL-6R）由两种亚基组成，其中α链为80kDa的同源受体亚单位，β链为130kDa的信号转导元件（Glycoprotein 130，gp130）。IL-6可结合跨膜受体IL-6R，形成IL-6/IL-6R复合物，这种复合物与gp130信号受体结合，形成高亲和力的IL-6结合位点，并诱导IL-6、IL-6R和gp130共同组成六聚体[48，49]。

目前IL-6/STAT3信号通路在肿瘤血管生成中的研究比较深入[50，51]。对直肠癌的研究表明[52]，IL-6是激活STAT3的中枢调节因子，在IL-6的刺激下，不仅使肿瘤相关成纤维细胞（CAFs）的STAT3磷酸化，还促进了STAT3 mRNA的表达，从而诱导VEGF激活，促进血管生成，加速肿瘤进展。Chen等[53]研究发现中心体p4.1相关蛋白（CPAP）在肝细胞癌中过表达，过表达的CPAP显著激活IL-6/STAT3通路，敲除CPAP会损害IL-6介导的STAT3激活、靶基因表达、细胞迁移和侵袭能力，CPAP和激活的STAT3可能共位于细胞核内，与靶基因的启动子区结合，激活下游信号通路，促进血管生成。

在缺血性心脏病中[54]，缺氧心肌释放IL-6，一方面促进心肌的炎症反应，另一方面也可以通过STAT3信号通路，促进血管生成，从而发挥心脏保护作用[55]。最近的研究表明[46]，心肌缺血再灌注损伤（MIRI）时，IL-6及其受体表达明显增加，且与预后相关。Banerjee等[56]研究表明，IL-6缺乏造成严重的心脏扩大，增加间质胶原的积累，以及粘连蛋白表达的改变。此外，流式细胞仪分析显示，IL-6缺乏使心脏毛细血管密度大幅下降。进行的体外研究表明，IL-6缺陷减弱STAT3途径的激活和血管内皮生长因子的产生。

有研究表明[57]，IL-6引起的STAT3磷酸化是由于IL-6激活了JAK2/STAT3信号通路。在自噬在远端缺血预处理（RIPC）诱导的心肌保护作用的研究中[58]，RIPC能上调IL-6的表达，进而通过JAK2/STAT3信号通路诱导自噬，从而保护心脏免受缺血再灌注损伤，使用JAK2/STAT3通路的抑制剂AG490后则未能上调自噬。Matsushita等[59]认为，在MIRI早期，缺血边缘区和非缺血区的IL-6/sIL-6R复合物诱导gp130的二聚化，这两个gp130分子的二聚化作用可通过JAK2磷酸化gp130和转录因子STAT3，进而激活细胞信号过程，抑制再灌注心肌细胞凋亡、减少梗死面积、促进血管再生。

本研究主要对STAT3及其介导的几种信号通路在缺血性心脏病血管再生中的作用进行综述，为今后的研究提供了理论依据，为缺血性心脏病的诊断和治疗提供了新思路。对缺血性心脏病患者来说，上述信号通路促进缺血区心肌组织血管再生的具体机制及如何通过药物干预来促进缺血区心肌血管再生还有待进一步研究。

人作为一个整体，细胞内的信号通路错综复杂，上述三条信号转导通路并不是独立存在，其也存在协同关系。目前，上述三条信号通路与其他信号通路在缺血性疾病中的相互作用尚不明确，有待于进一步证实。