王寧 張楨燁 彭夏鋒 王如興

1919年，有研究在雌性果蠅中發(fā)現(xiàn)一種基因，其功能喪失可致果蠅翅膀邊緣缺損，且雌性子代大多有翅膀缺損的特征，因此將該基因命名為Notch基因[1]。百年間，經過對Notch基因的結構及功能的不斷探索，發(fā)現(xiàn)在生物體的生長發(fā)育過程中Notch基因起重要作用。近年來，研究發(fā)現(xiàn)Notch信號通路參與多種心律失常的發(fā)病機制[2]。因此，探討Notch信號通路參與心律失常的發(fā)病機制對心律失常防治至關重要。

1 Notch信號通路

Notch是由Notch基因編碼的單次跨膜受體蛋白，進化上高度保守且廣泛存在于細胞表面介導細胞間信號傳遞。哺乳動物體內有4種Notch蛋白(Notch 1-Notch 4)和5種配體蛋白：Jagged 1、Jagged 2、Delta-like 1、Delta-like 3和Delta-like 4。Notch蛋白由胞內結構域(Notch intracellular domain，NICD)、跨膜區(qū)域和胞外結構域組成。NICD包含1個RBP-Jk相關的分子結構域，6個ankyrin/cdc10重復序列，2個核定位序列，1個轉錄激活結構域以及羧基端的1個富含脯氨酸、谷氨酸、絲氨酸和蘇氨酸的序列。胞外結構域由29～36個串聯(lián)表皮生長因子樣重復序列和3個富含半胱氨酸的LIN12 / Notch重復序列組成。表皮生長因子樣重復序列負責配體與Notch的結合，而LIN12 / Notch重復序列負責阻止配體單獨激活[3]。配體主要由長短不等的表皮生長因子樣重復序列和DSL結構域組成，DSL結構域可與Notch胞外結構域上的表皮生長因子樣重復序列結合[4]。在與配體結合后，Notch被激活并發(fā)生構象變化，TNF-α轉化酶在跨膜區(qū)域外催化肽鍵斷裂，釋放胞外結構域；γ-分泌酶使跨膜細胞內靠近跨膜區(qū)域處的蛋白水解，NICD從細胞膜釋放移位至細胞核[5]。在細胞核中，NICD與DNA連接蛋白CSL(也稱為RBJP)結合。當Notch信號未被激活時，CSL蛋白與其靶基因上的啟動子結合，并募集組蛋白脫乙酰基酶和共抑制因子以抑制基因轉錄。Notch信號激活后，NICD和CSL相互作用以取代共抑制因子，并與共激活因子Mastermind 形成轉錄復合物進而刺激靶基因的轉錄[6]。Notch信號傳導的靶基因包括Hes家族和Hrt家族。

Notch信號通路是通過細胞間相互作用來調節(jié)生物體生長發(fā)育的一個十分保守的信號通路。在動物發(fā)育過程中,Notch信號通路對于決定細胞命運、細胞發(fā)育、分化、增殖、凋亡、黏附和上皮 - 間充質轉化都至關重要[7]。在心血管胚胎發(fā)生時期，Notch信號通路參與編程從心臟結構到心臟電生理特性等多個過程，特異性調節(jié)心內膜、心外膜、冠狀動脈及心臟傳導系統(tǒng)等多種細胞，并影響瓣膜區(qū)域的形成[8]。Notch 1和Notch 2是胚胎心臟中表達的主要受體，而Notch 3僅限于平滑肌，Notch 4僅限于血管系統(tǒng)的內皮細胞[9]。有研究表明，Notch2和配體Jagged1基因的突變會導致Alagille綜合征(一種常染色體顯性遺傳疾病)，會影響包括心臟在內的多個器官，心臟病變主要以室間隔缺損和肺動脈狹窄導致的右心室肥大為主[10]。Notch 1受體單倍體不足可導致主動脈瓣疾病。此外，越來越多的證據(jù)表明，Notch還可能調節(jié)成年心臟的體內穩(wěn)態(tài)，可以保護心臟避免過度和有害的肥大反應并增加心肌細胞的存活率。Notch信號傳導可通過促進心肌再生，保護缺血性心肌，誘導血管生成并負向調節(jié)心臟成纖維細胞-成肌纖維細胞轉化來修復心肌損傷[11]。生理條件下，胎兒時期心臟發(fā)育時Notch信號活躍，出生后Notch信號沉默[12]。在心肌缺血和心臟衰竭等病理情況下，Notch信號重新激活并可導致長期基因改變，引發(fā)如病態(tài)竇房結綜合征、預激綜合征和室性心律失常等疾病[13]。

2 Notch 信號通路與心律失常的關系

2.1 Notch信號通路與預激綜合征的關系

預激綜合征是因房室旁路的存在，心電脈沖快速從房室旁路傳導至心室，致使心室預先激動。盡管預激綜合征的病理學和電生理學特征已明確，但其發(fā)生機制尚不清楚。有研究表明，Notch信號的再激活可能會導致預激綜合征的發(fā)生。Rentschler等[14]在小鼠胚胎心肌中發(fā)現(xiàn)，激活Notch信號可以產生房室旁道及心室預激。相反，小鼠胚胎心肌中Notch信號的抑制則會導致房室結發(fā)育障礙、慢傳導細胞特異性喪失以及生理性房室結傳導延遲的喪失。此外，Gillers等[15]給予αMHC-Cre和tetO-NICD雙轉基因小鼠多西環(huán)素以過度激活Notch信號，結果顯示Notch過度激活小鼠心臟傳導系統(tǒng)中出現(xiàn)房室旁道，且以右側房室旁道為主。 相似地，Akazawa等[2]發(fā)現(xiàn)Notch 1激活的小鼠出生后表現(xiàn)出明顯的心室預激且其房室不應期很短，在程序化電刺激下易發(fā)生房性心動過速。以上研究均指出Notch信號在小鼠胚胎心臟傳導系統(tǒng)發(fā)育過程中起著重要作用，激活Notch可導致預激綜合征的發(fā)生。

2.2 Notch信號通路與病態(tài)竇房結綜合征的關系

病態(tài)竇房結綜合征是一組以竇性心律障礙為主要表現(xiàn)的綜合征，包括竇性心動過緩、竇性停搏以及對陣發(fā)性心動過速如心房撲動和房顫的易感性增加。病態(tài)竇房結綜合征的發(fā)病機制尚不完全明確，目前認為可能與竇房結內離子通道表達的改變、竇房結細胞的減少和竇房結組織重構等因素相關[16]。John等[17]發(fā)現(xiàn)編碼鈉離子電流(Scn5a)和鈣離子電流的任何基因發(fā)生突變都可能導致竇房結功能障礙。有研究[12]發(fā)現(xiàn)，在多西環(huán)素誘導的Notch信號激活小鼠模型出現(xiàn)明顯的竇性心動過緩、頻繁竇性停搏以及房性心律失常發(fā)生率增加，類似病態(tài)竇房結綜合征的表現(xiàn)。進一步研究其發(fā)病機制時發(fā)現(xiàn)，雖然上述小鼠具有正常心房和竇房結結構，但竇房結和心房傳導的關鍵轉錄調節(jié)因子(包括Nkx2-5、Tbx3和Tbx5)表達失調，編碼心房傳導速度的決定基因，包括Scn5a(Nav1.5)和Gja5(連接蛋白40)持續(xù)下調，小鼠房性心律失常的發(fā)生率增加。這些結果表明，Notch激活會改變離子通道基因的表達和心房細胞電生理，從而使心律失常容易發(fā)生。

2.3 Notch信號通路與Brugada綜合征的關系

Brugada綜合征是一種罕見的常染色體顯性遺傳性心臟病，心電圖主要表現(xiàn)為右心前區(qū)導聯(lián)ST段明顯抬高、室性心律不齊，且有猝死傾向，在心臟結構正常的患者中突發(fā)心源性猝死的風險較高。其發(fā)病機制認為與右心室心肌細胞去極化或復極化離子電流改變相關。目前已鑒定出至少19個基因的突變與Brugada表型相關，這些基因的突變可引起心肌細胞膜上內向鈉離子或鈣離子電流的減少和外向鉀離子電流的增加，從而導致動作電位早期出現(xiàn)更大的外向電流，動作電位時間延長[18]。目前已知的可導致鈉離子通道功能喪失的基因包括Scn5a、Hey2、Scn1b等；可導致鈣離子通道功能喪失的基因包括Cacna1c、Cacnb2b、Cacna2d1等；Kcne3、Kcnd3、Kcnj8等基因的突變可導致鉀離子通道功能增強。已有研究證實Notch信號可能通過調節(jié)上述一些控制鈉離子及鉀離子通道的基因而導致Brugada綜合征發(fā)生[19]。

Notch信號可通過對Scn5a基因及Hey2基因的調控而改變鈉離子通道功能引發(fā)室性心律失常。Khandekar等[20]發(fā)現(xiàn)在房室交界心肌細胞中Notch信號的異位激活使Scn5a基因上調，重新編程心肌細胞，使心肌細胞成為“誘導的Purkinje樣”細胞，表現(xiàn)為動作電位持續(xù)時間延長及Purkinje細胞基因表達增加，從而易于發(fā)生室性心律失常。Notch信號對Scn5a基因的調節(jié)也可通過其下游靶基因Hey2實現(xiàn)。Hartman等[21]發(fā)現(xiàn)Chf1/Hey2(HEY家族轉錄因子)可通過影響Scn5a的表達和心臟傳導系統(tǒng)的形成而導致Brugada綜合征。Notch信號對Hey2基因的直接調控亦與Brugada綜合征的發(fā)生相關。Veerman等[22]從190份人左心室樣本中獲得的表達定量性狀基因座數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)Brugada綜合征風險等位基因與Hey2高表達之間存在關聯(lián)。Notch信號對其下游Hey2的調控通過室性差異性轉錄實現(xiàn)。當Notch信號被激活時，Notch胞內段NICD轉移至核內，結合心室特異性增強子和啟動子區(qū)域并被特定的組蛋白-3-賴氨酸-4-三甲基(H3K4me3)甲基化修飾，從而對Hey2基因進行室性特異性差異性轉錄，導致左室中Hey2表達上調，而右室中Hey2表達下降，左室動作電位時間延長，易發(fā)生致命性室性心律失常[23]。

Notch信號亦可通過調節(jié)鉀離子通道影響電沖動傳導。有研究表明，Notch信號激活可使調控鉀離子通道亞基的基因下調，并進一步發(fā)現(xiàn)Notch信號通過調節(jié)電壓門控的鉀離子通道亞基基因的轉錄和表觀遺傳來調節(jié)鉀離子電流[20]。此外，Notch信號的激活可使編碼鈉離子通道、鈣離子通道及心臟連接蛋白的基因發(fā)生改變，這些改變有助于延長動作電位并影響沖動傳導[20]。Notch信號可通過Hey2基因影響鉀離子電流[22]。在Notch功能增強模型中發(fā)現(xiàn)Hey2基因上調、編碼鉀離子通道亞基的基因(Kcnd3，Kcnip2，Kcna5和Kcnb1)則下調以及相應的鉀離子電流減弱。研究表明，Hey2高劑量會影響心臟離子通道基因的表達，通過未知的途徑間接影響Kcnip2的表達，從而影響心室肌細胞去極化和復極化[22]。

2.4 Notch信號通路與心肌梗死后交感神經重構的關系

室性心律失常是心肌梗死患者死亡的主要原因。近年來，臨床和動物實驗研究證實心肌梗死后心臟神經再生發(fā)生異常，包括交感神經支配過度和交感神經功能失調，這在心肌梗死后心律失常的發(fā)生中起重要作用。交感神經過度激活會增加心肌細胞自律性、觸發(fā)活動以及心肌細胞不應期的離散度，從而加重心肌細胞電生理異質性，使心肌梗死后室性心律失常發(fā)生風險增加。因此，近年來，心肌梗死后交感神經再生越來越受到關注，隨著心梗后交感神經重塑機制的揭示，有研究表明，炎癥和相關的細胞因子如巨噬細胞在刺激神經突起生長和再生中起關鍵作用[24]。Foldi等[25]研究證實，Notch信號通路可與巨噬細胞表達的模式識別受體TLR協(xié)同作用，誘導Notch靶基因的表達并調節(jié)經典TLR靶基因(如IL-6和IL-12家族的細胞因子)的產生。Yin等[26]在大鼠心肌梗死模型中發(fā)現(xiàn)，心肌梗死急性期時大量巨噬細胞浸潤，Notch信號過度激活，并參與巨噬細胞表型的轉換。Notch信號的抑制可使巨噬細胞早期向抑制炎癥的M2型轉換，下調神經生長因子的表達，最終改善心肌梗死后交感神經過度增生。研究結果提示Notch信號可能是通過調控巨噬細胞參與心肌梗死后交感神經重構。

3 總結與展望

Notch信號對離子通道、炎癥反應及信號通路等均具有重要調控作用，參與多種心律失常的發(fā)生發(fā)展，但不同Notch信號對不同的心律失常發(fā)生發(fā)展的機制各不相同。因此，研究Notch信號調控心律失常的發(fā)生機制及其作用，對揭示Notch信號通路與心律失常發(fā)生發(fā)展的關系，尋找有效干預措施以預防和治療心律失常具有重要的臨床意義。