肌肉生长抑制素与心力衰竭

　　作者：邓生琼,综述,任永生,周显琎,审校　　作者单位：郧阳医学院预防医学教研室;生理学教研室;附属东风医院麻醉科,湖北 十堰

　　【关键词】 肌肉,抑制素,心力衰竭

　　心力衰竭(heart failure,HF)是在多种致病因素的作用下，心脏收缩和舒张功能发生障碍，使心输出量绝对或相对下降(泵功能减弱)，以致不能满足机体代谢需要的病理生理过程。心力衰竭是心肌肥大、急性心肌梗死和心肌缺血再灌注(ischemia/reperfusion,I/R)损伤等多种心血管疾病发展过程中常见的病理结果。心力衰竭过程中会导致重构(myocardial remodeling)即心肌组织发生的适应性、增生性变化。心肌重构的结果是心肌肥厚，继之基质胶原蛋白沉着、纤维化、心脏扩大，最终导致不可逆性心功能损害，出现心衰。近年来有报道肌肉生长抑制素(myostatin)这种特殊的肌肉生长调节因子在容量负荷所致的心衰模型中表达增高[1]，在一些以恶病质为最终表现的慢性消耗性疾病、HIV感染以及肌肉组织衰老过程中的myostatin表达水平均有不同程度的升高[2-3]，临床长期慢性的心力衰竭病人也发现有恶病质表现[4]，推测myostatin的表达可能涉及心衰的发病。

　　1 Myostatin理化和生物学特征

　　1997年美国Mcpherron和Lee在研究调节细胞生长和分化的一组蛋白时，发现了双肌基因(double-muscling gene)，他们采用简并PCR技术，首次在小鼠骨骼肌cDNA文库中鉴别出GDF-8，得到全长的cDNA序列[5]。因其在骨骼肌中特异表达，是骨骼肌的负调控因子,可通过调控成肌细胞的增殖影响肌肉的生长与发育，对骨骼肌生长具有重要的调节作用[6-7]， 故将其命名为肌肉生长抑制素基因-Myostatin基因，其变异或缺失会导致肌细胞增生与肌纤维肥大。Grobet等通过分离分析和微卫星标记分析，证实了Myostatin基因的突变是造成牛“双肌”的原因[8]。

　　最初，McPherron等[9]发现Myostatin基因在胚胎发育过程和成年个体骨骼肌中表达。 胚胎发育的早期，该基因的表达局限于发育体节的肌节区，此后在躯体的很多不同的肌肉中表达。但后来Ji等[10]对生长发育期猪的组织进行测定，发现肌肉抑制素的mRNA主要分布于骨骼肌，在脂肪组织、脑、舌、心、肺、小肠、肾、肝和骨髓也有分布,但含量较少。而且在哺乳动物的乳腺中也有肌肉抑制素分布。Sharma等[11]也证实Myostatin基因在胎儿和成年个体心肌中也有表达,主要分布在浦肯野氏纤维和心肌细胞中。此外，脂肪组织中也检测到相当低水平的表达。

　　Myostatin的受体在很多肌肉细胞系都有发现，并且其在肌纤维数量上的效应可能来自于阻止肌纤维细胞发育过程中的增生和/或分化。实际上myostatin被证实阻止了活体外的细胞系的增殖和分化[12-14]。在肌纤维大小方面大的影响可能来自于myostatin对肌肉卫星细胞的作用。体外研究表明myostatin抑制卫星细胞激活和自我更新[15]。最新研究显示myostatin可逆地加强了胚胎肌肉前体物质的休眠期[16]。 在成人肌肉，myostatin通过下调一种细胞周期调节蛋白激酶抑制剂p21，降低了Cdk2蛋白的水平和活性，正反馈维持卫星细胞处于静止休眠状态[15]。

　　2 Myostatin的生物学效应

　　2.1 对骨骼肌发育的作用

　　Myostatin是转化生长因子(TGF-beta)超家族中的一员，机体缺少有功能的myostatin或者抑制正常myostatin的功能将导致增加的肌肉表型，相反地，系统性地施予myostatin将导致肌肉萎缩[17]。因此myostatin作为一种肌肉生长的负性调节因子已得到公认，它决定着肌肉的纤维的数量和大小。此外，它还能调节胚胎的和出生后的肌肉系统[18]。Germline清除鼠体内myostatin基因导致鼠骨骼肌的超常增生和肥大,表明myostatin作为骨骼肌的负调节蛋白调节着骨骼肌的生长[5]。另外，也有报道肌肉抑制素与成年动物肌肉萎缩和肌肉再生有关。McPherron等[9]通过基因打靶技术敲除老鼠体内Myostatin基因，使其不能正常发挥作用， 结果在Myostatin敲除的老鼠体内，肌纤维得到广泛的增生和肥大，导致骨骼肌肌肉质量显著增加，其平均体重超过正常老鼠的261%，而且突变型小鼠骨骼肌纤维的数量较野生小鼠高出86%。因此潜在的拮抗物，无论是myostatin 合成或分泌的靶向物还是受体结合物都将为治疗肌肉萎缩疾病提供很好的保证。

　　2.2 对心肌的作用

　　虽然Myostatin是作为骨骼肌特征性因子被首次发现的，但在心脏等其他地方同样也有Myostatin的存在[11,19]，Sharma等研究表明myostatin表达于胎儿及成人的心脏，并且心肌梗死后心肌myostatin表达上调，当心肌梗塞时，受损部位周围的心肌细胞肌肉抑制素基因表达增加，推测肌肉抑制素基因在心肌发育和生理过程中期起重要作用[12]。Shyu等研究表明周期地机械性的伸展培养的新生鼠心肌细胞能加强细胞myostatin的表达，该研究进一步证实了血液动力的超负荷导致了心脏myostatin的表达上调[20]。在心肌肥厚过程中，肌肉特异性地表达myostatin[21]。该模型中，胰岛素样生长因子1(IGF-1) 介导心肌细胞的生长，心肌细胞分泌myostatin并且累积直到达到一个新的能抑制心肌细胞生长的阈值。最近Cook等报道说转基因过度表达Akt导致肥大的心脏过度表达myostatin，以上研究表明myostatin在心肌的生理病理条件下发挥着重要的作用，实际上Cook等推测在肥大的心脏myostatin的上调表达,是一种限制骨骼肌生长的负反馈机制[19]。

　　3 Myostatin与心衰

　　3.1 慢性HF发生时骨骼肌的变化

　　慢性HF是一种以心脏为起因的能影响多种器官系统的临床综合症，在疾病的晚期，伴随的代谢异常导致分解代谢综合征，和其他一些慢性疾病一样，骨骼肌功能紊乱及肌肉结构异常导致进行性的肌肉萎缩及恶液质[22]。 鼠骨骼肌肌肉萎缩已在5只主动脉-腔静脉分流所致心力衰竭鼠模型上观察到。Shyu等[1]在研究容量负荷所致的心力衰竭时以鼠后肢的半膜肌为研究对象检测骨骼肌中myostatin的表达。结果显示主动脉-腔经脉分流4周后骨骼肌中myostatin蛋白较对照组增加1.7倍且骨骼肌纤维横断面积较对照组显著缩小。卡维地洛治疗分流组能显著阻滞分流引起的骨骼肌中myostatin蛋白的增多以及显著增加肌纤维面积.慢性心力衰竭病人已被证实有恶液质表现[23]。过度的myostatin能诱导鼠恶液质并且myostatin可能涉及到人类的恶液质[24]。主动脉-腔静脉分流模型中骨骼肌myostatin表达上调，该发现或许可以表明慢性心力衰竭时肌肉萎缩的机制。

　　3.2 HF时心脏myostatin的变化

　　Shyu等研究证实myostatin表达上调于容量负荷引起的心衰鼠模型的心室肌，该研究利用蛋白印迹分析评价主动脉-腔静脉分流以及卡维地洛治疗对心肌myostatin蛋白表达的影响。研究者于离体心肌细胞检测出特异性的myostatin抗体，结果显示主动脉-腔静脉分流诱导4周的模型组较对照组心肌myostatin增加2.7倍，施以卡维地洛治疗,显著抑制了分流所致的myostatin蛋白的增加,且施以普萘洛尔(肾上腺素受体拮抗剂)及N-乙酰半胱氨酸多沙唑嗪也能明显减少分流所致的myostatin表达的增加，只是卡维地洛减少的更明显。 Myostatin蛋白在分流组明显上升，myostatin mRNA的情况研究者也作了进一步的研究，相同的是分流4周后的心肌myostatin mRNA较对照组增加2.9倍，施以卡维地洛治疗能明显抑制分流所致的myostatin mRNA的增加，N-乙酰半胱氨酸多沙唑嗪能部分减少分流所致的myostatin mRNA的增加，而对于假手术组，三种药并不能改变myostatin mRNA的表达。 Shyu等研究表明周期地机械性的伸展培养的新生鼠心肌细胞能加强细胞myostatin的表达，这种伸展诱导的上调表达是IGF-1介导的，至少是部分通过p38 MAPK和MEF2途径[17,25]。该研究进一步证实了血液动力的超负荷导致了心脏myostatin的表达上调。Myostatin作为一种心肌的抑素来拮抗IGF-1的作用[26]。

　　3.3 变化的机制分析

　　心衰是许多心血管疾病的共同结局，心力衰竭发生、发展的基本机制是心肌重构，是心肌组织对瓣膜病、高血压、急性心肌梗死及先天性心脏病等常见临床疾病的一种基本反应。而分布于细胞浆内的丝裂素活化蛋白激酶(MAPK)是细胞外信号引起细胞核反应的共同通路，它是参与心肌细胞增殖、分化、凋亡、坏死、细胞骨架重组及间质纤维化的多条信号通路的汇聚点[25]。心室肌、心房肌和心脏间质成纤维细胞中均有MAPK存在,而且许多外界刺激因素如牵张作用、某些血管活性肽和生长因子均可激活MAPK导致心肌重构。细胞外信号调节激酶(ERK)为MAPK最具特征的亚家族成员之一，主要对有丝分裂刺激产生反应， ERK可能促进增殖、肥厚相关基因表达，抑制凋亡的发生[25-26]。基于以上研究发现容量负荷所致的心衰伴随心脏myostatin表达增加，以及临床心衰病人恶病质的表现，不难推断出myostatin可能参与了心衰的发病以及心肌的重构，其可能的途径就是通过MAPK途经，而另一方面Shyu等的研究表明在周期伸展诱导的鼠心肌细胞模型中，IGF-1以自分泌的方式通过p38 MAPK和MEF2途径直接激活了myostatin的表达[25]。肥厚性心肌病伴随肢端肥大就是一个典型的例子，该病产生过量的生长激素刺激效应因子IGF-1大量产生。因此适当浓度的IGF-1诱导适应性的肥大，而浓度过高将刺激p38 MAPK通过产生心肌抑素myostatin而限制肥大。IGF-1是一种梗死后心肌重构的正效应因子，myostatin的产生虽能限制心肌的增长，但是这样诱导了容量负荷对心肌收缩力的要求与心肌增长的不平衡,这样的不平衡将导致心肌细胞进一步的损伤和心衰，所以这种反馈机制让我们不能完全明确myostatin在心衰的发病过程中究竟处于有益还是有害的角色。 将myostatin基因人工操纵表达于心脏有可能更进一步阐明它在心衰转变过程中的作用。

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