GDF15与心血管疾病——从基础到临床

书书书第二军医大学学报　２０１０年３月第３１卷第３期　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｊｓｍｍｕ．ｃｎＡｃａｄｅｍｉｃＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｅｃｏｎｄＭｉｌｉｔａｒｙＭｅｄｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｍａｒ．２０１０，Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．３·３１７　　·ＤＯＩ：１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１００８．２０１０．００３１７·综　述·生长分化因子１５与心血管疾病———从基础到临床顾宇英，张代富同济大学附属东方医院心内科，上海２００１２０　　［摘要］　生长分化因子１５（ｇｒｏｗｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ１５，ＧＤＦ１５）是转化生长因子β（ｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇｇｒｏｗｔｈｆａｃｔｏｒβ，ＴＧＦβ）超家族成员的一个远支，是一个重要的心血管保护因子。作为新的标志物，ＧＤＦ１５水平与多种心血管疾病的诊断、危险分层和预后判断有密切关系。本文就ＧＤＦ１５基因的生物学特点及其在心血管疾病中的多种功能作一综述。　　［关键词］　生长分化因子１５；转化生长因子β；心血管疾病　　［中图分类号］　Ｒ５４　　　［文献标志码］　Ａ　　　［文章编号］　０２５８８７９Ｘ（２０１０）０３０３１７０４［收稿日期］　２００９０８１２　　　　［接受日期］　２００９１１１８［作者简介］　顾宇英，硕士生，主治医师．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]通讯作者（Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ）．Ｔｅｌ：０２１３８８０４５１８，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]ａｃｔｏｒ１５ｉｎｃａｒｄｉｏｖａｓｃｕｌａｒｄｉｓｅａｓｅ：ｆｒｏｍｂｅｎｃｈｔｏｂｅｄｓｉｄｅＧＵＹｕｙｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＤａｉｆｕＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣａｒｄｉｏｌｏｇｙ，ＥａｓｔＨｏｓｐｉｔａｌ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００１２０，Ｃｈｉｎａ　　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］　Ｇｒｏｗｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ（ＧＤＦ）１５，ａｄｉｓｔａｎｔｍｅｍｂｅｒｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇｇｒｏｗｔｈｆａｃｔｏｒβｃｙｔｏｋｉｎｅｓｕｐｅｒｆａｍｉｌｙ，ｉｓａｐｏｗｅｒｆｕｌｃａｒｄｉｏｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅｆａｃｔｏｒ．ＭａｎｙｓｔｕｄｉｅｓｈａｖｅｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｔｈａｔｓｅｒｕｍＧＤＦ１５ｌｅｖｅｌｉｓａｎｏｖｅｌｍａｒｋｅｒｃｌｏｓｅｌｙａｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｄｉａｇｎｏｓｉｓ，ｒｉｓｋｓｔｒａｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄｐｒｏｇｎｏｓｉｓｏｆｓｅｖｅｒａｌｃａｒｄｉｏｖａｓｃｕｌａｒｄｉｓｅａｓｅｓ．ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｍａｉｎｌｙｒｅｖｉｅｗｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＧＤＦ１５ａｎｄｉｔｓｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎｉｎｃａｒｄｉｏｖａｓｃｕｌａｒｄｉｓｅａｓｅｓ．　　［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］　ｇｒｏｗｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ１５；ｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇｇｒｏｗｔｈｆａｃｔｏｒβ；ｃａｒｄｉｏｖａｓｃｕｌａｒｄｉｓｅａｓｅｓ［ＡｃａｄＪＳｅｃＭｉｌＭｅｄＵｎｉｖ，２０１０，３１（３）：３１７３２０］　　生长分化因子１５（ｇｒｏｗｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ１５，ＧＤＦ１５）是转化生长因子β（ｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇｇｒｏｗｔｈｆａｃｔｏｒβ，ＴＧＦβ）超家族成员中一种应激反应蛋白。早期研究认为，ＧＤＦ１５主要参与了肿瘤的发生和发展，调控肿瘤的生长，抑制肿瘤的转移［１］。现已证实ＧＤＦ１５具有广泛的生物学活性，是一个重要的心血管保护因子，在心血管疾病中具有多种功能。本文从基础和临床两个方面对ＧＤＦ１５与心血管疾病的关系进行综述。１　ＧＤＦ１５的生物学特性和表达　　ＧＤＦ１５是Ｂｏｏｔｃｏｖ等［２］于１９９７年首次从人骨髓单核细胞系Ｕ９３７ｃＤＮＡ文库中分离出来的，最初被命名为巨噬细胞抑制因子１（ｍａｃｒｏｐｈａｇｅｉｎｈｉｂｉｔｏｒｙｃｙｔｏｋｉｎｅ１，ＭＩＣ１），其编码的蛋白具有ＴＧＦβ超家族细胞因子的结构学特征，属于ＴＧＦβ超家族中的一员。ＧＤＦ１５是一种分泌型蛋白，其前体蛋白含３０８个氨基酸，Ｎ端含有１２个氨基酸的疏水性信号肽，中间（１９３～１９６位氨基酸，ＰＸＸＲ）为保守的蛋白酶水解位点，Ｃ端含有保守的胱氨酸结（ｃｙｓｔｉｎｅｋｎｏｔ）结构域。ＧＤＦ１５前体蛋白经酶切后成为１１２个氨基酸的成熟蛋白，通过二硫键连接成具有生物活性的同源二聚体，相对分子质量为２５０００［３４］。ＧＤＦ１５以无活性的方式分泌，经ＴＧＦβ激酶（ＴＡＫｓ）激活后，与相应的丝氨酸／苏氨酸激酶受体形成异聚体而发挥作用，主要激活Ｓｍａｄ蛋白，Ｓｍａｄ蛋白将信号转导到细胞核，调控目的基因的表达。在生理情况下，ＧＤＦ１５在前列腺和胎盘中高表达，在多数其他组织中微弱表达，包括心脏［１２］。但是在病理和环境应激情况下，如在缺血／再灌注损伤［５］、心脏压力负荷升高、心衰［６］和动脉粥样硬化［７］等情况下，ＧＤＦ１５在心肌细胞中强烈表达，使其具有成为良好的心血管疾病生化标志物的基本条件［８］。Ｂｒｏｗｎ等［７］报道，ＧＤＦ１５的血清水平是心血管不良事件的独立危险预测因子，首次阐明了ＧＤＦ１５与心血管疾病相关。２　ＧＤＦ１５与心血管疾病的基础研究２．１　ＧＤＦ１５在缺血／再灌注损伤中的表达　Ｋｅｍｐｆ等［５］发现在细胞学水平，离体的心肌细胞在缺血／再灌注损伤的刺激下，能快速诱导表达ＧＤＦ１５前蛋白并分泌成熟的ＧＤＦ１５肽到胞外；在暂时性或者永久性冠状动脉结扎建立缺血／再灌注动物模型中，ＧＤＦ１５在缺血心肌中强烈表达，并在再灌注过程中持续表达数天。因此推测，ＧＤＦ１５基因在心脏中的诱导表达可能是避免缺血／再灌注损伤的新型防御机制。２．２　ＧＤＦ１５抑制心肌细胞凋亡，保护心脏　新近研究表·３１８　　·第二军医大学学报　２０１０年３月，第３１卷明，ＧＤＦ１５在缺血损伤的心肌中强烈表达，提供内源性的保护作用，抑制缺血组织损伤，阻止缺血再灌注诱导的心肌细胞凋亡，是一个新的心脏保护因子［５６］。Ｋｅｍｐｆ等［５］发现在小鼠缺血再灌注模型中，ＧＤＦ１５基因敲除组相比野生型小鼠心肌梗死面积更大，并且在梗死区域发生更多的心肌细胞凋亡，心脏破裂常见，死亡率明显增加。Ｘｕ等［６］研究表明在培养的心肌细胞中，ＧＤＦ１５激活细胞外信号调节激酶，发挥抗细胞凋亡的作用。这些结果表明ＧＤＦ１５对于心脏是一个保护性的因子。２．３　ＧＤＦ１５的抗炎效应　ＧＤＦ１５是内源性的抗炎因子，可以抑制白细胞浸润，促进梗死心肌的修复和存活。Ｋｅｍｐｆ等［９］报道在小鼠冠脉结扎后的梗死心肌内，ＧＤＦ１５蛋白快速诱导表达，并且持续升高至少７ｄ，这可能表明ＧＤＦ１５参与在稍后阶段的梗死后愈合和创面修复；免疫组化结果证明在ＧＤＦ１５基因敲除的小鼠心梗边界区粒细胞和巨噬细胞的数量明显增多，与基质金属蛋白酶（ＭＭＰ９）的活性增加相平行；在离体实验中，ＧＤＦ１５剂量依赖地抑制人类粒细胞向化学诱导剂ｆＭＬＰ的迁移。同样，ＩＬ１、ＴＮＦα和ＴＧＦβ快速诱导ＧＤＦ１５在巨噬细胞中的表达，抑制了巨噬细胞的活化和炎症反应［３］。２．４　ＧＤＦ１５抗心肌肥厚　Ｘｕ等［６］研究结果表明在主动脉缩窄导致的心衰模型中，ＧＤＦ１５基因敲除小鼠较野生型小鼠心脏体质量明显增加，心肌肥厚更明显，伴随收缩和舒张功能的恶化。而腺病毒介导的ＧＤＦ１５基因转染小鼠的心脏质量较野生型明显减轻，表明ＧＤＦ１５可阻止压力负荷引起的心肌肥厚。体外实验也证实ＧＤＦ１５有抑制体外培养心肌细胞肥大的功能。　　ＴＧＦβ超家族成员中传统的信号通路是细胞膜与受体结合导致Ｓｍａｄ转录因子的磷酸化和激活，同时直接或间接作用于其他的信号因子通路。ＧＤＦ１５抑制心肌肥厚反应，部分是通过Ｓｍａｄ蛋白通路。Ｘｕ等［６］发现重组的ＧＤＦ１５主要诱导Ｓｍａｄ２／３的磷酸化，同时可以探查到轻度的Ｓｍａｄ１／５／８的磷酸化，ＧＤＦ１５也短暂地激活ＡＫｔ和细胞外信号调节因子（ＥＲＫ１／２），另外，腺病毒介导的Ｓｍａｄ２的过度表达显示与ＧＤＦ１５相似的抑制心肌肥厚的作用。更重要的是，通过腺病毒转染抑制性的Ｓｍａｄ因子，Ｓｍａｄ６或Ｓｍａｄ７，可逆转ＧＤＦ１５抗心肌肥厚的作用［１０］。２．５　ＧＤＦ１５抗心力衰竭作用　ＧＤＦ１５有改善心衰和左室扩张的能力，能改善心室肥厚、细胞凋亡和心室重构，因此具有抗心衰的作用。Ｘｕ等［６］发现通过腺病毒介导转染ｍｌｐ基因敲除心衰小鼠引起ＧＤＦ１５的过度表达能改善心衰，同时，左室扩张也明显减轻；另外，给ｍｌｐ基因敲除小鼠注射重组ＧＤＦ１５蛋白也能部分逆转心衰；并且，ＧＤＦ１５基因敲除小鼠在压力负荷刺激下不仅表现出明显的心肌肥厚和增大，而且快速发展为左室功能降低，进一步表明ＧＤＦ１５可能抑制心衰的发生和恶化。３　ＧＤＦ１５与心血管疾病的临床研究３．１　血清ＧＤＦ１５水平在心血管疾病中的诊断功能　临床研究发现在急性冠状动脉综合征（ＡＣＳ）中血清ＧＤＦ１５浓度增高，是有助于ＡＣＳ诊断的生物标记。Ｗｏｌｌｅｒｔ等［１１］研究了２０８１例非ＳＴ段抬高急性冠状动脉综合征（ＮＳＴＥＡＣＳ）患者，显示约有２／３的患者ＧＤＦ１５水平超过正常上限１２００ｎｇ／Ｌ（健康老年人的正常上限［１２］），相似的，Ｋｅｍｐｆ等［１３］对４７１例ＳＴ段抬高心肌梗死（ＳＴＥＭＩ）患者的研究发现约７２．７％的患者ＧＤＦ１５水平＞１２００ｎｇ／Ｌ。Ｌｉｎｄ等［１４］在ＰＩＶＵＳ研究中检测了１００４位７０岁以上老年人的血清ＧＤＦ１５水平，结果发现，ＧＤＦ１５水平的升高与心绞痛、住院治疗的心肌梗死、既往有冠状动脉血运重建、心衰史等密切相关，ＧＤＦ１５亦与颈动脉内膜中层厚度和斑块相关。因此，ＧＤＦ１５水平可以预测心血管疾病的诊断，可能是一个有关心血管危险、炎症和终末器官损害的更全面的生物标志物。３．２　血清ＧＤＦ１５水平在心血管疾病危险分层中的作用　近年来ＡＣＳ研究的一个重要进展认为对ＡＣＳ患者进一步行危险分层对于早期干预治疗策略的选择和预后的判断均有十分重要的意义，在ＮＳＴＥＡＣＳ患者中，中危和高危患者行介入治疗有助于减少心血管事件的风险和改善预后，故早期危险度分层已成为ＮＳＴＥＡＣＳ处理策略的首要任务，ＧＤＦ１５水平是有助于危险分层和决定介入治疗策略的潜在工具。Ｗｏｌｌｅｒｔ等［１５］研究了２０７９例ＮＳＴＥＡＣＳ患者，随访２年，ＧＤＦ１５≥１２００ｎｇ／Ｌ的ＮＳＴＥＡＣＳ患者明显受益于介入治疗，减少复合终点和个体终点的风险，ＧＤＦ１５＞１８００ｎｇ／Ｌ的患者行介入治疗能获得最大的益处，但是在ＧＤＦ１５水平＜１２００ｎｇ／Ｌ时行介入治疗并不能获益。ＧＤＦ１５已用于ＡＣＳ危险分层的分界点（＜１２００ｎｇ／Ｌ低危、＞１８００ｎｇ／Ｌ高危）也有助于稳定性心绞痛（ＳＡＰ）的危险分层，Ｋｅｍｐｆ等［１６］随访了１３５２例ＳＡＰ患者３．６年，ＧＤＦ１５水平在＜１２００ｎｇ／Ｌ、１２００～１８００ｎｇ／Ｌ、＞１８００ｎｇ／Ｌ病死率分别在１．４％、２．７％和１５％。另外，ＧＤＦ１５水平有助于胸痛的危险分层，Ｅｇｇｅｒｓ等［１７］利用ＧＤＦ１５的作用在非选择的４７９例胸痛患者进行危险分层，结果表明ＧＤＦ１５水平在非选择的急性胸痛患者改善了危险分层，并且提供的预后信息优于临床特征、心电图和ｃＴｎＩ。３．３　血清ＧＤＦ１５水平为多种心血管疾病提供预后信息３．３．１　血清ＧＤＦ１５水平在ＡＣＳ中提供预后信息　ＧＤＦ１５在缺血／再灌注后从心肌细胞释放入血，其血清水平高低是预测非ＳＴ段抬高心肌梗死（ＮＳＴＥＭＩ）患者１年病死率的独立指标，高浓度的ＧＤＦ１５预测死亡和复发性心肌梗死的风险更高，而且在入院７２ｈ内保持明显的稳定性，提供相似的预后信息［１１］。在ＳＴＥ