董彬昌 岳佳敏 徐会圃

滨州医学院附属医院心血管内科 滨州 256603

Hedgehog(Hh)基因于1980年首次在果蝇体内发现，该基因被归类为分节基因，是一种编码过度保守的糖蛋白。果蝇胚胎在该基因突变后成多毛团状，形似受惊吓的刺猬因而得名。Hedgehog信号通路通常以惰性状态存在于脊椎动物和非脊椎动物中，在表达上高度保守，但在许多生物体生长发育过程中起着不可或缺的作用[1]。近年研究证实，Hedgehog信号通路在很多器官可以促进血管再生及发挥组织修复作用[2]，在成人心血管系统里，Hedgehog信号通路主要参与动脉血管的形成并且促进血管再生，心肌梗死后，该信号通路可以在缺氧条件下引起细胞自噬，并且能够延长心肌细胞存活时间[3]。本文就Hedgehog信号通路在心血管系统的形成、心肌梗死后血管再生以及促进心梗心肌细胞存活中的作用进行综述。

1 Hedgehog信号通路的组成

Hedgehog信号通路由配体Hedgehog(Hh)、膜蛋白受体Patched(Ptc)与 Smoothened(Smo)、胶质母细胞瘤转录因子(glioblastoma transcriptional factor，Gli)及下游靶基因组成。配体Hedgehog属于分泌型糖蛋白，在脊椎动物中Hedgehog家族由Indian hedgehog(Ihh)、Sonic hedgehog(Shh)和Desert hedgehog(Dhh)3种配体组成[4]，其中Ihh表达于内脏及软骨细胞[5]，Dhh表达于间质细胞，而Shh广泛表达于多个发育过程，是最具典型特征的一个分支。 Ptc和Smo均为Hedgehog下游细胞膜上的重要受体。Ptc在人体中有Ptc1、 Ptc2 2种类型，作为一种12次跨膜蛋白其中Ptc1在人体中表达更多，既能够结合 Hedgehog配体，又能够抑制Smo，具有双重功能。当Hedgehog信号通路被外来因素(如缺血、缺氧)激活时其自身便会与Ptc1结合，使Ptc1不能够对Smo起到抑制作用，此时下游的靶基因逐步被激活；当Hedgehog信号不能够被激活时，Ptc1与Smo结合从而抑制下游信号的传导。Smo隶属于G蛋白偶联受体家族，结构上为一种7次跨膜蛋白，在信号通路内转导以及下游靶基因激活中起到关键性作用，Hedgehog、 Ptc等因素会影响Smo的功能表达。Gli作为一种多功能转录因子，大多存在于细胞核及细胞质，起到传递信号并激活下游目的基因表达的作用。在脊椎动物有Gli1、Gli2和Gli3 三种核转录因子，并各司其职。Gli1在转录上起主要功能，能够转录激活靶基因，Gli2、Gli3则起激活或胁制等次要作用。

2 Hedgehog信号通路与心血管系统的形成

胚胎最早具有功能的系统是心血管系统，心血管系统的发育形成主要分成两个阶段：第一阶段是从受精卵成长为两条心内膜管；第二阶段是从竖直的原始心管发育为成熟心脏过程。左、右两条纵行的心内膜管随着胚胎中胚层生心区细胞逐渐分化而形成，随后二者逐渐向中线会合形成竖直的原始心管，原始心管每个部位逐渐出现串珠样局限性膨隆样改变，一般从头侧向足侧依次发育为：圆锥动脉干、心球、原始心室、房室管、原始心房、静脉窦。Hedgehog信号通路中的Shh在心血管胚胎发育和器官形成过程中发挥及其重要作用，Shh作为分泌蛋白家族中一类细胞间信号分子决定着众多组织及器官的细胞命运和形态发生。Hedgehog家族终单位为45 kDd前体蛋白，其信号转导作用机制如下：首先29 KD的C末端片段由受体的C末端部分进行催化自我剪切形成，胆固醇共价连接到19 KD的N末端片段(Hh- N，该片段具有足够的Shh蛋白信号活性)的C端，称为Hh- Np。为促进自身信号转导Hh-Np在N端半胱氨酸进一步棕榈酰化，最后Hh蛋白通过Ptc和Smo两个跨膜蛋白向临近细胞传递信号。在动物生长过程的形态发育和器官形成中Shh信号通路细胞间分泌信号分子家族起着重要的调控作用，参与了中枢神经系统、心血管系统、肺、胰腺等的发生调控。多项试验研究显示：打掉小鼠Shh后，小鼠肺脏在发育中缺乏正常血管化的能力，斑马鱼突变Shh缺失后，不但其胚胎中内皮前体呈现破坏，而且不能正常形成背主动脉和轴静脉，突变后的斑马鱼胚胎动脉分化也不能够正常进行，其血管中不产生特异性标志物，而将编码Shh的mRNA转到斑马鱼中，则可诱导其特异性标志物的表达，与此相反，Shh在小鼠背神经管中的过表达则会引起神经外胚层的高度血管化。近期研究发现，Shh在以下心血管系统胚胎时期的发育过程中表达：①诱导心血管系统循环形成是自右向左的顺序，心血管能够建立从右向左的循环过程源于Shh可在心管左侧部位诱导生成节状形成素，起诱导作用。而在突变小鼠中Smo和Shh-Ihh复合后右向左的循环则不能形成[6]；②促进心肌细胞形成，Liu等研究发现，当miR-30c(心肌细胞特性的miRNAs)过表达时Gli2基因表达则会被抑制，进而P19细胞分化成心肌细胞过程不能正常进行，进一步打破细胞增殖与凋亡两者发育的稳态关系，导致胚胎心脏间隔缺损等发育畸形情况出现[7]。在哺乳动物中，Shh对于心脏神经脊细胞、心脏流出道内膜垫、冠状血管系统[8]、心房和心室壁的发育不可或缺，故 Shh信号缺乏时会导致心脏不能正常发育。

3 Hedgehog信号通路与急性心肌梗死后血管再生

在众多组织和器官上均可发生血管再生，如创伤后机体的组织愈合过程及各系统的缺血性疾病等。研究表明心梗后心肌发生缺血损伤后，为缓解心肌组织局部的缺血缺氧，其自身会逐渐发展形成侧枝循环，但是心脏组织中血管再生过程进行特别缓慢，尚不足以满足缺血组织自身的需求，对梗死的心肌及心功能获益甚微。因此，人类越来越重视额外提高血液循环或局部组织中促血管生成因子的水平。有学者提出治疗性血管生成的方法，通过促进心血管的再生而从根本上提高缺血区血供来消除缺血状态，从而减少心肌梗死面积。多个研究已经证明Hedgehog信号通路参与动物体多个组织及肿瘤发生过程，并参与了包括心肌缺血、脑缺血、骨骼肌缺血、角膜及肢体缺血等在多种动物缺血模型中的血管再生。Shh在心肌梗死后血管再生过程中是最具代表意义的一个分支。Shh在参与移植静脉再狭窄的发生、增强自体血管的增殖活性以及加快血管平滑肌细胞的分化发育的过程中，可直接调控细胞期周期，与血管平滑肌密切相关[8]。研究表明Shh能够促进血管再生和改善血流灌注得益于缺血缺氧后Shh上调，其下游基因的上调也十分明显，此过程伴有Ang-1及VEGF等促进血管生成因子的表达。心脏组织缺血、缺氧时，在Shh和 Ptc表达水平增加的基础上[9]，不仅能够促进骨髓来源的内皮祖诱发血管生成[10]，而且促进心脏微血管内皮细胞中血管生成因子：包括血管生成素和血管内皮细胞生长因子的表达。通过特殊试验方法将心肌细胞Smo信号阻断后，冠状动脉血管生成基因的表达以及血管数量会相应减少[11]，另有试验证明，通过使用Hedgehog信号通路激动剂Purmorphamine则能够使梗死后心肌组织中冠脉血管的密度增加，可以增加冠状动脉的供血，进一步改善心功能。Shh在缺血性血运重建中的作用十分复杂，目前已经证明通过 COUP- TFII通路、依赖 GLI的通路和 PI-3激酶通路来调控冠脉血管的再生。也有研究认为，Hedgehog信号通路作为血小板衍生生长因子BB(platelet-derived growth factor BB，PDGF-BB)的靶基因能够使ERK1/2上调的同时可以将Akt磷酸化，进而在PDGF-BB诱导血管内皮细胞的迁移和募集过程中表达发挥作用[12]。已经有研究通过Shh基因疗法可以激活Shh通路从而调节血管再生，提升冠状血管再生速度及数量，进而增加冠脉血供，改善心功能。

4 Hedgehog信号通路在急性心肌梗死后细胞保护中的作用

急性心肌梗后30 min镜下即可见心肌组织病变区细胞核固缩破裂，肌丝断裂溶解以及炎症细胞浸润，病变区心肌收缩舒张功能受损，多个心梗造模试验研究证明Shh通路在急性心肌梗死后表达增加，并且在Shh通路激活情况下会增加心肌细胞的存活率，激活Shh通路可以减少心肌缺血造成的细胞凋亡[13]，将Shh信号通路抑制，心梗后冠脉血管的损伤、心肌细胞死亡、心功能衰竭程度更加明显。试验表明，在急性心肌梗死缺血模型中，Shh能够促进左心室功能的恢复，还可见心肌细胞程序化死亡的降低和心肌纤维化的减少。通过时空特异性基因靶点的方法，人为占用小鼠在体血管平滑肌细胞和心肌细胞smo受体，结果发现小鼠心梗模型中心脏冠脉出现缺失、组织缺氧、心肌细胞凋亡、心力衰竭，最后小鼠死亡。细胞自噬作为一种代谢方式在生物体中非常重要，具有维持细胞稳态作用，细胞自噬会在多种情况下发挥重要作用，当细胞受到外界刺激时如营养缺乏、激素抑制或化疗损伤、内源性刺激等各种应激反应时，通过细胞自噬能够维持细胞结构、功能和代谢的需要[14]。研究表明自噬在心肌梗死后也发挥重要作用，能显著降低心肌细胞的死亡，自噬对心梗后心肌保护作用尤其在缺血急性期显著[15]，Shh通路激活可以诱导自噬，试验证明：通过Shh激动剂激动Shh后，实验中小鼠心肌细胞自噬会增加，相反，通过抑制Shh通路则减弱自噬作用，并且通过抑制自噬还会减弱Shh对梗死后心肌细胞保护作用，当给予AMPK抑制剂时Shh通路对梗死后心肌细胞损伤的保护作用则减弱，推测其具体机制可能为Shh通路能够促进磷酸化AMPK/U1k而结合诱导自噬增加[16]。

综上所述，Hedgehog信号通路尤其以Shh为代表，在心血管系统的形成、急性心肌梗死后冠脉血管的再生以及心梗后心肌细胞的保护作用中均起到关键性作用，但目前对Hedgehog信号通路在心血管系统疾病具体作用机制的研究尚处于初级阶段，通路中的许多环节如上下游因子之间关系和调节转化作用仍需深入研究。目前也有越来越多的研究者尝试将Hedgehog信号通路转化为临床治疗应用，如Shh基因靶向治疗、Shh干细胞治疗等来增强梗死区内血管生成潜力，缩小梗死面积，改善心功能。Hedgehog信号通路的调节血管再生以及心肌细胞保护功能为改善急性心肌梗死患者心功能及预后治疗提供新的思路，有待于对其具体机制的进一步研究。