肺动脉高压(pulmonary arterial hypertension，PAH)是由多种致病因素引起的远端肺动脉压和肺血管阻力升高，导致肺血管重构的发生，最终引起右心功能受限的慢性进展性疾病[1]。PAH发生的病理机制复杂，涉及遗传因素和环境因素，引起多种相关基因的突变，如骨形成蛋白受体2(bone morphogenetic protein receptor 2，BMPR2)、内皮素1、五羟色胺转运体等[2]。目前研究发现，Notch信号通路对调控血管平滑肌细胞和血管内皮细胞的增殖、分化、凋亡具有重要作用，广泛参与动脉粥样硬化、肺动脉高压、心肌梗死等心血管疾病的发生[3]。本文主要对Notch信号通路参与肺动脉高压肺血管重构发生的过程作一综述，以期为肺动脉高压治疗药物的开发提供新的思路。
1 PAH的概况据2015年欧洲心脏病学会和欧洲呼吸学会制定的PAH诊断和治疗指南，PAH被定义为：在血流静息状态下，平均肺动脉压≥25 mmHg，肺动脉楔压≤15 mmHg，肺血管阻力>3 Wood单位[4]。目前，根据病理特征和发病机制将PAH分为5大类：动脉性PAH、左心疾病引起的PAH、肺部疾病或低氧引起的PAH、慢性血栓栓塞性PAH及不明原因引起的PAH，共21个亚类。临床常用的靶向治疗药物包括内皮素受体拮抗剂(波生坦、马西替坦和安倍生坦)、5-磷酸酯酶抑制剂(西地那非、他达拉非)、鸟苷酸环化酶激动剂(利奥西呱)、前列环素类药物(依前列醇、伊洛前列素、曲前列尼尔和贝前列素)及选择性前列环素受体激动剂(司来帕格)[5]。最新调查表明，成年人PAH的年发病率约为每百万人中有3~10例，且女性的发病率大于男性[6]。目前，由于PAH靶向治疗药物的疗效和预后效果有限，以至于PAH患者的中位生存期约为2.8年，且患者易产生耐药性；因此，深入探究PAH的发病机制及作用靶点，有利于新的治疗药物的开发。
2 Notch信号通路的作用机制Notch信号通路主要由Notch受体、配体和细胞内效应分子(CBF1/suppressor of hairless/Lag-1, CSL)组成，相邻细胞的受体与配体在细胞间结合，活化Notch通路，调控下游靶基因的表达，介导细胞的增殖、分化和凋亡。目前研究发现，Notch有4个同源受体：Notch-1、Notch-2、Notch-3和Notch-4，Notch-1在内皮细胞和平滑肌细胞中均有表达，Notch-2在多种细胞中广泛表达，Notch-3表达于平滑肌细胞，Notch-4主要表达于内皮细胞。Notch配体存在于细胞表面，是一种单链跨膜蛋白，含有5个同源配体，即Dll-1，Dll-3，Dll-4，Jag-1和Jag-2；CSL为核转录因子，能够识别Notch通路下游的靶基因并与其启动子上DNA序列结合，发挥生物学效应[7-8]。
目前的研究发现，Notch信号通路的激活包括CSL依赖途径(经典的Notch信号通路)和非CSL依赖途径(非经典的Notch信号通路)。当Notch受体与配体结合后，Notch受体在胞外域S2位点和跨膜片段S3位点分别被ADAM金属蛋白酶和γ-分泌酶切割，释放Notch胞内片段(Notch intracellular domain，NICD)，NICD转移至细胞核并与CSL结合，调控下游靶基因发状分裂相关增强子(hairy and enhancer of split，Hes)、Hey、细胞周期调节因子p21及细胞周期蛋白等的表达，调节细胞的增殖、分化及凋亡；但在活化过程中，NICD能被细胞周期蛋白依赖性激酶8(cyclindependent kinase 8, CDK8)磷酸化，并被E3泛素连接酶靶向蛋白酶体降解，导致Notch信号活化半衰期较短[9]。在Notch信号通路活化的过程中，Notch信号组成基因的突变会引起一系列遗传性疾病，如骨质疏松症、T淋巴细胞白血病、脑血管疾病及精神分裂症、肿瘤等[10]。
对于非CSL依赖激活途径，目前的研究较少，仍不明确其中的调控机制。在细胞质或细胞核水平上，非CSL依赖的Notch信号传递过程中，NICD能够活化下游的磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/mTOR复合物2(phosphoinositide 3-kinases/protein kinase B/mTOR complex 2，PI3K/AKT/mTORC2)、Wnt/β-连环蛋白(Wnt/β-catenin)、核因子κB激酶抑制剂α/β(inhibitor of nuclear factor κB kinaseα/β，IKKα/β)、核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)、低氧诱导因子-1α(hypoxia induced factor 1α, HIF-1α)等信号通路并与其相互作用，取代CSL的转录活化，参与调控肿瘤的发生和免疫系统的激活[11]。有研究发现，颅神经嵴细胞中Notch配体Jag1的缺失与小鼠上颌发育不全或上颌骨缺陷相关；采用Jag1处理颅神经嵴细胞能够诱导成骨细胞的分化，增加酪氨酸激酶2(Janus kinase 2，JAK2)的磷酸化，上调Notch1靶基因Hes1、Hey1的表达，诱导Runx2和骨钙素(osteocalcin，Ocn)的表达，采用Notch抑制剂N-[N-(3, 5-二氟苯乙酰基)-L-丙氨酰]-S-苯基甘氨酸叔丁酯(N-[N-(3, 5-difluorophenacetyl)-L-alanyl]-S-phenylglycine t-butyl ester，DAPT)进行干预，Hes1、Hey1的表达降低，但Runx2和Ocn的表达无明显改变；JAK2抑制剂能够明显降低Runx2和Ocn的表达，调控成骨细胞的分化[12]。由此可知，非经典的Notch1- JAK2信号通路也参与了细胞的分化过程。
3 Notch信号通路在肺动脉高压肺血管重构中的作用在PAH发生过程中，肺动脉平滑肌细胞(pulmonaryarterial smooth muscle cells，PASMC)和肺动脉内皮细胞(pulmonary arterial endothelial cells，PAEC)的过度增殖及凋亡抑制，能够引起肺动脉血管中膜增厚、内膜损伤及肺动脉收缩性增加，最终导致肺血管重构及PAH的发生[13]。有研究发现[9]，Notch信号通路参与调控血管内皮细胞和平滑肌细胞的分化和凋亡，对维持血管稳态具有重要作用，参与肺动脉血管重构的过程。血管紧张素Ⅱ(angiotensinⅡ，Ang-Ⅱ)通过活化Notch信号通路诱导血管平滑肌细胞的增殖，肺动脉血管内膜增厚，导致肺血管重构的发生；采用Notch信号通路抑制剂DAPT干预，能够抑制Notch信号通路的激活，但Notch1和Notch4受体的表达无改变，Notch信号通路下游的同型半胱氨酸反应性内质网驻留泛素样结构域1蛋白(homocysteine-responsive endoplasmic reticulum-resident ubiquitin-like domain member 1 protein，HERP1)和HERP2表达降低，抑制中膜的增厚，抑制Ang-Ⅱ诱导的肺血管重构[14]。在低氧诱导的PAH小鼠模型中，小鼠右心室收缩压升高、右心肥厚，伴随着Notch3通路被激活，发生肺血管重构；给予小鼠腹腔注射Notch信号抑制剂DAPT，能够抑制PASMC的过度增殖，降低肺动脉压力及减轻肺血管重构[15]。另外，在野百合碱(monocrotaline，MCT)诱导的PAH大鼠模型中，Notch3和NICD3表达水平升高，肺血管细胞异常增殖、凋亡减少，导致肺动脉血管重构；Notch信号抑制剂DAPT能够抑制肺血管细胞的增殖，促进其凋亡，改善肺血管重构[16]。因此，探讨Notch信号通路在肺血管重构发生中的作用具有重要的意义。
3.1 Notch信号通路在血管内皮细胞凋亡过程中的作用研究发现[17]，Notch信号对调控PAEC的增殖、凋亡和迁移能力具有重要的作用。在特发性PAH患者肺动脉组织中，Notch-1的表达上调，Notch-1通过下调p21、Bcl-2和生存素的表达，促进人PAEC的增殖，抑制其凋亡；采用γ-分泌酶抑制剂AMG2008827或Notch-1 siRNA处理PAEC，PAEC的增殖和迁移能力降低；AMG2008827处理低氧诱导PAH大鼠，能够明显降低大鼠右心收缩压，改善右心肥厚[18]。另有研究发现[19]，转化生长因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)、Wnt、Notch信号诱导的内皮细胞-间充质细胞转化(endothelial-mesenchymal transition，EndMT)参与了PAH肺血管重构的过程。在肺微血管内皮细胞中，MCT通过激活NF-κB-骨形成蛋白受体(bone morphogenetic protein receptor，BMPR)-Smad-分化抑制因子(inhibitor of differentiation，Id)-Notch3(NF-κB- BMPR-Smad-Id-Notch3)信号通路促进内皮细胞的凋亡，并发生EndMT，导致肺血管重构的发生；抑制NF-κB的活化能够抑制下游BMPR2-Smad-Id-Notch3信号通路基因的表达，抑制MCT诱导的内皮细胞凋亡及右心肥厚，减轻肺动脉高压[20]。另外，在MCT诱导的PAH小鼠模型中，NF-κB通路被激活，调控下游的BMPR2-Notch3信号通路，介导肺血管内皮细胞的凋亡及EndMT，导致右心室肥厚及肺血管重构的发生[20]。
进一步的研究发现，TGF-β1和MCT能够明显上调人微血管内皮细胞中Notch3和细胞间黏附分子1(intercellular cell adhesion molecule，ICAM1)的表达，下调Id的表达，诱导肺血管重构的发生；采用胸腺素β4处理内皮细胞，Notch3和ICAM1的mRNA表达显著减少，减轻右心室肥厚，发挥血管保护作用[21]。内皮细胞特异性脯氨酰基羟化酶2(prolyl hydroxylase 2，PHD2)在调控肺血管重构过程中具有重要作用，敲除PHD2的小鼠肺动脉压力和右心室体积逐渐升高，且Notch3和TGF-β的表达显著增加，肺动脉血管纤维化，诱导PAH肺血管重构的发生[22]。由此表明，Notch信号通路参与了血管内皮细胞凋亡的调控，但其在肺动脉血管内皮细胞凋亡诱导的肺血管重构发生中的研究较少，还有待进一步研究其可能的作用机制。
3.2 Notch信号通路对血管平滑肌细胞表型转换的调控作用正常情况下，肺动脉血管内的PASMC处于高分化的收缩型，维持血管的弹性和收缩血管。在多种刺激因素如低氧刺激下，PASMC由收缩表型向合成表型转化，异常增殖、迁移进入血管内膜，引起肺动脉血管内膜和中膜增生、肥大，发生肺血管重构，肺动脉压力持续升高，引起肺动脉高压。研究发现，在低氧和MCT诱导PAH动物模型中，Notch1、Notch3、Jag-1和HERP2蛋白在肺动脉组织中高度表达，转染可溶性Jag-1腺病毒至PASMC，Jag-1能够抑制PASMC的增殖并促进其凋亡，抑制Notch-HERP2信号通路的活化，使PASMC由分化表型向去分化表型转换[23]。Notch3信号通路在调控肺血管平滑肌细胞增殖诱导的肺血管重构中具有重要的作用；在PAH患者和大鼠肺组织中，Notch3 mRNA和NICD蛋白表达上调，γ分泌酶抑制剂DAPT能够抑制PASMC中Notch3-Hes5信号通路的活化，促进PASMC由增殖表型向去分化表型转化，改善肺血管重构。另外，活化Notch3信号能够诱导下游Hes1蛋白表达上调，下调p27Kip1蛋白的表达，促进PASMC的增殖，导致肺血管重构；DAPT能够抑制Notch3-Skp2-Hes1信号的传递，上调p27Kip1蛋白的表达，抑制肺血管细胞的增殖并促进其凋亡，减轻肺血管重构[16, 24]。
在PASMC中，Notch-Ca2+信号通路也参与了调控细胞的增殖、分化及凋亡的过程；在先天性PAH-PASMC中，钙敏受体(Ca2+ sensing receptor，CaSR)表达上调，细胞外Ca2+进入细胞内，促进细胞的增殖；采用Jag-1蛋白处理PASMC15~60min，能够活化Notch信号通路，增加储存的钙释放(store-operated Ca2+ entry, SOCE)，细胞内Ca2+浓度增加，促进PASMC的增殖[25]。后来的研究显示，在PASMC中，低氧和Jag-1诱导Notch3信号通路的活化，上调CaSR，增加细胞内Ca2+浓度，促进PASMC的增殖；采用DAPT处理PASMC和低氧诱导的大鼠，大鼠右心室收缩压、右心肥厚指数、右心室心肌纤维化的程度均降低，PASMC的增殖率也明显降低，减轻PAH肺血管重构[26]。另外，低氧能够诱导PASMC中Notch3信号的活化，上调经典的瞬时受体电位6(canonical transient receptor potential 6，TRPC6)通道，增加SOCE并调控细胞内Ca2+浓度，促进PASMC的增殖，诱导血管重构；采用DAPT干预能够逆转此过程，降低肺动脉压力，缓解低氧诱导PAH[27]。由此揭示，CaSR和TRPC通过Notch信号通路共同调控PASMC的增殖，介导PAH肺血管重构。
另有研究发现[29]，Notch2在血管平滑肌细胞中广泛表达，参与调控平滑肌细胞的增殖、迁移过程；沉默Notch2会导致肺动脉组织中平滑肌细胞增殖减少，肺动脉异常狭窄。肿瘤坏死因子-α (tumor necrosis factor α，TNF-α)在PAH患者肺动脉组织中高度表达，小鼠转染过表达的TNF-α能够引起自发性的PAH；进一步研究显示，TNF-α能够下调PASMC中BMP6的表达，TNF-α和BMP6通过调控酪氨酸激酶c-SRC活化Notch2- Hey1/2信号通路，抑制Notch3-Hes1信号通路，促进PASMC的增殖，诱导肺血管重构的发生；采用抗TNF-α免疫药物依那西普能够逆转PAH肺血管重构的进程，修复异常的BMP-Notch信号通路[30]。
4 小结与展望综上所述，Notch信号通路参与调控肺动脉内皮细胞的凋亡及肺动脉血管平滑肌细胞表型转换的过程，导致PAH肺血管重构的发生。对于肺血管重构的发生机制，目前的研究主要集中在经典的Notch信号通路上，使用γ分泌酶抑制剂DAPT阻断Notch信号的传递，能够逆转肺血管重构的发生，减轻PAH。另外，Notch信号能够与Wnt/β-catenin、BMP、NF-κB及钙离子等信号通路相互联系，共同调控肺血管的重构，但目前揭示复杂信号通路参与调控肺血管重构的研究成果较少，其调控机制仍不清楚。因此，未来的研究应深入探索Notch信号通路参与调控肺血管重构发生的作用机制，以及其与其他信号通路的关系，筛选出调控肺动脉内皮细胞的凋亡及肺动脉血管平滑肌细胞表型转换的靶基因，以期为Notch信号通路抑制剂及PAH治疗药物的开发提供理论依据。
| [1] |
李明星, 王勇, 蒋德旗, 等. 参与肺动脉平滑肌细胞增殖信号转导机制及信号转导抑制剂的研究进展[J]. 中国药理学通报, 2015, 31(5): 605-10. Li M X, Wang Y, Jiang D Q, et al. Advances in research on signal transduction mechanisms and their inhibitors for the proliferation of pulmonary arterial smooth muscle cells[J]. Chin Pharmacol Bull, 2015, 31(5): 605-10. doi:10.3969/j.issn.1001-1978.2015.05.004 |
| [2] |
Jiao Y, Wang W, Lei P, et al. 5-HTT, BMPR2, EDN1, ENG, KCNA5 gene polymorphisms and susceptibility to pulmonary arterial hypertension: A meta-analysis[J]. Gene, 2019, 680: 34-42. doi:10.1016/j.gene.2018.09.020 |
| [3] |
Baeten J T, Lilly B. Notch signaling in vascular smooth muscle cells[J]. Adv Pharmacol, 2017, 78: 351-82. doi:10.1016/bs.apha.2016.07.002 |
| [4] |
Galie N, Humbert M, Vachiery J L, et al. 2015 ESC/ERS guidelines for the diagnosis and treatment of pulmonary hypertension[J]. Rev Esp Cardiol (Engl Ed), 2016, 69(2): 177. |
| [5] |
梁宇, 杜冠华. 抗肺动脉高压药物研究进展[J]. 中国药理学通报, 2019, 35(7): 902-6. Liang Y, Du G H. Progress in research of drugs for the treatment of pulmonary hypertension[J]. Chin Pharmacol Bull, 2019, 35(7): 902-6. doi:10.3969/j.issn.1001-1978.2019.07.004 |
| [6] |
Hoeper M M, Humbert M, Souza R, et al. A global view of pulmonary hypertension[J]. Lancet Respir Med, 2016, 4(4): 306-22. doi:10.1016/S2213-2600(15)00543-3 |
| [7] |
Li M X, Jiang D Q, Wang Y, et al. Signal mechanisms of vascular remodeling in the development of pulmonary arterial hypertension[J]. J Cardiovasc Pharm, 2016, 67(2): 182-90. doi:10.1097/FJC.0000000000000328 |
| [8] |
Li L, Tang P, Li S, et al. Notch signaling pathway networks in cancer metastasis: a new target for cancer therapy[J]. Med Oncol, 2017, 34(10): 180. doi:10.1007/s12032-017-1039-6 |
| [9] |
Jiang J, Xiao K, Chen P. NOTCH signaling in lung diseases[J]. Exp Lung Res, 2017, 43(4-5): 217-28. doi:10.1080/01902148.2017.1306599 |
| [10] |
Mašek J, Andersson E R. The developmental biology of genetic Notch disorders[J]. Development, 2017, 144(10): 1743-63. doi:10.1242/dev.148007 |
| [11] |
Hussain M, Xu C, Ahmad M, et al. Notch signaling: Linking embryonic lung development and asthmatic airway remodeling[J]. Mol Pharmacol, 2017, 92(6): 676-93. doi:10.1124/mol.117.110254 |
| [12] |
Kamalakar A, Oh M S, Stephenson Y C, et al. A non-canonical JAGGED1 signal to JAK2 mediates osteoblast commitment in cranial neural crest cells[J]. Cell Signal, 2019, 54: 130-8. doi:10.1016/j.cellsig.2018.12.002 |
| [13] |
Maarman G J. Pulmonary arterial hypertension and the potential roles of metallothioneins: A focused review[J]. Life Sci, 2018, 4: 77-83. |
| [14] |
Qiao L, Xu H, Shi K, et al. Role of notch signal in angiotensin Ⅱ induced pulmonary vascular remodeling[J]. Translat Pediatr, 2013, 2(1): 5-13. |
| [15] |
Wang W, Liu J, Ma A, et al. mTORC1 is involved in hypoxia-induced pulmonary hypertension through the activation of Notch3[J]. J Cell Physiol, 2014, 229(12): 2117-25. doi:10.1002/jcp.24670 |
| [16] |
Zhang Y, Xie X, Zhu Y, et al. Inhibition of Notch3 prevents monocrotaline-induced pulmonary arterial hypertension[J]. Exp Lung Res, 2015, 41(8): 435-43. doi:10.3109/01902148.2015.1060545 |
| [17] |
Hirashima M. Regulation of endothelial cell differentiation and arterial specification by VEGF and Notch signaling[J]. Anat Sci Int, 2009, 84(3): 95-101. doi:10.1007/s12565-009-0026-1 |
| [18] |
Dabral S, Tian X, Kojonazarov B, et al. Notch1 signalling regulates endothelial proliferation and apoptosis in pulmonary arterial hypertension[J]. Eur Respir J, 2016, 48(4): 1137-49. doi:10.1183/13993003.00773-2015 |
| [19] |
Arciniegas E, Frid M G, Douglas I S, et al. Perspectives on endothelial-to-mesenchymal transition: potential contribution to vascular remodeling in chronic pulmonary hypertension[J]. Am J Physiol-Lung C, 2007, 293(1): L1-08. doi:10.1152/ajplung.00378.2006 |
| [20] |
Li L, Wei C, Kim I, et al. Inhibition of nuclear factor-κB in the lungs prevents monocrotaline-induced pulmonary hypertension in mice[J]. Hypertension, 2014, 63(6): 1260-9. doi:10.1161/HYPERTENSIONAHA.114.03220 |
| [21] |
Qiao L, Xie L, Shi K, et al. Notch signaling change in pulmonary vascular remodeling in rats with pulmonary hypertension and its implication for therapeutic intervention[J]. PLoS One, 2012, 7(12): e51514. doi:10.1371/journal.pone.0051514 |
| [22] |
Wei C, Kim I, Li L, et al. Thymosin beta 4 Protects mice from monocrotaline-induced pulmonary hypertension and right ventricular hypertrophy[J]. Plos One, 2014, 9(11): e110598. doi:10.1371/journal.pone.0110598 |
| [23] |
Wang S, Zeng H, Xie X J, et al. Loss of prolyl hydroxylase domain protein 2 in vascular endothelium increases pericyte coverage and promotes pulmonary arterial remodeling[J]. Oncotarget, 2016, 7(37): 58848-61. |
| [24] |
Xiao Y, Gong D, Wang W. Soluble Jagged1 inhibits pulmonary hypertension by attenuating Notch signaling[J]. Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2013, 33(12): 2733-9. doi:10.1161/ATVBAHA.113.302062 |
| [25] |
Song Y, Zhang Y, Jiang H, et al. Activation of Notch3 promotes pulmonary arterial smooth muscle cells proliferation via Hes1/p27Kip1 signaling pathway[J]. Febs Open Bio, 2015, 5(1): 656-60. doi:10.1016/j.fob.2015.08.007 |
| [26] |
Smith K A, Ayon R J, Tang H, et al. Calcium-sensing receptor regulates cytosolic Ca2+ and plays a major role in the development of pulmonary hypertension[J]. Front Physiol, 2016, 7: 517. |
| [27] |
Guo Q, Xu H, Yang X, et al. Notch activation of Ca2+-sensing receptor mediates hypoxia-induced pulmonary hypertension[J]. Hypertens Res, 2017, 40(2): 117-29. doi:10.1038/hr.2016.118 |
| [28] |
Smith KA, Voiriot G, Tang H, et al. Notch activation of Ca2+ signaling in the development of hypoxic pulmonary vasoconstriction and pulmonary hypertension[J]. Am J Resp Cell Mol, 2015, 53(3): 355-67. doi:10.1165/rcmb.2014-0235OC |
| [29] |
Varadkar P, Kraman M, Despres D, et al. Notch2 is required for the proliferation of cardiac neural crest-derived smooth muscle cells[J]. Dev Dynam, 2008, 237(4): 1144-52. doi:10.1002/dvdy.21502 |
| [30] |
Hurst L A, Dunmore B J, Long L, et al. TNF-α drives pulmonary arterial hypertension by suppressing the BMP type-Ⅱ receptor and altering NOTCH signalling[J]. Nat Commun, 2017, 8: 14079. doi:10.1038/ncomms14079 |