TGF-β1/Smads信号转导通路在多种疾病中的作用机制

人类转化生长因子β(TGF-β)家族包括33个成员，均为二聚体的分泌型多肽，其中包括TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3、activin、nodal和骨形态蛋白(BMP)。该家族成员参与调控细胞分化、细胞衰老、细胞凋亡、细胞粘连与迁移、胞外基质合成与重塑、表皮细胞-间充质细胞转变(epithelial-mesenchymal transition，EMT)、免疫抑制剂和血管形成等病理生理过程，在早期胚胎发育、组织器官形成和成体稳态平衡中发挥着至关重要的作用。因此，TGF-β家族细胞因子信号转导通路受到严格的时空特异性调控，而信号转导失调不仅可能导致胚胎发育异常，还与多种人类疾病相联系，包括肿瘤、组织纤维化、心血管疾病和自体免疫疾病等。

一、TGF-β及其受体的分类、结构

1．TGF-β：TGF-β广泛存在于动物正常组织细胞及转化细胞中，其中在骨组织和血小板中TGF-β含量最丰富。TGF-β共有5种异构体，即TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3、TGF-β4、TGF-β5。但是在哺乳动物中只以TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3三种形式存在，它们分别定位于染色体19q13、1q41和14q24。

2．TGF-β受体：很多细胞表面都存在有TGF-β受体(TβR)。TβR有很多种，按膜相关蛋白受体的结构和功能特性分类，可分为Ⅰ型受体(TβRⅠ)、Ⅱ型受体(TβRⅡ)和Ⅲ型受体(TβRⅢ)。

Ⅰ型受体和Ⅱ型受体均为糖蛋白。TβRⅠ的分子量为53 KD，属于丝氨酸/苏氨酸激酶受体家族。TβRⅡ的分子量为70～85 KD，其胞浆区羧基端为富含丝氨酸和苏氨酸的残基，可发生自身磷酸化，直接与TGF-β结合。在脊椎动物中，已发现5种Ⅱ型受体和7种Ⅰ型受体，也被称为激活素受体样激酶(ALKs)。TGF-β超家族每个成员均能结合到特定类型的TβRⅠ和TβRⅡ合物从而发挥作用-。目前确定的TGF-β受体复合物的组成尚不清楚，但很可能是(至少)包括2个TβRⅠ(TβRⅠ、ALK5)和2个TβRⅡ。在关于TβRⅠ和TβRⅡ受体突变或嵌合体的研究中表明，信号传递中构成复合物需要至少2个TβRⅠ受体，通过同寡聚调节TβRⅡ的激酶活性。即TGF-β与TβRⅡ结合形成二聚体复合物，TβRⅡ胞浆区羧基端发生自磷酸化后，在胞内近膜区域磷酸化TβRⅠ的GS结构域，使其构象发生改变而具有激酶活性，活化的TβRⅠ与TGF-β及TβⅡ复合物共同形成异四聚体从而激发细胞反应。

TβRⅢ的分子量为280～330 KD，又称附属受体，为蛋白聚糖(proteoglycan)。虽然其本身缺乏蛋白激酶活性，不直接参与TGF-β信号通路转导，但能通过促进TGF-β与TβRⅠ、TβRⅡ复合物的结合，从而调节TGF-β信号传递和效应发生。

二、Smads

Smads可分为3类：第一类为受体调节性Smads(R-Smads)，是TβR复合物的下游信号分子，主要有Smad1、Smad2、Smad3、Smad5、Smad8、Smad9；第二类为共介导Smads，目前在哺乳动物发现的是Smad4；第三类为抑制Smads(I-Smads)，主要有Smad6、Smad7。

受体型R-Smads通过SARA的介导与I型受体结合，其C端SXS基序(X指代M或V)中的丝氨酸(S)能直接被I型受体磷酸化而活化，其中Smad2、3被TGF-β/activin/nodal亚家族的Ⅰ型受体ALK4、5、7磷酸化，而Smad1、5、8则主要被BMP、GDF、AMH亚家族的I型受体ALK2、3、6和ALK1磷酸化。R-Smads活化后与Smad4形成复合物并转移至细胞核内，从而调控基因的表达。

抑制型Smads(Ⅰ-Smads:Smad6、Smad7)，这种独特的亚型起到与R-Smads相反的作用。能与R-Smads竞争结合到激活类型的受体，从而抑制R-Smads磷酸化[1]。此外，I-Smads还可以募集E3泛素连接酶，此物质被认为是Smads泛素化调节因子(Smurf)1和泛素化调节因子(Smurf)2，作用于活化的Ⅰ型受体，造成受体泛素化和降解，并终止信号的转导。最近，Smad7 已被证明，通过募集由GADD34和蛋白磷酸酶1的催化亚单位所形成的复合物，将其结合到活化的TβRⅠ型受体上，使其去磷酸化而失活[2]。同时，Smad7的水平还受E3泛素连接酶Arkadia的调节，由于Smad7参与TGF-β信号转导通路的终止，所以Arkadia可能是重要的转化生长因子-β信号放大器。此外，Ⅰ-Smads可能也在细胞核中起作用，因为Smad6已被证明能募集辅抑制因子CtBP抑制骨形态蛋白诱导的转录[3]。

三、TGF-β/Smads信号转导通路

TGF-β家族细胞因子诱导细胞膜上的丝氨酸/苏氨酸激酶型受体形成功能性复合物，包括两个TβRⅡ和两个TβRⅠ，其中TβRⅡ磷酸化TβRⅠ胞内结构域中的GS结构域，从而激活TβRⅠ的激酶活性；TβRⅠ继续磷酸化下游R-Smad蛋白(C端SXS序列)，其在磷酸化前以及磷酸化时，与TβRⅠ、SARA交互作用，磷酸化与Smad4形成复合物之后，Smad复合物则从TβRⅠ和SARA上释放，并在细胞核内积累[4]。细胞核内，Smad复合物与通用转录因子(general transcriptional factor,GTF)、其他转录因子或者辅助蛋白一起调控靶基因转录，从而调控多样的细胞反应。

四、TGF-β1/Smads信号通路在多种疾病的表达及作用

1．TGF-β1/Smads信号通路与创伤愈合：伤口愈合分为3个过程，包括(1)生理的炎症过程；(2)肉芽组织增生和胶原合成；(3)组织重塑和瘢痕形成[5-6]。

TGF-β是一类多功能的细胞因子，激活的血小板、巨噬细胞和淋巴细胞均可产生TGF-β，TGF-β能募集中性粒细胞和巨噬细胞，促进成纤维细胞增殖，促进细胞外基质的合成以及促进表皮细胞的增殖，其与创伤愈合密切相关，几乎影响到创伤愈合的各个时期[7]。

研究发现TGF-βl能影响瘢痕疙瘩成纤维细胞分泌相关的基质金属蛋白酶。TGF-β1不仅通过促进成纤维细胞的趋化，产生胶原纤维和细胞外基质，还可减少胶原酶的合成，增加金属蛋白酶抑制物TIMPs的产生，从而减少伤口中的酶解作用，促进细胞的增殖、迁移、分化，加速肉芽组织的形成，促进伤口愈合。实验证明，在动物伤口模型中注入外源性TGF-β1，可激活成纤维细胞，刺激多种基质蛋白和胶原基因的转录，促迸伤口愈合；持续给予TGFβ1，可诱发组织纤维化，从而促进创口收缩[8]。马宁等[9]利用短发夹RNA来降低TGF-β1因子的表达的研究中发现，降低TGF-β1的表达可抑制病理性瘢痕的增殖。

2.TGF-β1/Smads信号通路与腹膜纤维化：腹膜纤维化是长期腹膜透析患者的主要并发症，也是引起腹膜透析患者超滤衰竭的主要病因。由于在腹膜透析过程中腹膜间皮细胞完全暴露于含高塘、低pH值等含多种生物不相容因素的透析液环境下，腹膜防御和代谢功能减弱，细胞外基质(ECM)积聚，同时腹膜间皮细胞的形态发生改变[10-11]。

有学者对非卧床持续性腹膜透析患者腹膜活检组织中TGF-β1/Smad信号转导通路进行了研究，结果表明在增厚且有大量胶原沉积的腹膜组织中TGF-β1/Smad3信号通路被高度激活[12]。此外，在动物实验研究中发现，长期暴露在腹膜透析液的野生型鼠能诱发明显的腹膜纤维化，而在Smad3敲除鼠中腹膜纤维化现象则可被阻止。相反，条件删除腹膜Smad2基因会加剧腹膜纤维化及腹膜功能障碍[13]。这些结果表明，在非卧床持续性腹膜透析患者腹膜纤维化中，TGF-β1/Smads信号转导通路被激活并且Smad2、Smad3在腹膜透析相关的腹膜纤维化中起到完全相反的作用。也有研究表明，在高糖等刺激下，腹膜间皮细胞(PMCs)能显著表达肾素血管紧张素系统的各个成分，其中包括AngⅡ。而AngⅡ可以通过TGF-β/Smads信号通路影响细胞外基质ECM的合成[14]。

另外，有研究认为上皮细胞向肌成纤维细胞转分化(EMT)是参与腹膜纤维化的重要机制[15]。α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)作为一种细胞转分化为肌成纤维细胞的标志蛋白，既往研究已经证实[16]，TGF-β1可致E-钙黏蛋白的基因和蛋白表达均下降，同时无论从基因水平还是蛋白水平上TGF-β1均能上调α-SMA和CollagenI的表达，这意味着细胞间的黏附减弱，细胞运动迁移能力提高，并且向肌成纤维细胞转分化，由此可使细胞外基质过表达。

Miao等[17]通过共同培养人腹膜间皮细胞与TGF- ß1高表达的胃癌细胞系SGC-7901、TGF-ß1特异性siRNA转染的SGC-7901或者多种TGF-β1信号通路抑制物以及建立裸鼠瘤模型检测腹膜纤维化的阶段，证实了胃癌细胞高表达TGF-β1诱导人腹膜间皮细胞纤维化，并以E-钙黏蛋白的上调和α-SMA的下调为特征，研究也证明了人腹膜间皮细胞单层纤维化可因TGF-β1信号通路阻滞而逆转。

Ueno等[18]利用Transwell小室系统共同培养间充质干细胞和腹膜间皮细胞结果表明，间充质干细胞通过抑制炎症及TGF-β1改善实验性腹膜纤维化。

3．TGF-β1/Smads信号通路与心室重构：心室重构是多种心脏疾病的重要病理生理的改变，可引起心力衰竭、心律失常、心源性猝死等严重并发症。从细胞水平上心室重构包括胞外的信号刺激、胞内信号转导及核内基因转录的活化这3个主要环节。

Jang等[19]利用高血压大鼠(SHR)模型来检测甲磺酸伊马替尼否是能通过抑制生长转化因子通路来阻止心脏舒张期功能障碍及减弱心室重构。组织病理学、免疫印迹和定量逆转录聚合酶链反应等结果分析显示，甲磺酸伊马替尼通过抑制成纤维细胞中c-abl、血小板衍生生长因子受体-β及转化生长因子-β1途径的磷酸化，而显著减少了SHR心脏中I型和III型胶原mRNA的表达，减轻心室重构并改善SHR模型左室舒张功能障碍，同时不产生降血压效果。Dobaczewski等[20]研究发现，在心肌梗死及心肌肥厚动物实验模型和心肌扩张及肥厚性心肌病患者的心肌中TGF-β表达均上调。内源性TGF-β还可调节压力超负荷心脏的基质代谢。因此，TGF-β在心肌纤维化和心肌肥大重塑的发病机理中起重要作用。此外，在梗死的心脏中，TGF-β使炎性巨噬细胞失效，同时通过Smad3蛋白依赖的途径促进肌成纤维细胞转分化和基质合成。

研究发现[21]，在血管紧张素Ⅱ刺激后，p38 MAPK激活转录因子AP-1和GATA，而AP-1和GATA通过加强TGF-β1的表达，加重心室重构。TGF-β1和AngⅡ在导致心肌纤维化病程中有重要作用。在TGF-β1基因缺陷的小鼠中，因缺乏TGF-β1信号传导的作用，AngⅡ不能引起心肌细胞肥大，但AngⅡ能增加TGF-β1基因的表达，TGF-β1则可以通过相关的信号传导使得细胞外基质mRNA表达增加，也可导致细胞外基质蛋白质合成增加，同时抑制其降解。

Xiao等[22]研究证实，心肌肥厚时Smad7的基因表达受到抑制的同时TGF-β1、Smad3的基因表达可出现增强。高连如等[23]研究发现，心肌梗死后心力衰竭大鼠心肌细胞TGF-β3明显减少，TGF-β1明显增高，Smad2/3明显下调，Smad6明显上调；非心肌细胞TGF-β1明显增高，TGF-β3明显减少，Smad6明显下调，Smad3明显上调。

4.TGF-β1/Smads信号通路与子痫前期：子痫前期是一种以高血压、蛋白尿和终末器官的损害为特征的妊娠期疾病，被认为是导致早期胎盘较正常胎盘浅着床的重要相关因素，也是导致孕、产妇及围生儿死亡的主要原因之一，病因至今不明。滋养细胞浅着床、胎盘血管重铸障碍致胎盘灌注不足是妊娠期高血压疾病发病的关键环节。

TGF-β1是一种参与免疫调节的多功能纤维化生长因子，在高血压高危人群靶器官中表达升高，并且与增加内皮素释放有关。TGF-β1也是胎盘植入的一个重要影响因素，其变化可能与怀孕初期异常的胎盘发育相关，因此，是子痫前期发展的一个重要影响因素[24]。

研究证明[25],TGF-β1能抑制滋养细胞浸润，在避免滋养细胞过度浸润中起到重要作用。Peraçoli等[26]对33名子痫前期患者与36名无妊娠并发症的健康孕妇进行对比研究TGF-β1与血小板在子痫前期中的相互性，分别通过酶联免疫吸附法及集合度测定检测其血浆中TGF-β1以及血浆血小板富集度，结果显示子痫前期患者TGF-β1的血浆浓度明显高于血压正常孕妇而血小板计数及血小板激动剂诱导的聚集百分比明显低于血压正常孕妇，意味着更高血浆浓度的TGF-β1和血小板反应性损害在子痫前期形成的病理过程中有重要作用。

迄今为止，尽管人们对TGF-β/Smad信号通路的研究已有显著进展，但许多重要的问题仍未解决。例如，TGF-β1被公认为是致纤维化的最强因子，但是TGF-β1到底是如何诱导细胞外基质合成增加，I型受体信号通路是否独立于II型受体，以及除了已被报道证实有酶活性及发挥募集作用等功能之外，Smads还参与了其他什么独立于DNA的功能，在多种人类疾病中，如何靶向调控和干预TGF-β/Smads信号通路中的各种成分及关键环节以达到临床靶向治疗目的，以上这些问题都是未来研究TGF-β/Smads通路在人类疾病中的作用机制并实现临床靶向治疗策略所要解决的问题。

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