肝纖維化過程中基因表達變化的研究進展

1、肝纖維化過程中基因表達變化的研究進展         11-03-23 16:16:00     作者：朱述鈞 孫文 薛文達    編輯：studa20【關鍵詞】  肝纖維化;基因表達; 變化肝臟是腹腔內最大的實質性器官，具有多種代謝、解毒和免疫等重要的生理功能。多種物理因素、化學因素、生物因素等均可引發(fā)肝損傷。損傷的結果往往會導致肝壞死、脂肪肝、膽汁淤積、肝纖維化、肝硬化及肝癌等，其中的纖維化，即肝臟細胞外基質(extrac

2、ellular matrix, ECM)各成分的過度沉積及分布異常，則是肝臟對各種慢性損傷所產生的共有應答反應。在肝纖維化的過程中，肝臟內細胞與細胞、細胞與基質、基質與介質間發(fā)生十分復雜的相互作用，細胞內許多基因的表達模式發(fā)生異常改變，出現(xiàn)肝細胞的變性、壞死，炎癥細胞浸潤，細胞因子作用紊亂以及肝組織中細胞外基質的過度產生和沉積等復雜病理變化1。肝纖維化的進一步發(fā)展，則引起肝小葉改變，假小葉和結節(jié)形成，進入肝硬化階段。近年來，國內外圍繞肝纖維化與相關基因表達的關系開展了大量的研究工作，發(fā)現(xiàn)有許多基因，如細胞外基質及其相關蛋白、細胞黏附因子、細胞骨架、細胞因子及其受體、代謝酶、轉運蛋白、細胞增殖與

3、凋亡相關因子、轉錄因子、信號通路蛋白等在纖維化進程中的表達發(fā)生了顯著變化，這些研究成果不僅加深了人們對肝纖維化發(fā)生機制的認識，而且還從根本上改變了傳統(tǒng)肝纖維化不可逆轉的觀點2。本文對該領域的主要研究進展進行了小結和綜述。1 肝纖維化進程中表達水平發(fā)生變化的基因類別在肝纖維化的進程中，肝細胞內表達水平發(fā)生變化的基因數(shù)量龐大、種類多樣，綜合國內外的文獻，發(fā)現(xiàn)表達發(fā)生變化的基因主要涉及下列7大類別。1.1 細胞外基質及其相關基因如膠原蛋白(collagen)基因3,4、纖連蛋白(fibronectin)基因、整合素(integrin)基因5、整合素鏈接激酶(integrinlinked kinase

4、, ILK)基因6、層黏蛋白(laminin)基因7、腱生蛋白(tenascin)基因8、 玻連蛋白(vitronectin)基因9、 核心蛋白聚糖(decorin)基因10、基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMP)基因11,12、 基質金屬蛋白酶抑制因子(tissue inhibitor of metalloproteinase, TIMP)基因13、纖溶酶原激活劑/纖溶酶系統(tǒng)基因12等。1.2 細胞因子(cytokins)基因如轉化生長因子(transforming growth factor beta, TGF)基因14-17、激活素(activin,

5、 ACT)基因18、骨成形蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)基因19、血小板衍生生長因子(plateletderived growth factor, PDGF)基因20、結締組織生長因子(connective tissue growth factor，CTGF)基因、胰島素樣生長因子(insulinlike growth factor, IGF)基因、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor , TNF) 基因21,22、成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor, FGF)基因、白介素1(interleukin 1

6、, IL1)基因21、白介素6(interleukin 6, IL6)基因23、趨化因子(chemokines)基因17、 白介素10(interleukin, IL10)基因24、干擾素(interferon )基因24等。1.3 氧化應激(oxidative stress)相關基因如細胞色素P450酶系(cytochrome P450 enzymes, CYP)基因9,22,24、一氧化氮合酶(nitrioxide synthase,NOS)基因17、谷胱甘肽轉移酶系(glutathionestransferases, GSTs)基因10等。1.4 細胞增殖與凋亡(proliferatio

7、n and apoptosis)相關因子基因參與細胞周期調控的因子主要有細胞周期蛋白(cyclin)、細胞周期蛋白依賴性激酶(CDK) 和 CDK抑制因子(CKI)。細胞周期蛋白D1是參與細胞周期調控的周期蛋白家族成員，它在G/S期轉換中發(fā)揮重要作用，cyclin D1蛋白過表達可使細胞較易跨越限制細胞生長的G/S檢控點，促進細胞增殖和腫瘤發(fā)生?；罨腍SC有細胞周期蛋白D1的高表達10,24，說明cyclin D1在調控HSC的激活和增殖中發(fā)揮了重要的作用。在慢性肝損傷或肝纖維化進展期，肝細胞通過Fas系統(tǒng)介導的凋亡作用引起肝細胞持續(xù)損傷，進而作為肝纖維化的始動因子，促進肝纖維化的進一步發(fā)展

8、。肝細胞凋亡主要是經Fas/FasL通路啟動，在激活后Fas/FasL的表達增加，Bcl2和Bclxl的表達下降及p53基因上調9。1.5 轉錄因子(transcriptional factors)在長期受損的肝臟，多種轉錄因子的表達發(fā)生改變10,23-25。1.6 信號轉導(signal transduction)眾多細胞因子分別經TGF/Smad通路、MAPK通路、PI3K通路、JAK/STAT信號通路、Wnt信號通路、NFB信號通路、RhoROCK信號通路、Vitmin A類信號通路等9,10,16,26將刺激信號傳遞至效應細胞，使基因表達改變。不同因素造成的肝損傷模型及肝損傷的不同階段

9、，信號通路的作用可能不同，其機制有待于進一步明確。1.7 代謝酶類和轉運蛋白代謝酶類和轉運蛋白(metabolic enzymes and transporters)如氨基酸代謝酶類、糖代謝酶類、脂類代謝酶類和轉運蛋白的基因10在肝纖維過程中均發(fā)生了變化。2 肝纖維化進程中基因表達變化的特點2.1 不同肝損傷模型、不同損傷階段基因表達變化的模式不盡相同在肝纖維化進程中，不同肝損傷模型、不同損傷階段基因表達變化的模式不盡相同，例如CCl4誘導的小鼠肝纖維化模型，在第4周，肝臟中DNA損傷蛋白(GADD45，DDIT3，ERCC1，EGR1)基因的mRNA表達上升24，這種現(xiàn)象在其他纖維化模型尚未

10、見報道;TAA誘導的大鼠肝硬化模型，在第12周，肝臟蛋白合成基因(Rpl21，Npm1，Eif3c，Rpl13a，Rps5，Rpl3，Rps9，Snrpd1，Rps18，Rpsa)的mRNA表達上調26，這種現(xiàn)象在CCl4誘導的小鼠肝纖維化模型中則未發(fā)現(xiàn)。2.2 表達上調的基因表達上調的基因主要集中于膠原蛋白、細胞骨架、細胞黏附因子、基質金屬蛋白酶(MMP)、基質金屬蛋白酶抑制因子(TIMP)和細胞因子等類型。膠原蛋白是細胞外基質的最重要成分，肝損傷時，,型等膠原mRNA或蛋白表達明顯增加，其中,型膠原是肝纖維間隔的重要來源，這些膠原蛋白的表達增加促進了肝纖維化的形成;肝損傷時，大量細胞骨架與

11、細胞黏附因子的表達也增強，這些與細胞黏附和運動密切相關的蛋白，可能與細胞外基質協(xié)同作用，共同促進肝纖維化的發(fā)生發(fā)展。MMP的主要功能是降解細胞外基質成分，肝損傷時膠原蛋白表達增強，而多種MMPs在肝損傷時表達也上調，是對肝纖維化形成的一種拮抗機制。然而，大量動物實驗及人類肝病研究表明，TIMP1在肝損傷早期表達即開始上調，并持續(xù)至肝纖維化甚至肝硬化期，TIMP可以與MMP結合而抑制后者的活性，也可與其酶原結合，阻止其活化，從而抑制了MMP對膠原蛋白的降解。大量細胞因子如轉化生長因子(TGFB1)、血小板衍生生長因子(PDGF)、結締組織生長因子(CTGF)、腫瘤壞死因子(TNF)等在肝損傷時基

12、因表達上調。有實驗表明，TGFB1通過Tgf1/Smad信號途徑對型膠原蛋白的表達有上調作用27。肝損傷時表達上調的基因間的相互聯(lián)系如圖1所示。圖1 肝損傷時表達上調的基因間的相互聯(lián)系2.3 表達下調的基因表達下調的基因大多數(shù)屬于代謝酶類(包括氨基酸代謝酶類、糖代謝酶類、脂類代謝酶類)和轉運蛋白。這些基因的下調表達將嚴重損害肝臟的正常功能。肝臟中氨基酸代謝活躍，大部分氨基酸在肝臟進行分解代謝，同時氨的解毒過程主要也在肝臟進行，大量氨基酸代謝酶類，包括支鏈氨基酸代謝酶類(AGXT，ALDH2，PKLR，PCK1，DLD，GLS2，GLUL，F(xiàn)AH等)、芳香族氨基酸代謝酶類(KYNU，TAT，GC

13、H1，DDC，MAOB)和含硫氨基酸代謝酶類(CTH，CBS，CDO1，GCLC，BHMT，MAT1A，ANPEP，BAAT，GSS，SDS，MPST等)，在肝損傷時表達下調，必然會對氨基酸代謝產生不良影響。肝臟是葡萄糖代謝的主要器官，對維持血中葡萄糖水平、保證肝細胞內核酸和蛋白質代謝和促進肝細胞的再生及肝功能的恢復有重要作用，肝損傷時葡萄糖代謝酶類(PYGL，ALDOB，ALDOC，HK3，GYS2，GPD1，KHK，GCKR)表達下調，導致有關糖酵解的酶活性下降，肝臟對葡萄糖攝取減少，致使葡萄糖利用明顯降低。脂類的作用廣泛，包括能量儲存、信號傳遞、糖基載體等，肝臟在脂類的消化、吸收、分解、

14、合成及運輸?shù)却x過程中均起重要作用。肝損傷時，肝臟中大量脂類及藥物代謝酶類基因表達下調，其中包括細胞色素P450系統(tǒng)的基因，它們在肝臟脂類代謝與藥物轉化中居于重要地位。在肝細胞的血管側膜和膽管側膜上分別存在著很多轉運蛋白，由于轉運蛋白的吸收和外排機制，所以它能夠調節(jié)細胞的穩(wěn)態(tài)。肝損傷時，轉運蛋白的下調表達會擾亂細胞內物質代謝。肝損傷時細胞內物質代謝紊亂，表現(xiàn)為氨基酸、糖類、脂類等代謝酶類表達普遍下降，若能進一步明確這些物質代謝網絡的關系，以及物質代謝相關基因可能的共同細胞信號轉導通路(圖2)，對于進一步闡明肝纖維化發(fā)生的機制，以及為治療肝損傷提供靶點，均具有重要的理論和實踐意義。圖2 肝損傷時

15、表達下調的基因間的相互聯(lián)系2.4 部分基因的表達呈波動趨勢曼氏血吸蟲誘導的小鼠肝纖維化模型，在第9周，MMP3的 mRNA表達上升，第9周以后下降，但仍高于正常對照組，正常對照組中MMP3的 mRNA低水平表達28;CCl4誘導的大鼠肝纖維化模型，MMP3的mRNA的表達先上升后下降，但仍高于對照組29;日本血吸蟲誘導的兔肝纖維化模型，在第8周時肝纖維化形成，MMP9 mRNA的表達上升，表達量為對照組的11倍，隨后下降至正常對照水平;CCl4，DMN或乙醇誘導的大鼠肝纖維化模型，MMP13的mRNA表達先上升，后下降至正常水平30-32。細胞增殖與凋亡相關因子、轉錄因子、信號轉導蛋白等的表達

16、也呈上調或下調不定的波動表現(xiàn)。3 肝纖維化進程中膠原蛋白、MMP及TIMP表達變化的特征        鑒于膠原蛋白、MMP及TIMP的基因表達研究方面的資料最為豐富，這里特將這3類基因在肝損傷不同時期(肝損傷早期、肝纖維化期、肝硬化期)的表達變化特征做一具體分析。在肝損傷早期，3類基因均有部分基因表達上調;到肝纖維化期，3類基因中表達上調的基因種類激增;在肝硬化期，TIMP1，MMP2，型膠原等基因的表達水平仍高于對照組，并且這3個基因在肝損傷過程中上調表達的時間跨度很大。此外，這3類基因中，有些基因的表達在肝纖維化期還呈

17、波動趨勢(圖3)。3.1 膠原蛋白在肝損傷過程中，和型膠原表達增加。，型膠原在不同動物模型(和)或人類肝病中，在肝損傷早期基因即開始上調表達，和型膠原在肝纖維化期的表達上調，型膠原在肝硬化期的表達上調(如圖3)。膠原蛋白在肝損傷早期表達上調，可能對形成細胞外骨架，防止肝細胞進一步損傷具有一定的保護作用。肝纖維化是對肝損傷的一種修復機制，肝臟損害因素持續(xù)存在，肝臟中多種膠原蛋白沉積增多，表明肝纖維化進程啟動;肝纖維化進一步發(fā)展形成肝硬化，型膠原大量表達，形成粗大纖維絲，例如，在HCV肝硬化患者肝臟中型膠原蛋白mRNA表達上升12。3.2 基質金屬蛋白酶基質金屬蛋白酶的主要功能是降解包括膠原蛋白在

18、內的細胞外基質成分。在肝損傷過程中，MMP1(人類)，MMP13(鼠)，MMP2，MMP3，MMP7，MMP8，MMP9，MMP10，MMP11，MMP12，MMP14，MMP15，MMP16，MMP17和MMP26的mRNA或蛋白表達增加。MMP1，MMP13，MMP2，MMP3，MMP7，MMP8，MMP9和MMP10在不同動物模型和(或)人類肝病中，在肝損傷早期基因即開始上調表達。MMP1，MMP13，MMP2，MMP3，MMP7，MMP8，MMP9，MMP10，MMP11，MMP12，MMP14，MMP16，MMP17和MMP26在肝纖維化期的表達上調。MMP2，MMP8，MMP14和MMP15在肝硬化期的表達上調(如圖3)。MMP在肝損傷早期表達上調的作用，可能是加速降解細胞內正常存在的細胞外基質，有利于肝損傷時生成的細胞外基質成分(如膠原蛋白)的重新沉積、分布與排列。肝纖維化期大量MMP的表達上調，可能是細胞對肝纖維化的一種拮抗機制;而肝硬化時表達上調的MMP種類遠不及肝纖維化期時豐富，說明在肝損傷嚴重時，MMP的這種拮抗機制受到