心脏重构是指心脏组织结构的异常改变,是心脏在生理或病理刺激因素影响下的一种适应性过程。心脏重构包括生理性重构和病理性重构。其中病理性心脏重构的主要特征是心肌细胞代偿性肥大、心脏成纤维细胞激活和胶原沉积增加以及心肌细胞坏死和凋亡,进而引起心肌肥厚、心脏纤维化和心室扩张,导致心脏舒张和收缩功能减退,引起心力衰竭[1]。多种心血管病均会引起心脏重构病理改变,如缺血性心肌病、高血压、心肌病和心脏瓣膜病等。心脏重构与心血管病预后不良密切相关,已成为目前亟待解决的临床问题。

近年来,以乙醛脱氢酶2为代表的内源性心肌保护因子成为国内外心血管病领域的研究热点。ALDH2通过清除氧化应激过程中产生的毒性醛类物质,改善细胞线粒体功能,可抑制多种心血管病引起的心脏重构。本文分别从ALDH2与心肌细胞肥大、心脏成纤维细胞功能、心肌细胞凋亡或自噬以及心肌能量代谢障碍几方面,对ALDH2参与病理性心脏重构的作用和机制展开综述。

1、乙醛脱氢酶2概述

1.1ALDH2结构与表达分布

ALDH2属于醛脱氢酶家族的一员。ALDH是一类依赖烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的多功能蛋白,主要参与乙醇代谢[2],负责将乙醇代谢产生的乙醛氧化形成乙酸盐,进而通过三羧酸循环转化为水和二氧化碳排出体外[3]。ALDH的主要作用是消除细胞中产生的毒性醛类物质,达到解毒的目的。目前共发现19种ALDH同工酶,其中ALDH2、ALDH1B1、ALDH1L1、ALDH1L2、ALDH5A1和ALDH6A1主要定位于线粒体,其他ALDH同工酶定位于胞质、内质网或细胞核,ALDH2是家族中活性最高的同工酶。

人ALDH2编码基因位于12号染色体(12q24),共13个外显子,全长44kb。其编码的ALDH2蛋白由517个氨基酸组成,分子质量为56kDa,以同源四聚体形式存在和发挥作用;ALDH2蛋白亚基包含NADP+结合域、催化域和寡聚化结构域。ALDH2广泛分布于机体各组织和器官中,在肝脏中表达水平最高,在多种高耗能器官中呈现较高表达水平,包括心脏、大脑、肌肉等[4]。

1.2ALDH2生物学活性

ALDH2除具有脱氢酶活性外,还具有还原酶活性和酯酶活性,能够代谢短链脂肪族醛类、多环醛类和芳香醛类[4],可去除在缺血或氧化应激下脂质过氧化产生的内源性毒性醛类物质。这些内源性反应醛包括4-羟基壬烯醛(4-hydroxy-2-noneal,4-HNE)、丙二醛(malon­dialdehyde,MDA)、3,4-二羟基苯乙醛(3,4-dihy­droxyphenylacetaldehyde,DOPAL)和丙烯醛等[5]。

ALDH2基因具有单核苷酸多态性(SNP),其中研究最广泛的重要突变位点编号为rs671[6],该位点位于12号外显子,由于鸟嘌呤(G)与腺嘌呤(A)发生碱基替换,导致密码子从GAA变为AAA,进而使酶蛋白的第504个氨基酸由谷氨酸(glutamicacid,glu)变为赖氨酸(ysine,lys),导致蛋白结构改变,酶活性减弱或丧失。该位点等位基因分为野生型(ALDH2*1,*504glu)和突变型(ALDH2*2,*504lys),根据等位基因不同将ALDH2分为野生型(ALDH2*1/1)、突变型杂合子(ALDH2*1/2)和突变型纯合子(ALDH2*2/2)三种。ALDH2基因rs671位点突变的发生率在不同种族中存在显著差异,在欧美人群中不足5%,而在中国、韩国、日本等东亚国家人群中高达30%～50%,尤以中国东南地区人群发生率最高[7]。

野生型ALDH2*1/1编码的酶活性正常,而突变型杂合子ALDH2*1/2编码的酶只有正常酶活性的6%,由突变型纯和子ALDH2*2/2编码的酶几乎不具有酶活性[8]。携带ALDH2*2的个体,不能有效代谢解毒乙醛,这导致饮酒后乙醛快速积累,出现面部潮红反应[9],因此ALDH2也被称为“脸红基因”。乙醛的积累会导致心悸、恶心、出汗、头晕、皮疹和低血压等不良反应,这种令人不适的生理反应影响ALDH2*2携带者饮酒习惯,其与东亚人群酒精成瘾率较低有关[5]。研究表明ALDH2*2突变基因型是东亚人群冠状动脉疾病和酒精引起心功能障碍、卒中及对硝酸甘油治疗不敏感的危险因素[10]。

2、乙醛脱氢酶2与病理性心脏重构

病理性心脏重构主要表现为心肌肥厚、心脏纤维化和心室扩张[11]。其中,心肌肥厚是由于心肌细胞体积和质量的代偿性增加所致[12];心脏间质性细胞主要为成纤维细胞,当病理因素作用于心肌组织时,引起心脏成纤维细胞过度增殖、表型由收缩型向分泌型转化,表达和分泌大量胶原成分,导致细胞外基质中胶原沉积增加,心脏顺应性下降[13];而心肌细胞的死亡(包括坏死、凋亡和自噬)则引起心肌组织缺失,导致室壁扩张和心脏扩张。已有报道,ALDH2在上述心脏重构的病理过程中均发挥重要作用。

2.1ALDH2在心肌肥厚中的作用

研究表明,在心肌梗死、酒精性心脏损伤和糖尿病等引起的心脏重构中,ALDH2通过抑制心肌肥厚发挥改善心脏重构的作用[14,15,16]。在心肌梗死后心力衰竭模型中,使用ALDH2小分子激动剂Alda-1可以减轻小鼠心脏重量并减小心肌细胞长度,该作用通过下调Wnt/β-catenin信号通路实现[17]。ALDH2过表达的转基因小鼠能够有效拮抗慢性酒精摄入引起的心肌肥大和心脏收缩功能障碍,其机制是由于ALDH2过表达增强了还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶p47-PHOX因子和钙调神经磷酸酶的表达以及凋亡信号调节激酶1、糖原合成激酶-3β、GATA结合蛋白4和环腺苷酸应答元件结合蛋白的磷酸化[18]。在慢性高血糖大鼠模型中,ALDH2活性减低,从而导致线粒体功能障碍,进而导致心肌肥厚、心肌纤维化以及心脏收缩和舒张功能障碍[16,19]。ALDH2还可被低浓度的乙醇激活,减轻糖尿病所致的心肌肥厚,其机制可能与调节双孔钾离子通道TASK-1(TWIK-relatedacid-sensitivepota­ssiumchannel-1)蛋白表达和TASK-1电流有关[20]。

然而,ALDH2在心肌肥厚中的作用研究结论并不一致。最近有报道表明,经12周主动脉弓缩窄处理的小鼠出现心肌肥厚和心功能不全,与ALDH2的表达和活性降低有关,但心脏特异性过表达ALDH2反而会进一步加重心肌肥厚[21],心脏间质和血管周围纤维化也更显著,提示心力衰竭时ALDH2下调可能是在压力超负荷时用以限制心肌肥厚的一种适应性反应,在心功能失代偿后增加ALDH2的表达或活性对改善心功能并无获益。同样在TAC构建的心肌肥厚模型中,ALDH2敲除小鼠的心脏重量、左室后壁厚度以及心肌细胞的横截面积均显著低于野生型小鼠,ALDH2缺乏通过抑制蛋白激酶B(proteinkinaseB,PKB/Akt)磷酸化和激活PTEN信号发挥减轻心肌肥厚的作用,ALDH2小分子激动剂Alda-1可通过增强Akt磷酸化促进心肌细胞肥大[22]。此外,心脏衰老过程中也表现为病理性心脏重构,与野生型小鼠相比,ALDH2转基因小鼠衰老模型中心肌细胞氧化应激反应更强,线粒体损伤和凋亡、心肌肥厚更显著,但不加重纤维化,该作用与ALDH2抑制衰老心肌中AMP活化蛋白激酶(AMP-activatedproteinkin­ase,AMPK)磷酸化和Sirt1表达从而加重线粒体损伤有关[23]。

可见,ALDH2在不同致病因素或不同阶段的心肌肥厚中的作用并不一致。在心肌梗死和酒精所致心肌肥厚和心肌细胞肥大中,ALDH2主要抑制心肌肥厚和心肌细胞肥大;而在后负荷增加和衰老引起的心肌病理改变中,ALDH2可发挥促心肌肥厚的作用。ALDH2在心肌肥厚中的不同作用是否与心肌急/慢性损伤和疾病病程有关,有待深入研究予以阐明。

2.2ALDH2在心脏纤维化中的作用

ALDH2在不同的病理模型中参与心脏纤维化的发生发展。在糖尿病大鼠中应用低剂量乙醇能够通过激活ALDH2发挥抑制心脏纤维化的作用,机制与其下调丝裂原活化蛋白激酶Jun激酶(Junkin­ase,JNK)信号通路有关[24]。体外研究发现,高糖环境下ALDH2通过下调转化生长因子-β(tran­sfor­minggrowthfactor-β,TGF-β)/Smad信号通路进而抑制心脏成纤维细胞表型转化为肌成纤维细胞[25]。在心肌梗死后4周心力衰竭大鼠模型中,给予ALDH2激动剂Alda-1治疗6周,可显著改善大鼠心肌肥厚和纤维化,保护大鼠心脏收缩和舒张功能,其作用通过减少醛类物质的蓄积和活性氧生成,恢复线粒体功能实现[14],给予心肌梗死大鼠Alda-1提高ALDH2活性后,能够通过显著下调Wnt/β-catenin/WNT1诱导信号通路蛋白1(Wntinduciblesignallingpathwayprotein-1,WISP-1)、GSK-3β信号通路,减轻心脏组织中Ⅰ型胶原沉积和Ⅰ/Ⅲ型胶原比例,减轻心肌梗死引起的心脏纤维化[17]。在酒精性心脏损伤模型中也发现,ALDH2过表达能够显著减轻慢性酒精摄入引起的心脏纤维化[18]。

此外,在TAC术后8周形成的压力超负荷小鼠心脏重构模型中,敲除ALDH2可通过加重氧化应激反应而抑制骨髓功能,增加成纤维细胞祖细胞比例和归巢,加剧心脏纤维化[26]。但如前所述,Dassan­ay­aka等[21]采用的TAC术后12周小鼠心力衰竭模型中,心脏特异性过表达ALDH2反而发挥促进心肌肥厚和纤维化作用,这些研究结果提示我们ALDH2的时空表达调控与其对心肌肥厚和纤维化的作用不同有关,有必要针对压力负荷所致心脏重构不同病程中ALDH2的作用和机制开展进一步研究。

2.3ALDH2与心肌细胞凋亡和自噬

ALDH2可通过抑制心肌细胞凋亡发挥心脏保护作用。研究发现ALDH2缺乏时心肌细胞凋亡和坏死增加,加剧了心脏功能障碍,并可引起心肌损伤和纤维化[27]。在心肌梗死后心力衰竭小鼠模型中发现,ALDH2缺乏导致心肌组织中4-HNE蓄积,进而通过抑制热激蛋白70(heatshockprotein70,HSP70)和JNK磷酸化并激活p53,引发心肌细胞凋亡,促进心力衰竭的进展[28]。体外实验也证实,在雷帕霉素诱导的心肌细胞凋亡中,抑制ALDH2活性可通过抑制胞外信号调节激酶(extracellularsignal-regulatedkinase,ERK)1/2磷酸化、增加JNK和p38磷酸化,使心肌细胞凋亡显著增加[29]。此外,在糖尿病心肌损害中,ALDH2通过抑制GSK-3β的激活,抑制细胞凋亡,发挥心功能保护作用[30]。在高糖诱导的大鼠心肌细胞损伤模型中也发现,激活ALDH2能够减轻心肌细胞凋亡和坏死,其保护作用与抑制氧化应激和炎症相关[31]。研究表明,在缺血再灌注损伤病理模型中,ALDH2敲除小鼠蛋白激酶C(proteinkinaseC,PKC)-ε/PKC-δ比例异常,促进Drp1信号、caspase级联激活和GSK-3β依赖的线粒体通透性转变孔开放,导致线粒体损伤和心肌细胞凋亡[32]。

自噬是一个具有双重作用的代谢过程,广泛参与了细胞生长、生存、发展和死亡。自噬可降解受损蛋白,在营养匮乏等应激状态下发挥维持细胞稳定和细胞存活的作用,而在多种病理因素作用下,自噬在细胞死亡过程中也具有重要作用。ALDH2对缺血再灌注心肌损伤的保护作用分别通过作用于AMPK和Akt-哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammaliantargetofrapamycin,mTOR)信号通路实现,即在心肌缺血期ALDH2激活AMPK、抑制mTOR发挥促进自噬作用,而在再灌注心肌损伤过程中ALDH2激活Akt和mTOR显著抑制自噬[33],在缺血再灌注心肌损伤病程中,ALDH2发挥抑制细胞死亡的心肌保护作用[33]。在脂多糖诱导的心脏损伤和泵功能障碍小鼠模型中,ALDH2可通过抑制内质网应激和CaMKKβ-AMPK信号通路,抑制mTOR,诱导自噬[34]。ALDH2缺乏也可抑制TAC术后8周小鼠的心肌自噬,其可能是通过抑制心肌组织Beclin-1表达,促进Bcl-2与Beclin-1的相互作用来实现的,即ALDH2缺乏通过抑制Beclin-1依赖性自噬途径加重了压力超负荷引起的小鼠心功能不全[35]。

近些年,国内外学者发现了一种新的程序性细胞死亡形式“Necroptosis”,即由死亡受体介导的,被一系列信号传导通路所调控的caspase非依赖性的细胞死亡方式,兼具坏死和凋亡的特征;氧化应激可通过上调信号级联受体相互作用蛋白(receptor-interactingprotein,RIP)1和3及混合谱系激酶结构域样蛋白(mixedlineagekinasedomain-likeprotein,MLKL),促进Necroptosis。有报道证实,ALDH2缺乏可通过活性氧依赖的细胞凋亡和RIP1/RIP3/MLKL介导的Necroptosis途径加剧酒精诱导的心功能障碍[27]。以上研究表明,ALDH2通过抑制细胞凋亡、调节细胞自噬和抑制氧化应激介导的Necroptosis,发挥促进心肌细胞存活、保护心功能的作用。

然而,与衰老导致心肌肥厚模型中的研究结论一致[23],该课题组针对ALDH2与衰老相关的自噬调节通路展开了深入研究,发现过表达ALDH2可进一步加重衰老对心肌组织JNK、Bcl-2、IκB激酶β(inhibitorkappaBkinaseβ,IKKβ)、AMPK和结节性硬化蛋白2(tuberoussclerosisprotein2,TSC2)活化的抑制作用,同时促进mTOR磷酸化,抑制心肌细胞自噬,从而加重衰老过程中的心肌肥厚和心脏收缩功能障碍[36]。在心脏重构致病因素中,与其他病理性致病因素相比,衰老具有独特的信号传导和细胞功能调节机制,ALDH2在衰老所致心脏重构中的作用机制有待进一步探讨。

2.4ALDH2与心肌能量代谢障碍

心肌能量代谢障碍是影响心脏重构的重要原因之一,ALDH2可通过影响心肌能量代谢参与心脏重构的发生和发展。动物研究表明,ALDH2*2突变型是心肌能量代谢供应的有害因素,ALDH2*2基因型转基因小鼠可通过增强糖酵解和磷酸戊糖途径,升高心脏NADPH/NADP比值,干扰心脏脂质和葡萄糖利用的平衡[37]。在糖尿病模型中,ALDH2缺乏小鼠的心脏舒张功能受损、心肌能量储备[磷酸肌酸/三磷酸腺苷比值]降低;ALDH2缺乏加重了糖尿病引起的心肌葡萄糖摄取不足和其他代谢紊乱,提示ALDH2突变患者易受糖尿病损害[38]。研究表明,低至中度饮酒可提高野生型小鼠血清高密度脂蛋白胆固醇水平,而对ALDH2敲除小鼠血清HDL-C水平无显著影响;ALDH2缺乏可能通过干扰脂质和其他能量底物的代谢而使酒精的有益作用消失[39]。ALDH2缺失对心肌能量代谢模式的影响包括脂肪酸利用减低、葡萄糖利用增加和ATP水平下降,从而抑制心肌能量供应,导致心功能障碍[39]。

心肌能量代谢高度依赖ATP的持续供应,线粒体是细胞能量代谢所需ATP的主要来源,线粒体损伤在心脏重构和心力衰竭进展中发挥关键作用。给予ALDH2小分子激动剂Alda-1治疗,能够通过恢复线粒体功能和减少活性氧释放,改善心肌梗死后心力衰竭大鼠的心功能和心脏重塑[14,40]。在TAC诱导的压力超负荷小鼠模型中,ALDH2缺乏可导致线粒体数量增加及形态和结构异常,加重线粒体损伤,减少心肌能量供应,导致心功能恶化[35]。

3、乙醛脱氢酶2与心脏重构的药物干预

ALDH2作为心脏重构治疗靶点的研究主要集中于ALDH2小分子激动剂和ALDH高活性干细胞(ALDHbrightstemcells,ALDHbr)。ALDH2的小分子激动剂Alda-1是一种潜在的心力衰竭治疗候选药物。Alda-1通过改变ALDH2蛋白分子构象使ALDH2*2突变体的酶活性显著增强,进而发挥抗氧化应激和醛解毒的保护作用[41]。Gomes等[40]研究表明冠状动脉结扎后4周,大鼠出现左室不良重构和收缩功能障碍时给予Alda-1治疗,可以抑制心肌肥大和心肌纤维化,逆转左室重塑,改善收缩功能。更多研究也证明使用Alda-1治疗可改善心肌梗死后慢性心力衰竭大鼠的长期生存,并抑制心室重构的发展[42]。

ALDHbr是以细胞质中的乙醛脱氢酶活性为基础筛选获得的含有各种干细胞和祖细胞的细胞群,在临床试验中ALDHbr细胞群已经被作为一种治疗手段应用于修复组织缺血损伤[43]。一项随机双盲临床试验应用ALDHbr治疗缺血性心力衰竭患者,结果显示:这一新型细胞治疗能够改善患者心肌灌注和心功能,并且安全有效。

4、总结和展望

病理性心脏重构是慢性心力衰竭的发病基础,阐明病理性心脏重构的调节机制,寻找有效治疗靶点,有利于提高心力衰竭防治水平,改善患者预后。本文综述了ALDH2在心肌肥厚、心肌纤维化和心肌细胞死亡等多种病理性心脏重构表现中的作用和机制,研究表明,ALDH2可通过改善细胞氧化应激､恢复线粒体功能､调控多种信号转导机制,发挥抗心脏重构的作用｡新的研究证据不断出现,为了解ALDH2的分子功能和ALDH2在心力衰竭早期防治中的应用提供了新的线索｡未来结合ALDH2的个体化差异､针对增强ALDH2活性或表达水平的治疗策略,有望成为减轻心脏重构､防治心力衰竭的重要手段｡

王莉洁,于海奕,高炜.乙醛脱氢酶2在病理性心脏重构中的研究进展[J].中国医学前沿杂志(电子版),2020,12(10):36-41.

基金:国家自然科学基金(81871850;81972149);北京大学医学部-密歇根大学医学院转化医学与临床研究联合研究所研究项目(BMU2020JI009).