运动性心肌肥大及其信号通路研究进展

李 欣，鲍高山，余文禄，代海斌

(成都大学 体育学院，四川 成都 610106)

0 引 言

研究发现，年龄、胆固醇升高、糖尿病、肥胖、高血压、心室质量增加及体力活动不足是心血管疾病的相关独立危险因子[1].其中，心室质量增加一般是由心肌肥大造成的，心肌肥大是指心脏因应答过量负荷造成的血流动力学改变而产生的质量和体积增加.目前有研究显示，成熟的心肌细胞仍具有部分复制和修复能力[2]，但大部分成熟的心肌细胞是终末分化细胞，丧失了分化能力，即心肌肥大是由心肌细胞体积的增大造成的，而不是由心肌细胞数量的增多造成的.

心肌细胞有着很强的肥大适应性，当心脏承受过度的工作负荷时，心肌细胞对这一复杂事件的反应就是肥大.工作负荷系机械刺激，其信号必须翻译为促进细胞生长的电信号和(或)生化信号.当心肌承受过度的机械应力时，根据拉普拉斯定律，心室壁的厚度需增大，以减轻壁应力.然而，心脏中存在着大量的非心肌细胞，如成纤维细胞、冠状血管树细胞和间质细胞，会在心肌细胞对超负荷发生应答的早期，就发生了肥大和增生，进而产生间质纤维化，造成心脏舒张功能的损伤，在舒张性心衰和心律不齐发生过程中具有重要作用.心肌质量会随血流动力学负荷的改变而不断变化，在心血管系统，由于生理性活动或病理性变化引起的血流动力学功能的持续增加，都会导致心脏/体重比值的变化[3].

1 心肌肥大分类

1.1 生理性心肌肥大

经典的理论认为，除正常的生长发育外，生理性心肌肥大包括两种形式：一种是运动性心肌肥大.力量训练可以增加外周阻力，导致心脏后负荷增加，形成向心性肥大.长期耐力训练增加静脉回流和血流量，导致心脏前负荷增加，形成离心性心肌肥大，此时心肌细胞的适应改变足以满足人体需要，心脏功能维持在正常水平.但目前对运动性心肌肥大的性质仍充满争议，并不能认为其是严格意义上的生理性肥大[4].另一种是，妊娠型心肌肥大.在怀孕的第二期和第三期，心脏输出血流量增加，以配合胎盘的血流量，导致了一种持续的容积负荷，心脏产生适度的离心性肥大.生产后心脏容积负荷回复正常，心肌肥大发生逆转，同时胎儿基因的表达未见增加，因此，妊娠型心肌肥大可认为是严格意义上的生理性肥大.

1.2 病理性心肌肥大

当肥大应答不能使心室壁应力回复正常时，肥大反应持续进行，导致心脏发生病理性改变[5].病理性的压力负荷刺激因素包括系统性高血压、外周阻力增加、主动脉瓣狭窄和主动脉缩窄.病理性的容积负荷刺激因素主要是瓣膜性回流.病理性向心性肥大的一个重要特征是心室壁厚度与心室腔半径的比例显著增加，而病理性的离心性心肌肥大其心室壁厚度和心室腔半径比例基本正常.对病理性向心性肥大的研究发现，随着心肌肥大状态的持续，心肌毛细血管密度和线粒体体积降低，常伴有心肌成纤维细胞、血管平滑肌细胞、细胞外胶原蛋白和内皮细胞的激活，纤维状胶原细胞不成比例地增加，堆积在细胞外膜和细胞间，替代坏死的心肌细胞.这种结构的变化导致心脏弹性和收缩力下降，进而心功紊乱.病理性离心性肥大也受到因结构重塑造成的间质纤维化的影响.

就其定义来说，生理性心肌肥大应是一种不会形成或引起疾病的适应性改变，与病理性肥大有着完全的区别.但临床证据表明并非如此，即使是妊娠型心肌肥大，也有一定比例的围产期心肌病发生；单纯性高血压早期，心脏只会出现一般水平的离心性肥大，此时心脏的基本功能保持正常；压力超负荷型心肌肥大射血表现正常，但收缩功能失常.由于在肥大过程中，心脏的结构、功能和质量都是独立的变量，即无论是代偿性肥大还是失代偿的肥大，心脏大小和形状都会发生改变，形成心室重构.因此，将心肌肥大简单地按生理性和病理性分类的方法往往会因心脏的结构和功能因素而造成重叠，尤其是对于传统理论中认为是生理性肥大的运动性心肌肥大，对其肥大的性质一直未达成共识.

2 运动性心肌肥大

2.1 不同运动类型对心脏的影响

目前，对心血管系统的运动刺激分为两类：耐力运动型和力量运动型(大部分运动都结合了耐力和力量刺激，为混合型项目).耐力运动的急性应答包括最大摄氧量、心输出量、每搏输出量、收缩压的增加，伴随周围血管阻力的降低；力量训练的急性应答包括轻度的最大摄氧量和心输出量的增加，以及血压、外周血管阻力和心率的增加.耐力运动可以认为是一种等张运动，使骨骼肌血管和冠状动脉血管扩张，心排出量和冠状动脉血流量增加，造成血压的轻度升高，起到容积负荷的作用，左右心室腔扩大，心室壁厚度轻度增加，出现离心性肥大；压力负荷主要表现为心肌细胞体积增大，线粒体绝对数量虽然增加，但心肌细胞中每单位体积的线粒体数量却发生了显著降低.力量训练可以认为是一种等长运动，使肌肉的应力明显增加，外周血管阻力明显增大，血压明显升高，心室壁增厚明显，而左右心室腔扩大不明显，出现向心性肥大.

通过对前人的研究进行meta分析，Pluim等[6]发现动力性运动和静力性运动所产生的心脏改变存在不同，混合型运动产生的改变介于两者之间.理论上耐力运动后应形成一种单纯的离心性心肌肥大，但实际结果是在舒张末期左心室腔直径增大，左心室壁的厚度增加超过预期，左心室壁与左心室直径的比例显著增高.理论上力量训练后理应发展成向心性肥大，实际表现为左心室腔直径相对增大，而心室壁显著增厚.从事混合运动的人群左心室腔直径增大幅度最高，心室壁厚度相对增高.考虑到运动造成的心率和血压的升高，认为心室腔直径和心室壁的增加对心脏适应耐力训练是有益的.运动强度极大时，心输出量可从静息状态下的5 L/min上升到40 L/min.心脏通过心室腔的扩张来适应这种容积负荷的增加，血压也可升高至69/175 mmHg.这表明，耐力运动中不存在单纯的容积负荷，在长期耐力训练中，心脏要同时适应容积和压力负荷，所以左心室腔的内径和左心室壁的厚度才会同时增加，且心室壁厚度的增加超出理论预期的水平.在大强度的力量训练过程中，动脉血压显著增加，可达350/480 mmHg，此时心率和心输出量都发生了增长，心率平均为102次，峰值可达170次.同理，单纯的压力负荷也是不存在的.因此心脏对力量训练的适应应是左心室内径的相对增大和心室壁的大幅增厚.赛艇和自行车运动是典型的混合型运动，高水平的自行车运动员可以用接近极限心率来做功并持续很长一段时间，收缩压和平均动脉压增高，收缩压可达200 mmHg.在赛艇比赛中，心率可达190次，血压峰值可达200 mmHg.因此，心脏对这种极大的容积负荷和较大的压力负荷的适应应是左心室内径和心室壁厚度的大幅度增加.

2.2 运动性心肌肥大与心脏疾病

对于一般心脏疾病的患者来说，心脏的肥大往往伴随着一定程度的心功不全.对于大多数长期进行体育锻炼的人群来说，心脏的肥大并不一定代表某种心脏疾病或危险因素，但对于部分个体而言，心肌肥大的确会增加心衰的风险，且伴随着一些心血管功能的异常改变.部分长期进行体育锻炼的人群会发生迷走神经张力增高，出现窦性心动过缓、交界区心律，文氏型房室传导阻滞第一期以及心室早期收缩、非持续性室性心动过速等症状.有相关报道指出，长时间中小强度的耐力运动会造成心脏短暂的可逆性的收缩和舒张功能紊乱，发生心肌细胞损伤，20%～50%的运动员会没有临床自觉症状,只表现出心电图表型的变化，发生急性透壁性心肌缺血病变.由于运动强度、频率、方式的不同，对运动员心肌肥大的研究成果不完全适用于普通锻炼人群，那么中等强度耐力运动所诱导的心肌肥大是否会发生一些病理性改变，如果伴随着运动性心肌肥大而产生了一些病理性改变，其究竟是一种正常的“生理性现象"还是向心衰发展的病变基础，目前未见系统的报道.因此，运动性心肌肥大在未发生一些趋向于病理性改变之前，可以认为是一种生理性的适应改变，但其的确具有潜在的向一些心血管疾病发展的风险[7].

3 心肌肥大的信号通路研究进展

3.1 PI3K/Akt/mTOR信号通路概述

研究发现，PI3K/Akt/mTOR信号通路是生理性心肌细胞肥大的代表通路[8].生长因子、胰岛素、运动等刺激可以激活PI3K，PI3K平时以静息状态定位于细胞质中，在受到相关受体或接头蛋白刺激后，被募集异位至细胞膜，磷酸化磷酸肌醇至磷脂酰肌醇3,4,5三磷酸，并募集PDK1.PDK1不能被PI3K直接激活，在磷脂酰肌醇3,4,5三磷酸存在时其T环发生磷酸化，使其成为PI3K的第二信使.磷酸化的PDK1可以特异性地磷酸化Akt T环上的苏氨酸残基308，并间接激活C端疏水模序中的丝氨酸残基473，从而完全活化Akt[9].激活的Akt主要通过促进mTOR的表达来发挥促细胞生长生存功能，并在蛋白翻译机制中起到重要作用.mTOR是一个高度保守的丝氨酸(苏氨酸)激酶，是细胞营养状态、能量状态的传感器，它处于PI3K/Akt信号通路的下游，能感受并整合经PI3K信号通路传递的生长因子信号，在调节细胞生长和细胞周期中起非常关键的作用.mTOR的主要下游靶蛋白包括p70S6K和eIF4E，mTOR既可以通过影响p70S6K的活性来调控核糖体mRNA的翻译过程和蛋白的生成，也可以通过改变4E-BP1的磷酸化状态，减弱4E-BP1与eIF4E的结合，调控翻译起始复合物的功能，其中eIF4E的水平和活性决定了核糖体与mRNA结合的速度[10].

3.2 Gq信号通路概述

研究发现，在细胞膜表面有种因子参与激素引起的腺苷酸环化酶活性的改变，其既非受体亦非腺苷酸环化酶，最后认定该物质为鸟嘌呤腺苷酸结合蛋白或简称G蛋白.Gq蛋白家族与其它的G蛋白一样，包括α、β和γ 3个亚基，在应答鸟嘌呤核苷酸的过程中发生激活和失活的循环.这些细胞膜结合蛋白与G蛋白偶联受体作用并激活后，可将细胞外的GTP依赖性信号转导为细胞应答.Gq蛋白最重要的作用在于维持心血管的正常功能，其在调节血压、心肌肥大等方面具有重要作用.AngII和血管舒张素可与Gq蛋白偶联受体结合，调节血管张力，Gq蛋白自身的修饰可导致凋亡和肥大的应答.低表达的Gq对心脏没有影响，中等程度的表达可导致心肌细胞肥大和小幅度的心功紊乱，高表达的Gq则可导致心脏显著增厚、心衰、致死率增加[11].而过表达Gq的心脏面对压力负荷时，心肌细胞凋亡增多.此外，抑制性多肽的过表达可干扰受体与Gq的偶联，阻止压力负荷造成的心肌肥大发展和心功紊乱.配基激活的受体与Gq蛋白作用后，募集并激活细胞膜上的磷脂酶C-β(Phospholipase C-β,PLC-β).PLC-β将磷脂酰肌醇4,5二磷酸水解为2个第二信使，甘油二酯(Diglyceride,DAG)和三磷酸肌醇(Inositol 1,4,5-triphosphate,IP3).DAG可以激活PKC，从而对心肌细胞的凋亡、坏死、触发肥大基因转录产生作用.IP3与内质网上的IP3受体结合，释放钙离子进入细胞质，激活肥大应答基因.钙离子的持续释放会导致钙调磷酸酶和NFAT转录因子的激活，而钙调蛋白依赖性激酶II的激活以及NFAT信号通路在促进心肌病理性肥大中具有重要作用.这些证据表明，体内Gq蛋白信号通路的激活对病理性心肌肥大具有关键作用.

3.2.1 PLC-β/Gq蛋白通路.

目前，在细菌、酵母、果蝇、蛙和哺乳动物体内已发现20种不同结构的PLC蛋白.虽然真核生物的PLC异构体的同源相似性较小, 但均具有两个功能结构功能域，即约170个氨基酸残基组成的X结构功能域和约260个氨基酸残基组成的Y结构功能域.在真核生物中,由于分子量及氨基酸序列的不同,PLC包括PLC-β、PLC-γ和PLC-δ 3种亚型,但只有PLC-β可被Gq蛋白直接激活，PLC-β包括β1、β2、β3和β4 4种异构体，均可被Gq蛋白激活，其敏感性大小依次为β1>β3>β2，其中β4较为特殊，其活性被核苷酸抑制，且主要在视网膜中表达[12].由于mRNA剪接的不同，β1又包括2种剪接变异体，β1a和β1b；β3也有2种剪接变异体，β3a和β3b；β4则有β4a、β4b和β4c 3种变异体[13].剪接变异体的差异主要在于蛋白C端碱基序列的不同，β1主要分布在心脏和神经组织，β2在平滑肌、肝脏和脑中表达，β3几乎在所有组织中存在，而β4只在视网膜中表达.这4种异构体分子结构差异不大，具有相同的X、Y和PH结构功能域，但无SH结构功能域.X和Y结构功能域是酶活性区，可水解PIP2，生成DAG和IP3.PLC-β可被活化的G蛋白偶联并激活，G蛋白中的GDP被GTP替换后，α和βγ的亲和力下降36倍，而与PLC-β的亲和力因其亚型不同而增加40～200倍[14].α和βγ可和PLC-β结合，具体结合的亚基则根据PLC-β的不同异构体及不同剪接体有关，Gq一般与PLC-β1结合，在此过程中PLC-β1的C端起到重要作用，PLC-β1与Gq的结合位点在C端尾部，如果C端不完整，PLC-β1虽仍具有完整的蛋白活性，但失去了被Gq激活异位至细胞核或与其它细胞器的能力.PLC-β的X和Y结构功能域是酶活性区，当PLC-β被G蛋白激活后，其异位在细胞膜上，水解PIP2，生成DAG和IP3.DAG可激活PKC，IP3可作用于钙库，释放钙离子，完成各种生理效应.

3.2.2 DAG-PKC/Gq蛋白通路.

DAG是胞内激活PKC的主要物质，被PLC-β水解形成的DAG代谢速率很快，不能长期维持激活PKC的作用，发现DAG可由PLC-β催化细胞膜上的磷脂酰胆碱产生，以维持PKC的长期效应[15].PKC是一个重要的丝氨酸(苏氨酸)激酶家族，在细胞对激素、生长因子以及经Gq偶联受体传递信号的神经递质的应答中扮演重要角色.哺乳动物的PKC共有11种异构体[16]，其中的传统型，包括对钙敏感的PKC-α、PKC-βI、PKC-βII和PKC-γ；新型，包括缺失钙结合位点的PKC-δ、PKC-ε、PKC-η和PKC-θ；非典型异构体，其不对PKC的典型激动剂佛波醇酯应答，包括PKC-ζ、PKC-λ和PKC-μ.IP3导致钙离子的释放，促使钙离子敏感性PKC的异位，而DAG可以激活传统型和新型PKC异构体，使心肌细胞核内一些转录因子如c-fos、c-jun、活化转录因子-2等发生磷酸化，从而改变心肌细胞内基因的表达状态，导致某些心肌蛋白如α-肌动蛋白、β-肌球蛋白重链和心房利钠肽等合成增加，引起心肌细胞肥大[17].过度表达PKC的转基因大鼠出现了明显的心肌肥大，提供了PKC参与肥大反应更为直接的证据.目前认为，PKC是肥大信号传递中一个分子限速开关，是肥大信号传递的共同通路之一，在肥大反应的发生、发展中起到重要作用.在体内和组织细胞培养的实验研究发现，PKC信号转导途径参与调节细胞的收缩功能和肥大反应，PKC作为心肌肥大信号途径之一，其分子机制与细胞核受体和细胞内因子将肥大刺激信号传入细胞，引起细胞基质钙离子浓度增加有关，不同分型的PKC以时间和特异性酶依赖性调节不同的MAPK级联反应.PKC-α是人心脏中最常见的异构体，它通过调节受磷蛋白和心肌肌浆网Ca2+-ATP酶的磷酸化来调节心脏的收缩，PKC-β对于心肌肥大、收缩和新生儿心肌生长具有重要作用；在压力负荷造成的离心性肥大中, PKC-βI和PKC-βII异位，磷酸化活性增强，激活心室肌球蛋白轻链，引起钙离子敏感性增加从而增强肌力和ATP酶的活性，可能是造成肥大性心脏收缩和舒张功能增强的主要原因.应用转基因(PKC-β)小鼠研究发现，PKC-β能引起心肌结构及功能的严重异常，当心脏PKC-α和PKC-β表达减少时，生长因子表达减少，可以明显改善心肌重构[18].PKC-δ在缺血性坏死和心肌细胞收缩功能紊乱中具有决定性作用；PKC-ε在心脏缺血再灌注中起到重要的保护作用，当其被激活时，其从细胞质异位至内质网，直接激活ATP敏感钾通道，降低ROS产生和钙负载，对心脏起到保护作用.而通过对猪离体心脏的研究发现，病理性的急性机械应力只会导致PKC-ε的快速异位.此外，PKC的下游效应子PKD可以直接磷酸化组蛋白去乙酰化酶5，使其转运进细胞核，导致肥大基因的激活[19].

4 结 语

随着对运动性心肌肥大研究的不断深入，越来越多的证据表明，在运动因素诱导的心肌肥大过程中，心脏的结构、功能和质量都是独立的变量，即无论是代偿性肥大还是失代偿的肥大，心脏大小和形状都会发生改变，形成心室重构.因此，不能完全将运动性心肌肥大简单地按生理性和病理性来分类.此外，相关的研究已表明，当运动性心肌肥大时，心肌肌肉蛋白合成的信号通道并不与生理性心肌肥大的蛋白合成信号通路完全一致，其具有自身独有的信号传递特征[20-21].因此，假设运动性心肌肥大处于完全的生理性肥大和病理性肥大之间的灰色地带，属于严格意义的“生理改变之下、病理改变之上”，不管是对于健康大众还是竞技运动员，都应该提高警惕，并注意运动的方式、时间、强度、频率并形成规律的体检观念，将运动性心肌肥大风险控制在最小范围.