综述：NDRG1作为内皮细胞应激的感受器和介导者：从稳态到炎症及心血管疾病

《Cellular and Molecular Life Sciences》：NDRG1 as a sensor and mediator of endothelial stress: from homeostasis to inflammation and cardiovascular disease

本综述聚焦于NDRG1这一多功能应激响应蛋白在血管内皮细胞中的新兴作用。文章系统阐述了NDRG1在缺氧(HIF-1α)、炎症(NF-κB)、血流剪切力改变及重金属(Fe、Ni、Cu、Co)暴露等多种应激条件下的调控机制，及其通过影响线粒体动力学(如DRP1)、代谢重编程(如糖酵解)、血管炎症(如VCAM-1/ICAM-1)、血栓形成(如TF/PAI-1)和血管重塑(如EndMT)等关键过程，在心血管疾病(CVD)如动脉粥样硬化、肺动脉高压中的双重角色。作者提出NDRG1是内皮细胞感知并整合微环境信号的关键枢纽，其作为潜在生物标志物和治疗靶点的价值值得深入探索。

NDRG1与内皮细胞的缺氧重编程

充足的氧气供应对组织稳态至关重要。内皮细胞作为氧 fluctuations 的前线传感器，会启动对缺氧的早期适应性反应。有趣的是，内皮细胞生物学的一个显著特征是它们主要依赖糖酵解来产生超过85%的ATP，尽管它们直接接触氧合血液。这种“糖酵解成瘾”被认为有助于限制线粒体活性氧(ROS)的生成，为血管周围组织保存氧气，并支持屏障维持、迁移和出芽 angiogenesis 所需的快速ATP生产。因此，只要有葡萄糖可用以维持糖酵解，内皮细胞就能相对较好地耐受缺氧。在这些条件下，缺氧对非糖酵解途径的影响，如氧化还原稳态、线粒体动力学和 angiogenic signaling，通常在决定内皮细胞命运方面起着更关键的作用。这些效应最终导致内皮细胞复杂的表型重编程，其特征是促炎激活、线粒体动力学失调和 angiogenic signaling 增强，共同定义了内皮功能障碍的核心特征。

在缺氧应激下最快速诱导的基因中，NDRG1已成为血管适应氧剥夺的关键介导者。其转录激活主要由缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)调控，HIF-1α结合NDRG1启动子中的两个功能性缺氧反应元件(HREs)。额外的转录调节因子，包括Egr-1、Sp1、YB-1、Smad7和KLF4，以细胞类型特异性的方式进一步调节NDRG1的表达，反映了其调控的背景依赖性。除了转录调控，NDRG1在缺氧下的表达还受到翻译后修饰的调节，如磷酸化，这会影响其亚细胞定位和与其他蛋白质的相互作用。其诱导具有时间和氧浓度依赖性，并且常与核转位相关，在核内它参与转录和代谢重编程。这些调控机制凸显了NDRG1是缺氧信号级联中一个精细调节的效应器。

尽管最初在癌症中表征，但对NDRG1在缺氧中作用的机制性见解可以直接应用于血管背景。在缺氧的肝细胞癌(HCC)细胞中，NDRG1通过稳定线粒体完整性和抑制凋亡来促进存活。从机制上讲，它抑制线粒体分裂，从而保护线粒体膜电位并防止细胞色素c释放。NDRG1的缺失导致促凋亡蛋白(如BAX)增加，抗凋亡标志物(如Bcl-2, Bcl-xL)减少，以及caspase激活，共同反映了线粒体功能障碍。尽管这种促存活作用在癌症中可能赋予抗凋亡能力，但NDRG1也被证明在人类结直肠腺癌中促进p53依赖性细胞死亡，突出了其背景依赖性功能。这些作用在内皮细胞中尤其相关，因为在缺氧条件下，线粒体动力学的严格调控对于决定细胞命运和维持血管完整性至关重要。

同时，NDRG1支持对缺氧的代谢适应。在癌症和激活的内皮细胞中，NDRG1促进葡萄糖摄取和乳酸生产，从而在氧化磷酸化受损时维持ATP生成。在HCC细胞中的机制性工作表明，NDRG1缺失会减少糖酵解通量和细胞外酸化，突出了其在应激期间维持能量代谢的功能。这些功能在内皮细胞中尤其重要，内皮细胞在常氧状态下已经严重依赖糖酵解来限制线粒体ROS产生并为周围组织保存氧气。通过在缺氧下加强这种糖酵解程序，NDRG1可能有助于保护内皮细胞的活力和功能，同时也影响 angiogenic activation 和炎症信号传导。此外，内皮细胞中的糖酵解程序受到转录调节因子如c-MYC的严格控制，c-MYC增强葡萄糖转运体和糖酵解酶的表达，并且对 angiogenesis 至关重要。尽管直接的血管证据有限，但NDRG1据报道能够稳定c-MYC，这提示了在缺氧应激下放大c-MYC驱动的糖酵解重编程的潜在机制。

与此一致的是，在人类肺动脉内皮细胞(HPAECs)中，缺氧强烈诱导NDRG1表达。在功能上，NDRG1驱动内皮细胞增殖、迁移和管腔形成，这些表型与血管重塑和病理性 angiogenesis 相关。敲低NDRG1可逆转这些变化，并通过KLF4/NDRG1/DRP1轴减少线粒体分裂。除了作为HIF-1α的下游靶点，NDRG1还通过其与RNA结合蛋白TAF15的相互作用，作为缺氧信号的前馈放大器，TAF15促进TAF15的核定位并激活下游通路，包括PI3K/Akt、p53和HIF-1α本身，从而加强缺氧反应。

HIF-1α反过来诱导血管内皮生长因子(VEGF)的转录，VEGF是缺氧驱动的新血管生成的核心介导者。有趣的是，NDRG1表达与VEGF水平呈正相关，并通过增强PLCγ1/ERK signaling（一个调节内皮细胞增殖和迁移的关键通路）积极促进VEGF诱导的 angiogenesis。值得注意的是，NDRG1的这种促血管生成作用超越了经典机制。在胶质母细胞瘤中，NDRG1表达升高与微血管密度增加和血管生成拟态相关，暗示其参与内皮依赖性和非依赖性的新血管形成。在体内，NDRG1敲低显著减弱了缺氧诱导的肺动脉高压啮齿动物模型中的肺血管重塑和右心室肥大，进一步确立了其不仅作为缺氧诱导标志物，而且作为内皮功能障碍和疾病进展的主动驱动者的角色。

总之，现有证据将NDRG1确定为内皮细胞中一个缺氧诱导的效应器，将HIF-1α依赖性转录与线粒体重塑、糖酵解适应和 angiogenic activation 联系起来。在急性缺氧中，这些功能可能保护内皮细胞活力和屏障功能，而在慢性缺氧中，持续的NDRG1活性有助于病理性血管重塑，如在肺动脉高压和缺血模型中所证明的那样。

NDRG1与内皮细胞的血栓炎症转换

血管炎症是内皮功能障碍的关键驱动因素，触发内皮细胞从静息状态向促粘附和促血栓状态转变，从而启动导致血管损伤发生和发展的事件级联。响应促炎细胞因子如TNF-α和IL-1β，激活的内皮细胞上调粘附分子(如VCAM-1, ICAM-1, E-selectin)，分泌炎症介质(如MCP-1, IL-8)，并促进白细胞粘附和不受控制的跨内皮迁移到内皮下间隙，这是动脉粥样硬化和其他炎症性血管疾病发展的早期步骤。持续的炎症信号进一步放大内皮细胞衍生的细胞因子释放，加强内皮-白细胞串扰，并维持炎症反应。这种持续激活损害连接完整性，促进血管渗漏，并加速斑块形成、不稳定，最终导致心血管事件，如心肌梗死、外周动脉疾病和中风。

最近证据表明，在受到促炎细胞因子如IL-1β和TNF-α刺激后，内皮细胞中的NDRG1表达被强烈上调，无论是在体外还是在人和小鼠的动脉粥样硬化病变中。这种诱导具有时间和剂量依赖性，加强了NDRG1作为炎症血管环境中转录靶点的相关性。在人脐静脉内皮细胞(HUVECs)中的功能研究表明，NDRG1是完整的促炎反应所必需的：其敲低减少了炎症介质(IL-6, IL-8, MCP-1)的表达，并下调了VCAM-1和ICAM-1的表面呈现，这些是白细胞募集的關鍵組件。因此，单核细胞粘附和跨内皮迁移被减弱，表明NDRG1对于建立炎症内皮的粘附和趋化 landscape 至关重要。

除了免疫细胞募集，NDRG1在促进内皮促凝血表型中起着核心作用。在基础和炎症条件下，NDRG1通过促进组织因子(TF)、纤溶酶原激活物抑制剂-1(PAI-1)和血管性血友病因子(vWF)的转录来缩短凝血时间，这些是参与凝血酶生成、纤维蛋白稳定和血小板粘附的关键因子。同时，NDRG1抑制抗凝血调节因子包括血栓调节蛋白(TM)和组织型纤溶酶原激活物(t-PA)的表达。在使用内皮特异性NDRG1敲除小鼠的体内研究中也证明，删除NDRG1能显著保护小鼠免受损伤后动脉血栓形成，突出了其对血栓炎症表型的贡献。

从机制上讲，NDRG1通过与核受体Nur77相互作用促进内皮细胞中的血栓炎症信号传导，Nur77是已知的血管炎症抑制因子。NDRG1结合到Nur77的DNA结合结构域，抑制其转录活性，从而解除对NF-κB和AP-1通路的抑制，这两个主要的转录轴驱动细胞因子、粘附和促凝血分子的表达。同时，由糖酵解副产物甲基乙二醛(MG)水平过高引发的内皮炎症已被证明可激活SGK1，SGK1磷酸化NDRG1并增强NF-κB信号传导，导致白细胞募集增加和微血管通透性增加。

除了内皮细胞，NDRG1也在其他血管区室中促进炎症信号传导。在肺动脉平滑肌细胞(PASMCs)中，NDRG1过表达上调促炎细胞因子如IL-6和TNF-α，并增强细胞增殖，最终导致动脉壁增厚。此外，过表达NDRG1的PASMCs促进共培养的成纤维细胞的激活、增殖和迁移，进一步升高TNF-α表达和平滑肌肌动蛋白(SMA)水平。这些发现表明NDRG1介导血管壁内的旁分泌炎症串扰，可能有助于适应不良的重塑。

然而，在血管内皮之外，NDRG1在炎症中的作用似乎更具可变性。在子宫内膜和前列腺上皮细胞中，NDRG1通过下调NF-κB或JNK信号传导来抑制炎症。相反，在胃癌细胞中，NDRG1激活JNK/AP-1依赖性机制，诱导IL-1α和CXC趋化因子，其核定位与巨噬细胞浸润和 angiogenesis 相关。相反，在气道上皮细胞中，NDRG1支持屏障完整性并降低通透性。这些不同的结果可能反映了上游激酶参与(如SGK1 vs. JNK)、亚细胞定位(如核 vs. 胞质NDRG1)和细胞类型特异性转录辅因子的差异。

总之，这些发现将NDRG1定位为炎症的分子变阻器，能够根据局部代谢、机械和转录线索来放大、抑制或重定向反应。在内皮细胞中，目前的证据支持其主要是促炎、促血栓形成的作用，由Nur77抑制和NF-κB/AP-1激活驱动，这在细胞因子和糖酵解应激刺激中是一致的，并延伸到对其他血管壁细胞的旁分泌激活。

NDRG1与血流诱导的内皮细胞重编程

在动态的血管环境中，剪切应力，即血流对内皮表面产生的切向摩擦力，是内皮细胞功能的关键调节因子。虽然在直动脉中均匀、单向的层流剪切应力(LSS)促进内皮细胞静息和血管稳态，但在血流紊乱区域的振荡剪切应力(OSS)会引发内皮功能障碍和重编程。OSS增加ROS，诱导氧化应激，破坏连接完整性，并驱动内皮细胞向促炎和间充质样表型转化。这种转变，称为血流诱导的内皮重编程(FIRE)，包括内皮-间质转化(EndMT)和免疫样转化(EndIT)，有助于新生内膜增厚、免疫细胞浸润和斑块进展。

在这些机械适应性反应中，NDRG1已成为在紊乱流动条件下上调的流动敏感基因。虽然传统上与层流和相关生长抑制有关，但最近的转录组分析和单细胞测序已确定NDRG1在暴露于低、振荡剪切应力的内皮细胞中上调，特别是在易发动脉粥样硬化区域。这种背景特异性的上调与其在LSS中的作用形成对比，表明NDRG1可能参与不同的剪切依赖性信号程序，由机械微环境塑造。

尽管NDRG1在紊乱流中的确切功能尚待完全阐明，但新出现的证据表明其在内皮屏障破坏和间充质重编程中发挥作用。蛋白质组学分析已将OSS与NDRG1表达的改变以及连接组件（如claudin-9）的并发变化联系起来，指出其在调节内皮完整性中的潜在作用。进一步的机制见解来自动脉粥样硬化模型，其中丝氨酸/苏氨酸激酶PIM1在疾病进展过程中上调，通过磷酸化NDRG1的第330位丝氨酸来驱动EndMT和内皮细胞迁移。内皮特异性敲低PIM1可减少NDRG1的磷酸化和核转位，削弱其与RNA结合蛋白PTBP1的相互作用。这种破坏减弱了包括Vimentin、Slug、Snail和α-SMA在内的间充质标志物的表达，从而限制了oxLDL暴露诱导的表型转变。

总之，目前的发现将NDRG1确定为血流动力学线索的机械敏感整合器，将紊乱流动转化为内皮重编程和表型漂变。其在稳定层流下被抑制，但在易发动脉粥样硬化区域的振荡剪切下被诱导，在那里它通过上游效应器如PIM1和伙伴如PTBP1与EndMT、间充质标志物表达和连接 destabilization 相关联。这些数据表明其在紊乱流中主要发挥适应不良的作用，可能驱动动脉粥样硬化发生。

NDRG1与重金属暴露的氧化还原代谢反应

虽然痕量水平的重金属对血管功能至关重要，但慢性暴露或系统性积累（通常与工业化和环境污染有关）会诱导氧化应激、线粒体功能障碍和转录失调，损害内皮稳态并促进心血管疾病(CVDs)。NDRG1已成为一种多功能金属结合蛋白，其富含组氨酸的C末端重复结构域赋予其对Ni²⁺、Cu²⁺和Co²⁺等二价阳离子的高亲和力结合。这使NDRG1定位于氧化还原调节、金属解毒和细胞适应的交界处。

铁(Fe)

铁对于氧化磷酸化和血管稳态不可或缺，但铁过载和铁缺乏都与内皮功能障碍和CVD风险增加相关。过量的游离铁通过Fenton化学反应催化羟基自由基的产生，损害脂质、蛋白质和DNA，而铁缺乏则损害线粒体呼吸和ATP生产。临床研究将低血清铁水平与动脉粥样硬化风险增加联系起来，突显了铁复杂的血管作用。

NDRG1是一个经典的铁反应基因，在铁耗竭条件下被强烈诱导，包括用去铁胺(DFO)或Dp44mT处理。这种反应通过HIF-1α依赖性机制（铁剥夺稳定缺氧诱导因子并激活NDRG1启动子中的HREs）和HIF-1α非依赖性途径（涉及转录因子如Egr-1、Sp1和应激颗粒相关eIF3a）介导。矛盾的是，虽然低铁诱导NDRG1，但该蛋白本身作为细胞内铁代谢的稳定剂，特别是在波动或病理条件下。在心肌细胞和肝细胞中的研究表明，NDRG1通过调节转铁蛋白受体循环和缓冲铁过载来促进铁稳态，从而限制脂质过氧化和对铁死亡的易感性。虽然这些功能尚待在内皮细胞中证实，但它们指出了NDRG1在铁诱导的血管应激中潜在的细胞保护作用。

镍(Ni²⁺)、铜(Cu²⁺)和钴(Co²⁺)：NDRG1调节的共享机制

镍、铜和钴作为氧化还原活性金属，通过氧化应激、受损的一氧化氮(NO)信号传导和促炎转录激活诱导内皮功能障碍，共享关键的病理生理学特征。

(i) 镍通过破坏内皮一氧化氮合酶(eNOS)活性来损害NO生物利用度，并在血管床中诱导炎症。它通过细胞内Ca²⁺升高触发NDRG1表达，并可能模拟缺氧来激活HIF通路。这些观察支持了一个模型，其中NDRG1有助于镍诱导的氧化还原适应。

(ii) 铜虽然是必需的，但在高水平时变得有害。它通过与同型半胱氨酸相互作用并促进线粒体损伤、凋亡和血管重塑来加剧氧化应激。在人类血清和动脉粥样硬化斑块中检测到铜水平升高及其与颈动脉内膜中层厚度的相关性，支持了铜处理紊乱有助于CVD风险增加的观念。尽管铜不强烈诱导NDRG1转录，但该蛋白结合Cu²⁺的能力暗示了其缓冲或解毒作用。其早期被鉴定为内皮细胞暴露于氧化还原应激时上调的基因，支持了其在铜毒性中的相关性。

(iii) 钴慢性暴露也与ROS的直接生成相关，ROS是内皮功能障碍和动脉粥样硬化的已知驱动因素。钴稳定HIF-1α并激活促炎通路如NF-κB，模拟缺氧并增加VEGF和NDRG1表达。钴暴露与动脉粥样硬化和血管炎症有关，提出了NDRG1可能参与缺氧样转录程序和细胞适应的可能性。

across metals, NDRG1的诱导汇聚于共享的信号枢纽，HIF-1α、NF-κB和线粒体稳态，然而在内皮模型中的因果数据很少。大多数机制见解来源于癌细胞或肽生物化学，在完整血管系统中的验证有限。NDRG1的金属反应性诱导是起到解毒、细胞保护作用还是有助于适应不良，可能取决于金属种类、暴露持续时间和血管床。需要严格的体内研究来定义其在金属应激下内皮防御-损伤平衡中的位置。

结论与展望

本综述将NDRG1定位为内皮适应的动态介导者，响应于对心血管稳态和病理学至关重要的广泛的环境、机械和代谢应激源。除了其在癌症和系统性应激反应中充分表征的作用外，NDRG1正在成为血管内皮中一个背景敏感的效应器。它解读来自缺氧、炎症、紊乱剪切应力和氧化还原活性金属暴露的线索，以调节内皮表型、通透性、炎症张力和重塑能力。这些发现将NDRG1不仅置于下游响应者的位置，而且可能作为血管应激程序协调中的枢纽。

然而，尽管机制性见解在扩展，关键问题仍然存在。最紧迫的空白之一在于理解NDRG1信号在血管床内的时间和空间特异性。虽然当前文献集中于系统性血管系统，但脑内皮（一个高度专业化且严格调控的屏障，具有独特的代谢和免疫特征）在这方面几乎未被探索。考虑到脑内皮细胞在脑血管损伤（如缺血性中风）期间对氧化损伤、代谢应激和炎症级联的易感性，可以推测NDRG1可能参与神经血管适应或适应不良。其已知受缺氧和氧化还原信号调节，结合其在线粒体动力学和抗铁死亡中的作用，暗示NDRG1可能影响大脑内的内皮细胞命运决定，特别是在再灌注损伤、代谢崩溃或血脑屏障受损的条件下。

需要进一步研究以确定NDRG1表达或活性在周围和脑内皮群体之间是否不同，以及其调节在卒中模型中是否赋予保护或相反加剧损伤。此类研究将受益于精细的空间和时间工具，包括单细胞分析、可诱导的内皮特异性模型和高分辨率映射NDRG1翻译后修饰。NDRG1与新兴细胞死亡模式（如铁死亡和铜死亡）之间的交叉点也仍然定义不足，特别是在血管炎症和金属诱导的内皮损伤的背景下。

从转化角度来看，NDRG1的成药性仍不确定。作为一种缺乏内在催化活性的非酶促支架蛋白，它不易于进行常规的小分子抑制。其广泛的组织分布和背景依赖性功能进一步使全身靶向复杂化。可行的策略可能涉及调节上游调节因子（如HIF-1α、PIM1、SGK1）、改变翻译后修饰或破坏特定的蛋白质-蛋白质相互作用（如与Nur77在内皮炎症中或与PTBP1在紊乱流中）。实验性方法，包括蛋白降解靶向嵌合体(PROTACs)、肽模拟物或靶向递送系统（如基于纳米颗粒的siRNA）可能提供更具选择性的调节，但每种方法在临床考虑之前都必须在血管模型中解决其技术和安全挑战。

虽然体外内皮系统和一些内皮特异性敲除模型提供了有价值的机制性见解，但NDRG1在心血管疾病谱系中的功能作用在体内远未得到充分探索。遗传小鼠模型，特别是那些允许时间和血管床特异性操作的模型，很少用于动脉粥样硬化、缺血-再灌注损伤、心力衰竭或脑血管疾病等背景。利用此类模型将有助于定义NDRG1活性与疾病进展之间的因果关系，捕捉其作用的空间和时间特异性，并确定调节NDRG1是否能在不损害稳态功能的情况下增强内皮韧性。解决这些空白对于将基于细胞的发现转化为临床上有意义的干预措施至关重要。