肺动脉高压（PAH）是肺动脉高压的五个分类中第一个和最严重的形式。疾病的发病机制是由于周围肺动脉逐渐重构，这是由血管壁细胞（包括内皮细胞、平滑肌细胞和成纤维细胞）的过度增殖和周围炎症所致。动物模型的强有力证据表明，内皮细胞功能障碍是肺血管重构的一个关键初始触发因素，其特征是细胞过度增殖和早期凋亡，随后出现凋亡耐受性细胞群的富集。功能障碍的肺动脉内皮细胞失去了产生血管舒张介质的能力，这导致肺动脉平滑肌细胞反应增强，肺血管压力增加，右心室后负荷增加，以及进行性右心室肥大和心力衰竭。人们认识到，一系列异常的细胞分子标志物构成了PAH的病理生理基础，并且与BMPR2（骨形态发生蛋白受体2）基因的功能丧失突变有关，该基因是PAH最常见的遗传原因，与疾病预后较差有关。心脏、肺血管和全身组织中观察到广泛的代谢异常，这些异常可能导致对治疗反应的异质性。代谢异常包括高度糖酵解重编程、线粒体功能障碍、异常的多胺和鞘烷代谢、降低的胰岛素敏感性和缺陷的铁处理。本综述对已发表的将代谢异常与功能障碍性BMPR2信号传导联系在一起的机制进行了批判性讨论；对需要进一步验证的假设机制进行了探讨；以及它们与PAH发病机制和潜在治疗策略的相关性。
BMPR2和BMP信号轴
BMPR2是TGF-β超家族成员，是BMP的受体，在肺血管内皮中表达特别高，肺动脉平滑肌细胞（PASMCs）中表达较低。BMPs是二聚体的TGF-β细胞因子，通过2种类型1受体（ALK [活化素样激酶]1-7）和2种类型2受体（ActRIIA/ActRIIB [II型活化素受体]）的异二聚体复合物以及BMPR2、TGF-β受体2、AMH [抗米勒激素]受体2的复合物进行信号传导。当二聚体BMP复合物结合时，常活性的II型受体磷酸化I型受体，激活下游的经典SMAD依赖或非经典（SMAD非依赖性）信号传导途径，从而调节靶基因表达。简言之，BMP受体激活的经典信号传导是通过SMADs 1/5/8的羧基端磷酸化介导的，而TGF-β受体激活的信号传导是通过TGF-β受体诱导的SMADs2/3的磷酸化介导的。非经典信号传导是通过非SMADs介导的，包括ERK（细胞外信号调节激酶）、JNK（Janus激酶）和MAPK（p38丝裂原活化蛋白激酶）、PI3K（磷脂酰肌醇3激酶）和LIMK1（LIM激酶1），其激活被认为能使TGF-β的反应多样化。BMP的响应性主要受到细胞特异性表达的I型和II型受体复合物的影响，I型受体对BMPs和生长分化因子有更高的亲和力。通过BMPR2的信号传导调节细胞分化、增殖和凋亡等多个方面的功能。此外，它在心血管发育中起着至关重要的作用，因为观察到BMPR2突变小鼠存在多种血管异常，而缺乏经典SMAD1/5信号传导的小鼠则表现出致命的血管缺陷。
在PAH中，功能性BMPR2信号的丧失导致肺动脉内皮细胞（PAEC）凋亡和细胞增殖增加，通过增强TGF-β反应，以及由于空泡运输缺陷而导致血管屏障功能丧失。在缺氧和MCT肺动脉高压大鼠模型中，有针对性的BMPR2基因传递改善了右心室肥厚、血管重构并改善心脏功能。然而，虽然这两种模型都显示出缺陷的BMPR2信号传导，但目前尚不清楚BMPR2基因传递是否能纠正在PAH中观察到的代谢异常。
BMP9可以通过BMPR2、ALK1和ActRIIA信号传导，而BMPR2敲除导致PASMC中增强ActRIIA信号传导和SMAD 2激活。对BMPR2突变PAECs的BMP9处理可以恢复ALK1和BMPR2的经典SMAD1/5/8信号传导，减少内皮细胞凋亡和增殖。
PAH患者体内循环的炎性细胞因子，包括TNF-α，水平也升高，并与死亡率相关，支持炎症在PAH的发病和维持中的作用。此外，已经显示TNF-α能增强ActRIIA的表达并抑制BMPR2的表达，从而进一步促进通过ActRIIA信号传导。在PAH PASMCs中，TNF-α引起的BMPR2抑制通过ALK2:ActRIIA信号传导轴增加BMP6信号传导，从而驱动PASMC增殖。在PAH的啮齿动物模型中，TNF-α的抑制可以逆转肺血管重构，并在人体内抑制ActRIIA的表达并恢复BMPR2的表达。
PAH中的代谢重编程
近期的研究发现，在人体和PAH疾病模型的肺血管和心脏中，存在广泛的代谢重编程。在肺血管中，PASMCs和PAECs在氧充足的条件下表现出增强的糖酵解和减少的三羧酸循环（TCA循环）活性和线粒体代谢，尽管这种现象最早由Otto Warburg和他的同事在20世纪20年代在癌细胞中发现并被称为“Warburg效应”。虽然癌症和PAH之间存在相似之处，但其全面程度尚未完全描述，并且癌症中导致疾病的代谢紊乱是否在PAH中作为治疗靶点仍然未知。
线粒体功能障碍包括缺陷的电子传递链功能，表现为线粒体复合物表达和活性降低、增加活性氧（ROS）产生和超氧化物歧化酶活性降低。PAH血管细胞还表现出增强的生物合成代谢途径和一碳代谢，以及增强的谷氨酰胺代谢和脂肪酸合成，这些都为TCA循环的再充实提供了能量。这些变化共同促进了NADH、大分子和核苷酸的生物合成，以支持细胞增殖的需求。还观察到缺陷的精氨酸代谢，导致一氧化氮和舒张能力的减少。在右心室和左心室心肌细胞中也观察到糖酵解转变，此外还有增强的脂肪酸合成和谷氨酰胺代谢，为细胞增殖和相应的心室肥大提供能量。
BMPR2突变与糖酵解重编程和TCA循环活性缺陷密切相关，在PASMCs和PAECs中均有表现。此外，代谢重编程程度可能受到结构性BMPR2突变类型的影响，HPAECs（携带细胞质域突变）显示出与KD突变（激酶结构域突变）相比更严重的糖酵解重编程，尽管后者阻碍了经典的BMPR2-SMAD信号传导。不同BMPR2突变的多样功能后果可能部分解释了PAH临床表现的异质性和对治疗的响应性。除了糖酵解重编程外，BMPR2突变还与异常的多胺和鞘氨醇代谢、胰岛素敏感性降低和缺铁症相关，后者影响了重要的代谢酶的形成和活性。此外，异常的miRNA表达与PAH发病的多个方面、缺陷的BMPR2和增强的TGF-β信号传导强相关，如前面回顾过的，一些miRNA具有代谢调节功能。在本概述中，讨论了受BMPR2突变影响的代谢信号传导环路（图1）及其治疗指示。
图1. BMPR2突变的代谢后果。BMPR2突变与PAH相关细胞类型，包括肺血管细胞和心肌细胞，存在广泛的代谢异常。
BMPR2 突变对代谢重编程的影响
BMPR2 突变和糖酵解重编程：miR-124 缺失和 PTBP1 表达增强
在BMPR2突变的内皮细胞（ECs）中，增强的糖酵解重编程归因于调节替代剪接的PTBP1的表达增加，以及其促糖酵解的剪接产物PKM2。研究发现BMPR2突变抑制了miR-124在血液外生长的ECs中的表达，这是PAECs的一种代表性细胞，而miR-124的恢复抑制了PTBP1和PKM2的表达、糖酵解和细胞增殖，使其恢复到非疾病对照组的水平，这表明靶向miR-124/PTBP1/PKM2轴可能具有治疗潜力。在PAH肺动脉成纤维细胞中，也观察到增强的PKM2表达，并且通过PTBP1敲除或miR-124表达诱导可抑制细胞增殖。然而，关于BMPR2敲除与增强糖酵解之间的联系存在争议，有人观察到在人类PAH PAECs中，BMPR2敲除后糖酵解减少，这表明BMPR2敲除可能与与疾病相关的BMPR2突变不同地影响代谢。如图 2 所示，人们推测 TGF-β 经典信号传导的不平衡可能是 PAH 血管细胞中 miR-124-PTBP1/PKM2 驱动的糖酵解重编程的基础，需要进一步探索。
图2. TGF-β信号通路、microRNA-124和糖酵解重编程之间的关系。
miR-124的丢失和未折叠蛋白反应的激活
未折叠蛋白反应（UPR）是一种复杂的多臂信号传导途径，负责减少细胞内未折叠蛋白。当内质网（ER）蛋白质折叠需求超过时，UPR被激活以减少ER未折叠蛋白的负荷，如果不能减轻，将会激活细胞凋亡。在PAH中，ER应激增加，全球UPR抑制剂4-苯基丁酸显示在改善啮齿动物模型中的PAH方面有希望。
通过多组学方法，已经在癌症中确认了未折叠蛋白反应（UPR）激活与代谢重编程之间的联系，并且对耐药性产生影响。BMPR2突变先前与UPR激活相关联，通过引起内质网中未折叠蛋白的积累和激活内质网应激诱导的凋亡。此外，miR-124-3p通过抑制UPR活化来抑制该过程；然而，代谢重编程、miR-124和UPR激活之间的联系仍需进一步确认。
从BMPR2 (+/−)杂合小鼠的PASMCs中，UPR调节介质PERK（PKR-like ER激酶）的高表达导致EIF2a（真核起始因子2a）磷酸化、PDGFRb（血小板源生长因子受体b）-STAT1（信号转导子和转录激活子1）信号传导以及增殖和糖酵解基因KLF4（Krüppel样因子4）和HIF1-α（低氧诱导因子1-α）的表达增加。
在接受Sugen/低氧暴露后，药物PERK抑制（GSK2606414）比使用扩血管剂和内皮素受体拮抗剂伯瑞替安或全球UPR抑制剂4-苯基丁酸更有效地改善了肺PASMC驱动的血管重构，并改善了右心室功能。重要的是，增强的EIF2信号也在PAH的PAECs中观察到；然而，BMPR2突变、UPR活动和糖酵解编程之间的关系仍需进一步确认。
与PASMCs不同，从低氧诱导的大鼠PAH模型的肺中获得的ECs显示出低的KLF4转录活性，导致被抑制的扩血管反应。其他研究探索了KLF4在ECs中的糖酵解影响，证明动脉保护性脉动流通过KLF4诱导血管ECs表达糖酵解抑制剂GCKR（葡萄糖激酶调节蛋白）。相比之下，动脉病变倾向性的振荡流抑制KLF4的表达，导致增强的糖酵解，凸显了机械传感和病理性内皮代谢重编程之间的联系。
miRNA 17/92簇编码6种miRNA：miR-17，miR-18a，miR-19a，miR-20a，miR-19b和miR-92。IL（白细胞介素）在HEK293T细胞中强烈激活miRNA 17/92簇的表达，miR-17/92簇强烈抑制KLF4和BMPR2的表达，表明炎症、代谢调节和BMPR2信号之间存在联系。可以推测，这种影响可能存在于受到增强的振荡流的炎症性PAH外周肺动脉中，促进糖酵解重编程和血管重构。
BMPR2信号通路和VSMC-EC相互作用
在血管系统中，内皮细胞和平滑肌细胞之间的细胞间相互作用对于血管的结构和功能至关重要。此外，VSMC-EC接触对EC再生至关重要，且依赖于两种细胞类型都表达BMPR2，这在bmpr2基因杂合子的EC和VSMC转基因小鼠中得到证实。代谢重编程参与了这个过程，因为BMPR2允许Notch1驱动线粒体质量的稳定，PFKFB3驱动乙酰辅酶A的产生，以及耦合糖酵解，从而实现了内皮细胞的稳态增殖和维持功能性的内皮细胞单层。这些发现可能暗示了受损的BMPR2驱动的Notch1激活在代谢重编程中的作用，并需要进一步的研究。
GSK-3β、β-连接蛋白和经典TGF-β-SMAD信号通路之间的相互作用
GSK-3β、β-连接蛋白和经典TGF-β-SMAD信号通路之间的相互作用在纤维化性疾病和PAH中被观察到，并且有助于内皮-间充质转化和肺血管细胞增殖。当GSK-3β处于活跃状态时，通过诱导β-连接蛋白降解，抑制了wnt/β-连接蛋白信号传导。简而言之，GSK-3β通过阻止SMAD3的核定位和转录活性来调节TGF-β信号传导，因为GSK-3β活性的丧失会导致TGF-β1-SMAD3信号通路过度激活。GSK-3β还促进β-连接蛋白的降解，因为GSK-3β的丧失导致wnt信号传导和靶基因表达过度激活。最后，SMAD2/3活性的正反馈以TGF-β1依赖的方式阻止β-连接蛋白的降解，进一步促进TGF-β信号传导。
如前所述，GSK-3β、PTBP1和ILK之间的相互作用在缺氧PASMC的表型转换期间被观察到。重要的是，GSK-3β调节糖酵解和线粒体能量代谢，而β-连接蛋白通过靶基因c-MYC调节多个代谢和增殖基因的表达，包括PTBP162和PKM2；糖酵解酶PDK1（丙酮酸脱氢酶激酶1基因）和LDH（乳酸脱氢酶基因）；和GLUTs（葡萄糖转运蛋白基因）。
在人类PAECs中，功能性的BMP2-BMPR2介导的pERK1/2（ERK1/2的磷酸化）抑制了GSK-3β诱导的β-连接蛋白降解，促进了稳态下PAEC的增殖和存活。在经过单克隆腺嘌呤处理的PAH大鼠模型中，观察到肺组织和PASMC中总GSK-3β和磷酸化GSK-3β（抑制性磷酸化）的表达增强，暗示GSK-3β抑制在疾病进展中起关键作用。尽管GSK-3β的影响尚待确认，但已经证明人类PASMC BMPR2基因沉默RNA敲降或BMPR2突变会增强β-连接蛋白对糖酵解基因ALDH1A3（醛脱氢酶1家族成员A3）的转录激活，导致核内乙酰辅酶A产生和糖酵解基因（包括PKM2和IDH1）的表达增加。
因此，可以推测，在BMPR2功能障碍的情况下，TGF-β信号传导会导致Raf/ERK1/2的持续激活，抑制GSK-3β，从而稳定β-连接蛋白和糖酵解基因的表达。是否在BMPR2突变的PAECs中观察到这些效应有待进一步调查。
增强的 PPAR 信号传导
PPARs（过氧化物酶增生激活受体）是一类核受体蛋白，在调节脂肪生成和葡萄糖代谢方面发挥重要作用。PPARs包括三种亚型，即PPAR-α、PPAR-γ和PPAR-β/δ。尽管所有三种亚型都与脂质和葡萄糖代谢有关，但PPAR-γ主要促进能量的储存而不是能量的消耗。通过治疗利用，PPAR-γ激动剂有潜力减少循环游离脂肪酸、高血糖和胰岛素血症，在代谢紊乱中改善葡萄糖反应性。
PPAR-γ与TGF-β信号传导之间的相互作用在PAH中被广泛认可。PPAR-γ在小鼠VSMCs的BMP2/BMPR2信号传导下发挥抗增殖作用，在人类VSMCs中，功能性BMPR2的丧失导致持续的TGF-β信号传导和通过TGF-β依赖的miR-130a激活下调PPAR-γ mRNA的表达。
此外，miR-130a靶点的筛选发现在前5个靶点中包括SMAD4、SMAD5和PPAR-γ，miR-130的表达受到促血管生成的HIF2-α（但不是HIF1-α）的升高调控，这表明miR-130在血管生成中起重要作用。此外，功能性BMPR2的丧失导致β-连接蛋白-PPAR-γ复合物的形成减少，从而抑制apelin的表达，并通过旁分泌效应增强EC凋亡和PASMC增殖。
在代谢重编程的情况下，BMP2/BMPR2-PPAR-γ信号在人类PASMCs中还增强了miR-148a和miR-331-5p的表达，后者抑制了限速的糖酵解酶PFKP（磷酸果糖激酶1血小板亚型）和TGF-β诱导的PFKP表达。将PPAR-γ表达在癌症中恢复治疗导致PGK1（磷酸甘油酸激酶1）和PKM2的抑制，从而减少糖酵解和癌细胞的存活，表明PPAR-γ在控制糖酵解代谢中起关键作用。是否恢复PPAR-γ和miR-148/miR-331-5p信号传导可以纠正BMPR2突变背景下的代谢异常还需进一步确认。未来的实验应该探索EC BMPR2突变与PPAR-γ-miR-148表达轴、TGF-β信号传导之间的联系，以及其与糖酵解重编程的相关性。图3中展示了一个假设：BMPR2功能障碍会使平衡向TGF-β依赖的SMAD2/3信号传导倾斜，并通过增强β-连接蛋白信号传导和抑制PPAR-γ来进行糖酵解重编程，这在很大程度上依赖于miRNA的协调作用。
图3. 增强的TGF-β信号传导、PPAR-γ和糖酵解重编程之间的机制联系。
除了PPAR-γ外，PPAR-β/δ在内皮中也高度表达，并与肿瘤血管生成有关，因为内皮细胞特异性过表达PPAR-β/δ会导致肿瘤血管生成和转移。然而，对人脐静脉内皮细胞单层进行PPAR-β/δ激动剂处理，抑制了糖酵解活性，但通过上调SIRT 1 (sirtuin 1)增强了形成小管细胞的糖酵解活性，这表明它在内皮中能够动态调节代谢活性。对PPAR β/δ与PAH发病机制相关性的研究还有限，但有证据表明药理学上激活PPAR β/δ可能有治疗效益，因为用PPAR-β/δ激动剂GW0742治疗缺氧诱导的PAH大鼠直接改善了血管舒张，尽管未观察到对小动脉重塑的影响。需要进一步确认BMPR2突变是否影响PPAR-β/δ表达，并且增强的PPAR-β/δ信号是否可以作为纠正异常血管代谢的治疗靶点。
HIF2-α与HIF1-α的相关性
HIF信号通路是糖酵解重编程的重要驱动因素，在PAH血管和丛样病变内观察到HIF及其靶基因表达的上调。携带与疾病相关的BMPR2突变的人肺微血管内皮细胞还显示了异柠檬酸脱氢酶活性的增强，该酶催化三羧酸循环中间产物异柠檬酸转变为α-酮戊二酸。这些细胞显示出α-酮戊二酸的产生减少，而该化合物对脯氨酸羟化酶诱导的HIF降解至关重要。此外，还观察到HIF应答基因表达的增强，血清IDH活性与疾病严重程度强相关。
哺乳动物HIFs以异二聚体形式调控基因转录，其中包括HIF1-α或HIF2-α与HIF1-β结合。虽然广泛表达的HIF1-α调控参与糖酵解通量和增殖的基因，HIF2-α则在特定细胞类型中表达，并被认为控制血管生成和生长反应。之前的研究已经指出，内皮细胞优先表达HIF2-α，而肺动脉外膜细胞和平滑肌细胞则同时表达HIF1-α和HIF2-α。此外，EC源性HIF2-α似乎在慢性缺氧应答和血管发育中至关重要。HIF2-α在PAH的发展中也比HIF1-α更为关键，因为对HIF1-α进行全身性抑制对小鼠PH的发展没有影响，将HIF2-α定位为一个有吸引力的治疗靶点。其他研究还表明，EC HIF2-α的表达维持了对缺氧性肺动脉收缩的激活，在HIF2-α杂合子小鼠中，慢性缺氧时肺血管重塑和心肌肥厚反应减弱。
在HUVEC过表达HIF2-α的基因差异表达分析中，显示TGF-β和BMP4信号通路的增加约2倍。虽然HIF2-α过表达并没有增强代谢基因的表达，这与观察到的HIF1-α过表达不同，但尚未评估HUVEC的代谢活性。此外，PFKFB3被认为对HIF2-α敏感，因此可能会影响HIF2-α过表达的HUVEC的糖酵解活性。在过表达PFKFB3的人类PAECs中，HIF2A的沉默阻止了PFKFB3诱导的粘附分子、生长因子和炎性细胞因子的表达，但在HIF1A的沉默后并未观察到这种情况。这些发现表明代谢、HIF2-α信号和内皮细胞功能之间存在关键关系。最近，BMP4被认为可在肝细胞肝癌细胞中诱导缺氧性糖酵解重编程，通过上调PFKFB3、PKM2和HK（己糖激酶）2。然而，HIF2-α和BMP4表达与血管细胞糖酵解重编程之间的联系尚待证实。
因此，人们可以推测，持续的HIF2-α介导的TGF-β增强可能会通过增强TGF-β信号通路间接地将代谢平衡倾向于糖酵解，这可能会因功能性BMPR2的丧失而被加强。
BMPR2突变的人类肺微血管内皮细胞和肺动脉高压R899x/+小鼠也显示出DNA修复酶RAD51重组酶的缺陷，这是由于缺陷的BMP9-ALK1-BMPR2信号通路下游RAD51抑制性miR-96的增加。此外，恢复BMPR2-BMP9信号或RAD51可挽救DNA损伤，将BMPR2-RAD51回路提出作为一个有吸引力的治疗策略。在癌症中，RAD51的下调导致增加的ROS产生，HIF1-α表达和糖酵解活性。此外，胰腺癌中观察到miR-96的升高。RAD51在BMPR2突变的血管细胞和PAH模型中是否也影响糖酵解代谢和ROS产生，尚待进一步探索。
抑制Atonal BHLH转录因子8（ATOHL8）的表达
在PAH的病理发生中，异常的HIF2-α信号传导也与功能性BMPR2信号丧失相关联。在人类PAH肺组织中，HIF2-α的直接抑制子和SMAD1/5的目标基因ATOHL8的表达降低。在小鼠中进行ATOHL8基因沉默会导致PAH血管重塑和血管生成相关的HIF2-α靶基因DLL4和ANGPT2的表达。尽管HIF1-α的表达也增加了，但其靶基因VEGF（血管内皮生长因子）和PGK（磷酸甘油酸激酶）的表达没有受到影响，这表明对目标基因表达的影响存在不同的阈值。
TGF-β和BMP4对于弹性纤维的组装是必需的，在携带BMPR2突变的PAH患者中，弹性纤维的形成和组装较差。如图4所示，我们推测这些影响可能发生在ATOHL8抑制的下游，此外还包括前面讨论过的增强的糖酵解重编程。在循环的结直肠肿瘤细胞中，受剪切应力诱导后，VEGF依赖的ATOHL8激活通过上调GLUT1和HK基因的表达来促进糖酵解并增强细胞的存活。因此，还需要研究ATOHL8在PAH血管细胞中恢复的代谢后果。
图4. ATOH8下调、HIF2-α上调和基质刚度之间的关系。
ID 蛋白表达的相关性
分化抑制因子（ID）蛋白家族是BMP信号传导的下游效应因子，通过影响细胞周期控制促进细胞增殖。在缺氧应答中，通过激活经典的BMPR2-SMAD 1/5/8信号传导，人类PASMCs中观察到ID1-3的大量BMP依赖性诱导，从而抑制细胞增殖。这些细胞中BMPR2经典信号传导的丧失也会消除ID蛋白的抑制增殖反应，因为ID3慢病毒过表达抑制增殖。然而，在BMP9刺激的BMPR2突变PASMCs中，ID1的表达有选择性地增强，据认为推动了其增强的增殖。
ID1已被认为参与糖酵解程序，并且其调控似乎受局部氧张力影响。在癌细胞中，氧化MAPK/ERK激活诱导ID1和靶基因c-Myc的表达，导致糖酵解基因的增强表达。然而，在缺氧情况下，糖酵解活性主要通过HIF1-α驱动，因为HIF1-α通过Mxi1（MAX相互作用蛋白1）抑制ID1。在代谢紊乱的背景下，从id1缺失小鼠中分离的胰岛组织显示出糖酵解基因的减少表达、葡萄糖摄取的改善和胰岛素敏感性的提高，说明了ID1在糖酵解编程中的氧化作用。
然而，ID1信号与糖酵解重编程之间的联系在PAH组织中尚未得到证实。尽管ID1对血管细胞代谢的影响尚未得到证实，但在癌症中的证据表明，恢复ID1不太可能在PAH血管细胞中促进糖酵解重编程，因为它们显示持续的HIF1-α活性。
增强鞘氨醇代谢
S1P（鞘氨醇-1-磷酸）是由血管和造血细胞产生的生物活性脂质，在代谢重编程、细胞存活和增殖中起关键作用。S1P在细胞内由SphK1（鞘氨醇激酶1）和SphK2合成，并通过S1PR1-5家族的GPCR（G偶联蛋白受体）信号传递。在癌细胞中，S1P-S1PR信号传导被发现促进糖酵解代谢重编程，通过调节TGFβ/TGF-β2、YAP-c-Myc复合物和ß-catenin介导的信号级联。PDGF刺激大鼠PASMCs导致Sphk1/S1P信号传导和细胞增殖，通过增强miR-21的表达。作为PDGF刺激的结果，miR-21抑制PASMC BMPR2基因表达和抗增殖因子ID1的表达，这通过miR-21抑制剂转染得到确认。证实S1P-S1PR信号传导的代谢影响可能揭示出，针对S1P-miR-21轴是否能够有效抑制糖酵解，并恢复BMPR2突变细胞中ID1表达的抗增殖效应。
BMPR2 突变和线粒体生物能学
PAH病症中已观察到线粒体功能失调和结构组织异常。简而言之，PAH血管细胞表现出丙氨酸代谢和脂肪酸合成等生物合成途径的增强活性，允许TCA循环重新填充以供养生物质的生产和增殖。此外，线粒体表现出增加的裂解和断裂，以及增强的ROS产生；然而，后者的确切机制由于PAH疾病模型的变异性尚待确认。此外，从PH单克隆霉素大鼠模型获得的PASMCs显示降低的Kv1.5（电压激活的钾通道）介导的线粒体膜超极化，允许逃避线粒体依赖性凋亡和PH的发展，这种效应可以通过DCA处理来防止。
在EC-Bmpr2−/−小鼠和BMPR2敲除的人类PAECs中，观察到线粒体膜电位升高和炎症细胞因子的产生增加，这是由于p53和PGC1A（过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1-alpha）表达增强所致。然而，在缺氧-再氧化后，BMPR2缺失促进线粒体DNA损伤和PAEC凋亡，由于p53和PGC1A以及TFAM（线粒体转录因子A）表达受损。这些效应在携带致病性BMPR2突变的PAH患者中也观察到。在Bmpr2R899X突变小鼠的全身组织和从其肺组织中分离的肺微血管内皮细胞（PMVEC）中，观察到华氏糖酵解、线粒体解耦和增强的ROS产生，并且这些效应由高氧诱导的氧化应激增强。这些发现展示了对于携带BMPR2突变的PAH患者，氧气替代疗法的限制，由于它可能增加疾病在体内的渗透性和严重程度。
增强的谷氨酰胺分解以及SIRT3和YAP/TAZ的相关性
当葡萄糖碳进入TCA循环减少时，谷氨酰胺代谢维持TCA循环的补充，为dNTPs的产生提供碳源以满足增殖的需求。在人类和啮齿类模型中，线粒体去乙酰化酶SIRT3的缺乏与PAH相关，并且通过腺病毒恢复SIRT3来改善PAH血管重塑。
在机制上，PASMC的选择性SIRT3表达丧失导致促糖酵解转录因子NFAT的增强核定位，并抑制GSK-3β活性。与BMPR2信号传导的功能失调建立联系，携带BMPR2 CD突变的小鼠显示出增强的谷氨酸代谢，由于SIRT3的线粒体内氧化失活（一种参与线粒体能量产生的赖氨酸去乙酰化酶），导致HIF1-α活性增强。SIRT3在ECs中的功能后果已经得到审查，其中包括糖酵解的再编程和增强的ROS产生。尽管SIRT3对内皮功能显然很重要，但在BMPR2功能失调情况下，内皮细胞代谢功能失调与SIRT3缺失之间的联系尚待确认，以及SIRT3恢复是否为一种可行的治疗策略。
在血管细胞中，转录共激活因子YAP和TAZ（又称WWRT1）上调GLS（谷氨酰胺酶）1的表达，并且GLS1和YAP/TAZ水平在PAH中也升高。在癌症中，酪氨酸105磷酸化PKM2和PFK1（磷酸果糖激酶1）增强了YAP/TAZ的活性，从而分别导致谷氨酸和糖酵解代谢的增强以及细胞增殖。图5显示了miR-124-PTBP1-PKM2轴，增强的YAP/TAZ活性和PAH血管细胞中谷氨酸代谢之间的联系，但尚待确认。
图 5. TGF-β 信号传导、BMPR2功能障碍和YAP/TAZ
YAP/TAZ还增强TGF-β信号传导，其转录活性和核转位受到细胞外基质的硬度和S1P信号的增强影响。在人类皮肤真皮成纤维细胞中，YAP/TAZ的机械调控导致TGF-β信号传导的增强，通过诱导SMAD3和TGF-β靶基因的表达。骨吸收细胞在流体剪切应力作用下显示YAP/TAZ依赖性的BMP2/TGF-β-SMAD2/3基因转录和稳定性，以及SMAD1的降解。最近发现，BMP6能激活Hippo信号通路，通过将YAP/TAZ保留在细胞质中抑制其活性，从而允许SMAD7的表达并抑制SMAD3。
在与肺动脉高压（PH）相关的血管僵硬度情况下，对原代人类肺动脉内皮细胞（PAECs）和平滑肌细胞（PASMCs）进行YAP/TAZ或GLS1的敲低可降低细胞增殖和迁移。此外，补充天冬氨酸，提供TCA循环的质量平衡，促进细胞增殖，可以逆转这些效应，突显了血管细胞功能、代谢重编程和基质硬度之间的关联。在单克脱嗪大鼠模型中观察到肺小动脉的YAP/TAZ活性增加，同时TCA循环活性降低，内膜和中膜层均增加糖酵解酶LDHA和PC（丙酮酸羧化酶）的表达。类似的情况也观察到在人类PAH肺组织中，包括丛样病变区域。
在BMPR2突变的情况下，可以推测BMP6-BMPR2信号的丧失导致Hippo通路活性的丧失，使YAP/TAZ能够进入细胞核并诱导靶基因的表达。关于通过恢复Hippo通路和/或BMP6/BMP2-BMPR信号来调节YAP/TAZ以纠正BMPR2突变情况下的代谢异常，尚需进一步研究。
BMPR2 突变和多胺代谢
多胺是一类生物活性胺类化合物，通过精氨酸和/或鸟氨酸的代谢转化形成。多胺调节细胞生长和DNA稳定等多个细胞功能，因此被认为是癌症治疗的潜在靶点。在肺动脉高压（PAH）患者中，多胺精胺的血清水平升高，同时5-甲硫腺苷也升高，后者催化了精胺从丁二胺的形成。此外，PAH模型中低氧条件也会提高多胺精胺水平，从而促进血小板源生长因子（PDGF）介导的平滑肌细胞增殖。
在BMPR2突变的人类肺微血管内皮细胞（hMVPECs）中，通过上调ECs和PASMCs中高表达的P5家族的P型ATP酶ATP13A3，多胺合成和转运得到增强，观察到CD突变体中精胺和丁二胺水平升高。这些发现表明CD突变特异性地影响了鸟氨酸脱羧酶1（ODC1）和精胺合酶（SMS）的上调，后者催化了丁二胺和精胺的形成。近期，ATP13A3被认为是PAH的一种新的致病性杂合突变体，ATP13A3的敲低抑制了内皮细胞增殖和凋亡。因此，可以推测失活型BMPR2突变和ATP13A3的协同作用促进了PAH的发生，这可能会受到BMPR2结构突变类型的影响。
BMPR2突变和全身代谢重编程：胰岛素不敏感
胰岛素抵抗与失活型BMPR2突变在PAH中有着密切的联系，突显了BMPR2突变的系统性后果。CD型BMPR2突变（R899x）导致A7r5（大鼠胸主动脉）VSMCs中胰岛素抵抗增加，并且在体内抑制了PMVEC糖皮质激素受体靶基因的表达。机械地，无论是CD型还是KD型的突变都导致PMVECs和VSMCs中糖皮质激素受体的周核转位，这表明缺陷的细胞骨架运输可能推动BMPR2突变体的糖皮质激素不敏感性。支持这些发现的是，BMPR2突变体（KD或CD）PMVECs中的胰岛素不敏感性也显示出GLUT4（葡萄糖转运蛋白4）膜转位的减少。细胞骨架重塑与代谢之间广泛的联系及其对细胞功能的影响最近已进行了综述。因此，在研究BMPR2突变的代谢功能紊乱时，应考虑这些观察结果。
在血管内皮细胞中，胰岛素促进TGF-β受体的表达，TGF-β -SMAD2/3信号通路，从而引起血管生成和迁移反应。脂肪细胞的研究显示，BMP4和BMP6通过SMAD1/5/8依赖性上调PPAR-γ的表达起到胰岛素敏化作用，并在血管内皮细胞中，胰岛素增强内皮细胞端粒/BMP9/ALK1-SMAD1/5/8信号通路和细胞增殖。恢复BMPR2/SMAD1/5/8信号通路可能会增强PAH中内皮细胞对胰岛素的反应。然而，BMPR2突变可能通过增强TGF-β信号传导来使内皮细胞对胰岛素抵抗性和相关反应增加，这一点还需要进一步证实。
然而，在心肌细胞中，对胰岛素的响应可能与突变特异性相关。在基线条件下，表达BMPR2 CD突变的H9c2细胞（一种从心脏组织获得的大鼠肌母细胞系）显示葡萄糖摄取增加，而表达KD突变的细胞则减少。在胰岛素刺激下，CD突变细胞的葡萄糖摄取减少，而KD突变细胞则增加（但总体上仍低于对照组）。CD和KD突变体还显示出MFGE8（乳脂肪瘤内生长因子8）的基础表达增加，这是脂肪酸摄取的主要促进因子，并且对胰岛素不敏感。实际上，MFGE8的血清水平与糖尿病中的胰岛素抵抗相关，而MFGE8的缺失则阻止了平滑肌细胞的增殖和缺氧诱导的PAH。这些研究突显了MFGE8作为PAH中与血管和心脏相关的预后生物标志物的潜力。然而，还需要进一步研究来确认与缺陷BMPR2之间的MFGE8的分子机制以及其治疗潜力。
增强铁代谢和铁缺乏症
特发性和遗传性PAH患者常常表现出降低的血清铁水平，这表明铁的处理在PAH发病机制中起着关键作用。简要地说，铁对多种细胞功能至关重要，包括氧气运输、酶功能和代谢，PAH患者的铁缺乏与肺血管重塑相关，并与疾病进展和预后呈负相关。在PAH中，患者显示血清肝素水平升高，这是一种肝脏产生的激素，它抑制铁的吸收和生物利用率，并与缺陷的红细胞生成和升高的IL-6/IL-1β介导的炎症相关。
在小鼠肝细胞中，富含铁的饮食或肝素耗竭会诱导BMP6-SMAD1/5/8信号通路，并以SMAD4依赖的方式表达ATOH8和ID1。此外，SMAD 1/5/8的消融会引起严重的组织血色病和肝纤维化，这表明BMPR2规范信号在铁的处理控制中起着关键作用。
BMPR2突变与铁缺乏有关，功能性BMPR2-SMAD信号通路调节肝素的产生，而BMPR2在人类肝癌细胞系（肝细胞[Hep] G2）中的抑制会增加肝素的产生。此外，IL-6-JAK/STAT3信号通路也调节肝素的产生，这表明炎症与PAH中异常的铁处理之间存在联系。然而，除非同时敲除两种类型2受体，否则缺乏功能性BMPR2或ActRIIA的小鼠肝细胞表现出正常的铁稳态。最近的研究表明，BMPR2突变的PAEC在肝素刺激后显示增强的SMAD1/5磷酸化，这可能表明BMP6/7信号ActRIIA信号的补偿性激活，因为BMP6和BMP7在肝素的表达中发挥关键作用。在一个看似负反馈的机制中，IL-6信号通路和肝素刺激会降低PAEC中BMPR2的表达。
PINK1（PTEN诱导激酶1）是一种线粒体丝氨酸/苏氨酸激酶，在抵抗氧化应激和细胞死亡、线粒体结构组织和线粒体自噬调节中发挥作用，后者由parkin介导，是一种E3泛素连接酶。与PINK1和相关通路组分的多种原因突变已经得到鉴定，其中最重要的是在神经退行性疾病中，正如之前的综述所述。
此外，PINK1还与PH发病机制有关，它促进ECs中缺乏线粒体UCP2（解偶联蛋白2）的线粒体的parkin介导的降解。不仅缺氧可以诱导PASMC PINK1和parkin表达，他们的双重或单独的敲低还可以抑制PASMC增殖和肺血管重塑。
重要的是，在肝素刺激的BMPR2突变PAECs中，PINK1的表达升高，这表明铁处理与线粒体机制之间存在联系。综上所述，这些发现表明功能失调的铁处理可能是BMPR2突变ECs线粒体功能异常的关键“第二次打击”触发因素。
BMPR2功能障碍和右心室脂毒性
在PAH右心室心肌细胞中观察到以增强的糖酵解和脂肪酸合成为特征的异常代谢，这强烈影响了PAH相关的心脏功能障碍。然而，尽管BMPR2突变携带者观察到更严重的右心室功能障碍，但与非突变者相比，并未观察到BMPR2或TGF-β信号通路对右心室功能的影响。
正如之前提到的，Bmpr2突变的大鼠心肌细胞（H9c2细胞）显示出降低的胰岛素敏感性，其原因是异常的脂代谢。此外，这些细胞显示增强的ROS产生，但氧气消耗没有改变，这表明其更倾向于将氧气用于ROS产生而非有氧代谢。
右心室脂毒性被认为是PAH心脏功能障碍的一个标志，正如在遗传性PAH患者取出的右心室组织样本中观察到的。此外，使用质子磁共振波谱法对6名具有PAH的患者进行了右心室组织分析，其中包括NYHA I级心力衰竭的患者，发现其甘油三酯含量比对照组高7倍，这表明右心室功能障碍在疾病早期阶段就已经产生。然而，作者并未说明这些患者是否携带BMPR2突变，因此BMPR2突变在此背景下的相关性并不清楚。
此外，在进行肺动脉结扎的Bmpr2 CD突变普遍表达的小鼠中观察到了右心室脂毒性。这些结果表明右心室脂毒性是由于与Bmpr2信号通路相关的增加后负荷以外的因素引起的，可能包括在大鼠心肌细胞中观察到的异常胰岛素和葡萄糖代谢，以及在Bmpr2突变小鼠中观察到的增强脂肪酸转运蛋白CD36表达。这些发现进一步支持了BMPR2突变在异常右心室代谢和功能中的作用，并其在疾病早期阶段的作用。然而，需要进一步的研究来确认将这些效应与BMPR2联系在一起的具体分子机制。
BMPR2功能障碍和雌激素代谢
PAH的患病率在女性中较高，这引发了有关BMPR2突变与性激素代谢之间相互作用的问题。重要的是，雌激素被认为通过表观遗传机制调节心血管功能，这些效应已经被先前回顾。这些效应包括增强miRNA表达，在健康和疾病状态下，包括代谢性疾病、神经退行性疾病、自身免疫疾病和癌症等，都认识到miRNA和靶基因表达存在性别差异。
令人信服的证据表明，雌激素代谢产物16αOHE（16α-羟基雌酮）通过上调miR-29群促进BMPR2相关的PAH，并促进胰岛素抵抗。在bmpr2R899X突变小鼠中，miR-29拮抗剂阻止了16αOHE对PPAR-y的抑制作用；抑制了脂肪酸转运蛋白CD36的表达；增加了线粒体大小。在经过雌激素抑制剂阿那曲唑和富马酸一起治疗的bmpr2R899X突变小鼠中，也观察到了类似的效果，这是一种用于人类乳腺癌雌激素抑制的组合治疗。雌激素增加了对PAH的易感性的作用可能也涉及miR-221表达的增强。在人类PAH肺组织中，缺氧HPASMCs表现出miR-221和miR-222的表达增强，miR-221抑制剂减轻了HPASMC的增殖和迁移。在这些发现之前，miR-221的血清水平在代谢综合征患者中被发现过表达，尤其在女性中。
此外，在人类乳腺癌细胞系（MCF7）中，miR-124被雌激素信号通过雌激素受体α强烈抑制，导致肿瘤发生增强。实际上，雌激素拮抗剂他莫西芬可以恢复miR-124的表达。是否BMPR2突变通过糖酵解重编程的方式影响miR-124下调和PTBP1/PKM2表达，值得进一步研究。
这些发现支持了雌激素在代谢重编程中的作用，并提供了解释女性增加疾病易感性的重要分子机制。进一步的研究应该确认KD BMPR2突变如何影响这些观察到的效应，如之前观察到的糖酵解重编程，并确定雌激素抑制是否是人类PAH的有效治疗策略。
结论与展望：
不论是否存在BMPR2突变，广泛的代谢异常在心肌细胞和肺内皮细胞中都有观察到，代谢重编程程度受BMPR2突变的存在和可能的类型强烈影响。积累的证据表明BMPR2突变导致miRNA表达和活性广泛增加，似乎将突变与多个代谢异常方面联系起来，并强调战略性抑制多个相关miRNA以达到最大的治疗效果的重要性。
BMPR2突变已与通过miRNA调控PTBP1表达和PDGF2b/STAT1信号通路的糖酵解重编程强烈相关。结构性突变是否影响miRNA表达，从而影响代谢参数的调控尚不清楚。需要进一步研究以确认这些效应是否归因于TGF-ß/SMAD2/3的增功能信号传导，该信号传导在缺乏功能性BMPR2时是血管细胞增殖和凋亡抵抗的关键驱动因素。通过TGF-ß/SMAD3的增功能信号传导与增强的ß-catenin/wnt信号传导、PPAR-γ和ID1信号通路的下调，以及谷氨酰溶解活化因子YAP和TAZ的上调相关联，在癌症中，这些因子促进Warburg糖酵解、增殖和存活。
在多种情况下，PAH已与癌症进行比较，因为两种疾病都包括糖酵解重编程，这是未受控制的细胞增殖和凋亡抵抗的核心。在癌症和PAH中，通过TGF-ß/SMAD信号传导的增功能连接的代谢重编程可能揭示了新的机制，这些机制将BMPR2突变与代谢异常联系起来。在PAH血管细胞中，连接BMPR2突变、YAP/TAZ信号和谷氨酰溶解的机制尚待确认，治疗性地靶向ID1或SIRT3是否也会影响糖酵解重编程并证明是一种有效的治疗策略。
已在PAH中认识到BMPR2突变与缺陷的铁代谢之间的联系。首次发现在PAH中缺陷的铁代谢与通过上调PINK1引起的线粒体功能障碍有关，然而，BMPR2突变的影响和恢复BMPR2信号的治疗可行性需要进一步调查。此外，有令人信服的证据表明BMPR2突变与雌激素之间的相互作用可能通过表观遗传调控miRNA表达而加剧疾病。雌激素是否在BMPR2功能失调的情况下增强代谢重编程需要进一步研究。在这方面的进一步研究将为性激素代谢在诊断、治疗和监测策略中的作用提供新的见解。利用生物信息学和体外建模的力量将使我们更加接近了解PAH血管细胞中代谢重编程的程度和特定BMPR2突变的影响，从而指导更有效的治疗策略的开发。
参考文献：
Cuthbertson I, Morrell NW, Caruso P. BMPR2 Mutation and Metabolic Reprogramming in Pulmonary Arterial Hypertension. Circ Res. 2023 Jan 6;132(1):109-126. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.122.321554. Epub 2023 Jan 5. PMID: 36603064.
转自：“肺动脉高压研究进展”微信公众号
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