《Cell Biochemistry and Biophysics》：Healing mechanisms of Galectin-1 in the ischemic heart
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本综述系统阐述了内源性β-半乳糖苷结合凝集素Galectin-1在心肌梗死(MI)后的心脏保护效应。其通过激活PI3K/AKT信号通路促进心肌细胞(CMs)存活，诱导巨噬细胞向M2型极化，并协同调控血管生成与电生理活动，为缺血性心脏病的治疗提供了潜在的免疫调节与再生医学新靶点。
Abstract
心脏有限的再生能力加剧了心肌梗死(MI)，这是导致心力衰竭的主要原因。Galectin-1作为一种内源性β-半乳糖苷结合凝集素，通过调节免疫反应、促进血管生成和改善细胞存活，加速了MI后的心脏再生和修复反应。Galectin-1通过激活PI3K/AKT信号通路与心肌细胞(CMs)存活相关，并通过向M2巨噬细胞的转换促进有限的不利重塑。Galectin-1响应缺血诱导的炎症和缺氧而上调，突显了其在内源性防御系统中的功能。由于协同的免疫调节、血管生成和电生理效应，Galectin-1在心脏再生中至关重要。尽管最近的研究强调了Galectin-1在心脏保护中的重要性，但机制研究以及转化/临床研究仍然有限。本文重点全面回顾了目前关于Galectin-1心脏保护作用及其用于MI管理的转化机会的理解。
Introduction
心力衰竭(HF)是全球主要的死亡原因之一，预计到2050年将导致3560万人死亡。心肌梗死(MI)是心力衰竭最常见的原因。在病理学上，由于缺乏氧气，心脏细胞特别是心肌细胞(CMs)恶化，导致不可逆的损伤和心输出量减少。MI后心脏受损会触发炎症和伤口愈合反应，导致瘢痕形成。本质上，心脏具有非常有限的再生能力，因此反复梗死和长期炎症反应增加了HF的风险。手术和神经激素激活可以保护存活的CMs。虽然手术血运重建显著改善了临床结果，但恢复先前缺血心肌的血液供应会诱发缺血再灌注损伤，这是现代心脏保护策略旨在最小化的过程。此外，神经激素激活虽然在短期内具有保护作用，但持续时间短，从而导致损伤持续存在。当心功能无法修复时，心脏移植是最后的手段。不幸的是，目前的治疗方法无法解决大面积MI后约10亿个CMs的丢失问题。
目前的再生策略，包括细胞疗法和激活内源性心脏祖细胞，在促进心脏修复方面具有潜在益处。然而，这些方法未能完全恢复心脏功能，主要是由于细胞存活、整合和长期疗效方面的挑战。例如，骨骼肌成肌细胞被证明可以恢复心肌并提供功能改善；然而，未能与宿主心肌建立电连接。临床试验显示骨骼肌成肌细胞疗效有限，并且由于间隙连接有限而导致心律失常风险高。有趣的是，胚胎干细胞(ESCs)在豚鼠心肌损伤模型中显示出稳定的移植物并与宿主心肌电整合。然而，人类给药后长期生存和免疫抑制的担忧带来了重大挑战。
细胞信号通路在调节病理生理条件方面至关重要，操纵分子靶点以恢复心脏显示出再生希望。在此背景下，Galectin-1因其免疫调节和组织修复的关键作用而被确定为一种有前景的候选蛋白。Galectin-1促进血管生成、限制不良重塑和细胞存活，从而激活心脏愈合。值得注意的是，Galectin-1与内皮细胞相互作用，协助新血管的发育和稳定，并诱导肌成纤维细胞分化以增加胶原蛋白和细胞外基质(ECM)蛋白的产生。此外，Galectin-1是一种关键的免疫抑制因子，通过抑制促炎细胞因子、促进活化T细胞凋亡和支持耐受性树突状细胞，在包括MI在内的多种疾病中发挥作用。尽管具有这些促愈合作用，Galectin-1在转化心脏病学中的意义仍未得到充分探索。在此背景下，本文重点全面回顾了目前关于Galectin-1心脏保护作用及其用于MI管理的转化机会的理解。
Biology of Galectin-1
Galectin-1由位于染色体22q12上的LGALS1基因编码，是凝集素家族中发现的第一个蛋白。Galectins是一类具有高度保守的碳水化合物识别域(CRD)的凝集素，特异性结合含β-半乳糖的寡糖。LGALS1基因是一个相对较小的单外显子基因，直接编码Galectin-1。Galectin-1蛋白是由14-kDa亚基组成的同源二聚体，排列成三明治样结构，具有两个反平行β-折叠。LGALS1每个二聚体有两个半乳糖苷结合位点，在正常和病理条件下在各种组织中表达。Galectin-1主要存在于细胞质中或分泌到细胞外空间、细胞膜和细胞核中，调节各种核过程，如基因表达和细胞周期进程。总体而言，由于其能够与细胞周期、免疫和炎症相关的多种配体结合，Galectin-1具有膜性、细胞内和细胞外效应。
Galectin-1与ECM的各种糖缀合物配体相互作用，如层粘连蛋白和纤连蛋白，以及内皮细胞上的配体，如ROBO4和CD36，还有T淋巴细胞。人Galectin-1在溶液中是一种二聚体，通过单体在其连接处的相互作用和高度保守的疏水核心稳定。Galectin-1同源二聚体的一个决定性特征是在低浓度下自发解离成单体形式(Kd ~ 7 μM)。解离的单体与碳水化合物的结合亲和力较低。Galectin-1的细胞内活性及其氧化形式不依赖于其凝集素功能，而其细胞外活性则依赖于此。每个Galectin-1单体每个亚基有六个半胱氨酸残基，这使得Galectin-1对氧化高度敏感。Galectin-1失去凝集素功能证实了半胱氨酸-SH残基对于维持凝集素活性至关重要。Galectin-1的一个独特特征是它分泌到细胞外空间，尽管缺乏正常内质网/高尔基体途径所需的信号序列。细胞外Galectin-1稍大(~ 15 kDa)，表明分泌前或分泌后发生了翻译后修饰。此外，Galectin-1的分泌取决于凝集素与含β-半乳糖苷的细胞表面受体之间的功能相互作用。
Galectin-1在免疫豁免区、活化的免疫细胞以及内皮细胞、上皮细胞中高表达，并大量参与心脏胚胎发生和血管发育。缺血性心脏病和心力衰竭等疾病，如缺氧、氧化应激和炎症性损伤，会产生上调Galectin-1的组织微环境。Galectin-1启动子位点的高甲基化使LGALS1基因沉默，并阻断转录因子以降低Galectin-1的表达。
Regulation of Galectin-1
Galectin-1的表达受遗传、表观遗传和生理/病理条件（包括缺氧）的影响。LGALS1基因的表达受甲基化程度以及AP1、NF-kB和HIF-1等转录因子活性的驱动。此外，慢性心力衰竭的生物标志物miRNA-22-3p通过干扰其mRNA下调Galectin-1表达。此外，nek8基因的单点突变显示Galectin-1上调。H-Ras、胰岛素（地塞米松、甲基异丁基黄嘌呤、胰岛素混合物）和脂多糖(LPS)会增加Galectin-1的表达。当Galectin-1与H-Ras形成复合物时，Galectin-1稳定膜锚定，然后通过Ras通路的反馈回路增加Galectin-1的活性。胰岛素通过脂肪细胞分化间接增加脂肪组织中的Galectin-1水平。LPS通过激活TLR4信号通路增加Galectin-1表达，进而激活NF-kB，这是一种结合LGALS1并诱导Galectin-1表达的转录因子。缺氧通过缺氧诱导因子(HIF)1alpha蛋白上调Galectin-1，这与CMs中Galectin-1在急性MI和大动脉粥样硬化性卒中表达增加的情况类似。
Galectin-1的下调涉及转录抑制、酶控制和翻译后抑制。KLF12是一种转录因子，直接结合LGALS1启动子区域并降低Galectin-1的转录活性。LGALS1启动子区域内CpG位点的高度甲基化降低了Galectin-1的表达。超氧化物歧化酶(SOD1)的抑制改变了细胞氧化还原状态，并间接抑制Galectin-1水平。小分子抑制剂，如OTX008，在翻译后结合Galectin-1，阻断其凝集素活性，阻止细胞通讯和免疫调节。这些作用机制突出了Galectin-1功能的众多调节策略，需要进一步验证其在心脏应用中的有效性。
Extracellular and intracellular actions of Galectin-1
研究表明，Galectin-1能够结合多种位于N-或O-连接聚糖分支上的半乳糖-β1-4-N-乙酰葡糖胺(LacNAc)单元，这些聚糖存在于多种细胞表面受体上，如CD2、CD3、CD7、CD43、CD95、CD45、CD44、CD97、GPC1、CD43、CD69、pre-BCR和血管内皮生长因子受体2(VEGFR2)。这种结合调节了广泛的生物学过程，包括分离、内吞和信号通路。此外，Galectin-1还与ECM蛋白相互作用，如vasorin (Vasn)、fibulin-2 (Fbln-2)、Notch-2、lactadherin (Mfgm)和versican (Cspg-2)。由于其广泛的结合能力，Galectin-1被称为“多面手”，能够与广泛的受体相互作用并产生环境依赖性效应。
Galectin-1通过激活MAPK/JNK/p38信号级联反应增强上皮-间质转化(EMT)。在宫腔粘连模型中，Galectin-1通过JAK/STAT信号通路起作用，促进巨噬细胞向抗炎M2表型极化，在TNF-α介导的间充质干细胞免疫抑制中发挥重要作用。Galectin-1与细胞核内的FGF12蛋白核心相互作用，阻断FGF12分泌并抑制含有FGF12的核糖体组装。在T细胞调节中，Galectin-1靶向糖蛋白表面受体，导致广泛的免疫效应，包括损害T细胞粘附以及在T细胞迁移过程中减少滚动和捕获。有趣的是，Galectin-1促进各种细胞与ECM之间的相互作用，并限制血管平滑肌细胞迁移。此外，Galectin-1的上调促进了血管生成。
Emerging trends in Galectin-1 driven heart protecting mechanisms- - A bird’s eye view
Galectin-1驱动几个影响其心脏保护效应的关键信号通路。已知激活P38丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路可通过激活ADAM17促进心脏愈合，并通过抑制TGF-β诱导的SMAD2/3磷酸化来预防纤维化。Galectin-1在缺血性损伤后影响磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(AKT)通路。激活PI3K/AKT信号及其下游哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通过抑制自噬减轻MI和再灌注损伤。因此，Galectin-1证明了在病理发生后促进心脏组织细胞存活的潜力。
血管内皮生长因子(VEGF)通路对于血管形成，以及Wnt/β-连环蛋白(Wnt/β-catenin)和上皮-间质转化(EMT)通路对于心肌生长和冠状动脉血管发育，在心脏存活中至关重要。CMs在细胞表面表达VEGF-A受体VEGFR1和VEGFR2，这使VEGF-A能够促进伤口愈合和心脏收缩力。VEGF-A也被证明具有显著的血管生成效应，并能改善MI后的收缩功能。有趣的是，使用抗VEGF-A抗体（如贝伐珠单抗）治疗的肿瘤会分泌Galectin-1以促进血管生成，这证明了Galectin-1在VEGF-A通路中的重要性。Wnt通路在心脏发育和改善心肌损伤后的心脏功能中起着至关重要的作用。Galectin-1抑制已证明可降低食管鳞状细胞癌中的β-连环蛋白活性，这需要在心脏组织中进行进一步研究以评估其效应。此外，EMT在心肌生长和冠状动脉血管发育中发挥着重要作用。EMT mRNA和遗传标记，如SNAI2、Slug和Snail，参与哺乳动物的纤维环和冠状动脉疾病。Galectin-1激活EMT通路，这在乳腺癌和肝细胞癌中已有显示。Galectin-1在促进心脏分化和血管发育中的作用值得进一步研究。
Post-MI recovery
在缺血期间，HIF水平显著升高，随后左心室和血浆Galectin-1水平同时增加，这表明其在心脏事件后具有保护作用。在小鼠模型中，急性MI后7天，心脏中Galectin-1上调，这可能是由促炎细胞因子驱动的。据推测，这种上调通过抑制心肌炎症发挥保护作用。在大鼠中，Galectin-1在MI后对心肌细胞具有抗凋亡和抗炎作用。早在MI后20分钟，左心室中的Galectin-1水平就会升高，这归因于HIF驱动的转录。随着缺血进展，梗死区垂死的细胞失去Galectin-1表达，而存活的细胞维持甚至增加Galectin-1水平。梗死后早期Galectin-1表达的增加与caspase-3等凋亡标志物的低水平相关，提示其具有心脏保护作用。值得注意的是，随后的一项临床研究发现，血清Galectin-1水平较高的老年患者高血压和心力衰竭的患病率更高。
Resolution of inflammation
Galectin-1是一种典型的β-半乳糖苷结合凝集素，被广泛认为是急性炎症消退过程中的真正促消退因子。Galectin-1积极促进巨噬细胞从促炎表型重编程为修复性、促消退表型，为消退过度炎症创造微环境。与这些功能一致，Galectin-1缺乏会导致无法适当消退炎症。Rabinovich等人证明，局部给予Galectin-1作为抗炎剂，可有效抑制大鼠模型中蜂毒磷脂酶A2引起的急性炎症。T淋巴细胞捕获、滚动和粘附到靶部位内皮细胞是局部炎症所必需的，Galectin-1调节这一过程并导致T淋巴细胞凋亡。在没有Galectin-1的小鼠中，T淋巴细胞向淋巴结和炎症部位的归巢显著增加。
Galectin-1缺陷小鼠表现出持续升高的促炎细胞因子水平，包括IL-12，而抗炎IL-10减少。通过强制产生抗炎条件，Galectin-1有助于终止炎症反应并恢复组织稳态。这些免疫调节特性转化为心脏病理条件下的显著心脏保护作用。在由克氏锥虫(Trypanosoma cruzi)引起的心脏感染（如恰加斯病）中，Galectin-1可保护心脏免受病原体诱导的损伤。在实验性恰加斯病中，暴露于Galectin-1的心肌细胞显著减少了寄生虫入侵并防止了感染触发的凋亡损伤。相反，Galectin-1缺陷小鼠在克氏锥虫感染期间表现出更高的寄生虫负荷和增加的死亡率。同样，在无菌性心肌损伤（如MI）中，Galectin-1在梗死心脏中被强烈诱导以抑制梗死后炎症。Galectin-1缺陷小鼠接受MI手术后会出现加剧的心脏炎症，伴有过度的巨噬细胞和T细胞浸润以及修复性调节性T细胞的缺乏。值得注意的是，在心脏再灌注时治疗性给予重组Galectin-1可显著减轻心肌损伤并改善MI后的心室重构。因此，通过抑制有害炎症维持免疫反应，Galectin-1可能在心脏损伤后赋予心脏保护。
L-type calcium channel activity
L型钙通道对于驱动血管平滑肌和CMs兴奋-收缩偶联的钙内流至关重要。钙通道密度降低与心力衰竭有关，并且已证明Galectin-1可调节CMs中的钙通道。在细胞内，Galectin-1作为pre-mRNA剪接因子发挥作用，通过弱蛋白质-蛋白质相互作用参与与其他剪接组分的复合物。这一作用在调节心肌细胞膜上的CaV1.2通道中尤为重要。通过剪接变体特异性机制，Galectin-1降低了CMs中的CaV1.2通道密度。在阻力动脉和小动脉中，CaV1.2介导的钙内流维持肌源性张力，而过度的L型通道活性会增加平滑肌张力和血压。在心脏中，CaV1.2触发心脏收缩（通过钙诱导的钙释放）并激活钙依赖性转录通路。Galectin-1在调节这些钙通道中起着重要作用，正如Galectin-1敲除小鼠所显示的那样，它们表现出动脉压升高（收缩压/舒张压增加约20-30%），且血管肌肉中CaV1.2水平高出约1.7倍。值得注意的是，Galectin-1直接与钙通道的I-II环结合；然而，在选择性剪接的外显子9变体中，结合强度较弱。Galectin-1结合降低了CaV1.2的功能性表面表达和L型钙电流密度，从而有效减弱钙通道电流。此外，Galectin-1调节Cav1.2 M通道的选择性剪接，并通过降低δCaMKII（Ca2?/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II）和HDAC4（组蛋白去乙酰化酶4）等蛋白的磷酸化来抑制关键的肥厚信号通路。有人提出，在急性心肌梗死中，Galectin-1介导的钙通道抑制减少了钙内流，从而防止过度的CM肥厚。这些机制共同有助于减轻心肌肥厚，凸显了Galectin-1作为心血管疾病新兴治疗靶点的地位。
Angiogenesis
Freitag等人证明了Galectin-1通过促进血管扩张在胎儿发育中的关键作用。在成年心脏中，心脏稳态受多种促血管生成过程的支配，包括炎症反应、血管再生、心脏组织重塑和运动适应。通过促进这些促血管生成因子，Galectin-1可能有助于调节血管生成的修复和重塑过程，使其成为心血管治疗中的潜在关键靶点。在自发性高血压大鼠中诱导过表达Galectin-1可显著降低其血压。虽然Galectin-1水平升高与腹主动脉瘤等病理状况有关，这可能表明Galectin-1在血管生成中的作用可能是不适应或保护的，具体取决于组织环境和背景。然而，需要进一步的详细研究来破译心脏组织中Galectin-1驱动的血管生成的分子机制。
Lipid profile
此外，Galectin-1与低密度脂蛋白(LDL)、极低密度脂蛋白(VLDL)和胆固醇直接相关，而与高密度脂蛋白(HDL)和HDL2胆固醇水平呈间接相关。包括白细胞介素和肿瘤坏死因子(TNF)在内的关键炎症蛋白与Galectin-1呈正相关，加强了其在代谢性炎症和脂质代谢中的作用。在饮食诱导肥胖(DIO)小鼠中，Galectin-1水平升高，皮下脂肪中的水平高于内脏脂肪。瘦素是由脂肪组织分泌的激素，参与抑制饥饿和脂解，其中Galectin-1缺乏与瘦素和循环脂肪量之间相关性的丧失有关。此外，Galectin-1与脂蛋白(a)结合，后者参与动脉粥样硬化发生。脂蛋白(a)具有几个特征，它在结构上与LDL非常相似，比LDL更强地结合Galectin-1，并且在动脉粥样硬化主动脉的内膜和中膜中表达。这些观察结果表明Galectin-1在动脉粥样硬化发生过程中脂蛋白(a)选择性积累中的作用。这种失调可能是CAD/动脉粥样硬化患者Galectin-1水平升高的可能解释。从逻辑上讲，这些观察结果引出了Galectin-1生物学中的关键问题：(1)直接的促动脉粥样硬化作用，(2)不足以保护免受动脉粥样硬化，(3)组织特异性差异机制，以及(4)改变的表型/亚型。这些可能性值得进一步研究。
MI biomarker
循环Galectin-1水平升高与心力衰竭严重程度和左心室功能障碍增加相关，提示其作为评估MI后并发症和疾病进展的潜在生物标志物。嗜酸性筋膜炎患者中Galectin-1浓度升高提示其在血管损伤中的潜在作用。Galectin-1定位于心脏组织的横纹肌，表明其有可能成为CM应激或损伤的局部指标。在一项针对等待手术的冠状动脉疾病患者的研究中，较高的术前Galectin-1水平与更严重的冠状动脉疾病相关，并且术后发生严重心脏结局（如心力衰竭）的几率更高。外周动脉疾病患者发生重大不良心血管事件（如MI）的风险增加，这与较高的Galectin-1水平相关。这些研究表明，Galectin-1在慢性炎症状态下表达升高，但Galectin-1与这些疾病状态之间的时间关系尚未完全阐明。慢性炎症期间的Galectin-1升高代表了CAD发病机制中的细胞反应。然而，慢性Galectin-1与致动脉粥样硬化脂质结合会加重CAD患者的斑块形成。
Metabolic modulation
Galectin-1在生理和压力情况下对心脏代谢具有重要影响。在脂质代谢中，Galectin-1增强PPARγ表达和转录活性，从而诱导脂质摄取和储存。系统性Galectin-1增加促进向高效脂质利用的代谢转变，从而促进心脏健康。此外，Galectin-1通过促进β细胞功能和增加葡萄糖刺激的胰岛素分泌来影响葡萄糖代谢。此外，Galectin-1上调碳酸酐酶IX的表达，并将Warburg效应转变为有利于糖酵解。这一机制表明Galectin-1可对抗急性MI中出现的葡萄糖水平升高和胰岛素抵抗。
Translational significance and future directions
Galectin-1已成为一种有前景的心脏保护蛋白，因为它在多模式调节炎症、维持血管完整性和调节T细胞凋亡方面发挥着作用。尽管Galectin-1在各种组织愈合环境中具有公认的相关性，但Galectin-1在人类心脏病理生理学中的具体作用，特别是在缺血条件下，仍未得到充分界定。虽然已知Galectin-1影响关键的心脏保护信号级联反应，如VEGF介导的血管生成和JAK/STAT通路激活，但大多数机制见解均来自炎症或肺部模型的研究，这凸显了对针对性心脏研究的迫切需求。Galectin-1在癌症中促进血管生成并逃避免疫系统，这些知识可以推断到MI后的心脏细胞。不幸的是，证明Galectin-1衍生的心脏愈合和血管愈合的研究仅限于小动物模型。此外，人类人群的治疗安全性和有效性尚未经过测试。未来的方向应包括研究Galectin-1作为评估MI后心肌损伤严重程度和预测长期结果的循环生物标志物。治疗策略可能涉及抗体工程或受控递送外源性Galectin-1至梗死组织，以促进局部血管生成、免疫调节和心肌再生。此外，使用过表达Galectin-1的诱导多能干细胞(iPSCs)、间充质干细胞(MSCs)或心脏祖细胞的生物工程方法提供了一条引人注目的再生途径。这些工程化干细胞可以增强心脏修复，特别是在心力衰竭模型中，尽管它们需要严格的临床前和转化评估。最后，Galectin-1可以与其他心脏保护性、抗炎疗法联合使用，例如RNase疗法，该疗法在根除源自缺血性心肌细胞的促炎性eRNA方面显示出前景。值得注意的是，迄今为止尚无临床试验评估基于Galectin-1的疗法在心脏患者中的应用。内源性Galectin-1水平天生较低的个体可能是此类靶向干预的理想人选。总体而言，Galectin-1在心脏保护相关通路中具有重要作用，并且在人体中显示出安全性，使用Galectin-1的治疗干预仍然充满希望。
Conclusion
Galectin-1是一种强效的心脏保护蛋白，它整合了炎症、代谢和血管生成通路，改善了MI后的愈合结果。Galectin-1通过调节免疫细胞表型和细胞因子来减轻炎症。在代谢方面，Galectin-1增强胰岛素分泌并支持缺血应激下的能效适应。在缺氧环境中，Galectin-1促进新生血管形成，并与内皮细胞相互作用以实现血管生成。高水平的Galectin-1与MI后心血管健康受损相关，使Galectin-1成为潜在的生物标志物。Galectin-1的特性凸显了其治疗潜力，需要进一步研究以阐明其机制并应用于人类心脏治疗。
