第 82 章：平滑肌细胞谱系的发育（Development of the Smooth Muscle Cell Lineage）
82.1 平滑肌细胞谱系的多样性（DIVERSITY OF THE SMOOTH MUSCLE CELL LINEAGE(S)）
平滑肌细胞（SMC）在体内承担多种功能，包括调节动脉张力与血流分布、控制胃肠道和泌尿生殖道的运动、调节支气管和气道阻力。这些多样化功能最终依赖该谱系细胞所具备的收缩特性，而收缩特性又取决于一组谱系限制性的收缩蛋白、细胞表面受体和信号分子的独特表达谱。功能不同的血管和内脏 SMC 亚群之间的谱系关系至今仍不清楚；SMC 的胚胎来源异常多样，由此引出关于 SMC 多样性与异质性背后关系及发育程序的基本问题。
SMC 谱系最显著的特征是其可塑性强——能够对环境线索作出反应并适应（或适应不良）。在出生后血管和大多数内脏器官中，SMC 处于"收缩态"，停滞在细胞周期的 G0/G1 期，并高表达 SMC 谱系限制性收缩蛋白以维持机体稳态。但在发育过程中以及响应特定生长因子和细胞因子时，SMC 会转变为类似成纤维细胞的"合成态"表型——收缩蛋白编码基因被协同下调，合成功能和细胞外基质（ECM）的相关基因被上调。与终末分化的心肌和骨骼肌细胞不同，SMC 具有重新进入细胞周期、增殖和迁移的能力。值得注意的是，把 SMC 简单分为"收缩型"或"合成型"的命名其实主要反映体外原代培养中的行为，并不能涵盖体内观察到的连续表型谱。例如在胚胎以及某些病理状态下，SMC 在大量表达收缩蛋白的同时也在增殖并分泌高水平 ECM。
82.2 SMC 谱系的分化标志物（Differentiation Markers of the SMC Lineage）
SMC 独特的生理特性最终归因于一组离散的谱系限制性收缩蛋白、信号分子和细胞骨架元件的表达，包括平滑肌 α-肌动蛋白（SM-α-actin/Acta2）、平滑肌肌球蛋白重链（SM-MyHC/Myh11）、SM22α（Tagln）、SM-calponin（Cnn1）、telokin（Mylk）和 smoothelin（Smtn）。多项研究表明，肌肉限制性转录共激活因子 myocardin 通过与转录因子 SRF 物理结合，在调节"收缩型 SMC 基因程序"中扮演关键角色；SRF 进一步结合到控制这些谱系限制性基因转录的 CArG box 调控元件上。近期研究显示 myocardin 的选择性剪接异构体分别在平滑肌和心肌细胞中调节转录。myocardin 处于调控 SMC 表型的节点位置，受到多条信号通路影响，这些通路在 SMC 细胞核中汇聚到 myocardin-SRF 复合物并调节其活性。
关于是否存在真正的 SMC 谱系特异性标志物，学界仍有争议。大多数 SMC 限制性蛋白至少瞬时地在其他肌肉谱系中表达。SM-MyHC 被视为 SMC 谱系最明确的标志物；在发育小鼠上进行的原位杂交显示 SM-MyHC 局限于血管和内脏 SMC。利用 SM-MyHC 启动子/增强子进行的细胞命运图谱研究也证实 LacZ 报告基因在血管和内脏 SMC 中呈限制性表达（仅在心房有一小群例外细胞）。但检测不到 SM-MyHC 基因或蛋白表达并不排除该细胞属于 SMC 谱系：小鼠胚胎中早期标志物（如 SMA 和 SM22α）与胚胎主动脉中 SM-MyHC 的表达之间存在至少 48 小时的时间延迟；同样地，SM-MyHC 在血管损伤后或其他病理状态下的"合成型" SMC 中常常观察不到。
SM-α-actin（SMA）是 SMC 中表达最早、最丰富的蛋白之一。但 SMA 在胚胎心肌、骨骼肌以及 TGF-β 刺激的内皮细胞和肌成纤维细胞中瞬时表达。与 SMA 一样，SM22α 也是 SMC 谱系的早期标志物，在胚胎心脏和骨骼肌中瞬时表达。Smoothelin-A 和 -B 是细胞骨架蛋白，分别在内脏和血管 SMC 中选择性地表达；其异构体在其他组织和肿瘤细胞中也可检测到。SM-calponin 是 SMC 谱系限制性的钙调节蛋白，参与 SMC 收缩，但在心肌细胞和肌成纤维细胞中也会瞬时表达。Telokin 是 17 kDa 的非催化性肌球蛋白轻链激酶异构体，在内脏 SMC 中高水平表达，在血管 SMC 中表达水平较低。
82.3 周细胞（Pericytes）
周细胞与 SMC 具有部分共同起源，在血管系统中承担相互重叠的功能。周细胞是包裹毛细血管的一类细胞群，能直接向底层内皮细胞发送信号并形成通透性屏障。周细胞还在止血、血脑屏障维持、血管生成和新血管形成中起关键作用。若干研究提示，周细胞和血管壁细胞可能重叠，甚至可能是分化间充质干细胞中一个独特的群体。但周细胞的确切来源和胚胎起源仍不清楚。鉴于其与内皮细胞的解剖关系以及功能上的重叠，周细胞与 SMC 标志物存在重叠并不令人意外：周细胞标志物包括 SM-α-actin、PDGFRβ、angiopoietin 1（Ang-1）、RGS-5、desmin 和硫酸软骨素蛋白多糖。这些标志物同时也表达于其他血管细胞。
82.4 肌成纤维细胞与肌上皮细胞（Myofibroblasts and Myoepithelial Cells）
肌成纤维细胞与 SMC 也共享功能并具有重叠的标志物。在心脏、肾脏、肠道等组织中，响应机械和应激相关信号，一部分成纤维细胞会改变表型而成为肌成纤维细胞。肌成纤维细胞以纺锤形形态为特征，SMC 限制性标志物（SMA、SM22α、SM-calponin）浓度较高，并分泌大量 ECM。最近的研究表明，转录共激活因子 myocardin 相关转录因子 A（MRTF-A）在促进心脏成纤维细胞向肌成纤维细胞转化、激活纤维化基因程序中起关键作用。MRTF-A 是 MRTF 转录共激活因子家族的成员之一，该家族还包括 myocardin 和 MRTF-B。与 myocardin 不同，MRTF-A 在多谱系细胞中表达，包括未分化的胚胎干细胞（ES）和成纤维细胞；但与 myocardin 一样，MRTF-A 是一种强力的转录共激活因子，能与 SRF 物理结合，协同激活一组 CArG box 包含基因的转录。myocardin 和 MRTF-A 都受肌动蛋白细胞骨架向细胞核传递的生物力学信号影响。
乳腺肌上皮细胞是外胚层来源的细胞，兼具上皮细胞和 SMC 的特征：作为真正的上皮细胞，它们表达细胞角蛋白作为中间纤维的主要组分，并形成桥粒和钙黏蛋白介导的连接；与 SMC 类似，它们表达肌丝和一组 SMC 限制性收缩蛋白（SMA、SM22α、SM-calponin）。肌上皮细胞的肌丝在催产素刺激的收缩和泌乳释放中必不可少。值得注意的是，Mrtf-a 纯合突变雌鼠无法有效哺育幼崽，因为其乳腺肌上皮细胞无法维持分化状态，伴随 SMA、SM22α 和 SM-MyHC 等 SMC 收缩蛋白基因表达下降。从进化角度看，MRTF-A（和 MRTF-B）可能演化出促进 SMC 收缩蛋白基因表达的功能，以增强非肌源谱系（包括心脏肌成纤维细胞和肌上皮细胞）的细胞收缩性和运动能力。
82.5.1 胚胎干细胞（Embryonic Stem Cells）
要阐明并区分 SMC 谱系关系，首先需要理解 SMC 是如何从胚胎干细胞（ES）和/或祖细胞中被特化与分化的。ES 细胞来自囊胚内细胞团，是具有自我更新能力和分化为所有细胞类型潜能的多能细胞。多个实验室已证明，在特定培养条件下，ES 细胞可被诱导分化为富含定型 SMC 的细胞群。TGF-β 或胶原处理可促使 ES 细胞向 SMC 命运分化，提示 SMC 分化至少部分依赖来自细胞外基质的信号。在转录水平上，强制表达 SMC 谱系限制性转录共激活因子 myocardin 可在未分化的 ES 细胞中激活大多数（但非全部）SMC 谱系限制性基因。然而 myocardin 并非血管 SMC 从 ES 分化所必需，因为 myocardin 缺失（Myocd⁻/⁻）的 ES 细胞仍能在体外分化为 SMC 并在嵌合体小鼠中贡献于血管系统。因此，myocardin 依赖和不依赖的 SMC 分化程序可在特定发育背景下被激活。
82.5.2 心血管祖细胞（Cardiovascular Progenitor Cells）
心血管祖细胞是具有分化为心肌细胞、内皮细胞和血管 SMC 能力的多能细胞。在 BMP4、Activin A、VEGF、DKK 和 FGF 等特定生长因子存在下，ES 细胞可分化为心血管祖细胞。这些细胞表达中胚层原始条标志物 brachyury，以及 VEGFR2（Flk-1）和 PDGFRα。在不同培养条件下，ES 细胞可产生一种血管祖细胞亚群，分化为富含内皮细胞和 SMC（但不分化为心肌细胞）的细胞群。血管祖细胞表达内皮/造血细胞表面标志物 CD34，并能被 PDGF-BB 诱导分化。心血管祖细胞和血管祖细胞可与生血管细胞（hemangioblast，可分化为内皮细胞和造血细胞谱系）相区分。
82.6.1 血管平滑肌细胞的起源（Origin(s) of Vascular Smooth Muscle Cells）
血管和内脏 SMC 在胚胎中以精确的时空限制性方式从多个不同的部位和起源产生。在小鼠中，血管 SMC 最早在 E9.0–9.5 出现在背主动脉的腹侧表面。多年以来人们一直认为主动脉 SMC 主要来源于脏壁侧板中胚层。细胞命运图谱研究证实胚胎后部最初的主动脉 SMC 来自侧板中胚层，但现已认识到这些细胞随后会被体节来源的细胞所取代——在动脉韧带插入点以远的成体主动脉中的 SMC 来自轴旁中胚层。肾动脉和肋间动脉中的 SMC 也来自轴旁中胚层，这些体节来源的 SMC 被认为来源于生骨节的祖细胞。
细胞命运图谱研究也揭示了肠系膜和肠血管的 SMC 来自表达 Wt1 的一群浆膜间皮细胞。这代表一种保守机制，重复了心外膜血管细胞由前心外膜（也是间皮来源）分化的某些方面。值得注意的是，肾动脉和肋间动脉由主动脉出芽生成，而肠系膜和腹腔血管由卵黄动脉重塑而成。有人推测间皮可能在其他组织以及成体组织应激或损伤后充当 SMC 前体的储备库。
82.6.2 心脏神经嵴来源的血管 SMC（Cardiac Neural Crest-Derived Vascular SMCs）
位于中耳基板与第三体节尾缘之间的一群头侧神经嵴细胞被称为"心脏神经嵴"，它们向腹侧迁移穿过第 3–6 咽弓，在那里定居并随后分化为血管 SMC，形成大动脉和主肺动脉间隔的血管中膜。如图 82.1 所示，心脏神经嵴细胞从神经管脱离并迁移到第 3、4、6 咽弓动脉和心流出道，在那里分化为血管 SMC。定居于咽弓动脉的神经嵴细胞分化为表达高水平 SMC 限制性收缩蛋白的血管 SMC。随后，响应局部生长因子的释放，咽弓动脉经历复杂的重塑过程，最终建立心流出道和离散的肺循环与体循环。
细胞命运图谱研究显示神经嵴来源的 SMC 贡献于升主动脉（AAo）、主动脉弓至动脉导管（DA）水平、动脉导管和颈总动脉（CA）。有趣的是，myocardin 在迁移前或迁移中的心脏神经嵴中并不表达，说明神经嵴来源的 SMC 分化不依赖 myocardin。但 MRTF-B 在心脏神经嵴中大量表达；MRTF-B 缺失及功能丧失突变小鼠表现出心脏神经嵴细胞向血管 SMC 分化的细胞自主性阻滞。
局部生长因子和信号分子的表达在调控心脏神经嵴来源的 SMC 分化以及心流出道和大动脉形成中起关键作用。骨形态发生蛋白（BMP）/TGF-β 信号复合物中若干组分被破坏会导致鳃弓动脉和心流出道的重塑缺陷。在神经嵴细胞中组织特异性失活 Alk2（BMP I 型受体）会导致主肺动脉隔缺损，部分归因于 SMC 分化的阻滞。TGF-β2 在心流出道和大动脉中表达丰富；TGF-β2 缺失胚胎表现出一系列主动脉弓畸形、右室双出口（DORV）和心内膜垫缺损。这些 BMP/TGF-β 突变小鼠的病理也部分归因于细胞外基质组分的改变——它们与 TGF-β 配体结合并向内皮细胞和中膜 SMC 发出信号。缺乏长型潜在 TGF-β 结合蛋白 1 的小鼠表现出主肺动脉隔形成不当和一系列咽弓重塑缺陷。
Notch 信号也影响神经嵴来源的 SMC 分化和心流出道的形成。Notch 是一条高度保守的细胞间信号通路，在细胞命运决定、发育和疾病中起关键作用。在心脏神经嵴中表达 Notch 信号显性负抑制物的小鼠表现出肺动脉狭窄和咽弓模式形成缺陷，伴随平滑肌细胞分化的阻滞。这部分归因于 Notch2 信号被阻断——神经嵴限制性失活 Notch2 会导致主动脉和肺动脉发育不全，并伴随血管 SMC 分化缺陷。人类 JAGGED1 和 NOTCH2 的突变与 Alagille 综合征相关，证明 Notch 信号在形成心流出道和大动脉中的保守作用。
82.6.3 第二心区来源的血管 SMC（Second Heart Field-Derived Vascular SMCs）
第二心区是位于前肠底壁下方的祖细胞群，贡献于心肌细胞和心动脉极的 SMC（详见图 82.2）。在心新月期（小鼠 E7.5），第二心区（绿色）位于第一心区（红色）之前。心动脉极——主动脉根部和肺动脉干——的 SMC 来自第二心区。在胚胎中可观察到第二心区祖细胞两次时间上不同的迁移：第一次，第二心区细胞迁移到心流出道并分化为心肌细胞；随后，第二心区的一群细胞迁移到主动脉囊并分化为 SMC，形成主动脉和肺动脉的起源。虽然第二心区来源和神经嵴来源的 SMC 在心动脉极的空间关系上存在物种差异，但这两群祖细胞都参与心流出道的模式形成，并已被牵涉到常见先天性心脏病发病机制之中。
82.6.4 前心外膜与冠状血管（Proepicardium and Coronary Vessels）
在哺乳动物中，前心外膜器官是靠近静脉极、在窦房交界区附近从横隔起源的原基结构。前心外膜器官是心外膜上皮的来源，进而产生冠状血管的内皮细胞、SMC 和心脏成纤维细胞。在发育早期，前心外膜并不表达分化内皮细胞或前体（CD34、PECAM-1、VEGFR1、VEGFR2）、成纤维细胞、造血（CD45、CD34）或 SMC（SM-α-actin）谱系的标志物。在哺乳动物中，心外膜由前心外膜形成的过程是：前心外膜尖端释放囊泡到心包腔，囊泡附着到心脏背侧表面、增殖并以精确的时空模式迁移形成心外膜。前心外膜器官在人类妊娠第 5 周末消失。
响应来自心肌的 Friend of GATA（FOG）-2 依赖性信号，一群心外膜来源的细胞失去上皮特性、经历上皮-间质转化（EMT）并向心肌内陷入。目前尚不清楚是否存在分别分化为内皮、平滑肌或成纤维细胞亚群的独立心外膜来源间皮细胞群。在胚胎心脏中，冠状血管由血岛发育而来，血岛是内皮细胞和红细胞的聚集体，与体循环不相连。血岛融合形成毛细血管，在心外膜下生长。随后，冠状动脉 SMC 通过 EMT 由心外膜间皮产生并经历 SMC 分化。这些细胞在与主动脉建立连接之前就接近血管壁。冠状动脉循环的建立通过毛细血管向 Valsalva 窦的方向性生长，最终通过主动脉壁的凋亡实现管腔通畅。冠状动脉与主动脉的连接在人类胚胎第 44–49 天建立。间充质细胞向血管 SMC 的进一步分化发生在冠状血管内血液流动之后。较大冠状血管中膜的形成始于冠状动脉的近端，由间充质细胞层逐层构建而成。
82.6.5 内脏中胚层与内脏 SMC（Visceral Mesoderm and Visceral SMCs）
与血管 SMC 不同，内脏 SMC 的来源和分子程序仍未被很好表征。内脏平滑肌来自侧板中胚层的脏壁层，它在中空器官的原始上皮衬里外形成一层外壳。在胃肠道中，脏壁中胚层涉及由内胚层形成原始肠管以及侧板中胚层的内层紧贴内胚层。内层环绕肠管形成内脏中胚层。内脏中胚层是一种复杂组织，能产生平滑肌、间充质和其他细胞。已证明内脏中胚层及其组分在调控中胚层发育和底层内胚层衍生物方面发出指令性和允许性信号。
调控侧板中胚层发育的分子程序依赖于来自底层内胚层的信号。sonic hedgehog（Shh）、BMP4 和 Foxf1 之间的相互作用参与内脏中胚层形态发生，并在物种间保守。Foxf1 表达定位于间充质和上皮之间的界面。Foxf1 已知最早的功能是把内脏中胚层（脏壁）与体壁中胚层区分开来。在胃肠道中，被称为"平滑肌成肌细胞"的早期肌肉祖细胞由原始肠周围的松散间充质分化而来。平滑肌成肌细胞表达 SMA，而成熟的肠 SMC 同时表达 SMA 和 SM-γ-actin。合适的 SMC 发育需要精确调控配体浓度——过多或过少都会抑制 SMC 发育。内脏中胚层中 BMP 转录由内胚层 Hh 信号启动。在肠道中，BMP2 和 BMP4 在发育过程中通过 BMP 受体-1a 起关键作用。发育过程中 BMP-4 的表达受到严格调控：小肠间充质中 BMP-4 表达不足会导致固有肌层形成不良，而胚胎肠道间充质中 BMP-4 过表达则会延迟平滑肌分化。
82.7 结论与未来方向（CONCLUSIONS AND FUTURE DIRECTIONS）
数十年来，SMC 谱系多样化的胚胎来源和显著的表型可塑性，一直是研究 SMC 发育和分化分子及遗传程序的研究者面临的挑战。然而现代分子工具的应用——尤其是细胞命运图谱和携带条件性基因突变的小鼠模型——为理解 SMC 异质性和功能背后的分子程序提供了激动人心的新洞见。其中转录共激活因子 myocardin 及其相关转录因子 MRTF 的发现尤其突出地阐明了收缩型平滑肌细胞基因程序背后的一条核心通路。
本章个人批注
本章是平滑肌（Part IV）这一部分的第 1 章，作者把"谱系发育"作为整部分的入口，逻辑上很合理——理解 SMC 从何而来，是理解后续章节（收缩机制、离子通道、信号转导、钙稳态、异质性）的基础。本章并没有像前面几章一样从器官生理切入，而是从胚胎学和细胞命运图谱切入，这一定位很关键：它把"为什么不同血管段的 SMC 行为不同"这个核心问题提前交代清楚。
对我个人而言，本章最有价值的部分是 cardiac neural crest 与 second heart field 在动脉极的重叠/分工——两者在临床上对应于法洛四联症、永存动脉干、主动脉弓离断这一大类圆锥动脉干畸形。Alagille 综合征（JAGGED1/NOTCH2）作为人类遗传学证据把 Notch 信号通路和小鼠模型直接连起来，这是教科书典型的"从基因到临床"叙述。
myocardin/MRTF-A/MRTF-B 三者的分工也很有意思：myocardin 是 SMC 主开关，但有 myocardin 不依赖的分化路径（神经嵴用 MRTF-B，肌成纤维细胞用 MRTF-A），这说明 SMC 谱系的转录程序是"模块化"而非"中心化"的。这种模块化很可能是 SMC 异质性的转录基础。
"contractile vs synthetic"这个二分法我以前觉得粗糙，本章明确指出它是体外培养的人为简化，体内其实是连续谱系——这一点对我后面读第 87 章"平滑肌收缩的调控"会有帮助。
与上下章的衔接（一段话）
本章是平滑肌部分（Part IV）的开篇，承接前面第 81 章"骨骼肌疾病治疗的新靶点与新方法"——后者是骨骼肌部分（Part III）的高阶临床/转化收尾，而本章把读者从骨骼肌的"成熟/疾病/治疗"切换到平滑肌的"胚胎起源/谱系多样性"。第 83 章"平滑肌超微结构与收缩性"将沿本章建立的"谱系多样性"基础，进一步讨论不同亚群在亚细胞结构和收缩机制上的具体差异；后续章节（第 84–88 章）则分别在离子通道、GPCR、钙稳态、收缩调控和异质性等主题上展开。作者把发育章节放在最前，是为了让读者带着"这些 SMC 从哪里来、彼此有何不同"的视角去读后面的功能章节，而不是把异质性当作偶然现象。