心臟特異抗凋亡蛋白ARC研究進(jìn)展

廉 虹，張連峰，2

(1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)動物研究所，衛(wèi)生部人類疾病比較醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100021;2.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)動物研究所，國家中醫(yī)藥管理局人類疾病動物模型三級實(shí)驗(yàn)室，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院和北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院，北京 100021)

心臟特異抗凋亡蛋白ARC研究進(jìn)展

廉 虹1，張連峰1，2

(1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)動物研究所，衛(wèi)生部人類疾病比較醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100021;2.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)動物研究所，國家中醫(yī)藥管理局人類疾病動物模型三級實(shí)驗(yàn)室，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院和北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院，北京 100021)

含胱冬肽酶富集功能域的凋亡抑制因子(apoptosis repressor with CARD，ARC)蛋白是20世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)的在心肌、骨骼肌和大腦等終末分化組織中大量表達(dá)的抗凋亡蛋白。ARC的主要功能是抗凋亡作用。由于其在心臟中表達(dá)的特異性和抗凋亡的多層次性，使ARC在心臟中的作用成為近年來研究的熱點(diǎn)。本文主要對其抗凋亡途徑以及近年來在心肌病中的研究進(jìn)展兩方面進(jìn)行綜述。

含胱冬肽酶富集功能域的凋亡抑制因子;凋亡;心肌病

含胱冬肽酶富集功能域的凋亡抑制因子(apoptosis repressor with CARD，ARC)，是迄今發(fā)現(xiàn)的唯一一種在心臟中大量表達(dá)的抗凋亡蛋白。1996年Geertman等［1］從大鼠的嗜鉻細(xì)胞瘤和腦的cDNA文庫中發(fā)現(xiàn)了此蛋白;1998年 Takeuyoshi等［2］通過分析其結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)這種蛋白含有胱冬肽酶富集功能域(caspase recruitment domain，CARD)結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)域可以結(jié)合胱冬肽酶(caspase)進(jìn)而阻止一些死亡受體發(fā)揮作用。

人源ARC蛋白由208個氨基酸組成，相對分子質(zhì)量約為 24.6×103。大、小鼠 ARC蛋白與人源ARC有很高的同源性，N端1-98氨基酸殘基為CARD功能域，與死亡受體 Fas、FADD等相互作用;C端99-208氨基酸殘基為富含脯氨酸和谷氨酸的結(jié)構(gòu)域。ARC在終末分化組織如心肌、骨骼肌和大腦中表達(dá)，在其他組織中不表達(dá)或微量表達(dá)，但當(dāng)發(fā)生癌變時，ARC表達(dá)量明顯增加。ARC存在于細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中，細(xì)胞質(zhì)中的ARC通過與死亡受體結(jié)合以及通過抑制線粒體凋亡途徑實(shí)現(xiàn)抗凋亡的作用，細(xì)胞核中ARC的功能目前了解甚少［3］。但是人們發(fā)現(xiàn)在瘤性細(xì)胞中ARC定位于細(xì)胞核而正常的細(xì)胞ARC定位于細(xì)胞質(zhì)中，提示ARC在癌細(xì)胞發(fā)生過程中有一定的作用［4］。

1 ARC抗凋亡作用機(jī)制及其ARC相關(guān)信號通路

ARC最主要的凋亡抑制途徑有兩條［5］：一條是是直接與死亡受體相作用的外源性途徑;另一條是通過控制線粒體滲透性而抑制凋亡的內(nèi)源性途徑。ARC的CARD結(jié)構(gòu)域競爭性的與Fas和FADD的死亡結(jié)構(gòu)域(dead domains，DDs)相結(jié)合，使其不能順利組裝成死亡誘導(dǎo)信號復(fù)合物(death-inducing signaling complex，DISC)，進(jìn)而抑制凋亡作用的發(fā)生。ARC也可通過CARD功能域直接與caspase-8結(jié)合，阻斷由caspase-8引起的凋亡。Bax進(jìn)入到線粒體引起膜通透性和電勢差發(fā)生變化，可導(dǎo)致細(xì)胞色素 c的釋放，進(jìn)一步激活凋亡的效應(yīng)分子Caspase-9和 Caspase-3，啟動內(nèi)源性的凋亡途徑。ARC的CARD結(jié)構(gòu)域與Bax的C末端結(jié)合使 Bax的構(gòu)象發(fā)生改變，抑制其進(jìn)入到線粒體，從而抑制Bax引起的內(nèi)源性的凋亡途徑。另外，Ekhterae等［6］證實(shí)，ARC能夠抑制H9c2肌源性細(xì)胞凋亡，一定程度上是由于ARC抑制了細(xì)胞膜上的K+離子通道而實(shí)現(xiàn)抗凋亡作用的。細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的增加是引起細(xì)胞凋亡的重要信號傳導(dǎo)途徑，ARC可通過其C端與Ca2+結(jié)合，阻斷細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的增加，從而抑制細(xì)胞凋亡的發(fā)生［7］。

只有磷酸化的ARC才能發(fā)揮抗凋亡的功能，磷酸化的ARC也可以受到磷酸酶的去磷酸化作用而喪失活性。蛋白激酶 CK2是ARC的上游調(diào)節(jié)因子，CK2可以使ARC的149位蘇氨酸磷酸化，進(jìn)而使ARC由細(xì)胞質(zhì)中轉(zhuǎn)移到線粒體，在線粒體可以直接抑 制 caspase-8 和 caspase-2 的 活 性［8，9］。Tan等［10］證實(shí)，異丙腎上腺素和醛固酮刺激誘導(dǎo)的凋亡，沒有明顯地降低ARC蛋白水平，但是卻通過去磷酸化降低了其抗凋亡能力。所以異丙腎上腺素和醛固酮通過激活磷酸酶使ARC去磷酸化，去磷酸化的ARC不能抑制caspase-8活性。ARC除了受到磷酸化和去磷酸化的調(diào)節(jié)之外，還受到泛素-蛋白酶體的降解作用，當(dāng)機(jī)體受到死亡信號的刺激時，泛素-蛋白酶體能夠介導(dǎo) ARC的降解［11］，ARC的泛素化是由泛素 E3連接酶(ubiquitin E3 ligase，MDM2)介導(dǎo)的［12］，并且需要MDM2的戒指基序(ring motif)與ARC相結(jié)合實(shí)現(xiàn)其降解作用。MDM2是一個重要的ARC蛋白表達(dá)調(diào)節(jié)子，主動脈結(jié)扎的小鼠伴隨著ARC表達(dá)量的下調(diào)，MDM2表達(dá)量升高。因此，MDM2很可能成為心肌病預(yù)防和治療的靶點(diǎn)。同時Li等［13］證明，p53可以在轉(zhuǎn)錄水平對 ARC進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)P53抑制ARC表達(dá)時，誘導(dǎo)凋亡的發(fā)生。

2 ARC在心臟發(fā)育及心肌病中的作用

Ekhterae等［14］發(fā)現(xiàn)，將 H9C2肌源性細(xì)胞暴露于缺氧條件下，ARC蛋白表達(dá)量下降，并伴有細(xì)胞色素C從線粒體釋放到胞漿細(xì)胞質(zhì)和caspase3的激活，而過表達(dá) ARC可以明顯的抑制缺氧誘導(dǎo)的H9C2的細(xì)胞凋亡。過表達(dá)的ARC也可以有效的逆轉(zhuǎn)H2O2引起的H9C2凋亡現(xiàn)象的發(fā)生，為了進(jìn)一步研究ARC在氧應(yīng)激條件下的作用，將不表達(dá) ARC蛋白的H9C2亞細(xì)胞系(H9-)暴露于 H2O2，發(fā)現(xiàn)此缺陷細(xì)胞對氧應(yīng)激誘導(dǎo)的凋亡作用更加敏感［15］。說明在細(xì)胞水平ARC能夠抵抗缺氧以及氧應(yīng)激條件下的細(xì)胞凋亡。

心臟受到損傷刺激，如缺血/再灌注損傷(I/R)、心臟主動脈橫向結(jié)扎(TAB)和阿霉素藥物誘導(dǎo)時，ARC蛋白都能表現(xiàn)出其強(qiáng)大的抗凋亡能力以及對心臟機(jī)能的保護(hù)作用。Pyo等［16］證實(shí)，心臟特異的ARC轉(zhuǎn)基因小鼠(TgARC)，在經(jīng)過缺血/低氧再灌注后，表現(xiàn)出對心肌收縮功能的改善作用。新生的TgARC小鼠的心肌細(xì)胞也可以明顯的抵抗低氧造成的細(xì)胞死亡。同時證明ARC蛋白C端鈣結(jié)合結(jié)構(gòu)域具有保護(hù)心肌抵抗低氧造成的損傷的能力。TgARC小鼠從出生到成年在健康狀況和外表與野生鼠并沒有什么異常變化。對TgARC和野生鼠左前降支冠狀動脈結(jié)扎后，發(fā)現(xiàn)ARC轉(zhuǎn)基因鼠心肌梗死面積比野生鼠明顯降低(大約降低40%)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，ARC保護(hù)心肌抵抗缺氧死亡是通過調(diào)節(jié)其下游的Drbp1(developmentally regulated RNA-binding protein 1)和 pMe2Gly(dimethylglycine dehydrogenase precursor)的表達(dá)實(shí)現(xiàn)的。Donath等［17］報道了ARC敲除小鼠(ARC-/-)與野生型小鼠在心臟幾何形狀以及心肌功能方面沒有異常。但經(jīng)過主動脈結(jié)扎后ARC-/-小鼠比野生小鼠心臟收縮功能降低明顯，心臟變大并且出現(xiàn)心肌纖維化，心肌病病理癥狀更加嚴(yán)重。經(jīng)過缺血再灌注后，ARC-/-小鼠心肌梗死面積也比野生小鼠有所增加。

臨床研究中發(fā)現(xiàn)心衰和擴(kuò)心病中心肌細(xì)胞都出現(xiàn)細(xì)胞肥大和凋亡的現(xiàn)象，盡管細(xì)胞肥大和凋亡是兩種不同的細(xì)胞事件，但是許多刺激因子可以同時刺激肥大和凋亡，肥大的細(xì)胞可以發(fā)展為凋亡。例如：腫瘤壞死因子-α和血管緊張素II既可以誘導(dǎo)凋亡又可以誘導(dǎo)肥大。凋亡可能是心肌超負(fù)荷肥大失代償發(fā)展為心衰的一個轉(zhuǎn)折性的事件。在心衰和擴(kuò)心病病人中發(fā)現(xiàn)ARC蛋白表達(dá)下調(diào)，尤其在心衰病人中降低非常顯著。磷酸化的ARC可以抑制心肌細(xì)胞的肥大，抑制ARC的磷酸化或者對內(nèi)源的ARC進(jìn)行沉默使心肌細(xì)胞更易肥大?；钚匝醮龠M(jìn)CK2的羰基化，進(jìn)而使CK2磷酸化ARC蛋白，使其發(fā)揮抑制心肌細(xì)胞肥大的作用［18，19］?？梢钥闯隹沟蛲龅鞍譇RC參與了心肌細(xì)胞由正常向肥大的轉(zhuǎn)變以及最終走向心衰的過程。

綜上，ARC是參與心臟病病理發(fā)生過程的重要因子之一，作為抗凋亡的心肌保護(hù)因子發(fā)揮作用，深入了解ARC在不同病理狀態(tài)或不同病因的心臟病中的調(diào)控和抗凋亡機(jī)制對心臟病的診斷、治療，甚至藥物研制等具有重要的意義。

［1］ Geertman R， McMahon A， Sabban EL. Cloning and characterization of cDNAs for novel proteins with glutamic acidproline dipeptide tandem repeats［J］.Biochim Biophys Acta，1996，1306(2)：147-152.

［2］ Takeyoshi K，Naohiro I，Shu C，et al.ARC，an inhibitor of apoptosis expressed in skeletal muscle and heart that interacts selectively with caspases［J］.Proc Natl Acad Sci，1998，95：5156-5160.

［3］ Mercier I，VuoloM，Madan R，etal.ARC，an apoptosis suppressor limited to terminally differentiated cells，is induced in human breast cancer and confers chemo-and radiation-resistance［J］.Cell Death Differ，2005，12(6)：682-686.

［4］ Wang M，Qanungo S，Crow MT et al.Apoptosis repressor with caspase recruitment domain(ARC)is expressed in cancer cells and localizes to nuclei［J］.FEBS Lett，2005，579(11)：2411-2415.

［5 ］ NamYJ，Mani K，Ashton AW，et al.Inhibition of both the extrinsic and intrinsic death pathways through nonhomotypic death-fold interactions［J］.Mol Cell，2004，15(6)：901-912.

［6 ］ Ekhterae D，Platoshyn O，Zhang S，Remillard CV，et al.Apoptosis repressor with caspase domain inhibits cardiomyocyte apoptosis by reducing K+currents［J］.Am J Physiol Cell Physiol，2003，284(6)：C1405-1410.

［7 ］ Jo DG，Jun JI，Chang JW，et al.Calcium binding of ARC mediates regulation of Caspase 8 and cell death［J］.Mol Cell Biol，2004，24(22)：9763-9770.

［8 ］ Li PF，Li J，Müller EC，et al.Phosphorylation by protein kinase CK2：a signaling switch for the caspase-inhibiting protein ARC［J］.Mol Cell，2002，10(2)：247-258.

［9］ Zhang YQ，Herman B.ARC protects rat cardiomyocytes against oxidative stress through inhibition of caspase-2 mediated mitochondrial pathway［J］.J Cell Biochem，2006，99(2)：575-588.

［10］ TanWQ，Wang JX，Lin ZQ，et al.Novel cardiac apoptotic pathway the dephosphorylation ofapoptosis repressor with Caspase recruitment domain by Calcineurin circulation［J］.2008，118(22)：2268-2276.

［11］ Nam YJ，Mani K，Wu L，et al.The apoptosis inhibitor ARC undergoes ubiquitin-proteasomal-mediated degradation in response to death stimuli［J］.J Biol Chem，2007，282(8)：5522-5528.

［12］ FooRS，Chan LK，KitsisRN，etal.Ubiquitination and degradation of the anti-apoptotic protein ARC by MDM2［J］.J Biol Chem，2007，282(8)：5529-5535.

［13］ Li YZ，Lu DY，Tan WQ，Wang JX，et al.p53 initiates apoptosis by transcriptionally targeting the antiapoptotic protein ARC［J］.Mol Cell Biol，2008，28(2)：564-574.

［14］ Ekhterae D，Lin Z，Lundberg MS，et al.ARC inhibits cytochrome c release from mitochondria and protects against hypoxia-induced apoptosis in heart-derived H9c2 cells［J］.Circ Res，1999，85(12)：e70-77.

［15］ Neuss M，Monticone R，Lundberg MS，et al.The apoptotic regulatory protein ARC (apoptosis repressorwith caspase recruitment domain)prevents oxidant stress-mediated cell death by preserving mitochondrial function［J］.J Biol Chem，2001，276(36)：33915-33922.

［16］ Pyo JO，Nah J，Kim HJ，et al.Protection of cardiomyocytes from ischemic/hypoxic cell deathvia Drbp1 and pMe2GlyDH in cardio-specific ARC transgenic mice［J］.J Biol Chem，2008，283(45)：30707-30714.

［17］ Donath S，Li P，Willenbockel C，et al.Apoptosis repressor with Caspase recruitment domain is required for cardioprotection in response to biomechanical and ischemic stress［J］.Circulation，2006，113(9)：1203-1212.

［18］ Li Y，Ge X，Liu X.The cardioprotective effect of postconditioning is mediated by ARC through inhibiting mitochondrial apoptotic pathway［J］.Apoptosis，2009，14(2)：164-172.

［19］ Murtaza I，Wang HX，F(xiàn)eng X，et al.Down-regulation of catalase and oxidative modification of protein kinase CK2 lead to the failure of apoptosis repressor with caspase recruitment domain to inhibit cardiomyocyte hypertrophy［J］.J Biol Chem，2008，283(10)：5996-6004.

The Advances in Heart Specific Anti-apoptosis Protein ARC

LIAN Hong1，ZHANG Lian-feng1，2
(1.Key Laboratory of Human Disease Comparative Medicine，Ministry of Heath，Institute of Laboratory Animal Science，Chinese Academy of Medical Sciences＆ Peking Union Medical College，Beijing 100021，China;2.Human Disease Animal Models Level-3 Laboratory of State Administration of Traditional Chinese Medicine，Institute of Laboratory Animal Science，Chinese Academy of Medical Sciences＆ Peking Union Medical College，Beijing 100021，China)

ARC(apoptosis repressor with CARD)protein expressed at high levels in the terminally differentiated tissues，such as，heart，skeletal muscle and brain，which was identified at the end of last century.ARC inhibits apoptosis at different levels.Since the specific expression of ARC in heart and antagonize apoptosis in many pathways，it became a hot-spot in recent years.With the function of anti-apoptosis，ARC has become a protecting factor for heart muscle.This review mainly focuses on the anti-apoptosis pathways and recent-year advances on ARC in cardiomyopathy.

Apoptosis repressor with CARD(ARC);Apoptosis;Cardiomyopathy

R541 R332

A

1671-7856(2011)03-0059-03

2010-06-21

10.3969/j.issn.1671-7856.2011.03.015

衛(wèi)生部行業(yè)基金，實(shí)驗(yàn)動物和人類疾病動物模型資源擴(kuò)展(200802036)和十一五新藥專項(xiàng)支持(2009ZX09501-026)。

廉虹(1982-)，女，博士生。主要研究方向：心肌病機(jī)制，E-mail：lian_hong1982@163.com。

張連峰，E-mail：Zhanglf@cnilas.org。