泛素-蛋白酶體系統(tǒng)與心肌肥厚

張文斌 唐其柱 李 金

心肌肥厚(cardiac hypertrophy)在廣義上是指由于壓力負荷或者容量負荷過大導致心肌產生的代償性的變化，包括心室壁肥厚和心室腔擴大兩個方面。心肌肥厚可以分為生理性肥厚和病理性肥厚兩種，生理性肥厚作為一種適應性肥厚，本文不做過多探討。而病理性肥厚則是一種代償性肥厚，多見于高血壓、心瓣膜病、心肌疾病等心血管疾病，是心肌對心血管疾病的一種病理反應［1］。多項研究已經證明心肌肥厚是心律失常、心肌缺血等心血管疾病或并發(fā)癥的獨立危險因素，終末期可導致心力衰竭和惡性室性心律失常發(fā)生，也是猝死的一個危險因素［2，3］。心肌肥厚必然伴隨著心肌細胞內蛋白質合成與降解的失調，即蛋白質合成增加、降解的減少或是兼有兩者，因此泛素蛋白酶體系統(tǒng)(ubiquitin-proteasome system，UPS)作為一個調節(jié)細胞內蛋白質的降解與功能的關鍵系統(tǒng)，在心肌肥厚的發(fā)生發(fā)展過程中起到了關鍵性的作用。美國心臟協(xié)會亦證實UPS是維持心臟平衡的重要條件。在細胞內，UPS途徑通過消耗腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)，對底物蛋白質進行高效的、高選擇性的降解，哺乳動物細胞內約80%～90%的蛋白質通過這個途徑被降解［4］。UPS途徑在降解錯誤折疊的、被氧化的以及損傷的蛋白質的過程中起到至關重要的作用［5］。心肌肥厚的發(fā)生有高血壓、神經內分泌因素以及生長因子和細胞因子等諸多因素的參與，但本文主要對UPS抑制劑對抗由高血壓引起的心肌肥厚，尤其是左心室肥厚(left ventricular hypertrophy，LVF)的機制進行闡述。

一、泛素化過程

泛素化在哺乳動物細胞內蛋白質降解的過程中起到重要作用，在調控蛋白質的活性與定位過程中扮演了重要角色［6］。泛素化過程是泛素對底物蛋白進行分類、篩選及處理的耗能過程，也是一種蛋白質翻譯后的修飾(post-translational modification，PTM)的過程。泛素化系統(tǒng)主要包括泛素(ubiquitin)、泛素活化酶(ubiquitin activating enzyme，E1)、泛素結合酶(ubiquitin conjugating enzyme，E2)、泛素連接酶(ubiquitin protein ligase，E3)，泛素鏈延長因子(E4)［7］。泛素化修飾可作用于細胞中廣泛的底物蛋白，故其可參與細胞凋亡、增殖、轉錄調節(jié)、DNA損傷修復及炎癥免疫應答等細胞活動，它所扮演的角色也遠比我們最初認為的要重要的多［8，9］。泛素化過程在心肌肥厚中的關鍵作用已經被證實，c-Jun、c-Fos以及P53等參與心肌肥厚的信號分子都可以被E3特異性的識別。此外，體內胰島素水平、反轉錄病毒的出芽等過程的調控也被證實有泛素化過程的參與［10，11］。

1．泛素化過程的主要因子:泛素是由76個氨基酸組成的具有特殊穩(wěn)定性的小分子熱穩(wěn)定蛋白，廣泛存在于哺乳動物的細胞中。泛素化修飾是指底物蛋白在酶的催化作用下與一個或多個泛素分子連接在一起從而完成對底物蛋白的修飾。一般認為多泛素化修飾后的蛋白質更易被水解，研究也證實細胞內的底物蛋白以多泛素鏈的形式被標記后再由蛋白酶體進行識別降解。靶蛋白被泛素作標記的實質是靶蛋白質上的一個賴氨酸(Lys)與泛素末端甘氨酸(Gly)之間形成共價結合而發(fā)揮生物作用，在此過程中作為熱穩(wěn)定蛋白的泛素也能保持自己的結構與功能不發(fā)生變化。

E1是泛素與底物蛋白結合所需的第1個酶。E1的高效性使其在泛素濃度很低的情況下就能夠激活泛素，即E1在耗能的條件下通過泛素C端甘氨酸殘基與酶活性部分的半胱氨酸結合形成高能鍵，泛素被E1激活，產生了高能的E1-硫醇-酯-泛素媒介，隨后被激活的泛素被轉移到E2。隨后E2在泛素化過程中發(fā)揮作用，其具體作用機制尚不清楚，需要進一步的研究。E2在結構上包含1個含有半胱氨酸位點的保守核心結構域與多個基因，在一定程度上參與了泛素化特異性與效率的調節(jié)。在蛋白底物多聚泛素化的過程中，E2在E1與E3之間往返運行，促使底物蛋白與泛素聯(lián)結，也可與E3聯(lián)合將泛素轉移為高能E3-泛素媒介。此外，E2在DNA修飾、生長發(fā)育過程中也起到一定的作用。E3是泛素化途徑中的第3個酶，也是研究最多的酶。根據(jù)E3包含的具有識別功能的結構域的不同可將其分為以下兩個家族:①HECT家族，此家族包含了保守性的HECT結構域，該結構域可直接催化底物蛋白的泛素化過程，即通過與泛素的硫酯鍵連接形成作為過渡的ub-E3，隨后將泛素轉移到靶蛋白上;②RING-finger家族，包括了c-Cbt，APC和SCF等。RING結構域在泛素轉運過程中不能像HECT結構域可以直接與ub形成過渡的復合物ub-E3，而是先與Ub-E2形成復合體，隨后真接將Ub轉移至靶蛋白上。E3決定了靶蛋白的特異識別性，這一點在泛素化途徑中具起到了重要的作用［12］。E4是最近發(fā)現(xiàn)新的泛素結合途徑成員，它是一種具有蛋白酶體靶向定位的、泛素結合底物的、具有泛素化作用等特點的結合因子。E4主要參與靶定帶有融合N端的穩(wěn)定泛素化位點的嵌合體模型底物的過程。E4可通過結合到這些結合物的泛素基序上(E1、E2、E3酶結合的位置上)，去促進多聚泛素鏈的裝配。

2．泛素化過程與心肌肥厚的關系:泛素在E1的作用下活化，與E1以共價結合的方式連接，產生高能的E1-硫醇-酯-泛素鏈接，而后泛素被轉移到E2。隨后E2-泛素復合體被E3識別，能將已經被活化的泛素從E2高效的轉移到靶蛋白。一旦上述過程發(fā)生紊亂，就可能導致蛋白酶體功能障礙，繼而導致心肌細胞內不需要的蛋白水平不斷升高，最終引起心肌細胞的功能障礙甚至凋亡，在一些重要的心血管系統(tǒng)疾病的發(fā)生、發(fā)展中起到了重要的作用。有證據(jù)表明在出現(xiàn)頸動脈斑塊破裂的糖尿病患者中UPS起到了推波助瀾的作用，這與UPS調節(jié)由氧化應激引起的炎癥有關。

二、蛋白酶體

1．蛋白酶體組成與功能:蛋白酶體可分為20S蛋白酶體和26S蛋白酶體兩種形式，細胞內最普遍存在的蛋白酶體是26S蛋白酶體，它是一種包含有1個20S核心顆粒和2個19S調節(jié)顆粒的桶狀結構，也是一種依賴ATP的蛋白水解復合體［13］。20S核心顆粒是由4個七元環(huán)疊成的蛋白酶體的降解核心，其兩側外環(huán)由αl-7亞單位組成，主要對底物的識別起作用;兩個內環(huán)由β1-7亞單位構成，主要對底物的降解起到催化的作用。最新的研究證明不同的β亞單位具有不同的蛋白酶活性，包括了胰蛋白酶樣活性、糜蛋白酶樣活性和半胱氨酸蛋白酶樣活性，分別負責分解羧基酸堿性、疏水性或芳香性、酸性氨基酸殘基，促使蛋白質降解，釋放出短肽片段［14］。19S調節(jié)顆粒包含了由10個基底蛋白分子組成的堿性亞復合體和9個蛋白分子組成的亞復合體，它既可使底物蛋白去泛素化又可以識別多聚泛素化的底物。蛋白酶體可打斷被標記的靶蛋白的肽鍵促使其降解，但泛素的結構與功能不會產生影響。臨床上對蛋白酶體的關注程度正迅速增加，大量研究證明蛋白酶體的功能紊亂與亨廷頓舞蹈癥、帕金森綜合征、阿爾茨海默病等疾病密切相關［15］。此外，UPS功能紊亂對一些重要的心血管系統(tǒng)疾病如心肌病、心力衰竭、動脈粥樣硬化等的發(fā)生和發(fā)展具有重要的病理生理學意義。

2．蛋白酶體與心肌肥厚:盡管蛋白酶體在心肌肥厚中的具體作用有待研究，但在一些心肌肥厚的模型中檢測出了蛋白酶體亞單位蛋白質表達的增強，這是因為蛋白酶體促進了心肌肥厚的抑制因子的降解，如早期誘導環(huán)腺苷酸抑制因子(inducible cyclic AMP early repressor，ICER)。此外蛋白酶體還參與了蛋白質降解、修改延長因子的活動等機制。在壓力負荷誘導的心肌肥厚的動物模型中也發(fā)現(xiàn)心肌細胞內蛋白酶體亞基蛋白的水平與心肌肥厚呈正相關。此外，在酵母載體實驗表明，細胞壓力負荷的增加促進了胞質的蛋白酶體易位到細胞核外圍，并通過超表達H11激酶伴侶蛋白和熱休克蛋白22來維持細胞的穩(wěn)態(tài)。這個反應同時伴隨著糜蛋白酶的活性與蛋白酶體蛋白表達上的增強，以及α7蛋白質的磷酸化作用的減弱［16］。

三、蛋白酶體抑制劑

1．蛋白酶體抑制劑作用機制:在心臟負荷增加的情況下，心臟蛋白酶體功能可發(fā)生紊亂，進而產生一系列的變化并進展為心肌肥厚。蛋白酶體抑制劑抑制心肌肥厚的發(fā)生、發(fā)展是多種因素共同決定的，其機制可歸納為以下幾點:①抑制UPS的功能可以抑制UPS對G蛋白偶聯(lián)受體激酶2(G protein-coupled receptor kinases2，GRK2)的降解［17］;②抑制 UPS 可以抑制UPS對有含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶富集功能域的凋亡抑制因子的降解;③抑制UPS的功能可抑制核因子κB(NF-κB)參與的炎癥途徑的激活［18］。在動物模型中也先發(fā)蛋白酶體抑制劑能夠抑制蛋白酶體功能紊亂引起的生理性和病理性心肌肥厚。

2．肽硼酸酯類抑制劑:肽硼酸酯類抑制劑是一類活性較高的蛋白酶體抑制劑，其代表性藥物硼替佐米是第1種上市的蛋白酶體抑制劑，它是一種具有較高可逆性和選擇性的26S蛋白酶體抑制劑，結構上與PS-519不同但卻有著相似的作用，可特異性的與蛋白酶體20S亞基的活性位點結合，從而起到抑制26S蛋白酶體活性的作用［19］。硼替佐米的不同計量對會對心臟造成不同的影響，較低劑量的硼替佐米可以阻止或阻斷心肌肥厚的過程，但高劑量硼替佐米則會使心臟承受額外的壓力，甚至惡化過渡到心力衰竭。同時也必須提及，硼替佐米對多種腫瘤細胞具有細胞毒性，可延遲腫瘤的生長，現(xiàn)已治療多發(fā)性骨髓瘤和套細胞淋巴瘤的常用藥物。上文中提到的PS-519，也是一種作用于26S蛋白酶體的核心蛋白酶的蛋白酶體抑制劑，它可以永久抑制20S蛋白酶體的糜蛋白酶的活性并能阻斷κB抑制蛋白(IκB)降解。這不僅可以阻止核移位也可以防止在心肌肥厚過程中起到重要作用的NF-κB信號通路被激活，在對抗心肌肥厚的發(fā)生發(fā)展過程有著顯著的效果。

3．肽醛類抑制劑:肽醛類抑制劑是一種類蛋白酶體抑制劑，可以高效、特異性的抑制蛋白酶體的活性。其代表性的藥物是MG132，即三肽基乙醛，它通過分子中的醛基與蛋白酶體活性中心蘇氨酸上的羥基形成可逆性的半縮醛結構，從而起到抑制蛋白酶體水解活性、對抗心肌肥厚的作用［20］。最新的研究也證明MG132通過調控ERK1/2和 JNK1信號通路影響心肌肥厚的過程。盡管在一定的劑量范圍內它呈現(xiàn)出濃度依賴性，超過此范圍MG132則可能產生細胞毒性。MG132對血壓幾乎沒有影響，因此它可以做心肌肥厚的藥理抑制劑，而不必擔心血壓波動對實驗結果的影響。

四、展 望

眾所周知，心肌肥厚是一個代償性的過程。心肌肥厚是心肌細胞內的蛋白質不斷累積，即細胞內蛋白質的合成大于蛋白質的分解產生的結果。同時，作為蛋白質穩(wěn)態(tài)的重要調控手段的UPS，可以通過調控不同的環(huán)節(jié)對心肌肥厚的過程進行干預，這使其可能成為心肌肥厚干預的新靶點。蛋白酶體抑制劑通可以過抑制蛋白質合成，抑制了長期內質網應激所造成的對心臟的不利影響并可以減少心肌細胞的凋亡，這為今后心肌肥厚的治療提供了新的思路。展望未來，一些蛋白酶體抑制劑(如MG132)可以作為抗高血壓藥的組成部分，在維持患者血壓的相對穩(wěn)定的情況下，特異性地解決患者心肌肥厚和心臟收縮功能下降等問題，仍需要在進一步的動物實驗和臨床治療中評價蛋白酶體抑制劑對心肌細胞作用的有效性、安全性和最佳劑量。

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