蛋白質二硫鍵異構酶在心血管疾病中作用機制的研究進展

盛夢婷，黃子芮，潘黎明，李俊明

綜述

蛋白質二硫鍵異構酶在心血管疾病中作用機制的研究進展

盛夢婷1，黃子芮1，潘黎明1，李俊明2△

蛋白質二硫鍵異構酶是一種主要存在于內質網中的巰基-二硫鍵氧化還原酶。已經證實其具有催化二硫鍵形成及重排、調節(jié)蛋白質的折疊等多種生物學功能，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)該蛋白也可作為一個潛在的心血管疾病生物學標志物，在急性心肌梗死中可以減少梗死面積和凋亡心肌細胞數目；在糖尿病心肌病中，能降低心肌易損性；在高血壓和血栓形成過程中也擔任著一個重要的角色。因此，本文主要針對蛋白質二硫鍵異構酶在心血管疾病發(fā)生發(fā)展中的機制研究進展予以綜述。

蛋白質二硫化物異構酶；心肌梗死；糖尿病并發(fā)癥；心肌疾病；高血壓；血栓形成；綜述

蛋白質二硫鍵異構酶（protein disulfide isomerase，PDI）是一種主要存在于內質網腔內的關鍵的代謝性蛋白質，它既有氧化還原酶活性又可作為分子伴侶，在蛋白質二硫鍵的形成、還原和異構中起關鍵作用；同時也是未折疊蛋白質反應（unfolded protein response，UPR）的重要組成成員，在氧化應激中發(fā)揮重要作用，調控細胞凋亡的過程。心臟作為對氧化損傷最敏感的臟器之一，對蛋白質巰基的氧化還原過程精密的控制是保證其正常和完整的細胞功能所必需的。研究表明，不可逆的氧化性修飾在心血管疾病中發(fā)揮著重要作用，而PDI作為內質網中關鍵的氧化還原酶，在促進心肌細胞生存和更有利的心臟重塑方面起著至關重要的作用［1］。

1 PDI結構及其功能

早在1963年，Goldberger等［2］及Venetianer等［3］2組人員幾乎同時發(fā)現(xiàn)鴿子和雞胰腺的提取物能夠刺激還原性核糖核苷酸的再氧化，不久后Anfinsen等［4］將提取物純化并發(fā)現(xiàn)純化后的酶具有促進巰基-二硫鍵互換反應的功能，此酶在1975年被正式命名為PDI。人類的PDI蛋白由491個氨基酸組成，目前公認含4個類硫氧還蛋白結構域（a，a'，b'，b）、1個強酸性羧基末端伸展域（c）和鏈接子（x），排列成abb'xa' c模式：4個類硫氧還蛋白結構域組成一個扭曲的“U”形，“U”形底部由不含催化中心但能與底物結合的b和b'結構域組成，其中b結構域連接a和a'2個活性區(qū)域，b'是主要的肽結合位點，它含有1個疏水結構區(qū)，能與蛋白質折疊中間體直接結合，也是PDI發(fā)揮分子伴侶活性的重要結構?！癠”形兩側壁由含催化中心的a及a'結構域構成，各含1個硫氧還蛋白活性位點（CGHC，Cys-GLY-His-Cy）［5］。b'和a'通過x鏈接子連接，后者是由19個氨基酸組成的域間鏈路，能夠

提高PDI與底物結合的靈敏度。另外一個關鍵性的結構是c端，它影響鈣離子的結合并且包含內質網滯留序列，能讓PDI滯留在內質網中更好地發(fā)揮作用［6］。

PDI家族的功能多樣性取決于其代謝底物狀態(tài)以及氧化還原環(huán)境，更重要的是由特征性硫氧還蛋白結構域的狀態(tài)所決定：當PDI的2個活性位點均為氧化狀態(tài)時，兩者之間的空間距離增大，能更好地暴露b'的疏水結構，使其更容易與底物結合［7］。氧化狀態(tài)的PDI能與還原狀態(tài)或者未折疊的多肽結合，使底物形成二硫鍵，而還原態(tài)的PDI則與氧化狀態(tài)的底物相互作用，表現(xiàn)出還原酶或者異構酶的功能。PDI的氧化還原狀態(tài)同樣能影響其作為分子伴侶的功能，具體表現(xiàn)為a'結構域能與b結構域以及x鏈接子緊密結合，形成一個緊湊的結構單位，當a'結構域被氧化時能夠釋放這個緊密的結構單位，進而暴露b'結合位點，表現(xiàn)出更高的分子伴侶活性［8］。

PDI的主要作用是促進蛋白質的正確折疊，通過其分子伴侶作用，促進二硫鍵形成及錯誤折疊的二硫鍵的重排。當PDI將二硫鍵傳遞給底物后，它自己被還原并且轉換為一種關閉狀態(tài)，使被氧化的底物能更好地釋放。錯誤折疊蛋白質的積累能引發(fā)內質網應激（endoplasmic reticulum stress，ERS），ERS是細胞在應激條件下啟動的自我保護反應機制，能促進內質網對未折疊或錯誤折疊蛋白質的處理，從而有利于內環(huán)境穩(wěn)態(tài)的恢復和細胞的存活，但長期氧化應激會引起細胞凋亡。應激條件下，PDI對蛋白質的正確折疊和對錯誤折疊蛋白質的處理是維持細胞內環(huán)境穩(wěn)態(tài)所必需的，是UPR的重要組成部分，也是評估UPR的重要指標之一［9］。已有研究證實，當ERS被觸發(fā)時，UPR激活，PDI的表達會上調，并且PDI也參與了錯誤折疊蛋白質引起的細胞凋亡過程［10］，另外，年老的小鼠肝臟內的PDI發(fā)生氧化羥基化修飾，活性明顯下降，導致其介導的協(xié)助蛋白質折疊等功能減弱，最終可導致內質網內錯誤折疊蛋白質的蓄積，引起ERS［11］。

2 PDI與心血管疾病

心血管疾病是嚴重威脅人類健康的重要危險因素，隨著環(huán)境污染的日益嚴重，人們生活方式和飲食結構的改變以及人口老齡化的加劇，心血管疾病的防控形勢更加嚴峻［12］。據統(tǒng)計，全球每年大約有1 700多萬人死于心血管疾病，而在我國這一數據為300萬，占總死亡原因的41%［13］。PDI作為一種幫助蛋白質正確折疊的關鍵性蛋白質，在心血管疾病的發(fā)生發(fā)展中起著不可或缺的作用。

2.1 PDI與急性心肌梗死急性心肌梗死（acute myocardial infarction，AMI）主要是由于冠狀動脈的完全或不完全阻塞，導致心肌的長時間缺血而引起心肌細胞凋亡。因為AMI時心肌會出現(xiàn)缺血、缺氧或再灌注損傷等，這些因素可以誘發(fā)ERS，長時間的ERS導致細胞凋亡。有研究發(fā)現(xiàn)在梗死周邊心肌細胞中，PDI在梗死后的第1天即可出現(xiàn)表達升高，這種快速的PDI上調現(xiàn)象是機體對缺氧損傷的保護性應答，即維持新生蛋白質的正確折疊以及糾正錯誤折疊；過表達PDI能減少心肌細胞的凋亡情況，減小心肌的梗死面積，改善心功能；當PDI的2個活性位點發(fā)生點突變導致其氧化性喪失時，心肌細胞的凋亡增加［14-15］。在梗死周邊區(qū)域的毛細血管中也發(fā)現(xiàn)PDI的表達上升，這有利于缺氧后的血管生成。如果使內皮細胞中的PDI沉默，細胞凋亡會增加并且減弱了缺氧條件下細胞的遷移、黏附和血管生成應答過程。因此，PDI在缺氧區(qū)域的血管生成過程中也起著重要的調控作用，盡管其具體機制尚未明確［16］。

2.2 PDI與高血壓高血壓不僅是最常見的慢性疾病，同時也是心血管疾病最主要的危險因素之一，是其高發(fā)病率和高死亡率的主要病因。高血壓的發(fā)病機制復雜且尚未完全清楚，但已發(fā)現(xiàn)氧化應激在其中起著重要作用。在高血壓動物模型和患者體內均可發(fā)現(xiàn)活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）的蓄積，可能會導致左心室肥大、冠狀動脈疾病、腎臟損傷、內皮功能障礙和肺血管重構等并發(fā)癥的發(fā)生［17］。

當機體內ROS蓄積，會觸發(fā)氧化應激的發(fā)生，導致血管損傷和炎癥反應，致使血管阻力增加，最終引起血管重構和高血壓的發(fā)生。而血管損傷同樣會導致血栓形成和血管炎癥［18］。血管緊張素（Ang）Ⅱ是腎素-血管緊張素系統(tǒng)（renin angiotensin system，RAS）中最重要的效應因子，不僅能升高血壓、影響水電解質平衡，同時在高血壓并發(fā)癥如左心室重構、內皮功能損傷和血管炎癥反應及心腎纖維化中起到重要的作用。Fernandes等［19］發(fā)現(xiàn)上調兔主動脈平滑肌細胞中PDI的表達能激活還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotin?amide adenine dinucleotide phosphate oxidase，NADPH）氧化酶（NOX），進而促進ROS的生成和AngⅡ的應答。通過進一步研究發(fā)現(xiàn)，在高血壓的發(fā)生發(fā)展過程中，PDI的表達上調主要發(fā)生在阻力動脈而非傳導動脈中，并且伴隨著NOX1的升高；NOX1進一步刺激ROS的生成和AngⅡ的應答，進而激活絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）、酪氨酸激酶和轉錄因子并調節(jié)細胞內游離鈣離子的濃度，參與ECM和炎癥因子的增長、遷移和沉積，最終導致血壓升高和血管炎癥及硬化［20-21］。

3 PDI與糖尿病心肌病

糖尿病心肌?。╠iabetic cardiomyopathy，DCM）是指排除先天性心臟病、高血壓、動脈粥樣硬化性心臟病及其他已知的心臟疾病的一種獨立的疾病狀態(tài)，以心肌肥大、心臟舒張功能減退、心肌間質纖維化、心肌細胞凋亡為特征，早期多表現(xiàn)為舒張功能下降，約27%～70%的無癥狀糖尿病患者表現(xiàn)出某種形式的舒張功能異常，隨著疾病的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)心肌收縮障礙甚至心力衰竭［22］。其發(fā)病機制中，長期高血糖可以通過內皮素（ET）-1介導的ROS、白細胞介素（IL）-6、瘦素等因子誘導心肌細胞肥大；胰島素抵抗則可以引起心室重構和功能障礙；高脂高糖環(huán)境下也會出現(xiàn)血管重塑和纖維化［23］。

線粒體功能異常和內質網氧化應激在DCM的發(fā)病過程中起著重要的作用［24］。Koentqes等［25］研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病患者心肌中線粒體氧化磷酸化作用減弱和功能異常，而氧化應激可以引起線粒體損傷，使ROS增加，出現(xiàn)ROS介導的細胞凋亡。ERS在糖尿病心肌病早期的發(fā)生中起重要作用，可引發(fā)高血糖、游離脂肪酸蓄積和炎癥，引起機體代謝紊亂和細胞凋亡，從而促進糖尿病心肌病的發(fā)生發(fā)展，而PDI在UPR中

的關鍵作用也使得PDI在糖尿病心肌病的進程中發(fā)揮著重要的調節(jié)作用［26］。另外，許多因素如慢性炎癥、氧化應激、過度的高血糖、ERS等能導致胰島β細胞的損傷，其中ERS在胰島素抵抗發(fā)生過程中的作用越來越受到重視。已有研究發(fā)現(xiàn)，內質網環(huán)境的紊亂能嚴重影響胰島素的功能以及機體正常血糖水平的維持，并且，PDI被證實能促進胰島素原的二硫鍵的形成［27］。Toldo等［28］在糖尿病患者和動物模型的研究中發(fā)現(xiàn)，PDI的表達異常與心肌細胞凋亡、心肌梗死面積及梗死后心功能密切相關，主要機制為高血糖環(huán)境使氧化態(tài)PDI減少，使其催化分子內及分子間蛋白質二硫鍵形成的功能減弱，導致內質網錯誤折疊、蛋白質堆積，使心肌易損性增加，并提出PDI能夠發(fā)揮保護缺血心肌的作用，是由于其能夠緩解ERS和提高超氧化物歧化酶1（SOD-1）的活性。

4 PDI與血栓形成

血栓形成是心血管系統(tǒng)中常見的一種病理生理過程，雖然小的血栓不會引起明顯的臨床癥狀，但是當栓子體積增大或者脫落引起組織器官缺血后會嚴重影響其功能，甚至威脅生命。血管內膜損傷、血液性質改變和血流的改變是血栓形成的主要機制，其中血小板的黏附、聚集以及釋放是關鍵環(huán)節(jié)［29］。

雖然PDI有一個C端內質網保留序列，但是在細胞表面、線粒體、血小板、細胞核和胞質中也可檢測到其表達。有研究發(fā)現(xiàn)在血管損傷的同時便可在損傷區(qū)域檢測到PDI，并在30 s內達到最大值，此過程發(fā)生在血小板聚集之前［30］。PDI能與內皮細胞整合素avβ3以及血小板整合素αⅡbβ3相結合，導致血小板的黏附、聚集和釋放，最終導致血栓生成；在β 3（-/-）小鼠中，損傷部位PDI的表達減少，并且血小板聚集和纖維蛋白的生成均顯著降低［31］。

另外，最新的研究結果表明，PDI能夠與細胞表面利鈉肽受體結合，從而調節(jié)利鈉肽生成環(huán)鳥苷酸的能力；PDI也可能作為一種細胞內的抗炎分子，下調核因子（NF）-κB的表達，抑制脂多糖誘導的巨噬細胞炎癥相關因子的產生［32-33］，促進心血管疾病的發(fā)生發(fā)展。

PDI通過其氧化還原、催化二硫鍵的形成及異構化以及通過促使蛋白質正確折疊、復折疊體現(xiàn)的分子伴侶功能，在維持心肌細胞的正常功能及在病理狀態(tài)下保護心肌方面起著重要作用。隨著ERS在心血管疾病機制研究的進一步深入，PDI在心血管疾病發(fā)生發(fā)展過程中的影響進一步明朗，可能為心血管疾病的臨床治療提供新的方向和思路。

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（2015-06-18收稿 2015-07-19修回）

（本文編輯 魏杰）

Protein disulfide isomerase's role in cardiovascular disease

SHENG Mengting1,HANG Zirui1,PAN Liming1,LI Junming2△
1 People's Hospital of Three Gorges University，Yichang 443002，China；2 The First People's Hospital of Yichang△

Protein disulfide isomerase（PDI）is one of thiol-disulfide oxidoreductases that mainly located in the endo?plasmic reticulum（ER）.It is generally known that PDI caralyzes the formation，rearrangement，breakage of disulfide bonds，and this enzyme is effective in regulation of protein folding.Now it is also known as a biomarker of cardiovascular disease. Protein disulfide isomerase can reduce infarct size and myocardial apoptosis in acute myocardial infarction（AMI）.PDI can also improve changes of cardiac vulnerability in diabetic cardiomyopathy（DCM）.Further more,it is also shown that PDI play an important role in hypertension and thrombosis.Therefore,this paper review the effects of protein disulfide isomerase in cardiovascular diseases.

protein disulfide-isomerase；myocardial infarction；diabetes complications；cardiomyopathies；hyperten?sion；thrombosis；review

R541

A

10.11958/j.issn.0253-9896.2015.10.032

國家自然科學基金資助項目（81270280）

1三峽大學人民醫(yī)院（郵編443002）；2宜昌市第一人民醫(yī)院

盛夢婷（1989），女，碩士在讀，主要從事心血管疾病的研究

△通訊作者E-mail:lijunming@med-mail.com.cn