慢性阻塞性肺疾病骨骼肌萎縮中泛素蛋白酶系統(tǒng)與缺氧的研究

譚栗川 綜述，戴路明 審校

(昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院呼吸二科，昆明 650032)

·綜 述·

慢性阻塞性肺疾病骨骼肌萎縮中泛素蛋白酶系統(tǒng)與缺氧的研究

譚栗川 綜述，戴路明△審校

(昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院呼吸二科，昆明 650032)

肺疾病，慢性阻塞性；肌，骨骼;萎縮；泛素蛋白酶系統(tǒng);組織缺氧

慢性阻塞性肺疾病(COPD)作為一種系統(tǒng)性疾病，近年來受到更多關(guān)注的是它重要的臨床肺外表現(xiàn)。骨骼肌萎縮及無力不僅造成運(yùn)動(dòng)能力的下降、健康情況的惡化，在除外氣道梗阻的因素下，它也是COPD患者病死率的決定因素。在肌肉質(zhì)量的調(diào)節(jié)中，泛素蛋白酶系統(tǒng)起到主導(dǎo)作用[1]。從病因?qū)W上廢用性因素、感染、氧化應(yīng)激、低氧血癥、高碳酸血癥、低水平的激素合成和生長因子、能量平衡受損、激素的使用、缺乏維生素D均可造成COPD患者的肌無力及肌萎縮[2]。肌肉組織的動(dòng)態(tài)平衡是通過蛋白合成及蛋白分解之間緊密及復(fù)雜的平衡關(guān)系來維持的。在分子水平上，泛素蛋白酶體系統(tǒng)的激活無疑是控制蛋白水解的主要途徑[1]。早在2005年便有人發(fā)現(xiàn)在缺氧的癌癥惡病質(zhì)患者身上泛素蛋白酶體是造成骨骼肌蛋白降解的主要途徑，Chaudhary等[3]在2011年發(fā)現(xiàn)慢性缺氧條件下小鼠骨骼肌中的泛素蛋白酶途徑被進(jìn)一步加強(qiáng)導(dǎo)致更強(qiáng)的蛋白分解出現(xiàn)。

1 泛素蛋白酶體系統(tǒng)

泛素是由76個(gè)殘基組成的能特異連接到蛋白上的一組短肽[4]。泛素蛋白酶系統(tǒng)是一個(gè)腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)依賴的蛋白水解途徑，主要降解細(xì)胞內(nèi)及細(xì)胞膜的蛋白質(zhì)。這個(gè)系統(tǒng)非常復(fù)雜，由一系列高級(jí)有機(jī)級(jí)聯(lián)酶促反應(yīng)形成，它能選擇、標(biāo)記、分解蛋白。被泛素蛋白酶系統(tǒng)分解的蛋白首先需要通過與泛素的共價(jià)連接來修飾。泛素和蛋白底物之間的共價(jià)結(jié)合需要一系列的步驟來完成：首先，一個(gè)泛素激活酶(E1)利用ATP與泛素羧基末端的甘氨酸形成一個(gè)E1泛素硫酯加合物。單獨(dú)的E1酶在哺乳類動(dòng)物細(xì)胞中起到泛素激活的作用。泛素激活后，E2泛素運(yùn)載蛋白家族的成員(也叫泛素共價(jià)連接酶)將激活的泛素轉(zhuǎn)移至蛋白底物上。E3泛素蛋白連接酶家族中也有許多參與共價(jià)連接的過程。不同的E3泛素連接酶為泛素化過程提供選擇性，它們作為對接蛋白把底物蛋白與E2載體蛋白和激活的泛素連接在一起[5]。在一些情況下，輔助蛋白需要和E3泛素連接酶相互作用來完成泛素共價(jià)結(jié)合。因結(jié)構(gòu)的相似性、功能的分級(jí)及底物的識(shí)別，這類E3泛素連接酶被分為3個(gè)群組：HECT域泛素連接酶、單亞基環(huán)指泛素連接酶、多亞基環(huán)指泛素連接酶。靶蛋白成功泛素化后，這些E3連接酶在ATP依賴過程中便展開并插入到26S蛋白酶體中，26S的蛋白酶體由一個(gè)20S催化核心及數(shù)個(gè)19S調(diào)節(jié)帽組成。20S蛋白酶體的蛋白水解活性是由糜蛋白酶樣、胰蛋白酶樣及胱天蛋白酶樣活性組成。蛋白酶體把標(biāo)記蛋白切割成短寡肽，由胞質(zhì)內(nèi)的肽酶進(jìn)行進(jìn)一步的降解，而泛素則被分離和回收[5]。

2 泛素E3連接酶

在這些不同的E3酶中，只有少部分能調(diào)節(jié)肌肉萎縮過程及在萎縮的肌肉中能被誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄[6]。Atrogin-1/MAFbx、MuRF-1(muscle-specific RING finger protein 1)，以及Nedd-4(neuronal precursor cell-expressed developmentally down-regulated 4)是調(diào)節(jié)泛素介導(dǎo)的蛋白水解過程的關(guān)鍵酶，他們從外傷性去神經(jīng)支配到慢性代謝疾病的骨骼肌萎縮小鼠模型身上均有不同程度的上調(diào)[1]。有足夠的證據(jù)證明在患有COPD的患者身上，泛素蛋白酶系統(tǒng)活性加強(qiáng)并可致肌肉萎縮[7]。Lemire等[7]發(fā)現(xiàn)患有骨骼肌萎縮的COPD患者體內(nèi)肌肉萎縮調(diào)節(jié)因子atrogin-1和MuRF-1均表現(xiàn)較高水平。與增高的蛋白酶體活性一樣，升高的MAFbx(atrogin-1)和MuRF-1的mRNA水平是肌肉萎縮的有力分子標(biāo)志。Nedd4-1則被報(bào)道在廢用性骨骼肌萎縮中出現(xiàn)上調(diào)。在肌肉組織中特異性缺失Nedd4-1后，在去神經(jīng)支配Ⅱ型纖維模型里可避免肌肉的萎縮。然而，Nedd4-1基因敲除小鼠卻有相比更小的肌肉組織，所以推斷Nedd4-1在肌肉再生及蛋白合成的控制中起到其他的作用[8]。

這些肌肉特異E3連接酶的激活被許多不同的途徑所控制[2]。(1)MuRF-1和atrogin-1的核轉(zhuǎn)錄能被磷酸化后的叉頭盒子O(the forkhead box O，F(xiàn)OXO)族增強(qiáng)，也能被蛋白激酶B(AKT)所滅活[9]，相反，AKT活性抑制及FOXOs磷?；蟮腇OXOs核轉(zhuǎn)位能誘導(dǎo)MuRF-1和atrogin-1的產(chǎn)生；(2)促炎細(xì)胞因子能激活核因子-κB(nuclear factor-κB，NF-κB)，而NF-κB能反之激活MuRF-1[10]；(3)促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)途徑已經(jīng)證實(shí)涉及泛素蛋白酶體途徑的激活，以及細(xì)胞和小鼠肌肉萎縮模型中惡病質(zhì)過程的啟動(dòng)[11]。p38 MAPK在所有MAKP家族中備受關(guān)注，因?yàn)樗粌H能刺激肌肉特異E3連接酶，同時(shí)它的抑制作用還能防止肌肉萎縮[11]。在肌肉質(zhì)量的調(diào)節(jié)過程中，肌肉生成抑制素(myostatin)對肌肉質(zhì)量有負(fù)作用，它可以通過抑制AKT激酶活性來阻斷肌肉生長[12]，或通過阻斷肌源性分化因子D(myogenic differentiation factor D，MyoD)來抑制衛(wèi)星細(xì)胞的復(fù)制和分化[13]，抑制素同樣能通過增加FOXO-1的轉(zhuǎn)錄活性來加強(qiáng)蛋白酶體依賴的收縮蛋白的降解[14]。

3 缺氧介導(dǎo)的骨骼肌萎縮

缺氧是COPD患者的常見表現(xiàn)，缺氧能抑制肌肉調(diào)節(jié)蛋白的表達(dá)并能激活NF-κB途徑[15]。Leite Rodrigues等[16]發(fā)現(xiàn)氧分壓(PaO2)對肌肉功能的變量有著密切的關(guān)系，低氧血癥對COPD患者早期骨骼肌無力的負(fù)面作用便是降低功能能力。在COPD患者的骨骼肌組織中，缺氧是一個(gè)推動(dòng)變化的因子[17]。在缺氧的條件下，動(dòng)物和人類的肌肉質(zhì)量均有所下降。擁有低水平的動(dòng)脈血氧水平或下降的氧氣彌散水平的COPD患者體質(zhì)量要比那些指標(biāo)正常的COPD患者體質(zhì)量要輕[2]。Caron等[18]發(fā)現(xiàn)，在缺氧的條件下，糜蛋白酶樣及胱天蛋白酶樣的蛋白酶體活性明顯增加，更高的蛋白酶體活性則是通過標(biāo)記底物的泛素化及atrogin-1和MuRF-1的關(guān)鍵性調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。Caron等[18]研究得出的最后理論便是缺氧是肌肉細(xì)胞分解代謝的觸發(fā)因素。在低氧利用率的過程中，細(xì)胞存活的反應(yīng)是通過缺氧誘導(dǎo)因子-1(hypoxia-inducible factor-1，HIF-1)來完成的[19]。HIF-1是一種通過缺氧和反應(yīng)性氧化物產(chǎn)物來穩(wěn)定自身的轉(zhuǎn)錄因子，它能觸發(fā)一些糖酵解酶基因的表達(dá)[20]。與之關(guān)聯(lián)的是，相比正常人群，患嚴(yán)重COPD的患者樣本中，一種E3連接酶參與了HIF-1α亞基的蛋白水解，這就是希佩爾林道(von Hippel-Lindau，VHL)[21]，在這種情況下，HIF信號(hào)的轉(zhuǎn)變可能進(jìn)一步對肌肉組織造成損傷。Favier等[22]還從缺氧的COPD患者肌肉樣本中發(fā)現(xiàn)了REDD-1(regulated in development and DNA damage responses-1)基因的激活。為了應(yīng)激細(xì)胞內(nèi)的變化(缺氧)，REDD-1能使mTOR(the mammalian target of rapamycin)的激酶失活，而在蛋白合成的AKT信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中mTOR起到了關(guān)鍵性的作用。缺氧的COPD患者從組織水平上，是通過激活泛素蛋白酶體系統(tǒng)來增加蛋白水解，阻斷培養(yǎng)肌管的合成，最終造成肌肉組織的萎縮。COPD患者長期缺氧會(huì)導(dǎo)致肢體肌肉氧化應(yīng)激的發(fā)生，同樣也會(huì)引起炎性反應(yīng)[23]，這樣就在骨骼肌萎縮的COPD患者中將缺氧和特異細(xì)胞反應(yīng)在其他機(jī)制中聯(lián)系在了一起。

4 泛素蛋白酶體系統(tǒng)和缺氧關(guān)系的研究

缺氧是造成COPD患者骨骼肌萎縮的病因機(jī)制之一，而泛素蛋白酶體系統(tǒng)作為蛋白分解的主要途徑，在COPD患者骨骼肌的萎縮研究中也取得了較多的研究成果。但不可否認(rèn)的是，泛素蛋白酶體系統(tǒng)與缺氧之間有著嚴(yán)密的聯(lián)系。Chaudhary等[3]在慢性缺氧的小鼠模型上發(fā)現(xiàn)上調(diào)的泛素蛋白酶體途徑是造成蛋白分解速率提升的關(guān)鍵，他們證實(shí)了在慢性缺氧的條件下蛋白轉(zhuǎn)化速率的提升主要是通過泛素蛋白酶體途徑來實(shí)現(xiàn)的。Hayot等[24]發(fā)現(xiàn)抑制素在缺氧環(huán)境下骨骼肌肉的適應(yīng)性改變起到重要作用，證實(shí)了在暴露于慢性缺氧的小鼠模型和有慢性缺氧的COPD患者肌肉組織中均有抑制素表達(dá)的明顯上調(diào)。那是否可以推斷抑制素的表達(dá)上調(diào)可增加FOXO-1的轉(zhuǎn)錄活性來調(diào)節(jié)MuRF-1和atrogin-1的核轉(zhuǎn)錄，從而調(diào)控泛素蛋白酶體系統(tǒng)所介導(dǎo)的蛋白質(zhì)水解過程，但目前對于缺氧和泛素蛋白酶體系統(tǒng)之間各種因素聯(lián)系的研究較少，仍需要進(jìn)一步研究來證實(shí)。Li等[25]證實(shí)了在骨骼肌中腫瘤壞死因子-α(TNF-α)通過p38 MAPK來刺激泛素連接酶atrogin-1/MAFbx的表達(dá)。在COPD中增強(qiáng)的活性氧(ROS)及氧化應(yīng)激和肌肉質(zhì)量的減少關(guān)系密切。肌肉組織中TNF-α與表面受體結(jié)合后能增加ROS活性，并能激活氧化還原轉(zhuǎn)錄因子及蛋白激酶(包括NF-κB，p38 MAPK等)[25]。慢性缺氧的COPD患者氧化性應(yīng)激是增強(qiáng)的，也可以猜想缺氧引起ROS及氧化應(yīng)激發(fā)生及作用強(qiáng)化后，與TNF-α相互作用后激活NF-κB，p38 MAPK等，從而刺激atrogin-1的表達(dá)來調(diào)控泛素蛋白酶體系統(tǒng)，當(dāng)然，這樣的猜想是否成立仍需要大量的研究來證實(shí)。Langen等[26]同樣提出組織缺氧影響肌肉蛋白和肌細(xì)胞核的轉(zhuǎn)變，但為了說明COPD患者組織缺氧所致骨骼肌無力的潛在原理，原始效應(yīng)器的分化和氧化反應(yīng)在骨骼肌重塑和分子信號(hào)中的變化仍需要進(jìn)一步闡釋。有趣的是，缺氧本身并不能解釋許多沒有低氧血癥但存在骨骼肌萎縮及功能障礙的COPD患者骨骼肌中觀察到的組織及分子變化。

5 總 結(jié)

自第一次ATS/ERS發(fā)表聲明以來，骨骼肌的研究逐漸成為熱點(diǎn)問題。骨骼肌功能障礙對COPD的疾病預(yù)后產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，骨骼肌萎縮是COPD一種常見的臨床表現(xiàn)。COPD骨骼肌萎縮的發(fā)病機(jī)制在目前的研究中已得到了部分闡釋，但其中復(fù)雜的作用原理及生物分子信號(hào)及基因轉(zhuǎn)導(dǎo)仍需要科學(xué)家們不斷地研究和探索。

[1]Plant PJ, Brooks D, Faughnan M, et al. Cellular markers of muscle atrophy in chronic obstructive pulmonary disease[J]. Am J Respir Cell Mol Biol, 2010, 42(4): 461-471.

[2]Maltais F, Decramer M, Casaburi R,et al.An official American Thoracic Society/European Respiratory Society statement: update on limb muscle dysfunction in chronic obstructive pulmonary disease[J]. Am J Respir Crit Care Med,2014,189(9):e15-62.

[3]Chaudhary P,Suryakumar G,Prasad R,et al. Chronic hypobaric hypoxia mediated skeletal muscle atrophy: role of ubiquitin-proteasome pathway and calpains[J]. Mol Cell Biochem,2012,364(1/2): 101-113.

[4]Banerjee A,Guttridge DC. Mechanisms for maintaining muscle[J]. Curr Opin Support Palliat Care,2012,6(4): 453.

[6]Sandri M. Protein breakdown in muscle wasting: role of autophagy-lysosome and ubiquitin-proteasome[J].Int J Biochem Cell Biol,2013,45(10): 2121-2129.

[7]Lemire BB,Debigare R,Theriault ME,et al. Mapk signaling in the quadriceps of patients with chronic obstructive pulmonary disease[J]. Am J Respir Crit Care Med,2011,183(1): 159-166.

[8]Nagpal P,Plant PJ,Correa J,et al.The ubiquitin ligase Nedd4-1 participates in denervation-induced skeletal muscle atrophy in mice[J]. PLoS One,2012,7(10): e46427.

[9]Sandri M,Sandri C,Gilbert A,et al. Foxo transcription factors induce the atrophy-related ubiquitin ligase atrogin-1 and cause skeletal muscle atrophy[J]. Cell,2004,117(3): 399-412.

[10]Glass DJ. Skeletal muscle hypertrophy and atrophy signaling pathways[J]. Int J Biochem Cell Biol,2005,37(10): 1974-1984.

[11]Mcclung JM,Judge AR,Powers SK,et al. p38 MAPK links oxidative stress to autophagy-related gene expression in cachectic muscle wasting[J]. Am J Physiol Cell Physiol,2010,298(3): C542-549.

[12]Trendelenburg AU,Meyer A,Rohner DA,et al. Myostatin reduces Akt/TORC1/p70S6K signaling,inhibiting myoblast differentiation and myotube size[J]. Am J Physiol Cell Physiol,2009,296(6): C1258-1270.

[13]Lokireddy S,Wijesoma IW,Sze SK,et al.Identification of atrogin-1-targeted proteins during the myostatin-induced skeletal muscle wasting[J]. Am J Physiol Cell Physiol,2012,303(5):C512-529.

[14]Lokireddy S,Mcfarlane C,Ge X,et al. Myostatin induces degradation of sarcomeric proteins through a Smad3 signaling mechanism during skeletal muscle wasting[J]. Mol Endocrinol,2011,25(11): 1936-1949.

[15]Osorio-Fuentealba C，Valdes JA，Riquelme D， et al. Hypoxia stimulates via separate pathways ERK phosphorylation and NF-kappaB activation in skeletal muscle cells in primary culture[J]. J Appl Physiol (1985),2009,106(4): 1301-1310.

[16]Leite Rodrigues S,Melo e Silva CA,Ferreira Amorim C,et al.Correlation between mild hypoxaemia and limb skeletal muscle function in chronic obstructive pulmonary disease - pilot study[J].Rev Port Pneumol,2008,14(6):769-785.

[17]Turan N,Kalko S,Stincone A,et al. A systems biology approach identifies molecular networks defining skeletal muscle abnormalities in chronic obstructive pulmonary disease[J]. PLoS Comput Biol,2011,7(9): e1002129.

[18]Caron MA,Theriault ME,Pare M,et al. Hypoxia alters contractile protein homeostasis in L6 myotubes[J]. FEBS Lett,2009,583(9): 1528-1534.

[19]Semenza GL. Regulation of oxygen homeostasis by hypoxia-inducible factor 1[J]. Physiology,2009,24(2): 97-106.

[20]Raguso CA,Luthy C. Nutritional status in chronic obstructive pulmonary disease: role of hypoxia[J]. Nutrition,2011,27(2): 138-143.

[21]Jatta K,Eliason G,Portela-Gomes GM,et al. Overexpression of von Hippel-Lindau protein in skeletal muscles of patients with chronic obstructive pulmonary disease[J]. J Clin Pathol,2009,62(1):70-76.

[22]Favier FB,Costes F,Defour AA,et al. Downregulation of Akt/mammalian target of rapamycin pathway in skeletal muscle is associated with increased REDD1 expression in response to chronic hypoxia[J]. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol,2010,298(6): R1659-1666.

[23]Gonzalez NC，Wood JG. Alveolar hypoxia-induced systemic inflammation: what low PO(2) does and does not do[J].Adv Exp Med Biol,2010,662:27-32.

[24]Hayot M,Rodriguez J,Vernus B,et al. Myostatin up-regulation is associated with the skeletal muscle response to hypoxic stimuli[J]. Mol Cell Endocrinol,2011,332(1/2): 38-47.

[25]Li YP,Chen YL,John J,et al. TNF-alpha acts via p38 MAPK to stimulate expression of the ubiquitin ligase atrogin1/MAFbx in skeletal muscle[J]. FASEB J,2005,19(3): 362-370.

[26]Langen R,Gosker HR,Remels A,et al. Triggers and mechanisms of skeletal muscle wasting in chronic obstructive pulmonary disease[J]. Int J Biochem Cell Biol,2013,45(10): 2245-2256.

10.3969/j.issn.1671-8348.2015.22.048

文章基金：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (81160006)

譚栗川(1987-)，碩士，主要從事臨床呼吸內(nèi)科學(xué)研究?！?/p>

，E-mail:67470705@qq.com。

R563.3

A

1671-8348(2015)22-3141-03

2015-02-08

2015-07-09)