胞膜小凹和窖蛋白在心臟缺血再灌注損傷中保護(hù)作用的研究進(jìn)展

薛紫怡 王佳琬 吳安石

心血管系統(tǒng)疾病是目前全世界人類患病率和病死率上升的主要原因。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞表面的特殊結(jié)構(gòu)：胞膜小凹(caveolae)及其結(jié)構(gòu)蛋白均與心血管疾病密切相關(guān)，它們與特定的信號分子相互作用，對動脈粥樣硬化、心律失常、心肌肥大、心臟缺血再灌注(ischimia-reperfusion, I/R)損傷都有著重要調(diào)節(jié)作用。本文就其在心臟缺血再灌注損傷中所起的心臟保護(hù)作一綜述，旨在為今后的基礎(chǔ)研究與臨床治療提供思路。

1.細(xì)胞膜小凹和窖蛋白的簡介

“小凹”(caveolae)，是細(xì)胞膜上一種富含膽固醇和鞘脂類的燒瓶樣內(nèi)陷結(jié)構(gòu)，其標(biāo)記蛋白是窖蛋白(caveolins)，又稱“小凹蛋白”[1]。自1953年,第一次在電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)以來，目前,已發(fā)現(xiàn)caveolae與諸多臨床疾病相關(guān)，例如脂代謝障礙、肌萎縮、心血管疾病及癌癥[2]。窖蛋白有三種異構(gòu)體caveolin1～3(cav1～3)， cav-1主要存在于內(nèi)皮細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、纖維細(xì)胞中; cav-3主要存在于橫紋肌細(xì)胞(如骨骼肌和心肌細(xì)胞)和平滑肌細(xì)胞中,是與心血管疾病密切相關(guān)的重要蛋白[3]。窖蛋白作為信號分子的分子伴侶和腳手架蛋白，在時間和空間上調(diào)節(jié)暫時聚集在小凹的信號分子及其傳導(dǎo)，例如G蛋白耦聯(lián)受體(G-coupled receptors， GPCRs)、酪氨酸激酶(tyrosine kinase， RTK)、磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase,PI3K/ protein kinaseB,Akt)、蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)、一氧化氮合酶(nitric oxide synthase, NOS)和腺苷酸環(huán)化酶(adenylyl cyclase, AC)均與caveolins的腳手架結(jié)構(gòu)域(caveolin scaffold domain，CSD)相互作用，并能增強或抑制信號蛋白轉(zhuǎn)導(dǎo)的能力[4]。有報道提示 caveolins可以直接與細(xì)胞器相互作用，例如肌漿網(wǎng)和線粒體[5]，促進(jìn)和調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的代謝過程。窖蛋白還有其他的功能，包括囊泡轉(zhuǎn)運、膽固醇平衡、鈣穩(wěn)態(tài)和T管形成[6]。

2.窖蛋白在心臟缺血再灌注性損傷預(yù)處理中的保護(hù)作用

心臟缺血再灌注(I/R)損傷和心肌梗死(miocardial infarction, MI)是臨床上導(dǎo)致患者死亡的重要原因。因此，對于如何保護(hù)心臟抵抗I/R損傷也是心臟保護(hù)研究領(lǐng)域一直以來迫切關(guān)注的問題。小凹和窖蛋白與心臟保護(hù)密不可分，在缺血預(yù)處理(ischemia preconditioning，IPC)和后處理(ischemic postconditioning，IPTC)、吸入性麻醉藥預(yù)處理、阿片類藥物預(yù)處理中發(fā)揮重要作用。

(1)窖蛋白在心臟IPC和IPTC中的保護(hù)作用 ①窖蛋白在IPC和IPTC保護(hù)作用的分子機制IPC是指當(dāng)心臟暴露在一次簡短的缺血后(5min左右)會產(chǎn)生對耐受更長時間缺血的保護(hù)作用。IPC又被稱為雙相事件，其中急性相立刻發(fā)生在IPC后，持續(xù)約1～2h。延遲相的保護(hù)作用發(fā)生在初始刺激的12～24h并會持續(xù)72h。后處理指缺血心肌在經(jīng)歷長時間再灌注前，接受反復(fù)、短暫的再灌注-缺血，可以減輕IR損傷。預(yù)處理主要通過三種平行的信號通路發(fā)揮作用，包括GPCR和利尿鈉肽誘發(fā)的一氧化氮信號通路、再灌注損傷挽救激酶系統(tǒng)(reperfusion injury salvage kinase，RISK)、生存活化因子增強途徑。后處理主要涉及RISK通路[7]。許多參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的信號分子與caveolae和caveolins相互作用，包括GPCRs、RTK、NOS、PKC、PI3K等[4]。最近研究表明 MG53與cav-3和PI3K的相互作用對于IPC/IPTC誘導(dǎo)的RISK信號通路的激活十分重要。MG53也稱作TRIM72， N端與cav-3相互作用，C端SPRY結(jié)構(gòu)域與PI3K結(jié)合，

形成cav-3-MG53-PI3K復(fù)合體發(fā)揮作用[8]。其他證據(jù)顯示IPC可以調(diào)節(jié)caveolae的微環(huán)境使具有心臟保護(hù)功能的蛋白增加，例如 eNOS和葡萄糖轉(zhuǎn)運體4(GLUT-4)，GLUT-4會移位到caveolae中[9]。最近Sun 等發(fā)現(xiàn),胞外鈣敏感受體(CaSR)的激活在IPC誘導(dǎo)的心臟保護(hù)中起重要作用[10]。

②窖蛋白與線粒體相關(guān)的保護(hù)作用 線粒體被認(rèn)為是心臟保護(hù)性干預(yù)措施IPC和IPTC的最終效應(yīng)器。組織缺血會導(dǎo)致ATP的消耗和細(xì)胞內(nèi)鈣超載，電子傳遞鏈的破壞和線粒體鈣超載會引起活性氧自由基爆發(fā)，導(dǎo)致線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeablity transition pore，mPTP)的開放和進(jìn)一步心肌能量的削減。因此，線粒體被認(rèn)為是細(xì)胞死亡的核心環(huán)節(jié)或最終執(zhí)行器。有研究表明細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases, ERK1/2)和Akt可阻斷糖原合成激酶-3β(glycogen synthase Kinase-3β, GSk-3β)介導(dǎo)的mPTP開放[11]。Hernandez的實驗表明在IPTC的大鼠模型中ERK1/2,Akt 和GSk-3β會借助cav-3形成的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到線粒體，調(diào)節(jié)mPTP的開放，產(chǎn)生心臟保護(hù)作用[12]。根據(jù)心肌細(xì)胞中線粒體的亞細(xì)胞定位分布，分為兩種線粒體，肌膜下線粒體(subsarcolemmal mitochondria,SSM)和肌纖維間線粒體(interfibrillar mitochondria,IFM)。由于肌膜下線粒體SSM離caveolae距離較近，因此窖蛋白介導(dǎo)的心臟保護(hù)性信號可能更傾向于肌膜下線粒體SSM[13]。Sun J等人發(fā)現(xiàn)IPC會導(dǎo)致肌膜下線粒體eNOS和cav-3的表達(dá)增多，由此增強了肌膜下線粒體eNOS/NO/S-亞硝基的信號通路活性[14]。線粒體蛋白是S-亞硝基化的主要靶蛋白，NO-介導(dǎo)的S亞硝基化通路會增強IPC誘導(dǎo)的心臟保護(hù)作用[15]。

③ 窖蛋白與心臟能量攝取和轉(zhuǎn)運相關(guān)的保護(hù)作用 心臟需要很高的能量需求，這對維持心臟的收縮功能、離子穩(wěn)態(tài)和代謝過程是必不可少的。在心肌細(xì)胞中，基礎(chǔ)的葡萄糖攝取是由葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋-1(Glucose transporter type 1，GLUT-1)介導(dǎo)的，由于心臟做工的增加或者胰島素的刺激會導(dǎo)致細(xì)胞膜上GLUT-4的轉(zhuǎn)位和葡萄糖攝取增加[16]。最近的研究表明，caveolae對于細(xì)胞的新陳代謝也起重要作用。Tsutsumi等報道,心肌缺血會激活葡萄糖的攝取，這一過程主要依賴GLUT-4從胞內(nèi)的小泡易位到肌纖維膜完成[17]。Koneru等發(fā)現(xiàn), IPC會激活A(yù)kt/eNOS/Cav-3信號通路從而使心臟中GLUT-4轉(zhuǎn)位到肌纖維膜[18]。

(2)窖蛋白與吸入性麻醉藥預(yù)處理的心臟保護(hù)作用 吸入麻醉藥已經(jīng)使用超過了150年，但確切的機制仍不清楚。吸入性麻醉藥是短鏈的鹵代烷烴類和醚類，不僅可以與細(xì)胞膜上的脂質(zhì)相互作用，并且可以直接或間接地與膜上結(jié)合的蛋白相互作用并產(chǎn)生一系列的細(xì)胞內(nèi)效應(yīng)，例如caveolins.許多研究顯示，吸入性麻醉藥可以與IPC產(chǎn)生相似的心臟保護(hù)作用，并且麻醉藥預(yù)處理(APC)涉及的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子也同樣是IPC過程中所涉及的，包括G蛋白的激活、第二信使的觸發(fā)、多種蛋白激酶的活化、一氧化氮的生成和活性氧(reactive oxygen species，ROS)的釋放、維持細(xì)胞內(nèi)和線粒體內(nèi)的鈣穩(wěn)態(tài)和調(diào)節(jié)腺苷三磷酸敏感性K通道的開放[19]。APC也是雙相事件；急性相在預(yù)處理刺激下1～2h立即生成并涉及一些蛋白的磷酸化和易位，延遲相的保護(hù)作用在預(yù)處理后幾天效果明顯放大并涉及蛋白質(zhì)的從頭合成[20]。

異氟醚能保護(hù)心肌細(xì)胞免受低氧環(huán)境引發(fā)的細(xì)胞死亡。野生型小鼠的心臟在進(jìn)行異氟醚預(yù)處理和IPC后，Src基因(sarcoma gene)表達(dá)產(chǎn)物和cav-1磷酸化水平會快速上升。Src抑制劑(PP2)會降低心臟中和Src基因表達(dá)產(chǎn)物和cav-1磷酸化水平，由此異氟醚誘導(dǎo)的心臟保護(hù)作用也消失了[21]。Tsutsumi等觀察到，cav-3在APC誘導(dǎo)的延遲相心臟保護(hù)作用是必不可少的，同時，cav-3和GLUT-4共同定位或易位到caveoale中，提示了APC延遲相的心臟保護(hù)作用依賴cav-3和GLUT-4的移位和相互作用[22]。Wang等發(fā)現(xiàn)，異氟醚預(yù)處理會使cav-1和cav-3從caveoale移動到線粒體并富集，這一過程依賴GPCR/Gi信號通路[23]。最近，Jianli Zhao實驗室發(fā)現(xiàn)七氟烷主要是通過cav-3來抑制環(huán)氧化酶-2(cyclooxygenase-2，Cox-2)及其超氧化物的生成，從而保護(hù)心臟抵抗I/R損傷[24]。

(3)窖蛋白與阿片類藥物預(yù)處理的心臟保護(hù)作用 阿片，是一種神經(jīng)激素，可以從神經(jīng)末梢中釋放，也可以在心肌細(xì)胞中合成。在心臟中，阿片受體對于調(diào)節(jié)β腎上腺素受體的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、興奮收縮耦聯(lián)以及心臟發(fā)育都十分重要[25]。阿片預(yù)處理對心臟的保護(hù)作用主要通過δ-阿片受體(δ-OR)介導(dǎo)。Tsutsumi等報道,cav-3過表達(dá)(cav-3OE)小鼠產(chǎn)生的內(nèi)源性保護(hù)作用也依賴于δ-OR。此外， cav-3使阿片受體匯集到caveoale中，cav-3的表達(dá)對于δ-OR誘導(dǎo)的心臟保護(hù)作用是必不可少的[26]。然而SeeHoe等認(rèn)為,阿片預(yù)處理的心臟保護(hù)作用也分為急性阿片受體激活和持續(xù)阿片受體激活(SOA)，并且這兩種機制略有不同。β環(huán)糊精(MβCD)可以破壞細(xì)胞膜上的膽固醇，cav-3缺乏的小鼠細(xì)胞膜缺乏caveolae結(jié)構(gòu)，兩者都可以削弱δ-OR 介導(dǎo)的保護(hù)作用，然而SOA對于細(xì)胞膜上膽固醇的清除不如急性受體激活敏感，并且不依賴于cav-3的表達(dá)和caveoale[27]，因此更多關(guān)于阿片類藥物預(yù)處理的潛在機制有待實驗證實。

4.窖蛋白與心血管疾病的治療 他汀類藥物，被廣泛使用于降脂治療，并具有提高NO的生物利用度、改善內(nèi)皮功能、增強抗氧化能力和抗炎等特質(zhì)，使用在預(yù)防和治療冠狀動脈疾病。一項最近的臨床實驗顯示，圍手術(shù)期使用辛伐他汀(simvastatin)可以顯著降低非冠狀動脈手術(shù)患者的心肌損傷和炎性反應(yīng)，主要是通過增加熱休克蛋白90 (heat shock proteins90, Hsp90)的表達(dá)和降低cav-1表達(dá)進(jìn)而激活eNOS信號系統(tǒng)[28]。辛伐他汀的這種保護(hù)作用與血脂降低水平無關(guān)，提示通過改變窖蛋白水平可以有效治療心臟缺血性疾病。此外，Oshikawa等提出, 細(xì)胞外超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)定位在小凹中，并且能催化從超氧化物到H2O2的歧化作用，這對于全面激活血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)信號系統(tǒng)和促進(jìn)缺血后的血管生成都具有重要意義[29]。因此，在心血管疾病中小凹可作為一個潛在的治療靶向。

5.小結(jié) 窖蛋白及其相關(guān)的信號分子在IPC/IPTC、APC和阿片類藥物預(yù)處理介導(dǎo)的心臟保護(hù)作用發(fā)揮重要的橋梁作用。目前已經(jīng)證實，caveolins可以保護(hù)心臟抵抗I/R損傷和心臟重構(gòu)，由此窖蛋白也許是一個理想的治療靶方向，但仍需要更多的動物實驗和臨床實驗去證實其可行性。