蛋白翻譯后SUMO化修飾在動(dòng)脈粥樣硬化中的作用與機(jī)制

祝昀輝,周曉菲,余路陽(yáng)

(浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,杭州310058)

多年來(lái),心血管疾病一直是全球范圍內(nèi)發(fā)病率、致死率最高的疾病,并成為有效壽命損失的首要原因[1],其中由動(dòng)脈粥樣硬化(atherosclerosis,AS)引起的血栓形成及其并發(fā)癥如腦卒中、心肌梗死等血管事件是導(dǎo)致死亡的頭號(hào)殺手[2].動(dòng)脈粥樣硬化是一種過(guò)程復(fù)雜的慢性心血管疾病,其發(fā)病過(guò)程涉及脈管系統(tǒng)上的代謝壓力導(dǎo)致的內(nèi)皮細(xì)胞活化、脂質(zhì)代謝障礙、內(nèi)皮功能障礙和局部血管炎癥等[3],而炎癥反應(yīng)貫穿于動(dòng)脈粥樣硬化起始、病變和斑塊破裂的全過(guò)程,因此動(dòng)脈粥樣硬化也被認(rèn)為是一種慢性炎癥性疾病[4-5].

到目前為止,動(dòng)脈粥樣硬化的具體發(fā)病機(jī)制尚未完全清楚.在現(xiàn)有的對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化疾病發(fā)生的認(rèn)識(shí)中,涉及多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子的控制.這些分子的蛋白翻譯后修飾變化將對(duì)蛋白的轉(zhuǎn)錄活性、穩(wěn)定性、定位等多個(gè)方面產(chǎn)生影響,從而促進(jìn)或抑制動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)病過(guò)程.SUMO(中英文全稱參見(jiàn)附錄,下同)化修飾是近期被發(fā)現(xiàn)較多的在蛋白質(zhì)水平影響心血管疾病發(fā)生的蛋白翻譯后修飾類型[6-8].本綜述將從動(dòng)脈粥樣硬化病變進(jìn)展的不同階段來(lái)分別闡述蛋白翻譯后SUMO化的作用及調(diào)控機(jī)制,并提出將其作為動(dòng)脈粥樣硬化臨床治療潛在靶點(diǎn)的啟示.

1 動(dòng)脈粥樣硬化的病變進(jìn)展

動(dòng)脈粥樣硬化的病變從動(dòng)脈內(nèi)膜的內(nèi)皮細(xì)胞開(kāi)始.血管內(nèi)皮作為天然的血液容器,是心血管系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵調(diào)控節(jié)點(diǎn),在病理狀態(tài)下內(nèi)皮在大動(dòng)脈壁內(nèi)的功能障礙是動(dòng)脈粥樣硬化性心血管疾病(ACVD)的重要促成因素[9].

動(dòng)脈粥樣硬化的過(guò)程在最早階段是內(nèi)皮功能的紊亂,隨之啟動(dòng)了一個(gè)復(fù)雜的致病序列[10-11]：多種因素導(dǎo)致的內(nèi)皮細(xì)胞過(guò)度表達(dá)黏附分子,如VCAM1被稱為內(nèi)皮激活[12].該過(guò)程也涉及內(nèi)皮功能障礙.內(nèi)皮源性一氧化氮(nitricoxide,NO)合成的下降也可增加白細(xì)胞黏附[13].隨后血液中白細(xì)胞(主要為單核細(xì)胞)被招募并與活化的內(nèi)皮細(xì)胞黏附,進(jìn)一步浸潤(rùn)至內(nèi)膜下啟動(dòng)局部炎性反應(yīng).大部分單核細(xì)胞會(huì)演變?yōu)榫奘杉?xì)胞,攝取脂質(zhì)后轉(zhuǎn)變?yōu)榕菽?xì)胞,這是早期脂紋病變的標(biāo)志.同時(shí),積聚的巨噬細(xì)胞向血管中層遷移并釋放更多的細(xì)胞因子,如TNF-α,IL-1等激活內(nèi)皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞,加劇炎癥反應(yīng),并使平滑肌由中膜向內(nèi)膜遷移.活化的內(nèi)皮細(xì)胞和巨噬細(xì)胞分泌纖維因子和生長(zhǎng)因子等作用于相鄰的平滑肌,促使其增殖及膠原生成,在斑塊外形成纖維帽,形成成熟的纖維肌性斑塊.隨著病變的進(jìn)行,斑塊內(nèi)巨噬細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞部分死亡,釋放脂質(zhì),在斑塊的中心區(qū)域積聚為富含脂質(zhì)的壞死核心.病程繼續(xù)發(fā)展至斑塊破裂常基于纖維帽的削弱過(guò)程,斑塊中的巨噬細(xì)胞過(guò)度分泌基質(zhì)金屬蛋白酶MMP加速細(xì)胞外機(jī)制的降解,使纖維帽形狀變薄、斑塊破裂,使凝血因子與斑塊內(nèi)部的組織因子接觸,觸發(fā)血栓延伸到血管腔內(nèi),阻止血液流動(dòng).

2 SUMO化修飾

SUMO化修飾是新近發(fā)現(xiàn)的蛋白翻譯后修飾形式,SUMO分子通過(guò)靶蛋白特異的賴氨酸殘基形成異構(gòu)肽,從而與許多蛋白形成共價(jià)連接.SUMO是一類廣泛存在于真核生物中高度保守的小分子蛋白家族,哺乳動(dòng)物中的SUMO主要包括SUMO1,SUMO2和SUMO3這3種蛋白[14].

SUMO化修飾過(guò)程主要包括激活、結(jié)合和連接3個(gè)階段,分別由SUMO活化酶E1(由SAE1和SAE2構(gòu)成的一類二聚體酶)、SUMO結(jié)合酶E2(Ubc9)、SUMO連接酶E3(包括RanBP2,PIAS及Pc2三類酶)調(diào)控[8].SUMO化修飾對(duì)于靶蛋白具有表達(dá)、定位、穩(wěn)定性和活性等多類型的調(diào)控作用[15-16].SUMO化修飾是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)且可逆的過(guò)程,主要由SUMO特異蛋白酶SENP家族調(diào)控.SENP家族共有6個(gè)成員(SENP1～3,SENP5～7),是SUMO特異蛋白酶,其對(duì)蛋白的SUMO化和去SUMO化修飾在維持蛋白功能中起重要作用[17].近年來(lái),越來(lái)越多的證據(jù)表明SUMO化與心血管疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),在心臟衰竭、動(dòng)脈粥樣硬化、心血管代謝異常等疾病中都發(fā)現(xiàn)SUMO系統(tǒng)分子和SUMO通路在心血管組織表達(dá)異常[6-8].

3 SUMO化修飾在動(dòng)脈粥樣硬化中的作用

3.1 SUMO化修飾與湍流導(dǎo)致的內(nèi)皮激活

作為動(dòng)脈粥樣硬化的早期事件,內(nèi)皮激活涉及SUMO化修飾多方面的調(diào)控.管腔內(nèi)血液的湍流(disturbed-f l ow,d-f l ow)被認(rèn)為是造成內(nèi)皮激活的原因之一,進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)皮功能障礙和局部動(dòng)脈粥樣硬化[18].D-f l ow的低剪切應(yīng)力激活調(diào)控內(nèi)皮基因表達(dá)的剪應(yīng)力反應(yīng)啟動(dòng)子元件和轉(zhuǎn)錄因子[19-20],隨之上調(diào)了內(nèi)皮中促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生的基因和蛋白質(zhì)[21],其中多個(gè)蛋白的SUMO化修飾參與了動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生.

Heo等[22]發(fā)現(xiàn),d-f l ow會(huì)通過(guò)下調(diào)SENP2的功能來(lái)增加p53和ERK5蛋白的SUMO化修飾.D-f l ow介導(dǎo)的過(guò)氧亞硝酸鹽(ONOO-)會(huì)促進(jìn)PKCζ的活化,隨后誘導(dǎo)p53的SUMO化、p53-Bcl-2結(jié)合和內(nèi)皮凋亡[23].D-f l ow還可以激活絲氨酸/蘇氨酸激酶p90RSK,p90RSK使SENP2的368號(hào)位點(diǎn)蘇氨酸368(T368)磷酸化.T368磷酸化促進(jìn)了SENP2的出核,導(dǎo)致eNOS表達(dá)下調(diào)、促炎癥黏附分子的表達(dá)和細(xì)胞凋亡上調(diào),從而導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形成[24].由此提出了在湍流介導(dǎo)的內(nèi)皮凋亡過(guò)程中由PKCζ-PIASγ相互作用介導(dǎo)的p53 SUMO化的新機(jī)制,該機(jī)制與動(dòng)脈粥樣硬化的早期事件具有潛在相關(guān)性.

D-f l ow還顯著在ERK5 Lys6和Lys22殘基處增加SUMO化修飾,并且該SUMO化抑制了轉(zhuǎn)錄因子MEF2轉(zhuǎn)錄活性和隨后的KLF2啟動(dòng)子活性以及KLF2介導(dǎo)的eNOS表達(dá)[25].值得注意的是,ERK5 SUMO化獨(dú)立抑制了ERK5自身的轉(zhuǎn)錄活性.這些證據(jù)都強(qiáng)烈表明了由d-f l ow介導(dǎo)的p53和ERK5的SUMO化動(dòng)脈粥樣硬化早期參與內(nèi)皮激活和內(nèi)皮功能障礙的重要作用.

3.2 SUMO化修飾與NF-κB介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)

核受體NF-κB是調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)、應(yīng)激反應(yīng)、凋亡和炎癥反應(yīng)的中心環(huán)節(jié).NF-κB與其抑制亞單位(IκB)結(jié)合以無(wú)活性的形式存在于胞質(zhì)中,通過(guò)IκB的降解以激活NF-κB易位至細(xì)胞核調(diào)控各種炎癥反應(yīng)基因轉(zhuǎn)錄,形成炎癥因子[26].近期研究表明,參與動(dòng)脈粥樣硬化斑塊中炎癥反應(yīng)的相關(guān)基因多為NF-κB的靶基因,由NK-κB/IκB信號(hào)通路調(diào)控其表達(dá)[27].

雖然目前尚無(wú)證據(jù)表明NF-κB自身受到SUMO化的修飾,但SUMO系統(tǒng)中的蛋白酶對(duì)NF-κB的調(diào)節(jié)以及SUMO化修飾對(duì)其下游基因的調(diào)控均在動(dòng)脈粥樣硬化的炎癥反應(yīng)中起重要作用.

SUMO E3連接酶PIAS1是NF-κB和STAT1的轉(zhuǎn)錄抑制因子,通過(guò)與NF-κB和STAT1啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合起到抑制作用.進(jìn)一步的研究表明,PIAS1選擇性地調(diào)節(jié)NF-κB和STAT1-靶基因亞群(PIAS1敏感基因)的誘導(dǎo),會(huì)優(yōu)先選擇炎性細(xì)胞因子和趨化因子[28-29].經(jīng)過(guò)促炎因子如TNF-α或LPS刺激后,PIAS1的Ser90位點(diǎn)迅速磷酸化,誘導(dǎo)PIAS1招募至NF-κB或STAT1靶基因的啟動(dòng)子上,導(dǎo)致抑制其啟動(dòng)子結(jié)合活性.已有研究證實(shí)κB激酶α抑制劑IκKα是負(fù)責(zé)PIAS1 Ser90磷酸化的激酶,在IκKα敲除的巨噬細(xì)胞中觀察到炎性基因誘導(dǎo)增加[30].

過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)是一種調(diào)節(jié)炎癥、動(dòng)脈粥樣硬化、胰島素敏感性和脂肪生成的核受體.除了在脂肪組織中分布最多以外,PPARγ也存在于多種血管的各種細(xì)胞(單核細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞等)中[31-32].活化的PPARγ通過(guò)NF-κB,AP-1,STAT信號(hào)通路能抑制多種與斑塊進(jìn)展相關(guān)的促炎因子的基因表達(dá)[33].Pascual等[34]報(bào)道了PPARγ抑制小鼠巨噬細(xì)胞中炎癥反應(yīng)基因轉(zhuǎn)錄激活的分子途徑,該途徑的最初步驟涉及PPARγ配體結(jié)合域的配體依賴性SUMO化,其K395位點(diǎn)的SUMO化促進(jìn)了PPARγ與炎癥基因啟動(dòng)子上的核受體NCoR-HDAC3復(fù)合物的結(jié)合,使NCoR復(fù)合物無(wú)法從啟動(dòng)子中清除,靶基因維持在抑制狀態(tài).

肝X受體(LXRs)是膽固醇感應(yīng)核受體,它不僅是脂質(zhì)代謝和轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,而且還通過(guò)獨(dú)特的反式阻抑機(jī)制抑制巨噬細(xì)胞中的炎癥信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[35].LXRs在巨噬細(xì)胞中的表達(dá)被認(rèn)為是動(dòng)脈粥樣硬化緩解的關(guān)鍵[36].LXR激活劑GW3965通過(guò)抑制單核細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞的牢固黏附而表現(xiàn)出有效的抗炎活性,并抑制了內(nèi)皮中IL-8的表達(dá)[37].Bi等[38]發(fā)現(xiàn)LXR介導(dǎo)的炎癥基因抑制與NF-κB途徑和SUMO化的抑制相關(guān)：IκBα與SUMO2/3的結(jié)合會(huì)促進(jìn)IκBα降解,LXR通過(guò)抑制SUMO化以維持IκBα的穩(wěn)定性,減弱內(nèi)皮細(xì)胞中的NF-κB信號(hào),從而可能以此發(fā)揮抗動(dòng)脈粥樣硬化的作用.

3.3 SUMO化與巨噬細(xì)胞的脂質(zhì)代謝

除了炎癥反應(yīng),巨噬細(xì)胞對(duì)于動(dòng)脈粥樣硬化病理發(fā)生過(guò)程中的脂質(zhì)代謝也具有重要的調(diào)節(jié)作用[39].SUMO化在巨噬細(xì)胞形成泡沫細(xì)胞的過(guò)程中也起到了重要的作用.

Oishi等[40]的研究顯示,SENP1通過(guò)對(duì)Kr¨uppel樣轉(zhuǎn)錄因子5(KLF5)SUMO化修飾的調(diào)控參與了細(xì)胞脂質(zhì)代謝穩(wěn)態(tài)的維持.在巨噬細(xì)胞中FABP4蛋白能通過(guò)控制活性脂質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)來(lái)調(diào)節(jié)炎癥因子的分泌和反式膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn)[41],其在斑塊內(nèi)巨噬細(xì)胞中的過(guò)表達(dá)會(huì)增強(qiáng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的促凋亡作用,是促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化病理發(fā)生的關(guān)鍵因子[42],而SENP1的缺失會(huì)使細(xì)胞應(yīng)對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的凋亡率顯著升高[43],提示SENP1可能通過(guò)抑制巨噬細(xì)胞的凋亡及斑塊微環(huán)境的惡化抑制動(dòng)脈粥樣硬化病變發(fā)生.

轉(zhuǎn)錄因子MiTF及其相關(guān)家族成員TFE3和TFEB是調(diào)控自噬過(guò)程中重要的轉(zhuǎn)錄因子[44-45],其316號(hào)賴氨酸殘基位點(diǎn)受SUMO化修飾,這些位點(diǎn)的突變會(huì)顯著影響MITF的轉(zhuǎn)錄活性[46].TFEB的SUMO化在巨噬細(xì)胞形成泡沫細(xì)胞的過(guò)程中起到調(diào)控作用[47]：在ox-LDL誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞泡沫化過(guò)程中,TFEB的SUMO化修飾水平明顯降低,TFEB的SUMO化可以調(diào)控TFEB轉(zhuǎn)錄活性,影響其下游溶酶體生成和自噬形成相關(guān)基因的表達(dá),從而促進(jìn)巨噬細(xì)胞溶酶體的生成和自噬過(guò)程,通過(guò)促進(jìn)巨噬細(xì)胞膽固醇酯水解減少泡沫細(xì)胞的形成.

3.4 SUMO化修飾與雌激素受體

動(dòng)脈粥樣硬化疾病的發(fā)病率在男性和絕經(jīng)前女性之間存在明顯的性別差異[48],這與女性的雌激素與雌激素受體(estrogen receptor,ER)有明顯的關(guān)系.雌激素通過(guò)降低低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)、甘油三酯(TG)、脂蛋白α,升高高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)以阻止粥樣硬化斑塊的形成；雌激素受體具有提高內(nèi)皮細(xì)胞eNOS基因表達(dá)的功能[49].ERα是被多種翻譯后修飾調(diào)控的核轉(zhuǎn)錄因子,響應(yīng)雌激素受體α天然配體17-β雌二醇調(diào)節(jié)許多生理途徑[50].

Sentis等[51]證明了ERα是SUMO1修飾的新靶標(biāo),其修飾位點(diǎn)位于D結(jié)構(gòu)域鉸鏈區(qū)的賴氨酸殘基.ERα的SUMO化嚴(yán)格依賴激素配體的存在,SUMO1修飾正調(diào)節(jié)配體依賴性ERα轉(zhuǎn)錄活性.

Kobayashi等[52]利用酵母雙雜交系統(tǒng)篩選了來(lái)自人類心臟cDNA文庫(kù)的ERα相互作用蛋白,發(fā)現(xiàn)FHL2,Ubc9和PIAS1在17β-雌二醇存在下與ERα相互作用.這些蛋白質(zhì)主要與ERα的DNA結(jié)合和配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域相互作用.過(guò)表達(dá)Ubc9或PIAS1以劑量依賴性方式增強(qiáng)了COS-1(CV-1(simian)in origin,and carrying the SV40 genetic material,非洲綠猴SV40轉(zhuǎn)化的腎細(xì)胞)中ERα介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄活性,表明Ubc9和PIAS1均作為ERα的共激活因子起作用.這些發(fā)現(xiàn)表明,Ubc9和PIAS1的共激活因子能力和SUMO化能力是不同的.

4 SUMO化修飾對(duì)治療動(dòng)脈粥樣硬化的啟示

在動(dòng)脈粥樣硬化復(fù)雜的病變過(guò)程中,SUMO化修飾在多個(gè)環(huán)節(jié)中起作用.雖然具體的致病機(jī)制尚未完全明確,但就目前已知的SUMO化參與調(diào)節(jié)的信號(hào)通路來(lái)看,已經(jīng)涉及動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)病過(guò)程中的多個(gè)環(huán)節(jié),包括SUMO化修飾直接對(duì)靶蛋白的穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)控、定位等多個(gè)因素和SUMO化系統(tǒng)蛋白酶的誘導(dǎo)；SUMO化通過(guò)調(diào)控不同的靶蛋白來(lái)參與相對(duì)應(yīng)的疾病發(fā)生過(guò)程,也有相同的蛋白如PPARγ受到的SUMO化修飾會(huì)在動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)展的不同階段起作用；甚至SUMO化修飾在相同蛋白的不同位點(diǎn)也會(huì)產(chǎn)生不同的調(diào)控作用.而從結(jié)果上來(lái)看,SUMO化修飾對(duì)斑塊形成是抑制或促進(jìn)作用也要根據(jù)其調(diào)控的具體蛋白而論.

因此,針對(duì)特定的SUMO化事件而非全局的SUMO化途徑可能是一種更合理有效的策略.目前已有的針對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化的藥物多基于炎癥靶點(diǎn),SUMO化對(duì)炎癥的生物學(xué)效應(yīng)可能在很大程度上取決于通過(guò)SUMO化修飾的單個(gè)蛋白質(zhì).在SUMO系統(tǒng)的各種組分中,SUMO連接酶對(duì)于控制底物特異性是最重要的.近期研究表明,PIAS1選擇性地影響NF-κB和STAT1靶基因的誘導(dǎo),優(yōu)先選擇炎性細(xì)胞因子和趨化因子[53],這種選擇性使得PIAS1成為治療動(dòng)脈粥樣硬化等炎癥性疾病的潛在治療靶點(diǎn).而針對(duì)蛋白翻譯后SUMO化修飾的調(diào)控,需要依賴于更精確的特定于具體蛋白和位點(diǎn)的機(jī)制.