泛素化在心肌梗死后的心肌保護(hù)與促再生作用的研究進(jìn)展

劉鎦 王昊 王連生

(南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院心內(nèi)科，江蘇 南京 210000)

目前心血管疾病仍是中國導(dǎo)致死亡的頭號原因，其中危害最大的一種是心肌梗死[1]，盡管已有包括溶栓、冠狀動脈旁路移植術(shù)和經(jīng)皮冠狀動脈介入治療等在內(nèi)的多種治療方法，但缺血再灌注損傷以及梗死區(qū)域心肌細(xì)胞不可逆死亡，仍無有效的治療方法。最近的研究顯示，蛋白質(zhì)翻譯后修飾，在心肌細(xì)胞的保護(hù)和內(nèi)源性再生方面起著積極的作用[2]，預(yù)示著對蛋白質(zhì)修飾的干預(yù)可能是心肌梗死一個有前景的治療手段。

泛素化是一種作用范圍廣泛的蛋白質(zhì)翻譯后修飾，在既往的研究中，泛素化更多地參與了促進(jìn)凋亡、自噬的病理過程[3]，但最近的研究顯示，泛素化同樣參與心肌梗死后的心肌細(xì)胞保護(hù)過程，如其對受損細(xì)胞器和異常蛋白質(zhì)的自噬清除對心肌細(xì)胞起著保護(hù)作用[4]。同時，隨心肌細(xì)胞內(nèi)源性再生研究的進(jìn)一步深入，以往心肌細(xì)胞不可再生的固有認(rèn)知被打破[5]，泛素化在這個過程中的潛力也受到越來越多的關(guān)注?，F(xiàn)聚焦于泛素化的雙重保護(hù)機(jī)制，為心肌梗死后治療的發(fā)展提供新的見解和思路。

1 泛素與泛素化

泛素是一種低分子量蛋白質(zhì)(分子量約為8.5×103)，含有76個氨基酸殘基，它高度保守，如酵母和人的泛素之間僅有3個氨基酸的差別[6]，保證了從實(shí)驗(yàn)動物到人的研究結(jié)論更有普適性。泛素的功能依賴各種酶的協(xié)同，它和蛋白酶體組成泛素-蛋白酶體系統(tǒng)，在細(xì)胞質(zhì)參與自噬和蛋白酶體介導(dǎo)的蛋白降解等過程[7]，在細(xì)胞核參與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)和DNA修復(fù)等過程[8]。

經(jīng)典的泛素化途徑是指泛素在一系列酶的催化下和底物結(jié)合的過程，這些酶主要分為三類：E1泛素激活酶、E2泛素結(jié)合酶和E3泛素連接酶。首先E1激活泛素，然后E2將泛素轉(zhuǎn)移到E3，最后E3催化泛素與靶蛋白的共價結(jié)合，其中E3決定泛素和底物連接的特異性和精確性，人類基因組里有超過800個E3[9]，因此泛素化比單一基團(tuán)變化的蛋白質(zhì)修飾更加復(fù)雜，功能更加多樣。一些和泛素具有高度相似的一級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，被稱為泛素樣蛋白，如小分子泛素相關(guān)修飾物蛋白(SUMO)[10]，它們有著與泛素相似的特性與作用過程，一樣可通過修飾靶蛋白來調(diào)節(jié)靶蛋白的活性，參與許多關(guān)鍵的細(xì)胞過程。

2 泛素化與缺血再灌注中的心肌保護(hù)作用

2.1 外源泛素

泛素本身就可產(chǎn)生保護(hù)作用，一項2018年的研究證實(shí)，除抑制炎癥外，外源泛素還能抑制β-腎上腺素能受體所導(dǎo)致的心肌細(xì)胞凋亡和纖維化，再灌注損傷3 d后觀察發(fā)現(xiàn)心臟功能和梗死面積得到明顯的改善[11]。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，C-X-C型趨化因子受體4(CXCR4)是泛素的外源受體，可接受泛素的直接調(diào)節(jié)，在促進(jìn)心肌細(xì)胞對氧化應(yīng)激產(chǎn)生耐受的同時保持線粒體膜電位的穩(wěn)定，減少心肌細(xì)胞的凋亡[12]。

2.2 E2泛素結(jié)合酶

盡管E2泛素結(jié)合酶在人類基因組內(nèi)數(shù)量不多，但也發(fā)揮著積極的保護(hù)作用。泛素結(jié)合酶E2S可修飾β-連環(huán)蛋白，使其穩(wěn)定性上升產(chǎn)生積累，從而促進(jìn)缺氧誘導(dǎo)因子1α(HIF-1α)的表達(dá)，增強(qiáng)心肌細(xì)胞對缺血缺氧的耐受，減少心肌細(xì)胞的凋亡[13]。

2.3 E3泛素連接酶

E3泛素連接酶在人類基因組內(nèi)數(shù)量龐大，其中許多E3對心肌細(xì)胞起著保護(hù)作用。Parkin是一種參與有絲分裂的E3，很早就被證實(shí)在心臟中發(fā)揮了保護(hù)作用[14]，隨著進(jìn)一步的研究，Parkin被發(fā)現(xiàn)可促進(jìn)親環(huán)素D(CypD)的泛素化來下調(diào)它的表達(dá)，從而減少H2O2誘導(dǎo)的線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mPTP)的開放，穩(wěn)定心肌細(xì)胞的內(nèi)環(huán)境，抑制氧化應(yīng)激產(chǎn)生的損傷，改善心功能[15]。鼠雙微體2(MDM2)是一種參與調(diào)節(jié)細(xì)胞生長和凋亡的E3，據(jù)推測可通過促腫瘤抑制因子p53的泛素化降解，產(chǎn)生抑制心肌細(xì)胞凋亡和肥大的雙重作用，這也提示抑制MDM2的抗腫瘤藥物可能有不良的心臟效應(yīng)[16]。類似的，泛素連接酶組成型光形態(tài)建成蛋白1(COP1)可在長鏈非編碼RNA Fendrr的促進(jìn)下，泛素化并降解細(xì)胞凋亡因子p53來減少心肌細(xì)胞的凋亡[17]。c-Jun氨基端激酶(JNK)在缺血再灌注損傷后被激活，促進(jìn)心肌細(xì)胞的凋亡，c-Jun是其近端效應(yīng)子，肌肉環(huán)狀指蛋白1(MuRF1)是在一種作用于磷酸化激活的c-Jun并促其被26S蛋白酶體降解的E3，從而阻斷損傷通路，減少心肌細(xì)胞的凋亡[18]。還有一種E3可使JNK去磷酸化，在小分子核糖核酸(miRNA)378a-3p的作用下，E3泛素連接酶三部分基序蛋白55(TRIM55)可促使雙特異性磷酸酶1(DUSP1)使JNK脫磷酸化，阻斷損傷通路，減少心肌細(xì)胞的凋亡[19]。損傷發(fā)生后，DNA修復(fù)酶聚腺苷二磷酸核糖聚合酶1(PARP1)會過度激活使腺苷三磷酸耗竭從而使心肌細(xì)胞凋亡，Cullin4A是E3泛素連接酶CRTs的核心，可泛素化PARP1來降低其表達(dá)，從而阻斷損傷通路[20]。除上述機(jī)制外，E3泛素連接酶還會參與到已知的心肌保護(hù)通路中，如刻痕受體1(Notch1)介導(dǎo)的心臟保護(hù)作用，會在miRNA322對泛素連接酶F-box和WD重復(fù)結(jié)構(gòu)域7(FBXW7)的抑制下得到活化，減少心肌細(xì)胞的凋亡[21]。另一個具有心肌保護(hù)作用的磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(PI3K-Akt)通路，會被泛素連接酶神經(jīng)前體細(xì)胞表達(dá)發(fā)育下調(diào)蛋白4-1(NEDD4-1)激活，從而減少心肌細(xì)胞的凋亡[22]。

2.4 蛋白酶體

完整的泛素化過程，還包括泛素化后蛋白酶體的效應(yīng)。蛋白酶體的功能不全是一個損傷因素，而增強(qiáng)它的功能可起到心肌保護(hù)作用[23]?？扇苄酝砥谔腔K產(chǎn)物受體(sRAGE)是一種參與多種疾病過程的內(nèi)源性物質(zhì)，本身就可通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活蛋白3(STAT3)途徑保護(hù)心肌細(xì)胞[24]，同時它也可提高蛋白酶體的活性，促進(jìn)其降解異常蛋白質(zhì)[25]。最近的研究也表明，泛素化和蛋白酶體的偶聯(lián)也影響著心肌的保護(hù)作用，泛素1是一種蛋白酶體外泛素受體，它的上調(diào)會加強(qiáng)兩個過程的偶聯(lián)，提高降解異常蛋白的能力，改善心臟功能[26]。

2.5 泛素樣蛋白

泛素樣蛋白也發(fā)揮著心肌保護(hù)作用。F位點(diǎn)鄰近轉(zhuǎn)錄物10(FAT10)是一種泛素樣蛋白，可通過抑制凋亡因子p53及其底物miRNA34a來抑制心肌細(xì)胞的凋亡[27]，F(xiàn)AT10被認(rèn)為還可與泛素競爭結(jié)合一種具有心肌保護(hù)作用的小窩蛋白3(Cav-3)上的位點(diǎn)，從而減少其降解，增強(qiáng)心肌細(xì)胞對缺血缺氧的耐受[28]。SUMO在哺乳動物中共有4種，其中SUMO1和SUMO2在心肌細(xì)胞中起著積極的作用。鋅可促進(jìn)SUMO1修飾動力相關(guān)蛋白1(Drp1)[29]，同時SUMO1還可在Luteolin的促進(jìn)下，修飾并上調(diào)心肌鈣循環(huán)的關(guān)鍵酶肌漿網(wǎng)鈣三磷酸腺苷酶(SERCA2a)的表達(dá)與活性，這些都可增強(qiáng)心肌細(xì)胞對缺血缺氧的耐受能力[30]。激活的STAT蛋白抑制劑1(PIAS1)是一種SUMO連接酶，可通過修飾過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)來抑制核因子κB，減少心肌細(xì)胞的凋亡[31]。

還有其他一些泛素連接酶具有心肌保護(hù)作用，Irisin是一種可通過多種途徑發(fā)揮心肌保護(hù)作用的FNDC5蛋白質(zhì)裂解產(chǎn)物，其中一種是通過線粒體泛素連接酶(MITOL)/MARCH5通路來上調(diào)位于線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)連接部的MITOL的活性，從而提高心肌細(xì)胞對缺氧和活性氧的耐受，減少損傷引起的細(xì)胞凋亡[32]，表1總結(jié)了泛素化在缺血再灌注損傷過程中發(fā)揮的保護(hù)作用。

表1 泛素化與缺血再灌注中的心肌保護(hù)作用

3 泛素化與內(nèi)源性心肌細(xì)胞再生

自從證實(shí)新生小鼠在生后7 d內(nèi)心臟有完全再生能力后[33]，促進(jìn)心肌細(xì)胞內(nèi)源性再生也成為一個可能的心肌梗死治療方法。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室既往的相關(guān)研究顯示，蛋白質(zhì)翻譯后修飾在再生中發(fā)揮著積極作用[34]。泛素化比一般修飾作用更加廣泛，在促進(jìn)內(nèi)源性再生中有著更大的潛力。

3.1 細(xì)胞周期的重新開啟

成熟心肌細(xì)胞再生能力的丟失很大程度上是因細(xì)胞周期的關(guān)閉，泛素化可激活細(xì)胞周期蛋白和細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶(CDK)從而重新打開細(xì)胞周期。S期激酶相關(guān)蛋白2(Skp2)是E3泛素連接酶Skp1-Cullin-F-box的一部分，可降解抑制細(xì)胞周期蛋白的p27，促進(jìn)心肌細(xì)胞再生[35]，同時Skp2可直接增強(qiáng)核定位信號標(biāo)記的細(xì)胞周期蛋白D1(D1NLS)和CDK4的效應(yīng)，進(jìn)一步提高再生能力[36]。p21與p27一樣，可抑制CDK，Sirt1是一種組蛋白去乙酰化酶，它可使p21的賴氨酸殘基脫乙?；⒓せ钇浞核鼗到?，從而促進(jìn)心肌細(xì)胞再次進(jìn)入細(xì)胞周期[37]。E3泛素連接酶NEDD4L可在環(huán)狀RNA Nfix表達(dá)下降的情況下減少Y-box結(jié)合蛋白-1(YB-1)的泛素化，從而減少對細(xì)胞周期蛋白A2和B1的抑制，重新進(jìn)入細(xì)胞周期[38]。

3.2 參與已知的再生通路

泛素化還可激活內(nèi)源性再生相關(guān)的信號通路。如E3泛素連接酶Cullin7是泛素樣蛋白NEDD8的底物，Cullin7可作用于Mst1/YAP通路，最終導(dǎo)致YAP激活，從而促進(jìn)心肌細(xì)胞增殖[39]，另一種E3泛素連接酶β-轉(zhuǎn)導(dǎo)重復(fù)相容蛋白(β-TrCP)也參與對YAP的調(diào)節(jié)，可在miRNA199a-3p的抑制下減少對YAP的泛素化，激活YAP信號[40]。SUMO同樣參與內(nèi)源性心肌細(xì)胞的再生過程，TGF-β-Smad信號通路是一種調(diào)節(jié)細(xì)胞分化、增殖和凋亡的通路，被SUMO2修飾后抑制，可減少細(xì)胞周期的退出和抑制凋亡，從多方面促進(jìn)心肌細(xì)胞的再生[41]。

3.3 具有雙重效應(yīng)的泛素化過程

有的泛素化相關(guān)因子參與心肌保護(hù)和內(nèi)源性再生兩個過程。Smad泛素化調(diào)節(jié)因子2(Smurf2)是一種E3泛素連接酶，miRNA322/503抑制其表達(dá)，從而減少Smurf2對zeste同系物增強(qiáng)子2(EZH2)的泛素化，以此來激活A(yù)kt/GSK3β通路，產(chǎn)生促進(jìn)心肌細(xì)胞增殖和抑制凋亡兩方面的作用[42]，表2總結(jié)了泛素化在內(nèi)源性心肌細(xì)胞再生過程中發(fā)揮的作用。

表2 泛素化與內(nèi)源性心肌細(xì)胞再生

4 討論與展望

以上主要是從參與泛素化過程的各種因子的角度來討論，也可從泛素化產(chǎn)生的效應(yīng)來討論，圖1總結(jié)了這些泛素化的效應(yīng)。

圖1 泛素化參與心肌細(xì)胞保護(hù)和再生的作用效應(yīng)的模式圖

值得注意的是，泛素化在發(fā)揮積極作用的同時也起著介導(dǎo)損傷的作用，如何從眾多干預(yù)靶點(diǎn)中找出值得進(jìn)行臨床轉(zhuǎn)化的高效靶點(diǎn)，是一個仍需探索的問題。筆者也發(fā)現(xiàn)，同樣的泛素化過程可能在發(fā)揮保護(hù)作用時也發(fā)揮促再生的作用，所以在探索促再生途徑時，已有的心肌保護(hù)途徑值得再次探究?？偟恼f來，目前泛素化的研究還局限在動物模型中，還需進(jìn)一步的探索來實(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突。