SUMO化修飾在心血管疾病中的研究進(jìn)展

吳誠潔,陸 琳,涂均楚,李玉潔,張 瑜,王燕麗,李楊欣

(蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院心血管病研究所,中國江蘇 蘇州 215123)

心血管疾病(cardiovascular diseases,CVDs)是危害人類健康的主要疾病,目前已成為全球首位死因,且有逐年上升的趨勢[1]。雖然心血管疾病的治療策略有了很大的改善,但仍缺乏準(zhǔn)確、有效、科學(xué)的治療方法。目前研究認(rèn)為,心血管疾病涉及多種蛋白質(zhì)的差異表達(dá)及互相作用[2]。細(xì)胞內(nèi)存在多種與蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)相關(guān)的蛋白質(zhì)翻譯后修飾形式,主要包括:磷酸化、甲基化、糖基化、乙?；?、泛素化等,其中泛素化是介導(dǎo)蛋白質(zhì)降解的重要方式之一,它通過將泛素(ubiquitin,Ub)結(jié)合到靶蛋白上,形成多聚泛素鏈,被蛋白酶體識別后引起靶蛋白降解,對維持機(jī)體的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)具有重要作用。目前研究已發(fā)現(xiàn)一些類泛素化蛋白,它們的結(jié)構(gòu)與泛素分子相似,但功能卻與泛素完全不同。在這些類泛素化蛋白中,小泛素相關(guān)修飾物(small ubiquitin-like modifier,SUMO)是最受矚目的一類。SUMO分子在細(xì)胞內(nèi)以化學(xué)的方式或依附或脫離其底物蛋白,對所修飾的蛋白質(zhì)功能進(jìn)行調(diào)控。SUMO化修飾在蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、核質(zhì)運(yùn)輸、DNA修復(fù)及基因組穩(wěn)定性維持等方面均扮演著重要的角色,與細(xì)胞損傷、細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的異常以及某些心血管疾病的發(fā)生和發(fā)展有關(guān)。因此,SUMO化修飾可作為預(yù)防或治療心血管疾病的潛在靶標(biāo)。

1 SUMO化修飾

1.1 SUMO分子

SUMO廣泛分布于真核生物細(xì)胞內(nèi),是一類大小約15 kD的高度保守小蛋白質(zhì),結(jié)構(gòu)和反應(yīng)方式與泛素相似,但功能不同。SUMO1分子及SUMO化修飾方式是在1996年發(fā)現(xiàn)的[3]。最初脊椎動物的SUMO1被命名為PIC1(PML-interacting clone 1)、UBLI(ubiquitin-like protein 1)、Sentrin[4],其能在不基于特定底物的情況下,調(diào)控底物蛋白的功能。真核細(xì)胞存在4種SUMO蛋白(SUMO1/2/3/4)和6種SUMO特異性蛋白酶(Sentrin/SUMO-specific protease,SENP)——SENP1/2/3/5/6/7[5](表1)。SUMO蛋白主要分布在細(xì)胞核,其中SUMO1在核膜、核仁、核質(zhì)都有分布,而SUMO2/3則主要分布于核質(zhì)。SUMO2和SUMO3僅相差3個氨基酸,兩者與SUMO1的同源性約為47%。由于SUMO2和SUMO3很相似,因此一般把二者稱為SUMO2/3。SUMO4是由人TAB2(TGF-beta activated kinase 1 binding protein 2)基因的一個內(nèi)含子所編碼,主要在腎、淋巴結(jié)和脾臟中表達(dá)。SUMO化修飾靶蛋白的方式有3種類型:靶蛋白單個位點(diǎn)的單SUMO化修飾、靶蛋白多個位點(diǎn)的單SUMO化修飾和靶蛋白的多聚SUMO化修飾(圖1)。SUMO2/3可以使其底物蛋白發(fā)生多聚SUMO化,而SUMO1可以使其底物蛋白單SUMO化或充當(dāng)聚SUMO2/3鏈的終止子。SUMO特異性蛋白酶,也稱去SUMO化蛋白酶,在SUMO化修飾循環(huán)通路中起著關(guān)鍵作用,一是催化SUMO分子由前體變成活性形式,二是切斷SUMO分子與靶蛋白之間形成的異肽鍵,實(shí)現(xiàn)去SUMO化。

表1 SUMO化修飾過程中的關(guān)鍵分子Table 1 Key molecules in the process of SUMOylation

圖1 多種靶蛋白的SUMO化修飾方式S:SUMO分子;GG:成熟SUMO分子C端暴露的甘氨酸殘基;K:底物蛋白上的賴氨酸殘基。Fig.1 SUMOylation of multiple target proteinsS:SUMO molecule;GG:The exposed glycine residue at the C-terminus of a mature SUMO molecule;K:The lysine residue on the substrate protein.

1.2 SUMO化修飾過程

SUMO修飾是一種重要的蛋白質(zhì)翻譯后修飾形式,可以調(diào)控底物蛋白的多種功能以及細(xì)胞中的許多應(yīng)激反應(yīng)。其因修飾過程與泛素化相似,也被稱作類泛素化修飾。在經(jīng)典的SUMO化修飾中,大多數(shù)底物蛋白都存在一段共識序列ΨKXE。其中,Ψ代表疏水性氨基酸,如異亮氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸等;K代表賴氨酸,是SUMO的結(jié)合位點(diǎn);X代表任意氨基酸;E代表谷氨酸[6]。SUMO化包括3個反應(yīng)步驟:激活、轉(zhuǎn)移、連接。SUMO激活酶、轉(zhuǎn)移酶和連接酶(分別為E1、E2和E3)在SUMO化的3個反應(yīng)步驟中依次起作用(圖2)。激活:SUMO分子以前體非活性形式存在于細(xì)胞核中,通過SENP分子的內(nèi)肽酶活性將其裂解后成為成熟的SUMO分子進(jìn)入級聯(lián)反應(yīng)。SUMO分子在ATP的作用下與E1激活酶[SAE1(SUMO1 activating enzyme subunit 1)和SAE2組合形成的復(fù)合物]結(jié)合而活化,該反應(yīng)在SUMO分子的C端與E1激活酶之間形成高能硫酯鍵時結(jié)束。轉(zhuǎn)移:激活后,SUMO特異性結(jié)合酶UBC9(ubiquitin-like protein SUMO1 conjugating enzyme;唯一的E2轉(zhuǎn)移酶)與SAE2相互作用,并和E1-SUMO分子中間體結(jié)合。SUMO分子從E1復(fù)合體轉(zhuǎn)移到UBC9活性位點(diǎn)的半胱氨酸殘基上。連接:UBC9催化成熟的SUMO分子與底物蛋白的賴氨酸殘基形成異肽鍵,從而完成結(jié)合。E3數(shù)量最多,最常見的為PIAS(protein inhibitor of activated STAT)家族蛋白。在SUMO化修飾過程中,E3一般只是增加SUMO化修飾的效率,并不起決定性作用,在沒有E3的情況下,該過程一樣可以發(fā)生。與泛素化類似,SUMO化修飾也是一個動態(tài)可逆的過程。SENP酶可以切斷靶蛋白與SUMO分子形成的異肽鍵,實(shí)現(xiàn)去SUMO化。SUMO化與去SUMO化的動態(tài)平衡對疾病的發(fā)生發(fā)展至關(guān)重要。

1.3 SUMO化與泛素化

蛋白質(zhì)SUMO化和泛素化修飾的調(diào)節(jié)機(jī)制,以及二者之間的相互關(guān)系具有精細(xì)性和復(fù)雜性[7]。SUMO化和泛素化是蛋白質(zhì)翻譯后修飾的重要方式,都能夠調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)功能,參與細(xì)胞周期調(diào)控、基因轉(zhuǎn)錄活性和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等細(xì)胞活動。泛素分子通常使蛋白質(zhì)底物發(fā)生多聚泛素化后經(jīng)26S蛋白酶體,即泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(ubiquitin-proteasome system,UPS)降解。SUMO是一種類泛素分子,主要調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的相互作用、細(xì)胞內(nèi)定位和活性等。當(dāng)SUMO分子和泛素分子修飾同一底物時,SUMO分子由于與泛素競爭靶蛋白上的賴氨酸位點(diǎn),所以可能會阻止底物被泛素化降解[8],因而兩種修飾方式存在一種拮抗關(guān)系。但有研究發(fā)現(xiàn)二者也存在協(xié)同關(guān)系[9],機(jī)體內(nèi)存在一種SUMO依賴的泛素連接酶——RNF4蛋白家族,某些底物的SUMO化能夠激活該酶,啟動UPS降解底物[10]。在急性早幼粒細(xì)胞白血病(acute promyelocytic leukemia,APL)中,三氧化二砷誘導(dǎo)早幼粒細(xì)胞白血病蛋白(promyelocytic leukemia protein,PML)-維甲酸受體(retinoic acid receptor alpha,RARA)致癌基因編碼的融合蛋白降解,導(dǎo)致白血病細(xì)胞分化并產(chǎn)生臨床緩解[11]。研究發(fā)現(xiàn),PML是RNF4在體內(nèi)的一個底物。當(dāng)三氧化二砷治療后,RNF4識別PML的SUMO2/3多聚泛素鏈,介導(dǎo)PML的泛素化降解,阻止PML在核中的積累,從而起到治療APL的作用[12]。因此,泛素化和SUMO化在機(jī)體內(nèi)協(xié)同與競爭關(guān)系的平衡決定了生物體各項(xiàng)生命活動的正常進(jìn)行。

1.4 去SUMO化修飾

SUMO化修飾是一個動態(tài)可逆的過程,蛋白質(zhì)發(fā)生SUMO化修飾的同時,去SUMO化修飾也會隨之發(fā)生。去SUMO化修飾由SUMO特異性蛋白酶維持,主要是SENP家族,包括:SENP1、SENP2、SENP3、SENP5、SENP6和SENP7六種。SUMO化和去SUMO化過程的失控可能會打破細(xì)胞內(nèi)的動態(tài)平衡,進(jìn)而推動疾病的發(fā)生發(fā)展。二者之一發(fā)生異常都會導(dǎo)致動態(tài)紊亂,造成疾病。

2 SUMO化修飾的功能

SUMO化修飾已被證明能通過多種途徑影響生命進(jìn)程。一方面,SUMO化修飾通過影響蛋白質(zhì)穩(wěn)定性及定位、細(xì)胞周期、DNA修復(fù)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控等過程維持細(xì)胞正常功能[13～15];另一方面,SUMO化修飾也會對細(xì)胞造成損傷,從而促進(jìn)疾病的發(fā)生發(fā)展[16～17]。此外,SUMO化修飾還可以調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架、線粒體功能、離子通道活性等[18～19]。

2.1 調(diào)節(jié)細(xì)胞命運(yùn)

由于SUMO化的靶蛋白眾多,所以這種修飾發(fā)揮功能的方式是多樣的[20]。SUMO化修飾與泛素化修飾結(jié)合靶蛋白上相同的氨基酸,故二者可能存在競爭關(guān)系[21]。SUMO化修飾競爭泛素化修飾,抵抗蛋白酶體的降解,從而增加蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。已有研究表明,肌漿網(wǎng)/內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣ATP酶2a(sarcoplasmic/endoplasmic reticulum Ca2+ATPase 2a,SERCA2a)在K480和K585位點(diǎn)可以與SUMO1分子結(jié)合并發(fā)生SUMO化,從而影響其自身穩(wěn)定性,并發(fā)揮鈣離子再攝取的功能,促進(jìn)心臟收縮,改善心衰表型[22]。SUMO分子與靶蛋白的結(jié)合也會影響蛋白質(zhì)在細(xì)胞中的定位。研究表明,調(diào)節(jié)性T細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白BACH2(BTB domain and CNC homolog 2)可以發(fā)生SUMO化,而SENP3介導(dǎo)的去SUMO化可抑制BACH2的核輸出,從而抑制與CD4 T效應(yīng)細(xì)胞分化相關(guān)的基因[23]。SUMO化通過影響細(xì)胞周期的進(jìn)程在維持機(jī)體的穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要的作用。在人類癌癥中,胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated protein kinase,ERK)、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)級聯(lián)介導(dǎo)的有絲分裂信號被Ras癌基因過度激活。致癌基因Ras通過抑制MEK(MAPK-ERK激酶)的SUMO化能有效激活ERK通路,促進(jìn)細(xì)胞分化、增殖和惡性轉(zhuǎn)化,從而誘導(dǎo)癌變[24]。在DNA損傷中,SUMO化修飾也扮演著不可或缺的角色。CtIP(CtBP interacting protein)蛋白可促進(jìn)DNA末端切除,在同源重組早期發(fā)揮作用,可以使受干擾的復(fù)制不被過度的核降解。已有研究表明,CtIP蛋白可以被SUMO2分子修飾,并且在SUMO化整體受到抑制時,CtIP無法被招募到DNA損傷的位點(diǎn),從而造成DNA損傷加劇[25]。此外,SUMO化也可以通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控來調(diào)節(jié)細(xì)胞進(jìn)程。研究者利用SLAM-seq和ChIP-seq研究了脂肪細(xì)胞分化過程中,SUMO化途徑對新生基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控,發(fā)現(xiàn)SUMO化途徑在脂肪細(xì)胞分化中具有雙重功能[26]。SUMO化修飾促進(jìn)前脂肪細(xì)胞特異性基因的初始下調(diào),同時促進(jìn)成熟脂肪細(xì)胞轉(zhuǎn)錄程序的建立。另有研究發(fā)現(xiàn),PPARγ/RXR(peroxisome proliferator-activated receptor γ/retinoid X receptor)等特定轉(zhuǎn)錄因子的SUMO化及其輔因子與成脂基因的轉(zhuǎn)錄相關(guān)[27]。綜上可知,SUMO化修飾在調(diào)節(jié)細(xì)胞命運(yùn)方面有著重要的作用。

2.2 對細(xì)胞造成損傷

與泛素化類似,SUMO化修飾與去SUMO化修飾是一個動態(tài)平衡的過程。若該平衡被破壞,SUMO化通路也會通過不同的方式對細(xì)胞造成損傷[28]。

目前已有研究證明,SUMO化通路的異?？梢酝ㄟ^影響氧化應(yīng)激對細(xì)胞造成損傷。SENP7蛋白具有感知氧化應(yīng)激、維持CD8+T細(xì)胞的代謝狀態(tài)和抗腫瘤的功能。SENP7缺陷的CD8+T細(xì)胞表現(xiàn)出糖酵解和氧化磷酸化減少,導(dǎo)致體外增殖減弱,體內(nèi)抗腫瘤功能減弱;CD8+T細(xì)胞衍生的活性氧(reactive oxygen species,ROS)觸發(fā)胞漿SENP7介導(dǎo)的磷酸酶和緊張素同系物(phosphatase and tensin homolog,PTEN)蛋白的去SUMO化,從而促進(jìn)PTEN降解并防止PTEN依賴的代謝缺陷[29]。SUMO化也可以通過熱休克對細(xì)胞造成損傷。Kaiso是BTB/POZ鋅指家族成員,參與腫瘤進(jìn)展、細(xì)胞周期控制、凋亡和Wnt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。在不同的啟動子環(huán)境中,它可以作為轉(zhuǎn)錄抑制因子或激活因子發(fā)揮作用。研究發(fā)現(xiàn),Kaiso蛋白可能通過自身的SUMO化調(diào)控?zé)嵝菘诉^程[30]。SUMO化的Kaiso可以激活轉(zhuǎn)錄,而Kaiso的去SUMO化形式則保持了Kaiso作為阻遏子的能力。正常生理?xiàng)l件下,腎源細(xì)胞系中的Kaiso蛋白在K42位點(diǎn)發(fā)生單SUMO化,進(jìn)而發(fā)揮轉(zhuǎn)錄激活因子的功能。在細(xì)胞發(fā)生熱休克后,Kaiso快速去SUMO化,激活本身阻遏子的功能,這導(dǎo)致了離子轉(zhuǎn)運(yùn)、血壓和免疫應(yīng)答相關(guān)基因的失調(diào)[30]。此外,有研究表明,來自RNA和DNA病毒家族的蛋白質(zhì)都可以通過SUMO偶聯(lián)修飾,促進(jìn)病毒復(fù)制,而病毒可以通過與SUMO途徑的相互作用來控制SUMO修飾的整個過程[31]。

2.3 其他作用

SUMO化除了可以調(diào)節(jié)細(xì)胞命運(yùn)、對細(xì)胞造成損傷外,還有一些其他的作用。例如,SUMO化與細(xì)胞骨架功能有關(guān)。波形蛋白(vimentin,VIM)是參與細(xì)胞骨架組織和細(xì)胞運(yùn)動的Ⅲ型中間絲蛋白,在K439和K445位點(diǎn)被SUMO化。VIM的SUMO化是其動態(tài)分解的必要條件,表達(dá)非SUMO化VIM突變體的細(xì)胞遷移水平降低[32]。SUMO化可以影響線粒體功能。研究表明,在肝缺血再灌注損傷(ischemia-reperfusion injury,I/R injury)中,動力相關(guān)蛋白1(dynamin-related peptide 1,Drp1)的磷酸化可以防止線粒體裂變,從而保護(hù)肝臟;Drp1的活性受到SUMO化修飾的調(diào)控,影響線粒體裂變的過程;肝臟再生增強(qiáng)劑(augmenter of liver regeneration,ALR)顯著降低Drp1的SUMO化,減弱I/R損傷誘導(dǎo)的線粒體裂變,保持線粒體的穩(wěn)定性和功能,從而使肝細(xì)胞免受I/R損傷誘導(dǎo)的凋亡[33]。此外,SUMO途徑已被證明可以控制離子通道功能。在人類心臟中,NaV1.5是一種可以通過INa(一種快速激活和失活的Na+電流)的電壓門控鈉離子通道,決定了動作電位的上升和持續(xù)時間。有研究報(bào)道,在心肌缺血患者中,心臟中鈉電流升高和動作電位延長,并通過Nav1的SUMO化引起心律失常[34]。K2P1是一個K+選擇性的、pH敏感的、由可逆肽鏈調(diào)控的開放整流通道。SUMO偶聯(lián)酶存在于質(zhì)膜中,與K2P1結(jié)合,并修飾K2P1的K274位,從而誘導(dǎo)K2P1在質(zhì)膜上的表達(dá),而SENP1介導(dǎo)的去SUMO化又能抑制其表達(dá)。因此,K2P1的活性可以通過SUMO化修飾和去SUMO化修飾被嚴(yán)格調(diào)控[35]。

3 SUMO化修飾通路與心血管疾病

心血管發(fā)育是一個復(fù)雜的過程,需要各種細(xì)胞活動、轉(zhuǎn)錄因子和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑之間的高度協(xié)作,而在其中發(fā)揮作用的蛋白質(zhì)又受許多蛋白質(zhì)翻譯后修飾調(diào)控。蛋白質(zhì)翻譯后修飾包括磷酸化、乙?；-亞硝基化、糖基化和泛素化等。目前,磷酸化與泛素化已被證明在心血管疾病中有不可或缺的作用。泛素化修飾對蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)具有調(diào)控作用,而蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)又與心血管疾病息息相關(guān)。SUMO化作為一種類泛素化修飾也與蛋白質(zhì)的穩(wěn)態(tài)相互關(guān)聯(lián)。近期研究也揭示,SUMO化修飾通路正在成為心血管疾病中的重要參與者[15,36～37](表2)。

表2 底物SUMO化在心血管疾病中的作用Table 2 The roles of substrate SUMOylation in CVDs

3.1 SUMO化與心力衰竭

心力衰竭(heart failure,HF)簡稱心衰,是指由于心臟的收縮和舒張功能發(fā)生障礙,不能將靜脈回心血量充分排出心臟,導(dǎo)致靜脈系統(tǒng)血液淤積,動脈系統(tǒng)血液灌注不足,從而引起心臟循環(huán)障礙[38]。心衰不是一個獨(dú)立的疾病,而是心臟疾病發(fā)展的終末階段[39]。

研究顯示,在實(shí)驗(yàn)動物和人類心衰心臟中,內(nèi)源性SUMO1表達(dá)降低,導(dǎo)致SUMO1修飾的SERCA2a減少[22]。SERCA2a是心肌細(xì)胞興奮-收縮偶聯(lián)過程中鈣重新攝取到肌漿網(wǎng)中的關(guān)鍵ATP酶。SERCA2a在K480和K585位點(diǎn)的SUMO1修飾增加了其穩(wěn)定性和ATP酶活性[40]。腺病毒介導(dǎo)的SUMO1遞送恢復(fù)了心衰動物模型中的SERCA2表達(dá)和活性。重要的是,SUMO1基因遞送改善了動物模型中的心臟射血分?jǐn)?shù)[41]。敲除SERCA2a導(dǎo)致體外和體內(nèi)心臟功能嚴(yán)重受損,且SUMO1過表達(dá)也無法恢復(fù)。因此,SUMO化作為一種重要的翻譯后修飾形式,可以調(diào)節(jié)SERCA2a的功能并為心衰新治療策略的設(shè)計(jì)提供新思路[22]。SUMO1在心臟中的重要性也由負(fù)調(diào)節(jié)SUMO1表達(dá)的miR-146a證實(shí)。在動物和人類發(fā)生心衰時,miR-146a的表達(dá)增加,并且miR-146a的過表達(dá)會降低體內(nèi)SUMO1、SERCA2a的表達(dá)和心臟收縮性;研究進(jìn)一步表明,miR-146a通過心衰心臟中的成纖維細(xì)胞分泌的細(xì)胞外囊泡遞送至心肌細(xì)胞,以減少SUMO1的表達(dá)[42]。

另外,SUMO化修飾與衰老指標(biāo)P21存在一定的關(guān)聯(lián)。REGγ是一種蛋白酶體激活因子,能特異性結(jié)合并活化20S蛋白酶體,以ATP和泛素非依賴途徑降解目的蛋白質(zhì)。研究證明,REGγ能介導(dǎo)蛋白酶體對P21的降解[43]。Wu等[44]發(fā)現(xiàn),REGγ在體內(nèi)和體外都可以與SUMO1結(jié)合發(fā)生SUMO化。SUMO偶聯(lián)對REGγ進(jìn)行翻譯后修飾,介導(dǎo)了REGγ的胞質(zhì)易位,并增加了這種蛋白酶體激活劑的穩(wěn)定性。由于REGγ的SUMO化缺陷突變體對P21的親和力降低,因此P21的降解減少,蓄積增加,促進(jìn)了衰老的發(fā)生[44]。除了SUMO1對心臟衰老有影響,還有研究發(fā)現(xiàn)SUMO2/3修飾蛋白在終末期心衰患者的心臟樣本中也增加[45]。去SUMO化酶SENP5的過表達(dá)也會導(dǎo)致心肌病,在SENP5轉(zhuǎn)基因小鼠的心臟中,Drp1維持低SUMO化狀態(tài)導(dǎo)致線粒體功能失調(diào)[46]。這些研究表明SUMO化修飾對心衰具有調(diào)控作用,暗示了SUMO化修飾對心衰患者的治療潛力。

3.2 SUMO化與心肌梗死

急性心肌梗死是冠狀動脈急性、持續(xù)性缺血缺氧所引起的心肌壞死[47]。心肌I/R損傷是造成心肌梗死患者預(yù)后不良的關(guān)鍵因素之一[48]。

已有研究發(fā)現(xiàn),SUMO化相關(guān)酶參與了心肌I/R過程,影響了疾病的進(jìn)程。去SUMO化酶SENP1可以修復(fù)心肌I/R損傷。在人、小鼠以及大鼠心肌I/R后,SENP1水平均升高。在小鼠心肌I/R損傷后,SENP1敲除小鼠的收縮功能降低,心肌梗死面積增大,促使心臟功能惡化。SENP1調(diào)控缺氧誘導(dǎo)因子1α (hypoxia inducible factor 1α,HIF1α)的表達(dá),這是心肌I/R過程中一個關(guān)鍵的保護(hù)因子。HIF1α的過表達(dá)逆轉(zhuǎn)了SENP1敲除對細(xì)胞死亡的惡化作用[49]。

在心肌梗死動物模型中,ERK5被SUMO2/3高度修飾[50]。在暴露于H2O2或高葡萄糖(兩種眾所周知的糖尿病介質(zhì))的心肌細(xì)胞中,人們也可觀察到ERK5的SUMO化。SUMO化的ERK5轉(zhuǎn)錄活性降低,這可能是心肌梗死后糖尿病患者心衰惡化的原因[51]。通過與絲裂原活化蛋白激酶激酶5(MAP kinase kinase 5,MEK5)結(jié)合,ERK5 的SUMO化減弱,而MEK5a過表達(dá)的轉(zhuǎn)基因小鼠在心肌梗死后ERK5的SUMO化也降低。因此,ERK5的SUMO化是應(yīng)激誘導(dǎo)的糖尿病性心肌病發(fā)展的關(guān)鍵因素。SUMO2/3特異性蛋白酶SENP3是缺血梗死后細(xì)胞存活的重要因素。在I/R模型中,研究人員檢測了心肌內(nèi)SUMO化靶蛋白和SENP3的水平變化,發(fā)現(xiàn)心肌缺血后SENP3丟失90%,I/R后丟失80%,并且shRNA(short hairpin RNA)介導(dǎo)的SENP3基因敲除導(dǎo)致再灌注時細(xì)胞死亡率增加,說明心臟缺血極大地改變了SENP3的水平,這可能是心臟I/R后細(xì)胞死亡的機(jī)制之一[52]。

3.3 SUMO化與心肌病

心肌病是一組異質(zhì)性心肌疾病,由不同病因引起心臟機(jī)械和電活動的異常,表現(xiàn)為心室不適當(dāng)?shù)姆屎窕驍U(kuò)張。嚴(yán)重心肌病會引起心血管性死亡或進(jìn)展性心衰[53～55]。心肌素(myocardin)屬于 SAP(SAF-A/B,Acinus,PIAS)結(jié)構(gòu)域家族,僅在胚胎的心肌和平滑肌發(fā)育過程中表達(dá),并在心肌細(xì)胞肥大中起關(guān)鍵作用。心肌素通過調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞的穩(wěn)定性和代謝活性影響心肌細(xì)胞的生長,通過血清效應(yīng)因子(serum response factor,SRF)的共激活因子促進(jìn)平滑肌細(xì)胞分化。心肌素的異常表達(dá)會導(dǎo)致肥厚型心肌病,其突變可能造成心血管發(fā)育異常[56]。據(jù)報(bào)道,心肌素在K445位點(diǎn)被SUMO1 SUMO化,SUMO1和E3 PIAS1對心肌素的SUMO化逆轉(zhuǎn)了心肌素基因的表達(dá),加重了心肌肥厚,表明心肌素的SUMO化在心臟肥大發(fā)展中起著重要作用[57]。線粒體生物發(fā)生和心臟能量代謝的缺陷是導(dǎo)致心肌病的關(guān)鍵因素。SENP1可以通過調(diào)節(jié)過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α (peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1α,PGC1α)的轉(zhuǎn)錄活性,調(diào)控線粒體生物發(fā)生和線粒體功能[58]。有研究證明,心肌病的發(fā)病機(jī)制與SENP1介導(dǎo)的線粒體異常調(diào)節(jié)有關(guān),病變心臟中SENP1的上調(diào)是通過鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶-NFAT/MEF2C-PGC1α 通路介導(dǎo)的[59]。

3.4 SUMO化與動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化是慢性炎癥性疾病,涉及內(nèi)皮激活、內(nèi)皮功能障礙和局部炎癥反應(yīng)等多個病理步驟。近期研究發(fā)現(xiàn),SUMO化在動脈粥樣硬化發(fā)生發(fā)展中起到重要的調(diào)控作用[60]。

有報(bào)道稱,血流紊亂可誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞的促炎和凋亡反應(yīng),導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞功能失調(diào),進(jìn)而導(dǎo)致動脈粥樣硬化[61]。雖然已有研究證明,在內(nèi)皮細(xì)胞凋亡和炎癥過程中能檢測到P53和ERK5的SUMO化,但在促動脈粥樣硬化流動條件下,其機(jī)制在很大程度上仍是未知的[62]。在血流干擾條件下,P53和ERK5的SUMO化有助于動脈粥樣硬化斑塊的形成,參與這一信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子將成為控制內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙和動脈粥樣硬化形成的關(guān)鍵靶點(diǎn)[63]。PIAS1是一種SUMO E3連接酶,同時也是一種轉(zhuǎn)錄阻遏因子。MAPK活化的蛋白激酶2是一種促炎激酶,能磷酸化PIAS1的Ser522殘基,也可以發(fā)揮獨(dú)特的抗炎作用。蛋白激酶2的激活增強(qiáng)了P53的SUMO化,但是PIAS1磷酸化突變體PIAS S522A卻降低了P53的SUMO化,這表明PIAS1 S522磷酸化在其SUMO連接酶活性中起著關(guān)鍵作用。MAPK激活的蛋白激酶2通過增強(qiáng)PIAS1 S522的磷酸化介導(dǎo)PIAS1的轉(zhuǎn)抑制和增加SUMO連接酶活性,從而限制內(nèi)皮炎癥[64]。除了炎癥反應(yīng),巨噬細(xì)胞對動脈粥樣硬化病理發(fā)生過程中的脂質(zhì)代謝也具有重要的調(diào)節(jié)作用。肥胖和代謝綜合征日益被認(rèn)為是心血管疾病的主要危險因素。Krüppel-like轉(zhuǎn)錄因子 5(Krüppel-like transcription factor 5,KLF5)是一個重要的能量代謝調(diào)節(jié)因子。已有研究證明,KLF5的SUMO化在涉及PPARδ的脂質(zhì)代謝轉(zhuǎn)錄程序中起分子開關(guān)的作用[65]。

3.5 去SUMO化酶SENP在心血管疾病中的作用

SENP是去SUMO化酶,其家族成員的作用各不相同。SENP1是一種核質(zhì)穿梭蛋白質(zhì),能催化SUMO1、SUMO2/3修飾的靶蛋白發(fā)生去SUMO化。SENP2與SENP1相似,也能夠?qū)UMO1、SUMO2/3起作用,但是二者的底物不同。比如:SENP2可以調(diào)控磷脂酶Cβ4(phospholipase Cβ4,PLCβ4)的核運(yùn)輸,起到維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的作用,而SENP1則不能[66]。在機(jī)體中,促炎因子的存在導(dǎo)致SENP1升高,造成下游靶蛋白去SUMO化升高,進(jìn)而改變下游靶蛋白功能,影響疾病的進(jìn)程[67]。在人類肥厚和衰竭心臟中,研究人員觀察到SENP1的表達(dá)增加,并證明SENP1可以保護(hù)心肌細(xì)胞,使其免受肥厚性生長刺激[59]。相反,心臟特異性過表達(dá)SENP2卻導(dǎo)致心肌病和心臟功能障礙,引起冠心病房間隔缺損小鼠過早死亡。免疫生化結(jié)果顯示,與野生型相比,SENP2過表達(dá)小鼠心臟的心肌細(xì)胞增殖減少;存活的SENP2過表達(dá)小鼠生長發(fā)育遲緩,隨著年齡的增長出現(xiàn)心肌病,心功能受損[68]。

SENP3和SENP5都是核仁蛋白質(zhì)且具有很高的序列同源性,二者主要特異性結(jié)合SUMO2/3。目前SENP3在心臟中的作用頗具爭議。SENP3在小鼠心臟中表達(dá)上調(diào)取決于ROS的產(chǎn)生,以此應(yīng)對心臟的I/R損傷。SENP3敲低可以顯著減少I/R損傷誘導(dǎo)的梗死面積并改善心功能。在心臟中,SENP3主要通過抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和線粒體介導(dǎo)的凋亡途徑改善心肌細(xì)胞凋亡。SENP3的過表達(dá)顯著加重了心臟的I/R損傷[69]。這些研究顯示SENP3對心臟具有損害作用。相反,也有研究證明了SENP3對心肌細(xì)胞具有保護(hù)作用[70]。在缺血和再灌注期間的不同研究中,SENP3在心臟中的表達(dá)水平變化很大,這可能與SENP3在I/R后的細(xì)胞內(nèi)定位發(fā)生了改變有關(guān)。有研究證明,在缺血期間SENP3的細(xì)胞質(zhì)部分顯著減少,同時核部分顯著增加,表明缺血后SENP3可能重新定位于細(xì)胞核[52]。目前,研究者已在人的衰竭心臟中觀察到SENP5的表達(dá)增加,并且發(fā)現(xiàn)在小鼠心臟中過表達(dá)SENP5會導(dǎo)致細(xì)胞增殖受損以及細(xì)胞凋亡增多,從而導(dǎo)致心肌病[46]。SENP5的心臟特異性過表達(dá)與線粒體裂變有關(guān),而Drp1的寡聚化是線粒體裂變的重要因素。有研究報(bào)道,心肌特異性過表達(dá)SENP5會降低SUMO2/3綴合的Drp1水平,并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,最終導(dǎo)致成年小鼠心肌病的發(fā)生[71]。

SENP7在細(xì)胞質(zhì)中表達(dá)的比例較小,其和SENP6主要存在于核質(zhì)中。二者主要切割多聚SUMO2/3鏈,從而起到拮抗SUMO化修飾的作用[72～73]。SENP6 和 SENP7 在去除 PML 的 SUMO 化及核體(nuclear bodies,NBs)形成過程中起關(guān)鍵作用,從而調(diào)節(jié)NBs動力學(xué)和多種細(xì)胞功能[74]。三氧化二砷注射液通過誘導(dǎo)PML的SUMO化和NBs形成上調(diào)TGF-β1,從而增加心肌纖維化;SUMO E2綴合物UBC9被沉默后,PML的SUMO化受到抑制,從而減少橫向主動脈縮窄小鼠中心臟纖維化的發(fā)展[75]。這些結(jié)果均證明,SENP家族介導(dǎo)的去SUMO化修飾在心臟中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

4 SUMO化修飾與外泌體在心血管疾病中的研究

細(xì)胞外囊泡(extracellular vesicles,EVs)是一種由細(xì)胞釋放到細(xì)胞外基質(zhì)的膜性小囊泡,參與細(xì)胞通信、細(xì)胞遷移、血管新生和腫瘤細(xì)胞生長等過程,廣泛地存在于各種體液和細(xì)胞上清中,并且穩(wěn)定攜帶一些重要的信號分子[76]。根據(jù)產(chǎn)生方式、體積和分子標(biāo)志物的不同,EVs可分成3類,即外泌體(exosome,Exo)、細(xì)胞衍生微粒(cell-derived microparticle)和凋亡小體(apoptotic body)[77]。外泌體是EVs中體積最小的一類,直徑30～100 nm。細(xì)胞質(zhì)中的內(nèi)體膜先向內(nèi)體腔內(nèi)凹陷,形成多囊內(nèi)體,同時募集細(xì)胞質(zhì)中的各種蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)進(jìn)入多囊內(nèi)體的各個小囊泡中,隨后多囊內(nèi)體遷移到細(xì)胞膜的胞質(zhì)面,與細(xì)胞膜發(fā)生膜融合,釋放出內(nèi)部的小囊泡,即外泌體[78]。

近年來的研究表明,外泌體能夠參與心血管疾病的調(diào)控。例如:心肌成纖維細(xì)胞分泌的外泌體將miR-133a輸送至心肌細(xì)胞,心肌細(xì)胞中升高的miR-133a靶向果蠅ELAV樣1蛋白[(embryonic lethal,abnormal vision,Drosophila)-like 1],抑制焦亡的發(fā)生,從而治療I/R損傷[79]。間充質(zhì)干細(xì)胞來源的外泌體通過遞送circ-0001273,抑制心肌梗死后心肌細(xì)胞凋亡的發(fā)生,進(jìn)而改善心肌梗死后的心臟功能[80]。以上研究提示,外泌體調(diào)控心血管疾病進(jìn)程的主要分子機(jī)制是遞送其中包含的眾多非編碼 RNA,如 miRNA、lncRNA、circRNA等,這也表明外泌體的生成過程中可能存在特異的RNA分選機(jī)制。目前有研究表明,SUMO化修飾與外泌體中成分的分選機(jī)制有關(guān)。外泌體的生成有依賴于內(nèi)吞體分選轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合體(endosomal sorting complex required for transport,ESCRT)和不依賴于ESCRT的途徑[81]。依賴于ESCRT的外泌體生成過程不僅有泛素化修飾的參與,也有SUMOylation、NEDDylation和 ISGylation等修飾的參與[82]。SUMO化修飾在外泌體的生物發(fā)生中起重要作用,外泌體富含的miRNA的特異序列(GGAG),已被鑒定為Exo-motif。Exo-motif可被人核內(nèi)不均一核糖核蛋白A2B1(human heterogeneous nuclear ribonucleoprotein A2B1,hnRNPA2B1)和hn-RNPA1特異性識別,從而調(diào)控這些miRNA選擇性進(jìn)入外泌體[83]。有研究報(bào)道,hnRNPA2B1在外泌體中大部分被SUMO化后,會識別特定的miRNA并將其包裝到外泌體中,繼而使miRNA運(yùn)輸?shù)桨屑?xì)胞中發(fā)揮作用[84];SUMO化修飾在自噬相關(guān)基因5(autophagy-related gene 5,ATG5)的協(xié)助下將α-突觸核蛋白包埋到外泌體中,這表明SUMO化修飾是特定分子被分類到外泌體中的重要調(diào)節(jié)劑[85]。另外,已有研究證明SUMO化修飾通過EVs的運(yùn)輸作用調(diào)控心衰后的心臟功能。在心衰后,成纖維細(xì)胞可以分泌一種含有miR-146a的EV,其將miR-146a傳遞到心肌細(xì)胞,心肌細(xì)胞中的miR-146a可介導(dǎo)SUMO1分子的下調(diào),從而導(dǎo)致SERCA2a蛋白的穩(wěn)定性下降,最終造成心臟收縮功能障礙[42]。這啟示,我們可以利用外泌體的“貨物載體”功能調(diào)控SUMO化修飾,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)心血管疾病的靶向治療。雖然SUMO化修飾可以在外泌體生物發(fā)生以及外泌體的運(yùn)輸過程中發(fā)揮重要作用,但是SUMO化修飾是否能夠通過介導(dǎo)外泌體的生物發(fā)生以及基于外泌體的遞送作用來調(diào)控心血管疾病,仍需要繼續(xù)深入探究。隨著研究的深入,我們相信在SUMO化修飾與外泌體共同靶向調(diào)控心血管疾病方面將會取得更多令人鼓舞的進(jìn)展。

5 總結(jié)與展望

蛋白質(zhì)翻譯后修飾是重要的生物功能調(diào)控機(jī)制,其重要性不亞于轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)表達(dá)調(diào)控,并且其復(fù)雜性更甚。即使是幾種常規(guī)的蛋白質(zhì)翻譯后修飾,目前的研究也只是揭其冰山一角,還有很多的功能以及修飾種類有待進(jìn)一步的探索。SUMO化修飾是繼泛素化、磷酸化、乙?；?、甲基化和糖基化等常規(guī)修飾的又一種重要的蛋白質(zhì)翻譯后修飾形式。SUMO化修飾的過程與泛素化類似,但該修飾發(fā)揮的生物學(xué)功能又與泛素化大不相同,是近幾年蛋白質(zhì)翻譯后修飾的研究熱點(diǎn)。目前,SUMO化修飾在心血管疾病方面的研究雖有很多,但針對不同類型的疾病,包括心衰、心肌梗死、缺血性心肌病和動脈粥樣硬化等,其作用及機(jī)制依舊不明確。SUMO化如何通過影響蛋白質(zhì)穩(wěn)定性及定位、細(xì)胞周期、DNA修復(fù)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控等過程維持細(xì)胞正常功能;如何通過調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架、線粒體功能、離子通道活性等過程影響疾病的發(fā)生發(fā)展,都需要進(jìn)一步研究。

雖然心血管疾病的治療策略有了很大的改善,但目前仍缺乏準(zhǔn)確、有效、科學(xué)的治療。靶向治療是未來心血管疾病治療的有效方式之一。外泌體具有貨物運(yùn)輸功能,在靶向治療心血管疾病方面具有良好的臨床應(yīng)用前景,因此,探究是否能夠利用外泌體調(diào)控細(xì)胞中的SUMO化修飾,來達(dá)到靶向治療心血管疾病的作用,將有助于更好地了解SUMO化在心血管疾病發(fā)生發(fā)展中的作用,并研發(fā)靶向治療心血管疾病的精準(zhǔn)策略。

另外,以往的蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn),多種不同類型的蛋白質(zhì)翻譯后修飾,如磷酸化、泛素化、甲基化、SUMO化等,存在復(fù)雜的交互作用,進(jìn)而共同影響疾病的發(fā)生[86]。SUMO化不僅能調(diào)節(jié)靶蛋白的功能和定位,還可以影響其他翻譯后修飾的過程,而且可能與其他翻譯后修飾共同調(diào)節(jié)相同的生理病理過程。因此,在臨床治療中考慮SUMO化和其他翻譯后修飾對心血管疾病進(jìn)展的協(xié)同作用,探索靶蛋白SUMO化與其他蛋白質(zhì)翻譯后修飾之間的動態(tài)平衡,將是未來需要深入研究的方向。將SUMO化與其他蛋白質(zhì)翻譯后修飾形式之間復(fù)雜的關(guān)系作為心血管疾病治療研究的切入點(diǎn),可能會為心血管疾病治療打開一扇全新的大門。

利益聲明:所有作者均聲明不存在利益沖突。