微管在心血管疾病中作用機制的研究進展

吳巧敏，汪艷麗，劉金鳳，常興，姚舜宇，劉如秀

(中國中醫(yī)科學(xué)院廣安門醫(yī)院心血管科，北京 100053)

微管是構(gòu)成細(xì)胞骨架的非共價聚合物之一[1]。細(xì)胞骨架是一種完整的絲狀蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，其賦予細(xì)胞形態(tài)，促進細(xì)胞運動以及構(gòu)建分離遺傳物質(zhì)所需的紡錘體。微管具有“動態(tài)不穩(wěn)定性”，在生長期和解聚期之間循環(huán)，從生長到解聚的轉(zhuǎn)變稱為解聚作用(“災(zāi)難”)，從解聚到生長的轉(zhuǎn)變稱為聚合作用(“拯救”)。聚合和解聚速率以及“災(zāi)難”和“拯救”事件頻率構(gòu)成了微管動力學(xué)的4個特征參數(shù)。微管蛋白包括兩種類型：α微管蛋白和β微管蛋白，兩者形成異二聚體，可逆和動態(tài)聚合成微管細(xì)胞骨架元素，調(diào)節(jié)細(xì)胞形態(tài)，驅(qū)動有絲分裂，進而為細(xì)胞內(nèi)運輸提供平臺，介導(dǎo)細(xì)胞的運動[2]。微管蛋白通過多種翻譯后修飾過程，如乙酰化、去酪氨酸化等，在不同組織、細(xì)胞中產(chǎn)生執(zhí)行不同功能的微管體系，發(fā)揮多樣的微管生物學(xué)功能。微管作為胞內(nèi)運輸系統(tǒng)，與肌動蛋白聯(lián)合參與心肌細(xì)胞線粒體的分布和能量運輸，微管的失衡造成線粒體能量代謝的異常，進而損傷心肌細(xì)胞。有文獻報道，微管在心血管疾病的發(fā)生中起關(guān)鍵作用[3-4]，而靶向微管治療是調(diào)節(jié)心血管疾病的新機制，其有望成為心血管疾病治療的新方法?，F(xiàn)就微管在心血管疾病中作用機制的研究進展予以綜述。

1 微管的生物學(xué)功能

1.1微管蛋白翻譯后修飾 微管蛋白通過多種不同的翻譯后修飾進一步多樣化。乙?；?、去酪氨酸化、甲基化、磷酸化和棕櫚酰化等翻譯后修飾充當(dāng)“微管蛋白代碼”，進而影響微管與細(xì)胞器的相互作用，為多種生理環(huán)境提供物質(zhì)基礎(chǔ)。其中，乙酰化和去酪氨酸化在心血管疾病中發(fā)揮重要作用，也是目前心血管疾病研究較多的兩種翻譯后修飾。

1.1.1乙?；?微管乙?；l(fā)生在α/β微管蛋白異二聚體的α-亞單位第40位賴氨酸的氨基上，是唯一發(fā)生在微管腔內(nèi)的修飾形式。微管乙?；哂斜３治⒐軓澢鷦偠然蜷L度持久性的作用，有助于微管晶格應(yīng)對機械應(yīng)力，促進微管自我修復(fù)，如微管去乙酰化導(dǎo)致微管彎曲剛度降低50%，且微管斷裂事件發(fā)生的可能性增加26%[5]。肌動蛋白是心肌細(xì)胞調(diào)節(jié)運動的蛋白質(zhì)，肌動蛋白和微管之間存在相互串?dāng)_。肌動蛋白通過乙?；蕾嚈C制維持微管組織、動力學(xué)和穩(wěn)定性，并且控制線粒體分布。若肌動蛋白擾動，組蛋白去乙?；?(histone deacetylase 6，HDAC6)破壞微管蛋白和肌動蛋白之間的串?dāng)_，進而降低微管乙?；?，影響微管穩(wěn)定性和線粒體分布[6]。肌動蛋白和微管之間串?dāng)_聯(lián)系的破壞，將改變微管乙?；?，導(dǎo)致心肌細(xì)胞運功功能失常。

調(diào)節(jié)微管乙?；年P(guān)鍵酶為α微管蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶和HDAC6，它們分別添加或移除α微管蛋白的乙?；鵞7-10]。依賴于踝蛋白和肌動球蛋白的底物剛性機械傳感通過促進α微管蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶募集到局灶黏附區(qū)來控制微管乙?；痆8]。其中，HDAC6使多種非組蛋白脫乙酰，參與細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、侵襲體形成、應(yīng)激顆粒生物學(xué)和基因轉(zhuǎn)錄等過程[11]，在調(diào)節(jié)微管穩(wěn)定性和動力學(xué)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。同時，HDAC6與沉默信息調(diào)節(jié)因子4互相作用，負(fù)調(diào)節(jié)乙酰-α微管蛋白水平，減少線粒體能量代謝[12]。因此，抑制HDAC6可升高乙酰化微管蛋白水平，增強線粒體運動[13-14]。

1.1.2去酪氨酸化/酪氨酸化 微管蛋白酪氨酸化是第一個確定的修飾形式。具有C端酪氨酸編碼的α微管蛋白的細(xì)胞均經(jīng)歷了“去酪氨酸化/酪氨酸化”的循環(huán)。該循環(huán)中，微管蛋白羧肽酶去除 C端酪氨酸，隨后由微管蛋白酪氨酸連接酶釋放，調(diào)節(jié)去酪氨酸化/酪氨酸化的豐度。穩(wěn)定的去酪氨酸化/酪氨酸化是微管依賴性機械傳導(dǎo)的有效調(diào)節(jié)因子，具有調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架力學(xué)的作用，其失調(diào)與心臟缺陷、心力衰竭等心血管疾病的發(fā)生相關(guān)[15-16]。

“去酪氨酸化/酪氨酸化”的穩(wěn)定循環(huán)保證細(xì)胞功能正常發(fā)揮，而穩(wěn)態(tài)失調(diào)致使微管結(jié)構(gòu)和功能的異常。當(dāng)影響“去酪氨酸化/酪氨酸化”循環(huán)的生物過程發(fā)生時，微管網(wǎng)絡(luò)變薄、重組成束及機械傳感力變化。微管親和調(diào)節(jié)激酶4(microtubule affinity-regulating kinase 4，MARK4)靶向調(diào)節(jié)微管去酪氨酸化[3]，微調(diào)心肌細(xì)胞的微管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)MARK4水平降低時，微管被松散地固定，使得心臟更容易收縮和放松，而當(dāng)MARK4表達增加時，微管機械阻力增加，阻礙心肌收縮[3]。微管去酪氨酸化的穩(wěn)定與心臟煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶2依賴性活性氧產(chǎn)生(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase 2-dependent reactive oxygen species production，X-ROS)信號和Ca2+通道密切相關(guān)。X-ROS為微管依賴性機械傳導(dǎo)的活性氧和Ca2+信號。去酪氨酸化的微管加劇了X-ROS的機械傳導(dǎo)[17]。通過X-ROS機械傳導(dǎo)途徑，收縮或拉伸的機械應(yīng)力與煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶生成的活性氧聯(lián)系起來介導(dǎo)Ca2+通道[18]。拉伸誘導(dǎo)的X-ROS導(dǎo)致正常心臟中的細(xì)胞內(nèi)鈣通道處于同步激活狀態(tài)，該途徑的失調(diào)則引發(fā)非同步Ca2+釋放和心律失常[18]。

1.2微管運輸 細(xì)胞的生命活動依賴于胞內(nèi)運輸。在心臟中，微管和以微管為基礎(chǔ)的胞內(nèi)運輸幫助構(gòu)成和維持心肌細(xì)胞內(nèi)肌節(jié)、肌質(zhì)網(wǎng)膜等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。心肌細(xì)胞的微管和中間絲共同構(gòu)成交聯(lián)支架，負(fù)責(zé)輸送細(xì)胞內(nèi)“貨物”、傳遞機械信號、形成膜系統(tǒng)以及協(xié)同調(diào)控肌原纖維和細(xì)胞器[19]。微管運輸與心肌細(xì)胞亞細(xì)胞器功能的發(fā)揮緊密相關(guān)。心臟是高耗氧和ATP需求的器官，僅線粒體就占心肌細(xì)胞體積的35%～40%[19]。因此，線粒體功能的正常發(fā)揮對于心肌細(xì)胞尤為重要。在細(xì)胞內(nèi)，線粒體需要附著于細(xì)胞骨架元素上作為內(nèi)部支架系統(tǒng)，從而控制線粒體形態(tài)[20]。微管等細(xì)胞骨架成分在細(xì)胞周期的不同時相發(fā)揮的作用不同，以微管和肌動蛋白為基礎(chǔ)的馬達分子、驅(qū)動蛋白以及細(xì)胞質(zhì)動力蛋白水解ATP，從而將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，參與線粒體的運輸和分布。微管作為線粒體運動的主要工具[21]，為ATP需求高的部位運輸能量[22]。線粒體通過與α微管蛋白和β微管蛋白等的相互作用，調(diào)節(jié)細(xì)胞能量代謝、協(xié)調(diào)線粒體呼吸和氧化磷酸化及整個細(xì)胞生理功能[20]。

微管運輸結(jié)構(gòu)的破壞造成線粒體形態(tài)和能量的損傷，如微管重組、變形對線粒體能量代謝、呼吸功能造成影響，減少能量的產(chǎn)生和運輸；周期性的拉伸改變細(xì)胞形態(tài)并引起微管重組，影響線粒體分布和ATP的產(chǎn)生[23]。當(dāng)微管蛋白缺乏時，線粒體的呼吸功能及其對ADP的敏感性明顯降低[24-25]。線粒體功能障礙在多種心血管疾病的進程中具有關(guān)鍵的調(diào)控作用，與之相關(guān)聯(lián)的微管運輸結(jié)構(gòu)和功能的破壞亦成為心血管疾病發(fā)生發(fā)展的重要原因。

2 微管與心血管疾病的聯(lián)系

心肌細(xì)胞富含微管網(wǎng)絡(luò)，其可分為3個不同又相互重疊的群體：①與肌原纖維和線粒體平行的纖維間微管及環(huán)繞細(xì)胞核的額外群體；②垂直于肌原纖維、纏繞在心肌細(xì)胞周圍的皮質(zhì)微管，參與外部機械傳導(dǎo)以及跨膜蛋白和離子通道的調(diào)節(jié)；③環(huán)繞于細(xì)胞核、核周細(xì)胞器的核周微管[19]。細(xì)胞骨架的結(jié)構(gòu)和功能可以穩(wěn)定細(xì)胞形態(tài)、功能、運輸?shù)龋绕鋵τ诟缓⒐芙Y(jié)構(gòu)的心肌細(xì)胞。微管蛋白功能的紊亂使心肌細(xì)胞線粒體產(chǎn)生明顯的機械敏感性，參與心力衰竭、心肌病、心律失常等心血管疾病的病理過程[23,26-27]。因此，微管的失衡是造成多種心血管疾病的原因。

2.1微管蛋白與心肌梗死 缺血再灌注損傷由器官血流初始中斷和血流隨之恢復(fù)產(chǎn)生，是急性心肌梗死后的臨床難題。缺血再灌注是心肌梗死的病理核心，可造成心肌細(xì)胞的致命性損傷。心肌細(xì)胞死亡的重要原因為微管及其與線粒體聯(lián)系的破壞。心肌梗死期間，氧化應(yīng)激增加，誘發(fā)了微管的突變，嚴(yán)重破壞正常的微管動力學(xué)[28]。其可能原因為氧化應(yīng)激抑制心肌細(xì)胞糖原合成酶激酶-3β，降低微管正端示蹤蛋白磷酸化，導(dǎo)致微管正端示蹤蛋白從微管中移位，由此破壞細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)[28]。而當(dāng)細(xì)胞骨架破壞時，細(xì)胞骨架與線粒體的相互關(guān)系發(fā)生顯著變化，致使心肌細(xì)胞完整性受損[29-30]。骨架破壞的過程中，隨著β微管蛋白的異常改變，線粒體呼吸功能受損，能量轉(zhuǎn)移功能降低[31-32]。且氧化應(yīng)激損傷促使線粒體釋放大量活性氧，線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔過度開放，線粒體內(nèi)膜對溶質(zhì)的滲透性突然增加，致使線粒體水腫破裂，啟動細(xì)胞凋亡，引發(fā)心臟不可逆損傷[33]。

微管去酪氨酸化調(diào)節(jié)的微管動態(tài)變化是保護心肌梗死后心肌細(xì)胞收縮功能的重要機制。穩(wěn)定的去酪氨酸化微管與結(jié)合蛋白結(jié)合收縮心肌細(xì)胞，為心肌細(xì)胞提供機械阻力。微管蛋白的“去酪氨酸化/酪氨酸化”循環(huán)的失調(diào)導(dǎo)致微管功能的紊亂，影響心肌細(xì)胞收縮功能[34-35]。研究發(fā)現(xiàn)，敲除MARK4可減少心肌梗死后心肌微管去酪氨酸化，保護心臟收縮功能。在心肌梗死面積相同的情況下，MARK4敲除小鼠左心室射血分?jǐn)?shù)僅降低4.3%，而對照小鼠左心室射血分?jǐn)?shù)降低37.9%，嚴(yán)重影響了心臟收縮功能[3]，說明抑制微管去酪氨酸化可顯著改善心肌梗死后的心肌收縮功能。

2.2微管蛋白與動脈粥樣硬化 動脈粥樣硬化是多種心血管疾病發(fā)病的病理學(xué)基礎(chǔ)。動脈粥樣硬化和血管狹窄與血管平滑肌細(xì)胞(vascular smooth muscle cell，VSMC)增殖緊密相關(guān)。VSMC產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)分子(間質(zhì)膠原、彈性蛋白及蛋白多聚糖等)，使血管內(nèi)膜層增厚[36]，并通過脂質(zhì)介導(dǎo)的氧化DNA損傷和端粒功能障礙及轉(zhuǎn)分化驅(qū)動動脈鈣化，形成動脈粥樣硬化[37-38]。微管動力學(xué)調(diào)節(jié)細(xì)胞遷移過程，不穩(wěn)定的微管促進了VSMC的遷移[39]，而微管乙?；黾游⒐芊€(wěn)定性，從而抑制VSMC定向遷移和內(nèi)膜新生[40]。微管相關(guān)的MARK4蛋白在動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展中亦發(fā)揮作用。MARK4具有調(diào)節(jié)脂質(zhì)(膽固醇、脂肪酸和三酰甘油)代謝、炎癥、胰島素信號、葡萄糖穩(wěn)態(tài)、白色脂肪細(xì)胞褐變和氧化應(yīng)激的作用[41]。研究發(fā)現(xiàn)，動脈粥樣硬化患者的MARK4表達顯著增加[41]，說明MARK4過度表達可能誘發(fā)動脈粥樣硬化。其具體機制可能為MARK4參與內(nèi)源性損傷相關(guān)分子模式，啟動動脈粥樣硬化炎癥反應(yīng)。微管調(diào)節(jié)核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3)的細(xì)胞內(nèi)分選，介導(dǎo)NLRP3炎癥小體的組裝，促進NLRP3向線粒體募集[42]，并產(chǎn)生白細(xì)胞介素-1β，響應(yīng)內(nèi)源性損傷相關(guān)分子模式，啟動動脈粥樣硬化炎癥反應(yīng)[43]。MARK4是NLRP3炎癥小體的特異性免疫調(diào)節(jié)劑，特異性靶向NLRP3激活炎癥。當(dāng)敲除MARP4時，細(xì)胞中的NLRP3炎癥小體明顯減少，內(nèi)皮損傷和動脈粥樣硬化程度減輕[44]。說明微管的穩(wěn)定性及其分子調(diào)控動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展，參與細(xì)胞增殖、炎癥損傷等關(guān)鍵病理過程。

2.3微管蛋白與心律失常 經(jīng)典的抗心律失常藥物包括β受體阻滯劑和針對特定離子通道的藥物，但其缺乏心臟特異性，治療窗狹窄，不能有效改善預(yù)后。胞內(nèi)運輸在心律失常的發(fā)生發(fā)展中起重要作用，為治療心律失常新的干預(yù)靶點。微管作為細(xì)胞內(nèi)分子運輸系統(tǒng)的組成部分，微管聚合與解聚的動態(tài)平衡有利于減少心律失常事件的發(fā)生。當(dāng)阻止微管的解聚時，可以改善缺血等損傷誘發(fā)的心律失常[45]。抑制微管聚合亦可減少心律失常發(fā)生，如秋水仙堿靶向抑制微管聚合可降低術(shù)后心房顫動的發(fā)生率[46]，減少不良心血管結(jié)局[47]。

微管翻譯后修飾的異常表達誘導(dǎo)心律失常的發(fā)生。在心肌細(xì)胞中，生理性拉伸和電誘發(fā)收縮激活X-ROS，產(chǎn)生活性氧，并增加蘭尼堿受體(一種Ca2+釋放通道)的敏感性，觸發(fā)Ca2+火花爆發(fā)[27,48]。在疾病狀態(tài)中，X-ROS觸發(fā)Ca2+火花導(dǎo)致心律失常[27,48]。當(dāng)微管去酪氨酸化減少時，X-ROS及下游信號可被抑制，從而保護心肌細(xì)胞免受有害的Ca2+信號和減少應(yīng)激性心律失常的發(fā)生[17]。HDAC6通過去除微管蛋白的乙酰化，破壞了心肌收縮能力而誘發(fā)心律失常[49]，這也是心力衰竭后心律失常的病理機制?？p隙連接蛋白43重塑與非缺血性心力衰竭中的電傳導(dǎo)速度受損和致命性室性心律失常有關(guān)[50]。微管改變和α微管蛋白乙?；瘻p少導(dǎo)致縫隙連接蛋白43的重塑，進而改變心肌細(xì)胞之間的正確通訊，最終導(dǎo)致電傳導(dǎo)障礙，誘發(fā)惡性心律失常[51]。

3 心血管疾病的微管靶向治療

靶向微管的治療可能成為心血管疾病治療的新策略。藥物抑制微管去酪氨酸化可降低衰竭心肌細(xì)胞的黏彈性，恢復(fù)心臟40%～50%的收縮功能[52]，因而，研究者們嘗試靶向微管以防治心血管疾病。秋水仙堿是經(jīng)典的微管蛋白抑制劑，其可通過與微管蛋白結(jié)合阻斷微管聚合。目前口服低劑量秋水仙堿越來越多地用于治療心血管疾病，如急性冠狀動脈綜合征、術(shù)后心房顫動、動脈粥樣硬化等[53-57]。多個靶向微管的分子研究也在進行中，如MARK4抑制劑改善心肌梗死、心力衰竭后的心肌收縮功能，HDAC6抑制劑治療心房顫動和緩解缺血再灌注損傷等。因此，未來將會有更多調(diào)節(jié)微管平衡的藥物用于治療心血管疾病。

4 小 結(jié)

心血管疾病是最常見的死亡原因，其高發(fā)病率、高死亡率使研究者們不斷致力于研究降低心血管疾病風(fēng)險和治療心血管疾病的方法。微管從多方面參與了心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展及重要的病理過程，在細(xì)胞的形態(tài)、運輸、細(xì)胞器互作等方面起到關(guān)鍵作用。心臟富含微管結(jié)構(gòu)，微管失衡是心肌梗死、動脈粥樣硬化等心血管疾病發(fā)生的病理機制。隨著實驗技術(shù)不斷改進和實驗方法的更新，心血管疾病中微管失衡的分子不斷被挖掘，使得微管的機制逐步被完善和充實，未來或許有更多的靶向微管的藥物用于心血管疾病的防治。