p21在心血管疾病中的研究進展

馬玉蘭，徐蔓，李丹，唐其柱

(1.武漢大學(xué)人民醫(yī)院心血管內(nèi)科，武漢 430060； 2.武漢大學(xué)第一臨床學(xué)院，武漢 430060；3.代謝與相關(guān)慢病湖北省重點實驗室，武漢 430060)

心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)是一組影響心臟或心臟有關(guān)血管的疾病，包括冠心病、心絞痛、心肌梗死、先天性心臟病、高血壓及心肌病(如擴張型或肥厚型心肌病)等。研究表明，CVD多發(fā)于老年人，預(yù)計2030年全球65歲以上人口CVD的患病率較往年將成倍增加，而CVD也是全球人類死亡的主要原因[1]。同時CVD的治療費用逐年增加，造成嚴重的疾病負擔(dān)。目前CVD的治療主要以藥物和手術(shù)為主，其中心臟外科手術(shù)的效果雖然較好，但其臨床應(yīng)用始終受到操作復(fù)雜和術(shù)后并發(fā)癥的限制[2]。因此尋找新的藥物治療靶點顯得尤為重要。而p21作為抑制細胞生長和分裂的細胞周期的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，在細胞衰老和細胞凋亡中起重要作用，同時也是腫瘤抑制因子p53的重要下游靶標。p21可以通過抑制細胞周期蛋白與細胞周期蛋白依賴性激酶的結(jié)合來調(diào)節(jié)細胞周期。在哺乳動物中，p21在胚胎和新生兒心臟中較少表達，但在成年心臟中高表達[3]。研究表明，p21參與了心肌損傷的病理過程[4]，在CVD的發(fā)生發(fā)展中起非常重要的作用，未來有望成為CVD藥物治療的新靶點。但p21在CVD中的變化及其作用目前仍存在爭議。現(xiàn)就p21在多種CVD中的具體作用予以綜述，以為CVD的防治提供新靶點。

1 p21概述

p21作為細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑，通過多種方式調(diào)控細胞死亡。p21是一種負調(diào)控因子，是細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑的初始成員。由于其明確的三級結(jié)構(gòu)，p21能與許多參與關(guān)鍵生物過程的蛋白相互作用[3]。作為多種胞內(nèi)和胞外應(yīng)激信號的關(guān)鍵效應(yīng)因子，p21受到多種轉(zhuǎn)錄因子、不同的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控因子[如微RNA(microRNA，miRNA)和RNA結(jié)合蛋白]以及多種翻譯后修飾的調(diào)控[5]。其通過不同的泛素依賴和獨立途徑降解，而多種激酶可逆的蛋白磷酸化可作為一種額外的翻譯后機制，調(diào)控p21的功能、定位、穩(wěn)定性和降解[6]。特別是不同激酶在不同位點的磷酸化可引起p21的細胞質(zhì)轉(zhuǎn)位，極大地影響其功能和許多化療干預(yù)的治療反應(yīng)[7]。近年研究表明，p21在細胞衰老、凋亡等方面的調(diào)控作用與CVD的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[8]。

p21作為細胞周期抑制劑、衰老誘導(dǎo)劑和腫瘤抑制劑，在細胞凋亡、分化、誘導(dǎo)多能干細胞重編程和細胞遷移等方面發(fā)揮重要作用[9]；p21可直接抑制細胞周期中的G1期、S期和G2期周期蛋白依賴性激酶[10]。研究發(fā)現(xiàn)，p21可抑制多種類型的癌細胞周期、骨骼肌和骨再生[11]。且p21也是心肌細胞周期活動的重要調(diào)節(jié)劑，其在胎兒和新生兒心肌細胞中的表達和活性較低。對成人心肌細胞進行的一項研究發(fā)現(xiàn)，p21通過促進增殖細胞核抗原的降解來阻止細胞進入S期和復(fù)制DNA[12]。除p53外，大量的癌基因、腫瘤抑制因子、炎癥因子和營養(yǎng)物質(zhì)均可以啟動p21轉(zhuǎn)錄，在有害因素刺激下，p21異常增殖可導(dǎo)致暫時的細胞周期阻滯[13]。p21不僅是細胞周期的抑制劑，也是激活因子，這取決于細胞環(huán)境及p21表達水平。同時p21也被認為是細胞凋亡的調(diào)節(jié)因子，參與自噬[14]。細胞質(zhì)p21可抑制多種胱天蛋白酶(caspase)和凋亡效應(yīng)因子，包括前caspase-3、caspase-8、caspase-10、凋亡信號調(diào)節(jié)激酶1和應(yīng)激活化蛋白激酶[9]。值得注意的是，p21在癌細胞中激活自噬，加速細胞死亡，而在正常細胞中，p21可在外界刺激下誘導(dǎo)細胞凋亡[15]。

2 p21與CVD

CVD主要包括心肌肥厚、心肌纖維化、動脈粥樣硬化、心肌梗死和心力衰竭等，其中心肌肥厚主要指心肌細胞體積的增大，以適應(yīng)外界過高的壓力負荷；心肌纖維化則主要指危險因素刺激下心肌成纖維細胞的過度增殖；動脈粥樣硬化與衰老的血管平滑肌增多有關(guān)；心力衰竭是心肌肥厚、心肌纖維化、動脈粥樣硬化、心肌梗死等的終末發(fā)展階段，主要表現(xiàn)為心肌細胞的衰老和凋亡，表明心肌細胞可通過增殖與形態(tài)的改變，影響相關(guān)基因的表達[16]，進而促進CVD的發(fā)生與發(fā)展。p21是細胞周期的重要調(diào)控因子，近年研究表明，其也可通過抑制細胞死亡過程(包括凋亡、壞死和自噬)的各種機制促進細胞生存，特別是在那些細胞分裂和增殖能力有限的細胞(如心肌細胞和神經(jīng)細胞)作用更明顯，如在心肌細胞中p21是p53應(yīng)對應(yīng)激刺激的重要靶點，調(diào)控與心肌細胞死亡相關(guān)的各種生物學(xué)過程[17-19]。此外，p21的激活直接參與心肌細胞周期的終止[20]。由于p21是一種雙重功能蛋白，它是促凋亡還是抗凋亡取決于其細胞定位。研究發(fā)現(xiàn)，在慢性缺氧、急性缺血、高溫等心臟應(yīng)激條件下，p21細胞質(zhì)定位增加[21]。而在急性和終末期心力衰竭中，p21水平恢復(fù)至人類胎兒心臟模式，顯示p21水平下降而p53水平升高[22]。這些研究表明，p21表達可能在應(yīng)激條件下具有心臟保護作用。針對這一作用的治療可能通過刺激心肌細胞重新進入細胞周期并增殖，取代心臟中受損或丟失的細胞，從而使CVD患者受益。因此，深入研究p21在各類CVD中的表達變化對CVD的防治至關(guān)重要。

2.1p21與心肌肥厚 心肌肥厚是高血壓、缺血性心臟病、瓣膜功能不全等多種CVD的常見并發(fā)癥和獨立危險因素[23]，是一個復(fù)雜的動態(tài)過程。心肌細胞在人類出生后不久便退出細胞周期并最終分化。因此，在成人心臟中，心肌細胞數(shù)量不會增加，而是單個心肌細胞的大小增加。心肌細胞肥大有兩種類型：生理性和病理性。心肌細胞肥大最初發(fā)展為對生理和病理刺激的適應(yīng)性反應(yīng)，但病理性肥大通常會發(fā)展為心力衰竭。多種神經(jīng)體液分子、受體、細胞內(nèi)信號通路相互作用參與心肌肥厚的調(diào)控[23]。Tong等[24]通過研究得出，H9c2細胞和原代心肌細胞經(jīng)血管緊張素Ⅱ(angiotensin，AngⅡ)刺激后細胞面積分別增加2.51倍和3.67倍，并伴有p21信使RNA和蛋白表達的增加；而在H9c2細胞和原代心肌細胞中抑制p21的表達，再給予AngⅡ刺激，發(fā)現(xiàn)兩種細胞的表面積增加倍數(shù)更顯著。以上結(jié)果表明，p21的高表達可以有效抑制AngⅡ誘導(dǎo)的心肌細胞肥大的發(fā)生。Xu等[25]應(yīng)用冬凌草甲素干預(yù)p21靶點，證明了冬凌草甲素可能是一種有前景的抗心肌肥厚的治療藥物，且利用AngⅡ誘導(dǎo)的離體心肌細胞肥大的實驗證實，冬凌草甲素是通過促進p21自噬來發(fā)揮抗心肌肥厚作用，進一步驗證了p21可通過激活自噬減輕壓力過負荷造成的心肌肥厚。此外，有研究表明，骨化三醇抗心肌肥厚的作用也是通過激活p21實現(xiàn)[26]。綜上可知，上調(diào)肥厚型心肌病患者心肌中p21的表達可以達到一定的治療效果，而這可能均依賴于p21對自噬的調(diào)控。

2.2p21與心肌纖維化 纖維化是大多數(shù)心肌病的病理過程，其治療選擇有限。過度纖維化會破壞受損組織的結(jié)構(gòu)完整性，并可能導(dǎo)致瘢痕形成和心臟功能的喪失，最終導(dǎo)致心力衰竭、惡性心律失常和猝死[27]。目前，成纖維細胞過度增殖已被證實是心肌纖維化的主要病理基礎(chǔ)[28]。一方面，衰老細胞在纖維化心肌組織中積累，證實成纖維細胞是經(jīng)歷衰老的主要心肌細胞群體；另一方面，衰老的心肌細胞釋放內(nèi)皮素3、轉(zhuǎn)化生長因子-β2和生長分化因子15等，可促進成肌纖維細胞活化[29]。這表明衰老的成纖維細胞是心肌纖維化的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑。而成纖維細胞的衰老過程依賴于p53/p21途徑，提示p21可能通過激活心肌纖維化相關(guān)基因，調(diào)控心肌重構(gòu)[30]。此外，Zhang等[31]研究發(fā)現(xiàn)，miR-26a與心肌纖維化有關(guān)，其可以顯著抑制心肌纖維化。他們通過AngⅡ誘導(dǎo)纖維化的實驗證實，miR-26a通過組蛋白-賴氨酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶/p21途徑抑制成纖維細胞增殖。miR-26a表達降低會上調(diào)組蛋白-賴氨酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶的表達并下調(diào)p21的表達，從而導(dǎo)致成纖維細胞增殖，誘導(dǎo)心肌纖維化的發(fā)生。因此，上調(diào)心肌纖維化組織中p21的表達可減少成纖維細胞增殖，從而減緩心肌纖維化進展。

2.3p21與動脈粥樣硬化 動脈粥樣硬化在世界范圍內(nèi)發(fā)生率較高，是CVD最常見的病理基礎(chǔ)，其并發(fā)癥導(dǎo)致的死亡率和致殘率均較高；同時，動脈粥樣硬化也是一種在老年人群中流行的與年齡相關(guān)的疾病[32]。病理上，動脈粥樣硬化是一種復(fù)雜的現(xiàn)象，包括初始脂質(zhì)超載、泡沫細胞積累、斑塊(包括纖維帽和富含脂質(zhì)的壞死核心)的形成，而血管平滑肌細胞作為動脈的基質(zhì)細胞和纖維帽的基本組成部分，在動脈粥樣硬化中起重要作用[33]。一方面，有報道稱長鏈非編碼RNA-p21在動脈粥樣硬化動物模型中顯著下調(diào)，提示p21在動脈粥樣硬化中可抑制血管平滑肌細胞增殖，誘導(dǎo)細胞凋亡[34]。另一方面，也有研究表明，在冠狀動脈粥樣硬化病變中發(fā)現(xiàn)了衰老標志物衰老相關(guān)β-半乳糖苷酶的高表達，說明血管平滑肌細胞的衰老可能在血管老化和動脈粥樣硬化發(fā)展中起關(guān)鍵作用[35]，而p21是內(nèi)皮細胞衰老和隨后的動脈粥樣硬化形成的關(guān)鍵信號分子[36]。此外，Bian等[37]研究發(fā)現(xiàn)通過敲低DNA損傷激活的非編碼RNA基因，可導(dǎo)致細胞周期停滯在G0/G1期；且該研究進一步證明，DNA損傷激活的非編碼RNA敲低是通過p53-p21途徑誘導(dǎo)血管平滑肌細胞周期停滯、衰老和凋亡?？梢?，抑制動脈粥樣硬化中p21的表達可延緩動脈粥樣硬化的進程，這與p21在抗心肌肥厚中的作用不同有關(guān)，所以用于治療抗心肌肥厚的p21激動劑類藥物應(yīng)慎用于抗心肌纖維化。

2.4p21與心肌梗死 心肌梗死是指心肌細胞快速死亡同時引發(fā)心功能障礙。研究表明，誘導(dǎo)心臟再生的方法有助于增加心肌梗死后心臟功能恢復(fù)所需的心肌細胞數(shù)量[38]，因此誘導(dǎo)心肌細胞增殖可能是一種很有前景的誘導(dǎo)心臟再生的方法。目前，p21在心肌細胞增殖中的作用已被深入研究，其在心臟再生中主要發(fā)揮抑制作用[39]。研究顯示，骨髓嗜病毒整合位點1、T-box轉(zhuǎn)錄因子20、神經(jīng)元限制性沉默因子等基因可調(diào)控心肌細胞周期，而這種調(diào)控作用均通過轉(zhuǎn)錄控制來調(diào)控p21信使RNA水平實現(xiàn)[40]。另有研究發(fā)現(xiàn)，過表達沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silent information regulator 1，SIRT1)會降低p21的乙?；剑鳶IRT1缺失會增加p21的乙?；?，故得出SIRT1誘導(dǎo)下的p21去乙酰化可以減輕心肌細胞的增殖阻滯，通過SIRT1激活p21去乙酰化和泛素化有助于治療心肌梗死[41]。Wu等[42]實驗得出，低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白6特異性缺失會在心肌梗死后誘導(dǎo)強烈的心肌再生，從而改善心肌梗死引起的左心室收縮功能障礙并減小梗死面積，而低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白6缺失引起的促心肌細胞增殖作用通過調(diào)節(jié)p21信號通路實現(xiàn)。Liu[43]實驗證實p21在急性心肌梗死中表達水平顯著降低，其可能通過激活Wnt/β聯(lián)蛋白信號通路影響急性心肌梗死大鼠心肌細胞的增殖、凋亡和炎癥水平。綜上得出，通過調(diào)節(jié)p21的表達及其結(jié)構(gòu)的變化，可以緩解心肌梗死的發(fā)生發(fā)展。

2.5p21與心力衰竭 心力衰竭是許多CVD的終末發(fā)展階段。心力衰竭發(fā)生的原因包括：①老年人心臟出現(xiàn)心肌細胞凋亡、壞死、心肌細胞反應(yīng)性肥大、纖維化，從而導(dǎo)致心臟功能和收縮儲備大幅下降，最終發(fā)展為心力衰竭[44-45]；②在許多CVD的病理基礎(chǔ)上心功能進一步惡化，最終發(fā)展為心力衰竭，而如何制止基礎(chǔ)CVD發(fā)展為心力衰竭是目前研究的重點。以往研究表明，阿霉素對多種腫瘤有殺傷作用，是一種廣泛使用的抗腫瘤藥物[46]。同時學(xué)者發(fā)現(xiàn)，阿霉素對許多患者也會產(chǎn)生心臟損害，最終導(dǎo)致心力衰竭[47]。Wan等[48]研究發(fā)現(xiàn)，心肌細胞給予阿霉素刺激后miR-499-5p的下調(diào)與阿霉素心臟毒性有關(guān)，并證明p21參與暴露于阿霉素的心肌細胞線粒體分裂和細胞凋亡過程，得出miR-499-5p通過靶向p21防止阿霉素暴露心肌細胞的線粒體分裂和細胞凋亡來有效預(yù)防阿霉素心臟毒性。另外兩種類型的非編碼RNA(長鏈非編碼RNA和環(huán)狀RNA)也參與阿霉素心臟毒性和心肌損傷，其中長鏈非編碼RNA-p21通過調(diào)節(jié)Wnt/β聯(lián)蛋白信號通路參與阿霉素相關(guān)心肌細胞衰老，沉默長鏈非編碼RNA-p21可有效防止阿霉素心臟毒性[49]。此外，Ye等[50]研究發(fā)現(xiàn)使用阿霉素誘導(dǎo)的心力衰竭模型，給予葉酸可以消除阿霉素誘導(dǎo)的細胞衰老信號(p53、p21和p16)的表達，且葉酸可通過下調(diào)p53-p21和p16INK4a的表達減緩心臟衰老并發(fā)揮心臟保護作用?？梢?，下調(diào)心力衰竭中p21的表達，有助于改善心力衰竭。

3 小 結(jié)

p21在心肌肥厚、心肌纖維化、動脈粥樣硬化、心肌梗死以及心力衰竭等CVD中發(fā)揮重要作用。目前對其靶向調(diào)控影響CVD發(fā)生發(fā)展有兩個重要的研究方向：①通過上游通路或直接調(diào)控p21的表達來誘導(dǎo)心肌細胞增殖、自噬、凋亡等的發(fā)生，從而改善相關(guān)CVD；②通過誘導(dǎo)p21結(jié)構(gòu)改變(乙?；?、泛素化等)影響CVD的發(fā)生發(fā)展?？傊瑢21的研究為防治CVD提供了很好的藥物靶向治療思路，目前對p21的研究仍處于初級階段，尚存在很多爭議，需更深入的研究以明確p21在CVD發(fā)生發(fā)展的作用機制。隨著技術(shù)及研究的進一步發(fā)展，未來針對p21的靶向治療將為CVD治療提供新靶點。