泛素-蛋白酶體系統(tǒng)在心臟中的作用*

繆林煜 賴玲

據(jù)WHO 稱，心血管疾病是全世界發(fā)病率和死亡率的主要原因[1]，如慢性心力衰竭，其特征是心臟不能泵出足夠的血液和氧氣來支持各組織及器官的需要。心力衰竭可急性發(fā)病，但更常見于由慢性疾病引起，如慢性高血壓、瓣膜疾病或先天性缺陷引起的血流動力學(xué)負荷過重[2]。隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的進步及對潛在致病機制的認(rèn)識，在發(fā)達國家中心血管疾病的危險因素略有下降，從而降低了發(fā)達國家心血管事件的發(fā)生率，但中低收入國家的發(fā)生率卻穩(wěn)步上升[3]。如此令人沮喪的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和對未來巨大的醫(yī)療投入的估算，促使尋找能減緩疾病進展的新的病理生理機制和治療靶點成為當(dāng)務(wù)之急。而蛋白酶體系統(tǒng)在心臟中的調(diào)控作用可能在心臟疾病中起到干預(yù)和治療的作用。本綜述將總結(jié)有關(guān)心臟生物學(xué)中涉及的特異性E3 連接酶的最新報道，以及蛋白酶體在心臟疾病中調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)控制的基本作用。

1 泛素-蛋白酶體系統(tǒng)的功能

1.1 泛素-蛋白酶體系統(tǒng) 過去的幾十年中，泛素-蛋白酶體系統(tǒng)（ubiquitin-proteasome system，UPS）在蛋白質(zhì)的降解中控制著許多基本的生物學(xué)過程?，F(xiàn)在的研究也表明，在大多數(shù)哺乳動物細胞中，UPS降解約90%的蛋白質(zhì)，其中確保具有內(nèi)在毒性的、錯誤折疊的、氧化或損傷的蛋白質(zhì)被它降解[4]。多達30%新合成的蛋白質(zhì)在合成后幾分鐘內(nèi)就會被蛋白酶體降解[5]。除了在清除受損或錯誤折疊的蛋白方面發(fā)揮作用，UPS 還以高度調(diào)控的方式靶向降解特定的底物。目前泛素蛋白酶體系統(tǒng)在絕大部分細胞中存在重要作用，如在細胞核、細胞質(zhì)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及膜蛋白中，都是由泛素化酶和蛋白酶體參與其合成與降解[6]。除蛋白酶體外，在溶酶體、自噬體中，蛋白質(zhì)降解的其他機制還包括非蛋白酶體細胞內(nèi)蛋白酶裂解。Nemchenko 等[7]對自噬體在心臟生物學(xué)和心臟疾病中的作用做了全面闡述。盡管UPS 主要在細胞和癌癥生物學(xué)背景下進行研究，但越來越多的研究表明，UPS 功能障礙在心臟疾病中發(fā)揮作用。

1.2 心臟特異性蛋白酶體 26S 蛋白酶體包括催化20S 和調(diào)節(jié)19S。19Scap 由6 種atp 酶（Rpt1-6）和12 種非atp 酶（Rpn）亞基組成，提供進入催化核心的途徑。PA28 也被稱為11S，是20S 的非ATP依賴性激活劑。不同的11S 復(fù)合物具有不同的亞細胞定位。催化復(fù)合物在其1、2 和5 個亞基內(nèi)分別含有caspase 樣、胰蛋白酶樣和糜蛋白酶樣肽酶活性。這些催化亞基被可誘導(dǎo)的亞基（稱為1i、2i 和5i）取代，以響應(yīng)免疫刺激。在許多形式的心肌病中，包括缺血-再灌注損傷和糖尿病心肌病，可誘導(dǎo)的亞單位表達顯著增加[8]。

哺乳動物心臟蛋白酶體具有分子異質(zhì)性[9]，如：19S 復(fù)合物內(nèi)Rpn10 的選擇性剪接亞型；其功能調(diào)節(jié)不同于其他組織中的蛋白酶體和酵母細胞，這主要與幾種蛋白酶體的組織特異性表達有關(guān)。Kloss等[10]最近的研究根據(jù)對蛋白酶體抑制劑的易感性，對不同的蛋白酶體亞群進行分類，將大鼠心臟蛋白酶體分為不同的亞型。11S 和PA200 復(fù)合物在與其他器官不同的基礎(chǔ)條件下對心臟不起主要調(diào)節(jié)作用，但在應(yīng)激狀態(tài)下如應(yīng)激性糖尿病起作用[11]。此外，20S 亞單位復(fù)合物的β1i 亞基在心臟中也起重要作用，因為其缺陷加劇了小鼠的缺血-再灌注損傷；β1i 基因敲除導(dǎo)致氧化蛋白的積聚和蛋白酶體活性的降低，提示β1i 可能影響心肌蛋白酶體對氧化應(yīng)激的反應(yīng)。

2 蛋白酶體在心肌重塑中的作用

2.1 心肌重塑 心肌重塑發(fā)生在心肌損傷如壞死、壓力超負荷、容量超負荷或老化后，涉及心腔大小、形狀和功能的改變。心肌肥厚是心肌重塑的常見形式，一般在心力衰竭之前發(fā)生。心肌肥厚被認(rèn)為是心臟的代償性反應(yīng)，通過心肌增厚使心室壁順應(yīng)力恢復(fù)正常[12]。對于心肌肥厚是一種生理性還是一種病理性的過程是一個有爭議的問題。最近的研究表明，心肌肥厚的生理性或病理性肥大是與不同的刺激時間和性質(zhì)相關(guān)[13]。雖然心肌肥厚在短期內(nèi)通過使室壁順應(yīng)力正?；@益，但長期心肌肥厚導(dǎo)致心力衰竭和心血管死亡率風(fēng)險升高。

心肌肥大的特點是心肌細胞增大而不是增殖，因為心肌細胞是終末分化的，這通常歸因于細胞蛋白質(zhì)含量的增加。在心肌肥厚時，蛋白質(zhì)合成和蛋白質(zhì)降解速率均增加。蛋白質(zhì)降解速率增加作為翻譯蛋白質(zhì)的控制機制，以確保任何異常合成的蛋白質(zhì)被降解。

2.2 UPS 在慢性心力衰竭中的作用 考慮到UPS 在心肌肥厚中所起的作用，將UPS 與心肌肥厚聯(lián)系起來的統(tǒng)一模型并不奇怪。在衰竭心臟人體活檢分析下蛋白質(zhì)降解缺陷可導(dǎo)致心力衰竭。然而，盡管大多數(shù)研究一致表明在衰竭的心臟中泛素化蛋白和泛素陽性聚集物的總水平很高，但仍不清楚這是否歸因于蛋白酶體功能受損[14]。也有研究表明在衰竭心臟中蛋白酶體的水平和活性未發(fā)生變化；相反，其他研究表明在衰竭心臟中蛋白酶體活性受損，可能是由于蛋白酶體亞單位氧化修飾的結(jié)果[15]。在壓力超負荷小鼠蛋白酶體活性的長期評估顯示，蛋白酶體活性的降低預(yù)示著心臟功能障礙[16]。反過來，已證實的慢性心力衰竭患者的左心室去負荷導(dǎo)致蛋白酶體活性改善[17]。最近Predmore 等[18]再次強調(diào)了這一點，他們發(fā)現(xiàn)蛋白酶體水解活性在衰竭的人類心臟中顯著減少并可以在左心室去負荷后部分恢復(fù)。

2.3 蛋白酶體抑制在心臟中的作用 蛋白酶體抑制在心臟疾病中的作用一直是人們關(guān)注并感興趣的熱點。Depre 等[19]發(fā)現(xiàn)，用藥理學(xué)抑制蛋白酶體活性可防止心肌肥大，尤其是在承受較高壓力的心內(nèi)膜下層，恢復(fù)并增加犬在慢性壓力超負荷時蛋白酶體的表達和活性。值得注意的是，蛋白酶體抑制劑如環(huán)氧酶素完全抑制了左室肥厚。在另一個起搏誘導(dǎo)心力衰竭的犬模型中，發(fā)現(xiàn)編碼蛋白酶體亞單位、E2 泛素結(jié)合酶和E3 泛素連接酶的基因上調(diào)[20]。此外，Meiners 等[21]證實了低劑量的硼替佐米下調(diào)UPS，從而抑制心肌細胞肥大。然而Stansfield 等[22]和Hedhli 等[23]使用其他蛋白酶體抑制劑的小鼠心肌肥厚消退。蛋白酶體抑制作為一種心臟保護手段的概念已經(jīng)引起了人們的關(guān)注。與上述研究相反，Tang 等[24]最近發(fā)現(xiàn)硼替佐米的慢性蛋白酶體抑制足以誘導(dǎo)左心室肥大，程度與橫向主動脈縮窄相似（TAC：一種誘導(dǎo)肥大的實驗方法）。更重要的是，硼替佐米抑制蛋白酶體使TAC 引起的肥大惡化，并導(dǎo)致小鼠心力衰竭和死亡，支持蛋白質(zhì)降解問題可能導(dǎo)致心肌重塑和慢性心力衰竭進展的假設(shè)[25]。

3 心臟生物學(xué)中涉及的降解途徑

考慮到UPS 系統(tǒng)的復(fù)雜性，可以合理地預(yù)期在未來的幾年中，許多新的信號通路和UPS 功能將在心臟中被發(fā)現(xiàn)。本節(jié)將討論以下已知的心臟E3 泛素連接酶。

3.1 結(jié)構(gòu)蛋白：肌節(jié) UPS 除了對蛋白質(zhì)的控制外，在長壽肌節(jié)蛋白轉(zhuǎn)換中也存在作用。使用蛋白酶體抑制劑和細胞穩(wěn)態(tài)中ATP 含量降低的研究表明，UPS 介導(dǎo)了哺乳動物細胞中肌原纖維的降解，而可溶性肌原纖維包括肌球蛋白、肌動蛋白和肌鈣蛋白，而它們在多種復(fù)合物中的結(jié)合能夠保護它們進入UPS 循環(huán)[26]。在體外培養(yǎng)的心肌細胞中，肌球蛋白重鏈被蛋白酶體降解，心肌肌鈣蛋白I 被肌肉特異性MuRF1 降解，這也降低了心肌收縮性[27]。最近，心臟特異性F-box 蛋白Fbxl22 被證明可促進關(guān)鍵肌節(jié)蛋白的蛋白酶體依賴性降解如α-actinin和flaminC[28]。

3.2 Atrogin Atrogin 也稱為肌肉萎縮因子F-box，是一種肌肉和心臟特異性F-boxE3 泛素連接酶，是心肌重塑的基本調(diào)節(jié)因子。最初顯示在骨骼肌萎縮中具有關(guān)鍵作用，在骨骼肌萎縮和其他分解代謝狀態(tài)中誘導(dǎo)[29]。Atrogin 還可抑制生理性心肌肥大，生理性心肌肥大不依賴于鈣調(diào)節(jié)神經(jīng)磷酸酶，而是依賴于Akt 信號的激活，Akt 信號增加促進心肌肥大的蛋白質(zhì)合成和轉(zhuǎn)錄[30]。Atrogin 通過增強轉(zhuǎn)錄因子FoxO1 和FoxO3a 的活性來抑制生理性心肌肥大，F(xiàn)oxO1 和FoxO3a 是激活肌肉萎縮相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄因子家族成員。Atrogin 介導(dǎo)泛素的K63 連接鏈泛素化到FoxO 轉(zhuǎn)錄因子，而不是典型的K48 連接泛素鏈，后者通常調(diào)節(jié)蛋白降解[31]。Atrogin 如何調(diào)節(jié)這兩種不同類型的泛素化鏈卻有待研究。此外，K63 連接的泛素鏈能刺激FoxO 轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄活性的機制也仍未明確。

關(guān)于Atrogin 的功能，仍有幾個未解之謎。首先，Atrogin 的基因敲除和過表達在心肌重塑和心力衰竭中的作用如何？其次，泛素連接酶如何導(dǎo)致骨骼肌萎縮以及心肌肥大？最后，在心肌肥大過程中，是何種轉(zhuǎn)錄因子激活A(yù)trogin 表達尚不清楚。

4 UPS系統(tǒng)對心臟病的治療干預(yù)

腫瘤細胞對蛋白酶體抑制敏感，使蛋白酶體成為開發(fā)抗癌療法的理想靶點。事實上，正在進行研究的新型蛋白酶體抑制劑硼替佐米是一種高度選擇性、可逆性26S 蛋白酶體抑制劑，已可用于治療多發(fā)性骨髓瘤和套細胞淋巴瘤。其作用于蛋白酶體不同的抑制劑目前也正在研發(fā)中[32]，這篇綜述總結(jié)了蛋白酶體抑制劑在治療心臟疾病中有新的療效。然而，考慮到蛋白酶體功能的抑制和增強都有可能賦予心臟保護作用，在這個相對較新的領(lǐng)域中仍有幾個問題有待解決。如前所述，蛋白酶體抑制程度似乎決定了是否存在心臟保護或心臟毒性。因為UPS參與了細胞的基本過程，特別是在長期治療中，抑制整個途徑共同的酶如蛋白酶體，可能非特異性損害許多過程并產(chǎn)生毒性[33]。

在治療策略涉及使用細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑治療心臟病，是利用其共同的信號通路驅(qū)動癌癥及心肌肥大。最近研究表明，細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑p27 的降解通過介導(dǎo)心肌細胞的病理性肥大，在心臟重塑中發(fā)揮關(guān)鍵作用[34]。眾所周知，p27 的水平是由SCF-SKP2 泛素連接酶控制的，通過增強p27 信號傳導(dǎo)或使用特異性抑制劑抑制其降解來調(diào)控p27 蛋白水平可能對心力衰竭的治療有益[35]。

綜上所述，UPS 在心肌重塑、慢性心力衰竭中發(fā)揮著重要作用，在治療心臟疾病中起著干預(yù)和治療的可能。它還可調(diào)節(jié)細胞的基本功能，包括有絲分裂、DNA 復(fù)制和修復(fù)、細胞分化和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)，這些都在心臟生物學(xué)中發(fā)揮作用。展望未來，有可能在心臟中識別越來越多的UPS 底物及其特異性E2、E3 復(fù)合物。從治療學(xué)的角度來看，在心臟疾病中UPS 不但調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)控制的基本作用，且調(diào)節(jié)UPS使其在目標(biāo)心臟保護的最佳區(qū)域內(nèi)發(fā)揮作用將是至關(guān)重要的。在不久的將來，可以期待開發(fā)出能優(yōu)化調(diào)節(jié)UPS 以實現(xiàn)心臟保護的新型治療藥物，雖然存在著重大挑戰(zhàn)，但心臟病患者很可能因此獲益。