蛋白質(zhì)O-連接-N-乙酰葡萄糖胺修飾在心力衰竭中的作用的研究進(jìn)展

張小雪 王汶芳 王占黎

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號：82170296）

作者簡介：張小雪，在讀碩士研究生，研究方向：炎癥與免疫。

通信作者：王占黎，博士研究生，教授，研究方向：感炎、炎癥與免疫。E-mail：wang.zhanli@hotmail.com

【摘要】蛋白質(zhì)O-連接-N-乙酰葡萄糖胺（O-GlcNAc）修飾是細(xì)胞內(nèi)普遍存在的重要蛋白質(zhì)翻譯后修飾，對于細(xì)胞生物學(xué)功能至關(guān)重要。這種翻譯后修飾可影響細(xì)胞的翻譯與轉(zhuǎn)運(yùn)，對維持和促進(jìn)正常細(xì)胞發(fā)揮功能有重要意義。蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾對心臟組織有重要作用，短期內(nèi)增加的蛋白質(zhì)O-GlcNAc對心臟有保護(hù)作用，而長期增加的蛋白質(zhì)O-GlcNAc導(dǎo)致心臟功能障礙。蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾在心血管疾病中的輔助治療作用已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。現(xiàn)就蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾在心力衰竭中的作用的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

【關(guān)鍵詞】O-連接-N-乙酰葡萄糖胺；心力衰竭；心臟保護(hù)

【中圖分類號】R541.6+1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號】2096-2665.2024.08.0.04

DOI：10.3969/j.issn.2096-2665.2024.08.004

心力衰竭（heart failure， HF）是一種心血管疾病，其癥狀和體征由心室充盈或射血功能損傷引起[1]。HF是一種較常見的心內(nèi)科疾病，目前其治療主要依靠藥物、器械及手術(shù)等方式。近年來，許多研究揭示了蛋白質(zhì)O-連接-N-乙酰葡萄糖胺（O-GlcNAc）修飾的功能及其在心臟、心肌細(xì)胞和脈管系統(tǒng)中的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)。在原核生物和真核生物中，近50%的蛋白被糖基化或結(jié)合多種糖基化物質(zhì)。在多種多樣的生物生長發(fā)育過程中，從胚胎發(fā)育、細(xì)胞分裂到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)控，糖基化都發(fā)揮作用。O-GlcNAc修飾是一種高度動(dòng)態(tài)且普遍存在的蛋白質(zhì)翻譯后修飾，廣泛分布在細(xì)胞核及細(xì)胞質(zhì)中，可修飾數(shù)百種蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)的翻譯后修飾對維持和促進(jìn)正常細(xì)胞發(fā)揮功能有重要意義，如果缺失會(huì)導(dǎo)致一系列疾病，甚至死亡[2]。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，許多學(xué)者對蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾在介導(dǎo)心血管疾病中的作用及將其作為治療性靶點(diǎn)的可能性進(jìn)行了研究與分析。本研究重點(diǎn)探討蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾在心力衰竭中的作用的研究進(jìn)展。

1 蛋白質(zhì)O-GlcNAc

細(xì)胞核及細(xì)胞質(zhì)蛋白的糖基化是通過單糖N-乙酰葡糖胺（GlcNAc）的O-連接對絲氨酸或蘇氨酸殘基進(jìn)行快速和動(dòng)態(tài)的修飾，該過程被稱為蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾。蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾的變化是導(dǎo)致機(jī)體代謝紊亂的基礎(chǔ)，其涉及多種病理生理過程，包括癌癥、神經(jīng)退行性疾病及心血管系統(tǒng)疾病等[3]。研究表明，蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾是心肌細(xì)胞炎癥應(yīng)激的重要影響因素，急性升高的O-GlcNAc修飾通過上調(diào)己糖胺生物合成途徑（HBP），從而有效地減輕心肌缺血/再灌注（I/R）的損傷，起到心臟保護(hù)的作用；而隨著時(shí)間的推移，蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾會(huì)逐漸增加，降低心臟收縮力，最終導(dǎo)致心血管功能的障礙[4]。蛋白質(zhì)中O-GlcNAc的添加和去除是通過真核生物中酶的作用進(jìn)行的，這使O-GlcNAc修飾是可逆的，而該可逆性有助于維持細(xì)胞 O-GlcNAc 水平的平衡。目前，已有兩個(gè)基因被證實(shí)為蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾的主要調(diào)節(jié)因子，分別是O-GlcNAc轉(zhuǎn)移酶（OGT）和O-GlcNAc糖苷酶（OGA）。OGT將O-GlcNAc修飾添加到絲氨酸/蘇氨酸殘基，而 OGA是去除O-GlcNAc修飾的酶。

另外，蛋白質(zhì)O-GlcNAc的翻譯后修飾由HBP產(chǎn)生。在HBP的生物合成過程中， 首先通過L-谷氨酰胺-D-果糖-6-磷酸酰胺轉(zhuǎn)移酶（GFAT）將果糖-6-磷酸（Frc-6P）轉(zhuǎn)化為葡糖胺-6-磷酸（GlcN-6P）。然后，經(jīng)過一系列酶促步驟，GlcN-6P被轉(zhuǎn)化為尿苷-二磷酸-N-乙酰葡糖胺（UDP-GlcNAc）。蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾的供體尿苷-二磷酸-N-乙酰葡糖胺（UDP-GlcNAc） 是HBP的產(chǎn)物，其可催化O-GlcNAc添加到絲氨酸/蘇氨酸殘基上，進(jìn)而參與O-GlcNAc的翻譯后修飾。作為糖酵解的一條輔助途徑，HBP通過消耗葡萄糖產(chǎn)生UDP-GlcNAc，調(diào)控高度誘導(dǎo)、動(dòng)態(tài)和可逆的蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾[5]。通過HBP通量的增加可使O-GlcNAc水平升高，升高的O-GlcNAc顯著改善心功能，減少心臟I/R損傷。而隨著時(shí)間的推移，蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾會(huì)逐漸增加，降低心臟收縮力，最終導(dǎo)致心血管功能的障礙[6]。

2 蛋白質(zhì)O-GlcNAc在心臟保護(hù)中的作用

蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾參與心肌細(xì)胞的多項(xiàng)生理病理活動(dòng)，是心血管穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)劑。參與蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾的OGA、OGT也在心臟保護(hù)中發(fā)揮著重要作用。新型OGA抑制劑具有較強(qiáng)的心臟保護(hù)作用，缺血再灌注時(shí)使用OGA抑制劑可增加心臟蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾水平，有效改善心臟功能，并減輕I/R后的組織損傷，發(fā)揮其心臟保護(hù)作用[7]。

通過葡萄糖胺上調(diào)HBP通量或使用己糖胺苷酶A和B抑制劑（PUGNAc）抑制O-GlcNAc相關(guān)酶可升高蛋白質(zhì)O-GlcNAc水平，從而改善心臟功能。而OGT抑制劑四氧嘧啶阻斷了葡萄糖胺對心臟的保護(hù)作用，并下調(diào)O-GlcNAc修飾的水平，這表明葡糖胺對心臟的保護(hù)作用與蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾水平升高相關(guān)[8]。在心臟調(diào)控中，HBP的作用具有兩面性。多種蛋白質(zhì)需要通過O-GlcNAc修飾來活化或抑制，并可防止心肌細(xì)胞肥大或凋亡；然而，持續(xù)上調(diào)HBP可激活絲氨酸/蘇氨酸激酶（mTOR）可減少蛋白質(zhì)O-GlcNAc水平，進(jìn)而導(dǎo)致心臟功能障礙[9]。

低氧習(xí)服（HA）可改善氧化應(yīng)激狀態(tài)，減少I/R心臟的梗死面積。這種心臟保護(hù)作用與蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾的升高結(jié)合，其原因是 HA相關(guān)的炎癥細(xì)胞因子上調(diào)HBP途徑，提供有效的心臟保護(hù)作用。葡萄糖-6-磷酸（G6P）可通過磷酸戊糖通路（PPP）途徑的氧化產(chǎn)生還原型輔酶Ⅱ（NDAPH）。細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡的變化與葡萄糖-6-磷酸脫氫酶 （G6PDH） 活性升高有關(guān)，G6PDH 是 PPP 通路中的限速酶。HA 狀態(tài)下誘導(dǎo) O-GlcNAcylation 激活心臟 G6PDH 并改善氧化還原穩(wěn)態(tài)，從而抵消心肌細(xì)胞的缺氧/復(fù)氧

（H/R）損傷[10]。

遠(yuǎn)端缺血預(yù)適應(yīng)（RIPC）是一些器官在受到短暫、可逆性缺血缺氧刺激后，通過誘導(dǎo)缺血器官以外的其他臟器（如心臟、大腦、肝臟、腎）對隨后發(fā)生的嚴(yán)重或致命的缺血缺氧狀態(tài)產(chǎn)生保護(hù)作用。RIPC機(jī)制涉及心肌蛋白O-GlcNAc修飾，具有心臟保護(hù)作用。RIPC通過增加OGT活性和降低OGA活性來增加O-GlcNAc水平，進(jìn)而發(fā)揮心臟保護(hù)作用[11]。在自發(fā)性2型糖尿病的小鼠中，通過6-重氮-5-氧代-L-正亮氨酸（DON）抑制蛋白質(zhì)O-GlcNAc糖基10增加胰島素誘導(dǎo)Akt磷酸化，并恢復(fù)小鼠H9c2心肌細(xì)胞的心臟保護(hù)作用。然而，肥胖誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)O-GlcNAc水平升高可減弱胰島素對I/R損傷的心臟保護(hù)作用[12]。這些研究結(jié)果表明，心臟中蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾水平的急性增加對心臟具有保護(hù)作用，并且可減輕I/R的損傷。

3 蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾在心力衰竭中的作用

當(dāng)心臟面臨血流動(dòng)力學(xué)負(fù)擔(dān)時(shí)，會(huì)通過增加肌肉質(zhì)量來承受額外負(fù)荷，這種質(zhì)量的增加會(huì)導(dǎo)致心肌細(xì)胞的肥大。慢性心肌肥大是不利于健康的，因?yàn)槠湓黾恿税l(fā)生心力衰竭和過早死亡的風(fēng)險(xiǎn)。腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）主要通過控制GFAT將Frc-6P轉(zhuǎn)化為GlcN-6P來抑制蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾，從而減少如肌鈣蛋白T等蛋白質(zhì)的O-GlcNAc修飾，抑制心肌細(xì)胞肥大[13]。

有研究發(fā)現(xiàn)，2周內(nèi)增加的蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾水平會(huì)導(dǎo)致與HF、代謝和Ca2+調(diào)節(jié)相關(guān)的基因表達(dá)的變化[14]。這些變化在蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾水平升高的24周內(nèi)加劇，導(dǎo)致心臟肥大、心臟纖維化程度增加和心臟舒張功能障礙。這表明短期增加的蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾起初可能是適應(yīng)性改變，但隨著其持續(xù)增加可進(jìn)展為更嚴(yán)重的心臟功能障礙。

HBP的限速酶GFAT1生成UDP-GlcNAc用于蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾。在心臟中的過度表達(dá)會(huì)加重心功能障礙及壓力過載引起的心力衰竭。Tran等[15]研究表明，心肌細(xì)胞特異性的GFAT1缺失可保護(hù)心臟免受壓力超負(fù)荷引起的心臟不良事件。有研究表明，通過減少蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾來抑制OGT可加重心力衰竭，但通過增加蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾來抑制OGA可緩解心力衰竭。但在心血管疾病長期病程中，無論是OGT的缺失還是OGA的缺失最終都會(huì)加重心力衰竭的程度[16]。心力衰竭上調(diào)細(xì)胞周期相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子E2F1的表達(dá)，E2F1可在體外負(fù)調(diào)控OGT和OGA的表達(dá)，其缺失可減少心肌梗死后心室功能障礙[17]。研究發(fā)現(xiàn)，即使在沒有相關(guān)代謝性疾病的情況下，慢性、過度O-GlcNAc修飾足以導(dǎo)致擴(kuò)張型心肌病甚至引起死亡，并且還表明逆轉(zhuǎn)或預(yù)防過度的心肌蛋白O-GlcNAc修飾可能是心肌病和心力衰竭的創(chuàng)新和有效的治療策略[18]。

已有研究證明，對野生型（WT）小鼠和敲除心肌細(xì)胞OGT表達(dá)基因的小鼠進(jìn)行冠狀動(dòng)脈結(jié)扎再灌注，以制作I/R損傷模型，并隨訪4周，與WT小鼠相比，OGT缺失的小鼠心功能障礙明顯加重，這說明心臟中OGT的表達(dá)是必不可少的[19]。這些研究可說明，與蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾相關(guān)的酶可通過一定途徑誘導(dǎo)心臟肥大甚至心力衰竭。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)因子形成基因40（Tisp 40）的表達(dá)、裂解和核積聚會(huì)增加心臟I/R損傷。Tisp 40是I/R誘導(dǎo)的急性心臟損傷、心室重塑和功能障礙的負(fù)調(diào)節(jié)因子，Tisp 40的過表達(dá)足以減輕心臟的I/R損傷。從機(jī)制上來看，Tisp 40是位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的Ⅱ型跨膜蛋白，可在應(yīng)激狀態(tài)下被剪切進(jìn)入細(xì)胞核，在細(xì)胞核中Tisp 40直接與谷氨酰胺-6-磷酸果糖轉(zhuǎn)氨酶（GFPT1）的啟動(dòng)子結(jié)合，增加HBP通量和蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾，從而減輕心臟I/R損傷[20]。由OGT floxed小鼠與aSMA-Cre轉(zhuǎn)基因小鼠雜交產(chǎn)生了一種新的小鼠模型（aSMA OGT KO），這種模型在心肌細(xì)胞與血管平滑肌細(xì)胞中產(chǎn)生了細(xì)胞特異性的OGT敲除。aSMA OGT KO可導(dǎo)致小鼠收縮基因表達(dá)減少，表現(xiàn)出多種心臟和動(dòng)脈異常，可導(dǎo)致心力衰竭及死亡[21]。心臟保護(hù)因子HDAC 4缺乏在患糖尿病的條件下促進(jìn)心力衰竭，而蛋白質(zhì)O-GlcNAc誘導(dǎo)的HDAC 4蛋白的水解能夠保護(hù)糖尿病心臟免于衰竭[22]。綜上所述，蛋白質(zhì)O-GlcNAc參與心臟的多項(xiàng)調(diào)節(jié)，有望成為治療心力衰竭的新靶點(diǎn)。

4 展望

蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)心血管系統(tǒng)的機(jī)制十分復(fù)雜， 對維持心臟功能發(fā)揮十分重要的作用。 短期急性升高的蛋白質(zhì)O-GlcNAc水平對心臟及血管有保護(hù)作用，而慢性長期的增加則會(huì)加重心血管疾病。目前，關(guān)于蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾信號傳導(dǎo)的動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制尚未完全闡明，對于OGT、OGA在心力衰竭中的作用也知之甚少。盡管存在許多疑問，從轉(zhuǎn)化的角度上來看，基于蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾的心力衰竭診斷技術(shù)和靶向治療的開發(fā)研究具有極大的潛力。相信隨著蛋白組學(xué)技術(shù)等研究的不斷深入，蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾在心力衰竭這一領(lǐng)域會(huì)取得更多的突破性進(jìn)展。

參考文獻(xiàn)

[1]HEIDENREICH P A， BOZKURT B， AGUILAR D， et al. 2022 AHA/ACC/HFSA guideline for the management of heart failure： A report of the American college of cardiology/American heart association joint committee on clinical practice guidelines [J]. Circulation， 2022， 145（18）： e895-e1032.

[2]YANG Y R， SONG M， LEE H， et al. O-GlcNAcase is essential for embryonic development and maintenance of genomic stability [J]. Aging Cell， 2012， 11（3）： 439-448.

[3]SINGH J P， ZHANG K， WU J， et al. O-GlcNAc signaling in cancer metabolism and epigenetics[J]. Cancer Lett. 2015，28;356（2 Pt A）：244-50.

[4]NABEEBACCUS A A， VERMA S， ZOCCARATO A， et al. Cardiomyocyte protein O-GlcNAcylation is regulated by GFAT1 not GFAT2 [J]. Biochemical and Biophysical Research Communications， 2021， 583： 121-127.

[5]CHATHAM J C， ZHANG J， WENDE A R. Role of O-Linked N-Acetylglucosamine protein modification in cellular （patho）physiology [J]. Physiological Reviews， 2021， 101（2）： 427-493.

[6]LUNDE I G， ARONSEN J M， KVAL?Y H， et al. Cardiac O-GlcNAc signaling is increased in hypertrophy and heart failure [J]. Physiol Genomics， 2012， 44（2）： 162-172.

[7]LACZY B， MARSH S A， BROCKS C A， et al. Inhibition of O-GlcNAcase in perfused rat hearts by NAG-thiazolines at the time of reperfusion is cardioprotective in an O-GlcNAc-dependent manner [J]. American Journal of Physiology Heart and Circulatory Physiology， 2010， 299（5）： H1715-1727.

[8]LIU J， PANG Y， CHANG T， et al. Increased hexosamine biosynthesis and protein O-GlcNAc levels associated with myocardial protection against calcium paradox and ischemia [J]. Journal of Molecular and Cellular Cardiology， 2006， 40（2）： 303-312.

[9]CAIRNS M， JOSEPH D， ESSOP M F. The dual role of the hexosamine biosynthetic pathway in cardiac physiology and pathophysiology [J]. Frontiers in Endocrinology， 2022， 13： 984342.

[10]OU W， LIANG Y， QIN Y， et al. Hypoxic acclimation improves cardiac redox homeostasis and protects heart against ischemia-reperfusion injury through upregulation of O-GlcNAcylation [J]. Redox Biology， 2021， 43： 101994.

[11]JENSEN R V， ZACHARA N E， NIELSEN P H， et al. Impact of O-GlcNAc on cardioprotection by remote ischaemic preconditioning in non-diabetic and diabetic patients [J]. Cardiovascular Research， 2013， 97（2）： 369-378.

[12]JIN L， GAO F， JIANG T， et al. Hyper-O-GlcNAcylation impairs insulin response against reperfusion-induced myocardial injury and arrhythmias in obesity [J]. Biochemical and Biophysical Research Communications， 2021， 558： 126-133.

[13]GéLINAS R， MAILLEUX F， DONTAINE J， et al. AMPK activation counteracts cardiac hypertrophy by reducing O-GlcNAcylation [J]. Nature Communications， 2018， 9（1）： 374.

[14]HA C M， BAKSHI S， BRAHMA M K， et al. Sustained increases in cardiomyocyte protein O-Linked β-N-Acetylglucosamine levels lead to cardiac hypertrophy and reduced mitochondrial function without systolic contractile impairment [J]. Journal of the American Heart Association， 2023， 12（19）： e029898.

[15]TRAN D H， MAY H I， LI Q， et al. Chronic activation of hexosamine biosynthesis in the heart triggers pathological cardiac remodeling [J]. Nature Communications， 2020， 11（1）： 1771.

[16]DASSANAYAKA S， BRITTIAN K R， LONG B W， et al. Cardiomyocyte Oga haploinsufficiency increases O-GlcNAcylation but hastens ventricular dysfunction following myocardial infarction [J]. PLOS ONE， 2020， 15（11）： e0242250.

[17]DASSANAYAKA S， BRITTIAN K R， JURKOVIC A， et al. E2f1 deletion attenuates infarct-induced ventricular remodeling without affecting O-GlcNAcylation [J]. Basic Research in Cardiology， 2019， 114（4）： 28.

[18]UMAPATHI P， MESUBI O O， BANERJEE P S， et al. Excessive O-GlcNAcylation Causes Heart Failure and Sudden Death [J]. Circulation， 2021， 143（17）： 1687-1703.

[19]WATSON L J， FACUNDO H T， NGOH G A， et al. O-linked β-N-acetylglucosamine transferase is indispensable in the failing heart [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2010， 107（41）： 17797-17802.

[20]ZHANG X， HU C， MA Z G， et al. Tisp40 prevents cardiac ischemia/reperfusion injury through the hexosamine biosynthetic pathway in male mice [J]. Nature Communications， 2023， 14（1）： 3383.

[21]XIONG X， MA H， MA J， et al. αSMA-Cre-mediated Ogt deletion leads to heart failure and vascular smooth muscle cell dysfunction in mice [J]. Biochemical and Biophysical Research Communications， 2022， 625： 31-37.

[22]KRONLAGE M， DEWENTER M， GROSSO J， et al. O-GlcNAcylation of Histone Deacetylase 4 Protects the Diabetic Heart From Failure [J]. Circulation， 2019， 140（7）： 580-594.