泛素蛋白酶体通路在心血管疾病中作用的研究进展

　　作者：谭春江 综述 杜 建 李玉光 审校 作者单位：福建中医学院,福建 福州 350003

　　【摘要】 泛素蛋白酶体通路(UPS)除了介导细胞内蛋白质的降解外，还在细胞周期、基因转录及表达、信号转导、凋亡、抗原提呈和炎症等方面发挥重要的作用。近年来的研究发现，该通路还在心肌病、心力衰竭、缺血再灌注损伤、动脉粥样硬化、血管的再狭窄等心血管疾病方面，起着重要的病理生理作用。本文就近期UPS在心血管疾病方面的进展进行综述如下。

　　【关键词】 泛素蛋白酶体通路,心血管疾病

　　Abstract： In addition to degradation of most intracellular proteins, the ubiquitinproteasome system (UPS) is involved in mutibiological processes, including cell cycle, gene transcription and expression, intracellular signaling, apoptosis，antigen presenting，cell proliferation and inflammation. Recent studies demonstrate that the UPS is involved in the pathogenesis of cardiomyopathy, heart failure, ischemiareperfusion injury, vascular restenosis and initiation and progression of atherosclerosis and so on. This review briefly summarizes recent studies on UPS and its pathophysiological role in cardiovascular diseases.

　　Key words： Ubiquitin proteasome system; Cardiovascular diseases

　　蛋白质的合成与降解，对维持细胞的功能至关重要。目前认为，真核细胞有3种蛋白质的降解机制：(1)线粒体蛋白酶：降解线粒体中的蛋白质;(2)溶酶体酶：降解胞膜及吞入胞内的蛋白质;(3)泛素蛋白酶体通路(ubiquitinproteasome system，UPS)是ATP依赖性的,非溶酶体蛋白质的降解通路,能选择性地降解细胞质和胞核内短命、变性变构蛋白质。研究发现，细胞内80%～90%的蛋白质是由UPS来降解的，因此，UPS被认为细胞内蛋白质降解的主要通路，对维持细胞及整个生物体的正常功能，起着重要的作用[1，2]。UPS的底物众多，包括细胞周期素、细胞周期素依赖激酶抑制因子、P53、cJun、cFos等。因此，UPS除了介导蛋白降解外，还在细胞周期调控、基因转录及表达、抗原提呈、凋亡和炎症等方面发挥重要作用[3，4]。随着研究的深入，发现UPS与许多心血管疾病有关，本文就近年来UPS在心血管疾病方面的研究综述如下。

　　1 泛素蛋白酶体通路

　　UPS广泛存在于真核生物细胞中, 由泛素(ubiquitin, Ub)、泛素活化酶(ubiquitinactivating enzyme,E1)、泛素耦联酶(ubiquitinconjugating enzymes,E2s)、泛素蛋白连接酶(ubiquitinprotein ligating enzymes,E3s)、26S蛋白酶体(26S proteasome) 以及泛素再循环酶(ubiquitin recycling enzymes)等组成[5，6]。近来在酵母菌中又发现E4，目前认为它能将短泛素链结合起来，以促进长泛素链形成的一种蛋白质[7]。

　　UPS对蛋白质的降解包括两个连续的步骤：(1)在多种蛋白酶的作用下，多个Ub分子与底物蛋白结合，从而标记底物蛋白;(2)标记了的底物蛋白，被26S蛋白酶体识别而降解。在第一步Ub标记底物蛋白的过程中，目前认为至少需要3个接连反应来完成：首先，Ub与E1结合，形成高能硫脂键，使Ub活化;而后通过转脂作用，Ub从E1转移到E2s上;活化的Ub再从E2s转移到E3s，并与底物结合，形成底物E3s复合物，使底物发生Ub化，即多个Ub分之通过异肽键与底物蛋白链接，形成多聚泛素链。最近还有研究表明，Ub也可以直接从E2s转移到底物蛋白上，形成泛素Ub蛋白复合物;还可以底物蛋白首先与E3s结合，然后再与从E2s转移来的Ub结合，形成Ub蛋白复合物;第二步：首先由26S蛋白酶体两端的19S调节亚基识别、结合并展平Ub化的底物蛋白，然后，由26S蛋白酶体的催化核心20S亚基,将蛋白质水解为多肽[8];最后，多聚Ub链在泛素再循环酶的作用下，释放出Ub，以重新利用，从而形成Ub的再循环途径。

　　2 泛素蛋白酶体通路与心血管疾病的研究

　　2.1 心肌病

　　心肌细胞和骨骼肌细胞的萎缩或肥大,主要与蛋白质的合成和/或降解相关。近年在骨骼肌萎缩相关疾病的研究中发现，UPS与骨骼肌的萎缩密切相关。UPS中的E3α家族和E2s的E2 14k mRNA水平表达上调，此外，E3家族中的另外两成员MAFbx/atrogin1和MuRF1表达增加，26S活性明显增强，加强了对蛋白的降解，尤其增加了对肌原纤维蛋白的降解，致使骨骼肌萎缩及收缩功能严重障碍[9，10]。在心肌患者的心肌细胞中，也发现类似的现象，研究提示，UPS很有可能在心肌病中扮演重要的角色。最近，在扩张性心肌病(DCM)的动物模型中发现，泛素羧基末端水解酶(UCH)的mRNA与对照组相比高出5倍之多[11，12];UPS的活性增强; 此外，DCM与缺血性心脏病患者的心肌比较发现， CDM患者心脏中UPS的某些酶或酶体的活性显著高于对照组，DCM心脏的UCH染色呈阳性，且泛素化蛋白比对照组明显增高[13]，而对照组UCH染色呈阴性。这些研究提示，UPS可能在DCM的病理过程中起着重要的作用。

　　在心肌球蛋白结合蛋白C (cMyBP.C)相关性家族性肥厚型心肌病(FHC)中，UPS也起着重要作用。cMyBP.C是心肌肌原纤维蛋白一个重要成分。多数 基因突变移码(frame shift)和C末端截断蛋白缺失主要发生在粗丝连接蛋白(titin)/肌球蛋白结合位点上。目前认为，cMyBP.C是一个无效等位基因(null allele)，可导致肌原纤维蛋白内 cMyBP. C 单倍体机能不全(haploinsufficiency)，然而，其作用机制尚未完全阐明。最近在大鼠心肌细胞中，就FHC患者存在的cMyBP.C 突变点M6t 和M7t进行分析发现，尽管在mRNA水平与野生型相似，而M6t和M7t蛋白表达水平显著降低，应用蛋白酶体抑制剂MG132处理后，cMyBP.C 的表达水平与野生型相似，提示cMyBP.C可被UPS快速降解[14]。表明在FHC的心肌组织中存在缺失突变的cMyBP.C的蛋白，支持单倍体机能不全是疾病的发病机制之一，而UPS对底物cMyBP. C的作用，可能是引起FHC病理变化的机制之一。总之，UPS生物学作用复杂，在各类心肌病的致病机制中的作用还有待进一步阐明。

　　2.2 心力衰竭

　　心肌细胞的不断丢失，可能是导致心力衰竭的原因之一，然而，在分子水平，心力衰竭机理尚未完全阐明。早期的研究表明，心肌细胞的坏死、凋亡，是心肌细胞丢失的主要方式。然而，最近有人用心力衰竭晚期的心肌组织同正常胚胎大鼠心肌组织对比发现：大鼠心肌细胞凋亡是通过激活caspase3途径，即依赖caspase的凋亡为主;而心力衰竭心肌细胞的死亡，并不通过激活caspase3和C9途径，而是类似于神经元细胞的自噬性死亡(autophagic cell death)[15]。进一步的研究发现，心肌细胞的凋亡、坏死及自噬性死亡，在心力衰竭过程中共同起着作用，其中，自噬性死亡的心肌细胞要比凋亡的细胞数量要大得多。在自噬性死亡的心肌细胞中发现，细胞发生变性，胞核超微结构瓦解，自噬泡中含有大量泛素颗粒，胞质和胞核中的泛素/泛素蛋白结合物表达增加，而E1和E2的活性与正常心肌细胞没有明显差别。研究还发现，Ub及E2在mRNA水平表达增高，去泛素酶同工肽酶T(isopeptidaseT, IT)及泛素融合降解系统1(the ubiquitinfusion degradation system1, UFDS1)的活性下调，后者与蛋白酶体活性及其亚基结构的稳定性相关，研究发现，IT和UFDS1活性下调，导致Ub及泛素蛋白结合物大量聚集，也可能最终导致心肌细胞自噬性死亡的原因之一。此外，由于不适当的Ub化，影响整个UPS的正常生理功能，特别是Ub的再循环过程。有研究表明，组织蛋白酶D(cathepsinD)表达的下调，也可能与Ub/泛素结合蛋白聚集增加有关。这些研究提示：蛋白质的高度和/或不适当的Ub化，以及对Ub化蛋白的不适当降解，也可能是导致心肌细胞自噬性死亡的原因之一[16]。目前研究表明，心肌细胞的凋亡、坏死及自噬死亡是心肌细胞丢失的不同途径，共同参与心力衰竭病理生理过程。

　　另一方面，在心力衰竭的病理过程中， UPS的功能可能受到影响。有研究表明，心力衰竭的病理状态下，蛋白酶体20S亚单位α和β mRNA表达下调，泛素化蛋白出现大量聚集。进一步的研究发现，在心肌肥大的心肌细胞中，泛素化蛋白大量聚集，可能是这些变构变性蛋白对20S和/或26S更加耐受，抑制其活性和UPS对蛋白的降解功能[17]。

　　2.3 心肌缺血再灌注损伤

　　减少心肌缺血再灌注损伤对急性心肌梗死的预后具有重要的意义。研究表明，UPS积极的参与再灌注损伤的病理过程之中。首先，UPS在激活核因子κB(NFκB)的过程中，起着重要作用，而NFκB的激活，介导缺血再灌注损伤一系列炎症介质和凋亡基因的表达，研究发现，炎症介质和凋亡基因的表达水平与缺血再灌注损伤的严重程度及病情的预后成正相关[18]。心肌缺血早期，IκB被UPS降解，NFκB激活，诱导促炎因子如脂多糖、肿瘤坏死因子α、补体及细胞因子白介素6(IL6)和白介素1(IL1)的大量表达。使内皮细胞及白细胞相继激活，细胞表面表达多种黏附分子，后者作为受体或配体，介导白细胞与内皮及中性粒细胞与内皮细胞的黏附，浸润缺血的心肌组织，释放自由基等多种细胞毒性物质，导致心肌细胞的损伤。有研究表明，应用蛋白酶体抑制剂后，具有明显的保护作用，能减少心肌梗死面积，心功能指标得到明显改善。此外，热休克蛋白70 C 端反应蛋白(carhoxyl terminus of Hsc70interacting protein，CHIP)是UPS中E3连接酶的成员之一，分子伴侣蛋白如HSP70或HSP90与未折叠的结构区结合，促进蛋白底物与CHIP的泛素化，继而被UPS识别而降解。研究表明，正常情况下，CHIP在心肌中高度表达，敲除该基因的小鼠对缺血再灌注损伤缺乏耐受性，与野生型小鼠相比，表现为心律失常危险性增加，心肌梗死面积增大[19]。提示：UPS中的CHIP具有保护心肌缺血再灌注损伤的作用。

　　2.4 血管再狭窄

　　再狭窄是心血管疾病介入治疗中的一大难题，虽然支架植入术降低了动脉再狭窄的发病率，但术后再狭窄仍是一个突出问题。大量研究支持，再狭窄是一多步骤炎症过程，涉及平滑肌细胞增殖、细胞凋亡、血管重塑以及炎症和新内膜的形成等。最近研究显示，UPS在动脉再狭窄的病理过程中起着重要的作用。有研究表明，细胞增殖相关蛋白，包括cyclins及其依赖激酶抑制因子的降解，有赖于UPS途径[20]。其中， IκB磷酸化后，被UPS降解，使NFκB激活，后者进而调控多种炎症基因的表达，促进血管新内膜的形成、平滑肌细胞增殖及血管重塑[21]。最近有研究发现，抑制蛋白酶体26S的活性，可以减少血管平滑肌细胞增殖，诱导凋亡，能有效改善再狭窄[22,23]。体外实验中发现，抑制蛋白酶体26S的活性，减少对凋亡相关因子p53、cmyc及bcl2的降解，能有效地抑制平滑肌细胞的增殖，诱导细胞合成型(synthetic phenotype)的表达,促进凋亡 [24]。Meiners及同事，在大鼠颈动脉球囊损伤模型的实验中发现，局部应用蛋白酶体26S抑制剂，能正面诱导细胞凋亡和抗细胞增殖的作用，抑制损伤后血管内皮的增生。这些研究提示，UPS可能是防治再狭窄的重要靶点之一。

　　2.5 动脉粥样硬化

　　目前认为动脉粥样硬化(AS)是一种慢性炎症性病理过程。根据损伤性反应学说，AS是在血脂异常症、高血压、吸烟、糖尿病及人口的老龄化等多种危险因素损伤性作用下，做出的炎症反应[25]。这些损伤性刺激，在内源性氧化应激作用下而加剧，导致脂质、蛋白质及DNA的氧化修饰，引起血管壁的功能和结构的改变[26,27]。其中NFκB在AS的炎症增殖过程中起关键作用[28,29]，而NFκB激活有赖于UPS对IκB家族的Ub化，随后被26S降解，NFκB游离出来，进而介导AS等多种病理过程。在AS早期病变即脂纹期，猪的冠状动脉壁中发现泛素化蛋白大量聚集，而26S/20S的活性却不受影响[30,31]，最近，笔者用高胆固醇诱导AS兔模型中发现，在主动脉壁有大量泛素化蛋白聚集，蛋白酶体20S活性明显增强，而26S的活性几乎不受影响[32]，其中的机制有待进一步研究。

　　在AS进展期，主要表现为增殖的细胞吸附到损伤部位和纤维斑块的形成。体外研究发现，血管平滑肌细胞(SMC)从收缩型(contractile type)向增殖型(proliferative type)转变过程中，UPS起着重要的作用，应用蛋白酶体抑制剂处理的SMC，细胞的增殖及凋亡出现剂量依赖性抑制，NFκB表达下调而p53和p21表达上调[28]。这些研究表明UPS在调节NFκB/p53表达以及细胞增殖方面起着重要的作用。在AS人冠状动脉粥样斑块处发现，Ub和/或Ub链接物表达上调，主要在新内膜基底部，蛋白酶体26S/20S的活性增强，加强了对胶原蛋白及肌原纤维蛋白的降解，导致斑块不稳定性增强，心血管事件的发生概率增加[33,34];在剥落动脉内皮的动物实验中发现，局部运用蛋白酶体抑制剂(MG132)5 min，能减少新内膜生成的75%，损伤处巨噬细胞浸润及SMC增殖均减少，血管内皮素1表达下调，血管的重塑减轻，细胞凋亡增加[32]，研究提示，UPS还可能在NFκB和内皮素系统中起桥梁的作用。

　　UPS还可能参与泡膜细胞的形成。研究发现，聚集的低密度脂蛋白(agLDL)能诱导人单核细胞E225K及泛素化蛋白的表达，UPS对agLDL的降解增加，促进细胞凋亡 [34]。总之， UPS与AS的起始，进展和并发症形成的病理过程均具有密切的关系。

　　UPS除了主要降解细胞内被损伤的蛋白之外，还参与炎症、增殖及凋亡等许多生物学过程。目前发现，UPS在多种心血管疾病中起着重要的作用，诸如CDM、心力衰竭、血管再狭窄以及AS等。随着研究不断深入，将会更多地揭示UPS在心血管疾病在生理与病理生理方面的意义。

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