膜转运蛋白三磷酸腺苷结合盒转运体A1的表达调控与信号传导

刘芳 王伟 严晓伟

.综述.

膜转运蛋白三磷酸腺苷结合盒转运体A1的表达调控与信号传导

刘芳 王伟 严晓伟

冠状动脉疾病； 脂代谢障碍； 三磷酸腺苷结合盒转运体A1

动脉硬化性心血管疾病（atherosclerotic cardiovascular disease，CVD)是最常见的死亡原因。高密度脂蛋白（High density lipoprotein，HDL)主要通过转运动脉巨噬细胞多余的胆固醇到肝脏代谢来预防CVD。这个途径的第1步称为胆固醇逆转运，由整合膜蛋白——三磷酸腺苷结合盒转运体A1（ATP-binding cassette transporter A1，ABCA1)介导。ABCA1转运细胞的胆固醇和磷脂到乏脂载脂蛋白（apolipoprotein A-Ⅰ，ApoA-Ⅰ)和其他载脂蛋白，为细胞卸载多余胆固醇提供有效途径。ABCA1的功能可以在转录和转录后水平上调节。此外，ABCA1介导的脂质外流和抗炎反应均涉及了ApoA-Ⅰ和ABCA1相互作用后的信号级联放大效应［1］。本文总结了目前已知的信号传导途径调节ABCA1功能的分子机制，以及它们潜在的治疗靶点。

1 ABCA1介导的胆固醇外流的机制

ABCA1主要功能之一是转运细胞的胆固醇和磷脂到乏脂ApoA-Ⅰ产生HDL颗粒，并提供卸载细胞胆固醇的有效途径。一些研究提示了以下ABCA1依赖的脂质外流的模型。即使缺乏载脂蛋白，在细胞的胆固醇负荷诱导下ABCA1也可以构成囊状的膜区域，适合与载脂蛋白相互作用。载脂蛋白和ABCA1直接地通过低结合力位点相互作用后激活了几条信号途径，例如JAK2途径，它可以反过来增加载脂蛋白与ABCA1和高结合力位点（high capacity binding sites，HCBS)的结合［2］。这些相互作用促进ApoA-Ⅰ接触到突出的脂质区域，促进脂质溶解并从细胞中释放。另外有研究显示，ABCA1表达增加了细胞表面胆固醇对胆固醇氧化酶反应的敏感性，减少了浆膜的脂阀含量［3］。电子显微镜和晶体X线衍射分析提示，ABCA1两个左右对称的跨膜部分构成“半圆筒”样腔室，在细胞膜胞浆侧的内口展开，发现作用底物并结合它们进入腔室，再翻转它们到膜的外半部突起部分［4］。核苷酸结合域（nuclear binding domain，NBD)的变异阻止了以上区域的形成，表明NBDs涉及一系列ABC蛋白的结构改变。

使用化学抑制剂使ABCA1变性的研究提示，ApoA-Ⅰ和ABCA1结合对于ABCA1介导的脂质外流是必须的。有两个明显不同的位点结合ApoA-Ⅰ，一个相对低结合力的直接ABCA1结合位点；一个与ABCA1无关的HCBS。化学交联研究提示，ABCA1和ApoA-Ⅰ是非常靠近的（＜7Å)，提供了ApoA-Ⅰ和ABCA1直接结合的证据。尽管HCBS和直接结合位点不同且与ABCA1无关，但直接结合位点和HCBS是紧密联系的［5］。增加ApoA-Ⅰ和ABCA1的结合可促进ApoA-Ⅰ和HCBS的结合，而且抑制ApoA-Ⅰ和ABCA1也抑制了ApoA-Ⅰ结合到HCBS。可能ApoA-Ⅰ快速短暂地结合到ABCA1激活了信号途径，比如JAK2通路，使ApoA-Ⅰ和HCBS发生相对次要的相互作用。

ABCA1诱导脂质外流到HDL多种载脂蛋白上，包括ApoA-Ⅰ、A-Ⅱ、E、C-Ⅰ、C-Ⅲ和A-Ⅳ。这些载脂蛋白由11～22个聚体氨基酸串联重复，呈两性双α-螺旋结构。人工合成的18氨基酸肽是HDL载脂蛋白中两性双α-螺旋的类似物，能模拟ApoA-Ⅰ通过ABCA1途径转运胆固醇和磷脂。所以，两性双α-螺旋是转运脂质的主要结构序列［6］。两性双α-螺旋的广泛特异性提示，除了载脂蛋白，其他包括该结构序列的蛋白质都能通过ABCA1途径转运细胞内脂质。两性双螺旋的磷脂转运蛋白（phospholipid transfer protein，PLTP)能与ABCA1相互作用，并转运细胞胆固醇和磷脂。由于它的脂质结合力弱，PLTP趋向转运脂质到HDL，而不是产生新的脂蛋白颗粒［7］。

2 ABCA1的抗炎活性

ABCA1也有抗炎作用，这表现为另一个预防CVD的机制［8］。有ABCA1功能障碍和家族性HDL缺乏的患者趋向有慢性轻度的炎症。所有组织或选择性巨噬细胞ABCA1敲除鼠对脂多糖类（lipopolysaccharides，LPS)炎症刺激物反应增高［9］，提示巨噬细胞ABCA1有抗炎功能。而且，选择性白细胞ABCA1敲除的低密度脂蛋白-/-鼠外周血白细胞计数升高，并且肝脏和脾脏的巨噬细胞浸润增加。

相关研究提示，ABCA1的抗炎能力相对于它调节膜脂阀胆固醇含量的能力是次要的。巨噬细胞ABCA1敲除鼠增加了脂阀的胆固醇含量，并通过胆固醇受体——Toll样受体（Toll-like receptor 4，TLR4)增强了LPS的信号通路，增加了炎症细胞因子［10］。将人单核细胞和ApoA-Ⅰ共培养可以削弱炎症刺激物激活CD11b的能力，并且这个影响在敲除ABCA1的细胞中消失。ApoA-Ⅰ也可以激活脂阀相关的金属蛋白酶ADAM1，它促使前炎症细胞因子肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor α，TNFα)和它的受体蛋白水解脱落。以上这些反应都依赖浆膜脂阀的胆固醇含量。

研究表明，ApoA-Ⅰ或它的模拟肽结合ABCA1激活转录因子STAT3。众所周知，巨噬细胞中STAT3通路具有抗炎功能。事实上，特异性激活STAT3对阻断巨噬细胞大多数活化的炎症细胞因子是必要的。ApoA-Ⅰ或它的模拟肽和表达ABCA1的巨噬细胞相互作用激活JAK2/STAT3通路，并且显著地抑制这些细胞因子的表达。此外，ABCA1的抗炎特性可能成为其他炎症疾病的治疗靶点，包括巨噬细胞浸润和炎症，如炎症性肠病和风湿性关节炎。

3 传导通路与ABCA1功能

3.1 cAMP/蛋白激酶A（protein kinase A，PKA)信号通路调节ABCA1介导的脂质外流

cAMP/PKA通路对ABCA1磷酸化起了重要作用，并调节细胞ApoA-Ⅰ依赖的脂质外流。位于ABCA1的NBD区丝氨酸2054（S2054)变异减少了ABCA1磷酸化和ApoA-Ⅰ介导的脂质外流，表明cAMP/PKA信号通路使ABCA1磷酸化，并且S2054对PKA磷酸化和ABCA1介导外流起关键作用。通过增加cAMP和激活PKA信号通路，表达ABCA1的细胞和ApoA-Ⅰ短时间共同孵育，可浓度和时间依赖性地增加ABCA1磷酸化，同时未影响ABCA1表达水平。特别是与Tangier疾病相关的ABCA1的C1447R天然变异，大大减少了ApoA-Ⅰ介导的cAMP产生，ABCA1磷酸化和ApoA-Ⅰ介导的脂质外流，提示通过ApoA-Ⅰ激活cAMP/PKA信号通路需要ApoA-Ⅰ和ABCA1直接相互作用［11］。ApoA-Ⅰ结合与G蛋白偶联的ABCA1，激活腺苷酸环化酶，诱导cAMP生成，激活PKA后磷酸化ABCA1，通过ABCA1使ApoA-Ⅰ接受脂质。

3.2 JAK2/STAT3信号通路调节ABCA1功能

载脂蛋白/ABCA1相互作用激活最具特征的信号分子JAK2，它是一种非受体酪氨酸激酶，可以被一半以上细胞因子/生血素超家族受体激活。JAK2活化是大多数这些受体下游信号的起始步骤。JAK特异性的抑制剂显著地减少了ApoA-Ⅰ介导的脂质转运和抑制ApoA-Ⅰ结合到ABCA1，且JAK2突变的细胞脂质外流严重受损［12］。ABCA1变异导致JAK2功能不同程度损害，表明载脂蛋白刺激JAK2磷酸化并转运脂质与载脂蛋白结合ABCA1是高度相关的，提示要使转运脂质所需的ApoA-Ⅰ与ABCA1最佳结合必须需要JAK2的活化。

即使ApoA-Ⅰ和表达ABCA1的细胞短时间相互作用也可以刺激JAK2的自磷酸化，产生活化的JAK2，使靶蛋白磷酸化。JAK2的磷酸化激活下游转录因子STATs，它可以调节广泛的细胞通路途径。ApoA-Ⅰ和ABCA1相互作用增加了磷酸化并激活STAT3。然而，敲除STAT3对ABCA1介导的胆固醇外流无影响。在巨噬细胞中激活STAT3有抗炎功能。用ApoA-Ⅰ预处理表达ABCA1的巨噬细胞可以抑制LPS诱导的炎性细胞因子TNF-a、白细胞介素（interleukin，IL)-1和IL-6的产生。通过siRNA敲低STAT3，骨髓特异性的STAT3敲除鼠或者抑制STAT3磷酸化都削弱了ApoA-Ⅰ的作用，表明STAT3在ApoA-Ⅰ和ABCA1的相互作用中发挥抗炎作用［1］。ABCA1敲除鼠的巨噬细胞ApoA-Ⅰ失去了它的抗炎活性，提示ApoA-Ⅰ的抗炎作用需要ABCA1。巨噬细胞中沉默STAT3不能完全阻止ApoA-Ⅰ抑制LPS诱导细胞因子的能力，提示ApoA-Ⅰ/ABCA1相互作用抗炎不是完全依赖STAT3的。值得关注的是，JAK2/STAT3信号途径也能被人工合成的ApoA-Ⅰ模拟肽激活［13］，其中的一个肽5A，显示可以减轻动脉硬化，并较其他肽有更小的不良反应，激活JAK/STAT3通路更特异。

3.3 Rho家族G蛋白CDC42调节ABCA1介导的胆固醇外流

ApoA-Ⅰ和细胞共孵育显著刺激Rho家族G蛋白［14］。通过使用不同的方法，包括抑制剂和激活剂、细菌毒素和显性失活突变，显示CDC42的激活调节ApoA-Ⅰ介导的脂质外流。很明显，ABCA1和CDC42是相关的。ApoA-Ⅰ也刺激Rho家族G蛋白，但是选择性地抑制Rac1对ApoA-Ⅰ介导胆固醇外流无影响。由于含囊泡的ABCA1往返于反面高尔基网和浆膜之间，CDC42可能涉及了胆固醇在高尔基反面网络结构和浆膜之间的转运，提出ApoA-Ⅰ诱导了CDC42的活化，增强了囊泡的运输，因此提高了ABCA1诱导的胆固醇外流［15］。ApoA-Ⅰ/CDC42的下游信号靶点之一是应激酶c-Jun N末端激酶（Jun N-terminal kinase，JNK)，抑制JNK减少了ApoA-Ⅰ诱导的胆固醇外流。CDC42能与ABCA1直接结合并相互作用。然而，ApoA-Ⅰ如何激活CDC42和激酶的特性还不清楚。是否Rho家族G蛋白的激活需要ApoA-Ⅰ和ABCA1的直接作用也不清楚［16］。

3.4 信号通路与ABCA1降解

ABCA1蛋白更新很快，鼠巨噬细胞和分化的人急性单核白血病细胞中ABCA1的半衰期小于1 h。钙蛋白酶抑制剂显著减低ABCA1更新的速率，提示钙蛋白酶介导了ABCA1蛋白的降解。研究显示，通过蛋白水解调节蛋白降解的PEST序列缺失可减少ABCA1的降解率［17］。另一研究发现，蛋白激酶Ca（PKCa)在不明位点增加ABCA1磷酸化，使ApoA-Ⅰ稳定ABCA1蛋白［18］。进一步提出，ApoA-Ⅰ转运细胞游离胆固醇和磷酸卵磷脂，产生二酰基甘油（diacyl glycerol，DAG)，DAG激活PKCa，导致ABCA1磷酸化。这个模型提示，ApoA-Ⅰ介导磷酸卵磷脂-磷脂酶C（PC-PLC)释放产生的DAG，是PKC的关键激活剂，而ABCA1的磷酸化和避免被蛋白酶水解都需要PKC。如果能证明ApoA-Ⅰ通过PKC通路诱导ABCA1位点的磷酸化和激酶/磷酸酶在ABCA1的PEST序列去磷酸化，将使我们更容易理解ApoA-Ⅰ是如何触发信号通路稳定ABCA1的。

4 ABCA1作为治疗靶点

目前对冠心病的治疗方法集中在降低低密度脂蛋白胆固醇，但是大多数有效降低胆固醇的药物只减少了三分之一的心血管事件。由于这个疾病带来巨大的负担，HDL途径变成了研制药物的新靶点。普遍认为HDL水平和CVD之间呈负相关，升高HDL水平可以保护心血管。然而，最近使用胆固醇酯转移蛋白抑制剂提高HDL的临床试验意外地增加了心血管并发症。所以，通过表达ApoA-Ⅰ或ABCA1，或者增加HDL功能，例如HDL诱导外流能力而不是升高HDL本身，可能是重要的治疗靶标［19］。因此，ABCA1为药物研发带来新的治疗靶点，即清除动脉巨噬细胞的胆固醇，防止CVD的发生。研究显示，给予致动脉硬化的动物重组HDL，乏脂ApoA-Ⅰ或载脂蛋白模拟肽可以减少动脉硬化［20］。此外，以ABCA1受体样蛋白激动剂为靶点较转录激动剂有一定优势，因为它们能稳定表达ABCA1蛋白和刺激它的胆固醇转运和产生抗炎活性［21］。

5 结论和展望

人类遗传学和小鼠模型研究显示ABCA1是有心脏保护作用的。ABCA1能与载脂蛋白相互作用发挥它的受体特性并激活多条信号通路，从而调节它的胆固醇外流能力和发挥抗炎作用。尽管从1999年发现ABCA1开始，我们获取了大量关于ABCA1功能的知识，但对ABCA1信号途径远远未完全了解。需要另外的研究来鉴定ABCA1途径的分子构成，阐明ABCA1表达和激活调节的不同过程，并决定ABCA1在预防人类疾病的作用，为ABCA1在人类健康或疾病中的作用提供更多的观察和揭示潜在新颖的治疗策略。

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Coronary artery disease； Lipid metabolism disorders； ATP-binding cassette transporter A1

Regulation of ATP-binding cassette transporter A1 expression and signal transduction

Liu Fang，Wang Wei，Yan Xiaowei.
Department of Cardiology，Peking Union Medical College Hospital，Peking Union Medical College，Chinese Academy of Medical Science，Beijing 100730，China

Yan Xiaowei，Email:xswy-pumc@ 163.com

2013-12-25)

（本文编辑:谭潇)

10.3969/j.issn.1007-5410.2014.05.016

100730中国医学科学院北京协和医学院北京协和医院心内科

严晓伟，电子信箱:xswy-pumc@163.com