蛋白质二硫键异构酶在心血管疾病中作用机制的研究进展

盛梦婷，黄子芮，潘黎明，李俊明

综述

蛋白质二硫键异构酶在心血管疾病中作用机制的研究进展

盛梦婷1，黄子芮1，潘黎明1，李俊明2△

蛋白质二硫键异构酶是一种主要存在于内质网中的巯基-二硫键氧化还原酶。已经证实其具有催化二硫键形成及重排、调节蛋白质的折叠等多种生物学功能，现发现该蛋白也可作为一个潜在的心血管疾病生物学标志物，在急性心肌梗死中可以减少梗死面积和凋亡心肌细胞数目；在糖尿病心肌病中，能降低心肌易损性；在高血压和血栓形成过程中也担任着一个重要的角色。因此，本文主要针对蛋白质二硫键异构酶在心血管疾病发生发展中的机制研究进展予以综述。

蛋白质二硫化物异构酶；心肌梗死；糖尿病并发症；心肌疾病；高血压；血栓形成；综述

蛋白质二硫键异构酶（protein disulfide isomerase，PDI）是一种主要存在于内质网腔内的关键的代谢性蛋白质，它既有氧化还原酶活性又可作为分子伴侣，在蛋白质二硫键的形成、还原和异构中起关键作用；同时也是未折叠蛋白质反应（unfolded protein response，UPR）的重要组成成员，在氧化应激中发挥重要作用，调控细胞凋亡的过程。心脏作为对氧化损伤最敏感的脏器之一，对蛋白质巯基的氧化还原过程精密的控制是保证其正常和完整的细胞功能所必需的。研究表明，不可逆的氧化性修饰在心血管疾病中发挥着重要作用，而PDI作为内质网中关键的氧化还原酶，在促进心肌细胞生存和更有利的心脏重塑方面起着至关重要的作用［1］。

1 PDI结构及其功能

早在1963年，Goldberger等［2］及Venetianer等［3］2组人员几乎同时发现鸽子和鸡胰腺的提取物能够刺激还原性核糖核苷酸的再氧化，不久后Anfinsen等［4］将提取物纯化并发现纯化后的酶具有促进巯基-二硫键互换反应的功能，此酶在1975年被正式命名为PDI。人类的PDI蛋白由491个氨基酸组成，目前公认含4个类硫氧还蛋白结构域（a，a'，b'，b）、1个强酸性羧基末端伸展域（c）和链接子（x），排列成abb'xa' c模式：4个类硫氧还蛋白结构域组成一个扭曲的“U”形，“U”形底部由不含催化中心但能与底物结合的b和b'结构域组成，其中b结构域连接a和a'2个活性区域，b'是主要的肽结合位点，它含有1个疏水结构区，能与蛋白质折叠中间体直接结合，也是PDI发挥分子伴侣活性的重要结构。“U”形两侧壁由含催化中心的a及a'结构域构成，各含1个硫氧还蛋白活性位点（CGHC，Cys-GLY-His-Cy）［5］。b'和a'通过x链接子连接，后者是由19个氨基酸组成的域间链路，能够

提高PDI与底物结合的灵敏度。另外一个关键性的结构是c端，它影响钙离子的结合并且包含内质网滞留序列，能让PDI滞留在内质网中更好地发挥作用［6］。

PDI家族的功能多样性取决于其代谢底物状态以及氧化还原环境，更重要的是由特征性硫氧还蛋白结构域的状态所决定：当PDI的2个活性位点均为氧化状态时，两者之间的空间距离增大，能更好地暴露b'的疏水结构，使其更容易与底物结合［7］。氧化状态的PDI能与还原状态或者未折叠的多肽结合，使底物形成二硫键，而还原态的PDI则与氧化状态的底物相互作用，表现出还原酶或者异构酶的功能。PDI的氧化还原状态同样能影响其作为分子伴侣的功能，具体表现为a'结构域能与b结构域以及x链接子紧密结合，形成一个紧凑的结构单位，当a'结构域被氧化时能够释放这个紧密的结构单位，进而暴露b'结合位点，表现出更高的分子伴侣活性［8］。

PDI的主要作用是促进蛋白质的正确折叠，通过其分子伴侣作用，促进二硫键形成及错误折叠的二硫键的重排。当PDI将二硫键传递给底物后，它自己被还原并且转换为一种关闭状态，使被氧化的底物能更好地释放。错误折叠蛋白质的积累能引发内质网应激（endoplasmic reticulum stress，ERS），ERS是细胞在应激条件下启动的自我保护反应机制，能促进内质网对未折叠或错误折叠蛋白质的处理，从而有利于内环境稳态的恢复和细胞的存活，但长期氧化应激会引起细胞凋亡。应激条件下，PDI对蛋白质的正确折叠和对错误折叠蛋白质的处理是维持细胞内环境稳态所必需的，是UPR的重要组成部分，也是评估UPR的重要指标之一［9］。已有研究证实，当ERS被触发时，UPR激活，PDI的表达会上调，并且PDI也参与了错误折叠蛋白质引起的细胞凋亡过程［10］，另外，年老的小鼠肝脏内的PDI发生氧化羟基化修饰，活性明显下降，导致其介导的协助蛋白质折叠等功能减弱，最终可导致内质网内错误折叠蛋白质的蓄积，引起ERS［11］。

2 PDI与心血管疾病

心血管疾病是严重威胁人类健康的重要危险因素，随着环境污染的日益严重，人们生活方式和饮食结构的改变以及人口老龄化的加剧，心血管疾病的防控形势更加严峻［12］。据统计，全球每年大约有1 700多万人死于心血管疾病，而在我国这一数据为300万，占总死亡原因的41%［13］。PDI作为一种帮助蛋白质正确折叠的关键性蛋白质，在心血管疾病的发生发展中起着不可或缺的作用。

2.1 PDI与急性心肌梗死急性心肌梗死（acute myocardial infarction，AMI）主要是由于冠状动脉的完全或不完全阻塞，导致心肌的长时间缺血而引起心肌细胞凋亡。因为AMI时心肌会出现缺血、缺氧或再灌注损伤等，这些因素可以诱发ERS，长时间的ERS导致细胞凋亡。有研究发现在梗死周边心肌细胞中，PDI在梗死后的第1天即可出现表达升高，这种快速的PDI上调现象是机体对缺氧损伤的保护性应答，即维持新生蛋白质的正确折叠以及纠正错误折叠；过表达PDI能减少心肌细胞的凋亡情况，减小心肌的梗死面积，改善心功能；当PDI的2个活性位点发生点突变导致其氧化性丧失时，心肌细胞的凋亡增加［14-15］。在梗死周边区域的毛细血管中也发现PDI的表达上升，这有利于缺氧后的血管生成。如果使内皮细胞中的PDI沉默，细胞凋亡会增加并且减弱了缺氧条件下细胞的迁移、黏附和血管生成应答过程。因此，PDI在缺氧区域的血管生成过程中也起着重要的调控作用，尽管其具体机制尚未明确［16］。

2.2 PDI与高血压高血压不仅是最常见的慢性疾病，同时也是心血管疾病最主要的危险因素之一，是其高发病率和高死亡率的主要病因。高血压的发病机制复杂且尚未完全清楚，但已发现氧化应激在其中起着重要作用。在高血压动物模型和患者体内均可发现活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）的蓄积，可能会导致左心室肥大、冠状动脉疾病、肾脏损伤、内皮功能障碍和肺血管重构等并发症的发生［17］。

当机体内ROS蓄积，会触发氧化应激的发生，导致血管损伤和炎症反应，致使血管阻力增加，最终引起血管重构和高血压的发生。而血管损伤同样会导致血栓形成和血管炎症［18］。血管紧张素（Ang）Ⅱ是肾素-血管紧张素系统（renin angiotensin system，RAS）中最重要的效应因子，不仅能升高血压、影响水电解质平衡，同时在高血压并发症如左心室重构、内皮功能损伤和血管炎症反应及心肾纤维化中起到重要的作用。Fernandes等［19］发现上调兔主动脉平滑肌细胞中PDI的表达能激活还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotin⁃amide adenine dinucleotide phosphate oxidase，NADPH）氧化酶（NOX），进而促进ROS的生成和AngⅡ的应答。通过进一步研究发现，在高血压的发生发展过程中，PDI的表达上调主要发生在阻力动脉而非传导动脉中，并且伴随着NOX1的升高；NOX1进一步刺激ROS的生成和AngⅡ的应答，进而激活丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）、酪氨酸激酶和转录因子并调节细胞内游离钙离子的浓度，参与ECM和炎症因子的增长、迁移和沉积，最终导致血压升高和血管炎症及硬化［20-21］。

3 PDI与糖尿病心肌病

糖尿病心肌病（diabetic cardiomyopathy，DCM）是指排除先天性心脏病、高血压、动脉粥样硬化性心脏病及其他已知的心脏疾病的一种独立的疾病状态，以心肌肥大、心脏舒张功能减退、心肌间质纤维化、心肌细胞凋亡为特征，早期多表现为舒张功能下降，约27%～70%的无症状糖尿病患者表现出某种形式的舒张功能异常，随着疾病的发展，逐渐出现心肌收缩障碍甚至心力衰竭［22］。其发病机制中，长期高血糖可以通过内皮素（ET）-1介导的ROS、白细胞介素（IL）-6、瘦素等因子诱导心肌细胞肥大；胰岛素抵抗则可以引起心室重构和功能障碍；高脂高糖环境下也会出现血管重塑和纤维化［23］。

线粒体功能异常和内质网氧化应激在DCM的发病过程中起着重要的作用［24］。Koentqes等［25］研究发现，糖尿病患者心肌中线粒体氧化磷酸化作用减弱和功能异常，而氧化应激可以引起线粒体损伤，使ROS增加，出现ROS介导的细胞凋亡。ERS在糖尿病心肌病早期的发生中起重要作用，可引发高血糖、游离脂肪酸蓄积和炎症，引起机体代谢紊乱和细胞凋亡，从而促进糖尿病心肌病的发生发展，而PDI在UPR中

的关键作用也使得PDI在糖尿病心肌病的进程中发挥着重要的调节作用［26］。另外，许多因素如慢性炎症、氧化应激、过度的高血糖、ERS等能导致胰岛β细胞的损伤，其中ERS在胰岛素抵抗发生过程中的作用越来越受到重视。已有研究发现，内质网环境的紊乱能严重影响胰岛素的功能以及机体正常血糖水平的维持，并且，PDI被证实能促进胰岛素原的二硫键的形成［27］。Toldo等［28］在糖尿病患者和动物模型的研究中发现，PDI的表达异常与心肌细胞凋亡、心肌梗死面积及梗死后心功能密切相关，主要机制为高血糖环境使氧化态PDI减少，使其催化分子内及分子间蛋白质二硫键形成的功能减弱，导致内质网错误折叠、蛋白质堆积，使心肌易损性增加，并提出PDI能够发挥保护缺血心肌的作用，是由于其能够缓解ERS和提高超氧化物歧化酶1（SOD-1）的活性。

4 PDI与血栓形成

血栓形成是心血管系统中常见的一种病理生理过程，虽然小的血栓不会引起明显的临床症状，但是当栓子体积增大或者脱落引起组织器官缺血后会严重影响其功能，甚至威胁生命。血管内膜损伤、血液性质改变和血流的改变是血栓形成的主要机制，其中血小板的黏附、聚集以及释放是关键环节［29］。

虽然PDI有一个C端内质网保留序列，但是在细胞表面、线粒体、血小板、细胞核和胞质中也可检测到其表达。有研究发现在血管损伤的同时便可在损伤区域检测到PDI，并在30 s内达到最大值，此过程发生在血小板聚集之前［30］。PDI能与内皮细胞整合素avβ3以及血小板整合素αⅡbβ3相结合，导致血小板的黏附、聚集和释放，最终导致血栓生成；在β 3（-/-）小鼠中，损伤部位PDI的表达减少，并且血小板聚集和纤维蛋白的生成均显著降低［31］。

另外，最新的研究结果表明，PDI能够与细胞表面利钠肽受体结合，从而调节利钠肽生成环鸟苷酸的能力；PDI也可能作为一种细胞内的抗炎分子，下调核因子（NF）-κB的表达，抑制脂多糖诱导的巨噬细胞炎症相关因子的产生［32-33］，促进心血管疾病的发生发展。

PDI通过其氧化还原、催化二硫键的形成及异构化以及通过促使蛋白质正确折叠、复折叠体现的分子伴侣功能，在维持心肌细胞的正常功能及在病理状态下保护心肌方面起着重要作用。随着ERS在心血管疾病机制研究的进一步深入，PDI在心血管疾病发生发展过程中的影响进一步明朗，可能为心血管疾病的临床治疗提供新的方向和思路。

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（2015-06-18收稿 2015-07-19修回）

（本文编辑 魏杰）

Protein disulfide isomerase's role in cardiovascular disease

SHENG Mengting1,HANG Zirui1,PAN Liming1,LI Junming2△
1 People's Hospital of Three Gorges University，Yichang 443002，China；2 The First People's Hospital of Yichang△

Protein disulfide isomerase（PDI）is one of thiol-disulfide oxidoreductases that mainly located in the endo⁃plasmic reticulum（ER）.It is generally known that PDI caralyzes the formation，rearrangement，breakage of disulfide bonds，and this enzyme is effective in regulation of protein folding.Now it is also known as a biomarker of cardiovascular disease. Protein disulfide isomerase can reduce infarct size and myocardial apoptosis in acute myocardial infarction（AMI）.PDI can also improve changes of cardiac vulnerability in diabetic cardiomyopathy（DCM）.Further more,it is also shown that PDI play an important role in hypertension and thrombosis.Therefore,this paper review the effects of protein disulfide isomerase in cardiovascular diseases.

protein disulfide-isomerase；myocardial infarction；diabetes complications；cardiomyopathies；hyperten⁃sion；thrombosis；review

R541

A

10.11958/j.issn.0253-9896.2015.10.032

国家自然科学基金资助项目（81270280）

1三峡大学人民医院（邮编443002）；2宜昌市第一人民医院

盛梦婷（1989），女，硕士在读，主要从事心血管疾病的研究

△通讯作者E-mail:lijunming@med-mail.com.cn