泛素-蛋白酶体系统功能异常与心脏疾病

徐 辉 尹 翔 郭晓纲

(浙江大学医学院附属第一医院心内科，浙江 杭州 310003)



泛素-蛋白酶体系统功能异常与心脏疾病

徐 辉1尹 翔 郭晓纲

(浙江大学医学院附属第一医院心内科，浙江 杭州 310003)

泛素；蛋白酶体；泛素-蛋白酶体反流；心脏疾病

泛素(Ub)-蛋白酶体系统(UPS)是真核细胞内大多数蛋白质的降解通路，其调控异常与多种疾病发生有关，对生命活动具有重要的调控意义。UPS功能异常与心血管疾病，如心肌病、心肌缺血、心肌纤维化等有着密切的关系。本文对UPS与心脏疾病的关系进行综述。

1 UPS概述

1.1 UPS结构 UPS由Ub、Ub活化酶(E1)、Ub结合酶(E2)、Ub连接酶(E3)、蛋白酶体构成。Ub是一种由76个氨基酸残基组成的高度保守的小分子蛋白质，相互之间通过内含的7个赖氨酸残基构成多聚Ub链〔1〕，它广泛存在于真核细胞内。Ub基因主要编码两种Ub前体蛋白质:一种是多聚Ub,另一种是Ub融合蛋白。E1由1 100个左右氨基酸残基组成，分子量110～130 kD，是催化Ub与底物结合所需的第1个酶，它对靶蛋白的识别几乎没有特异性，活性很高，低浓度即可激活Ub。E2是催化Ub与底物结合所需的第2个酶，内含一个由150～200个氨基酸残基(分子量14～16 kD)组成的保守区域〔2〕，含有半胱氨酸残基。E3是UPS中种类最多的一种酶，有600多种，在特异性底物识别中发挥最为关键的作用〔3〕，不同类型的E3间缺乏序列同源性，而且相对分子质量差异较大。蛋白酶体是催化Ub与底物蛋白耦联体降解的关键酶，多为26 S蛋白酶体，它是由1个20 S核心蛋白酶及2个19 S调节颗粒(RP)共同结合而成，此组装过程需要耗能。20 S核心蛋白酶是由4个堆积的七元环组成，这些环结构由两种不同的亚基构成:α亚基为结构性蛋白，β亚基主要发挥催化作用。19 S RP又称19 S复合物，至少含有19个不同的亚基，连接在20 S核心蛋白酶的一端或两端，构成具有降解蛋白质功能的蛋白酶体〔4,5〕。

1.2 UPS降解蛋白质的过程 在真核细胞内，大多数蛋白的降解都依赖于UPS〔6〕。UPS是依赖于三磷酸腺苷(ATP)的蛋白水解系统，其降解蛋白质包括两个步骤:①即蛋白的Ub化修饰，在 ATP的参与下E1通过给Ub的C-端半胱氨酸加一个高能硫酯键而激活Ub，活化的Ub通过高能硫酯键与E2结合，最后E3将Ub转运至蛋白底物活化赖氨酸残基的ε-氨基上，形成单或多聚Ub链；②Ub分子标记的蛋白底物被26 S蛋白酶体复合物识别和降解，同时释放游离的、可重新利用的Ub分子〔7〕。在蛋白的Ub化修饰过程中，E3决定着底物蛋白的特异性，控制着特定蛋白的生物学功能〔8〕。

1.3 Ub-蛋白酶体途径(UPP)的调控 UPP介导的蛋白降解是机体调节细胞内蛋白水平与功能的一个重要机制。负责执行这个调控过程的组成成分包括Ub及其启动酶系统和蛋白酶体系统。Ub启动酶系统负责活化Ub，并将其结合到待降解的蛋白上，形成靶蛋白多聚Ub链，即Ub化。蛋白酶体系统可以识别已Ub化的蛋白并将其降解。此外，细胞内还有另一类解离Ub链分子的去Ub化蛋白酶形成反向调节。Ub化与去Ub化是可逆的。正是通过两个过程的动态平衡，使体内蛋白质水平维持在一个稳定的水平。在去Ub化过程中，需要去Ub化酶 (DUBs)的参与。DUBs通过加工Ub，负向调控Ub信号转导途径及调节Ub的再循环3个方面实现其对蛋白Ub化修饰的调节〔9,10〕。此外，DUBs还可以通过降低E3连接酶自体Ub化水平而间接使E3连接酶的底物蛋白降解增加〔11〕。

蛋白质完成Ub化修饰后，被蛋白酶体识别并降解。在蛋白酶体降解Ub蛋白的开始阶段，其RP首先解开酶作用底物的折叠，然后将酶作用底物转移到蛋白酶体的核心颗粒位置。研究发现〔12〕，有3个蛋白与蛋白酶体的RP有关联，这3个蛋白分别是Nas6、Rpn14和Hsm3。如果表达这些蛋白的基因发生突变，会导致蛋白酶体失去功能。蛋白酶体的RP装配过程受多种伴侣分子的调控。在机体内，可以通过对蛋白酶体组成成分的改变(异质性)、转录后修饰(如磷酸化、氧化修饰等)及一些协同分子〔如蛋白激酶(PK)A、钙调蛋白依赖性蛋白激酶(CaMKⅡ)〕的作用实现对蛋白酶体的调控〔13,14〕。

2 UPS功能异常与心血管疾病

2.1 心肌中的蛋白酶体 心肌与其他组织蛋白酶体在构成及空间结构上的区别尚不完全清楚。心肌中26 S蛋白酶体的组装，可能包括了不同比例的20 S蛋白酶体β亚基〔15〕。在不同组织中所表达的蛋白酶体亚基不同，从而决定了蛋白酶体对于底物的特异性及其不同的功能。Cai等〔16〕发现20 S蛋白酶体的β1亚基的敲除可以导致蛋白酶体功能缺失及被氧化的蛋白积聚，并且可以使小鼠缺血-再灌注损伤加重〔16〕。而在心脏分别处于基础状态及压力应答状态时，一些起调节作用的19 S复合物也发挥着不同的作用〔17,18〕。

2.2 UPS与动脉粥样硬化(AS) AS是一种慢性动脉炎症反应性疾病，核因子(NF)-κB是一种重要的促炎调节因子，其活化与AS密切相关。在AS早期，当血管平滑肌细胞(VSMC)受到某些氧化应激刺激时，NF-κB抑制蛋白Ub化，被26 S蛋白酶体降解激活，启动炎性细胞因子、黏附分子、血管生成调节因子的转录表达，从而启动AS的发生〔19〕。在AS进展期，VSMC组织活力下降，受损蛋白大量聚集，UPS激活增加，引起细胞内抗凋亡基因活化及VSMC增殖。内膜损伤的颈动脉局部给予蛋白酶体抑制剂MG132仅5 min，血管内膜增生降低74%，且损伤区浸润巨噬细胞减少，VSMC增殖抑制、细胞凋亡增加〔20〕。因此，UPS在AS形成的不同阶段发挥不同的作用，其与AS的起始、进展和并发症形成等病理过程均具有密切关系。

2.3 UPS与心肌病 心脏长期的压力和(或)容积负荷过度，使心室壁应力增加，导致心肌肥大。心肌肥大的主要特征是心肌细胞体积的增大和涉及心肌肥大的相关基因表达上调。在肥大应答反应中，一些信号分子如细胞外调节蛋白激酶(Erk)1/2、蛋白激酶B(Akt)、钙调磷酸酶等有重要作用〔21〕。使用小剂量蛋白酶体抑制剂可以下调这些在心肌肥大过程中起关键作用的信号分子，从而抑制心肌肥大的发生〔22～24〕。另有研究表明，蛋白酶体抑制剂可能是通过抑制蛋白酶体功能，对心肌细胞有益的因子降解减少，导致抗心肌肥大〔25〕。心肌肥大过程常常伴随着心肌细胞内蛋白合成的增加。在生物体内蛋白质量控制(PQC)主要是通过伴侣分子及UPS减少异常蛋白质的产生并清除已产生的异常蛋白来实现〔26〕，而心脏PQC异常会导致心肌病的发生。在肥厚型心肌病(HCM)、扩张型心肌病(DCM)引起的心衰病例中，都发现了异常蛋白的过度积聚〔27〕。

研究者发现通过抑制蛋白酶体的功能，使与HCM相关的突变蛋白大量积聚〔28，29〕。另一种不常见的结蛋白相关心肌病(DRC)，在其发病过程中出现的蛋白酶体功能的缺失也引起了极大的重视。DRC是由编码结蛋白或其协同蛋白的基因突变(R120G-CryAB)而引起，主要表现为心肌细胞内结蛋白过多积聚。在过表达突变结蛋白的转基因小鼠，同时出现了心脏蛋白酶体功能的缺失。进一步研究表明，这种蛋白酶体功能的缺失可能还与19 S的功能缺陷有关〔30～32〕。以上研究提示，蛋白酶体功能缺陷引起的损伤蛋白降解减少，进一步导致异常蛋白的过度积聚，可能是心肌病的一个发病机制。

2.4 UPS与心肌缺血-再灌注损伤 心肌缺血-再灌注既可以保护心肌，也能损伤心肌。这种损伤主要表现为心律失常、心肌钝抑、心肌能量代谢异常、超微结构的变化及内皮和微血管功能障碍相关的无复流等现象。新近研究发现的一个连接酶-热休克蛋白70 C端反应蛋白(CHIP)，具有辅助伴侣分子和E3的活性。伴侣分子蛋白与未折叠的结构区结合，促进蛋白底物被CHIP Ub化，继而被UPS识别和降解〔33,34〕，提示UPS在心脏缺血-再灌注损伤中起着重要的作用。

在心肌缺血过程中，常常伴随着UPS功能的降低。Bulteau等〔35〕发现在冠脉左前降支阻断30 min后，Ub化的蛋白明显增加，说明在此过程中，存在蛋白酶体功能的失衡 。研究者〔8〕构建了心肌中蛋白酶体功能缺失的转基因小鼠，即CR-PSMI小鼠。通过实验发现，由于该小鼠蛋白酶体功能的缺失，导致第10号染色体丢失的磷酸酶基因(PTEN)及PKCδ表达增高而PKCε及Akt信号通路受到抑制，从而加重了缺血-再灌注损伤〔36〕。缺血预处理(IPC)则可以通过调节PKCδ/PKCε的比率、降低19 S调节亚基的过氧化等途径起到保护UPS的作用，进而减轻缺血-再灌注损伤〔37〕。

2.5 UPS在心肌纤维化中的作用 心肌纤维化是以广泛的肌细胞坏死、心肌成纤维细胞增殖和细胞外基质(ECM)沉积为特点，是心脏对长期负荷过重的应答反应，是心脏的重塑过程，最终将导致心力衰竭的发生。Ma等〔38〕发现在心脏压力负荷增加的早期和晚期，心室肌蛋白酶体的活性持续增高。通过建立大鼠模型，给予MG132 作用12 w后，结果显示:MG132不但对阻止心肌重塑起作用〔38〕，而且可以显著减少心肌间质的胶原沉积并减轻心肌纤维化的发生〔39〕。表明MG132可能是通过下调NF-κB/转化生长因子(TGF)β1、Smad2信号通路来阻止了心肌重塑〔38〕。而在自发性高血压大鼠模型上，通过抑制心肌蛋白酶体，则可以抑制大鼠心脏成纤维细胞增殖，减少胶原产生并下调金属基质蛋白酶(MMPs)的表达。MMPs主要以非活性形式存在，其活性主要受MMPS抑制剂 (TIMP)的调节。TIMP是抑制MMPs活性的一组多功能因子家族，现已发现的有4种，分别命名为TIMP1、TIMP2、TIMP3、TIMP4。López等〔40〕通过组织活检发现高血压患者血浆TIMP1水平与心肌纤维化程度有着直接关系。抑制心肌蛋白酶体，可以通过影响NF-κB/TGF β1、Smad2信号通路及MMPs的表达，延缓心肌纤维化的进行。因此，未来是否可以使用蛋白酶体抑制剂，为临床上心肌纤维化的病人提供新的治疗方案，尚需要进一步的研究。

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〔2015-05-13修回〕

(编辑 王一涵)

郭晓纲(1975-)，男，博士，硕士生导师，主要从事冠心病研究。

徐 辉(1978-)，男，在职硕士，主治医师，主要从事心血管疾病研究。

R541

A

1005-9202(2016)21-5472-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2016.21.116

1 嘉兴市秀洲区高照街道社区卫生服务中心