环腺苷酸结合蛋白对心脏结构及功能影响的研究进展

吴丹，冯健，刘应才

(泸州医学院附属医院，四川泸州646000)



·综述·

环腺苷酸结合蛋白对心脏结构及功能影响的研究进展

吴丹，冯健，刘应才

(泸州医学院附属医院，四川泸州646000)

摘要：环腺苷酸结合蛋白(Epac)是近来发现的一种新型cAMP下游靶因子，是小GTP酶Ras家族Rap1和Rap2的鸟嘌呤核苷酸交换因子。Epac对心肌兴奋-收缩偶联、心肌肥厚、心肌细胞凋亡等均发挥重要调控作用，有望作为治疗心脏疾病的一个新靶点。

关键词：环腺苷酸结合蛋白；兴奋-收缩偶联；心肌肥厚；细胞凋亡

环腺苷酸结合蛋白(Epac)是一种新型cAMP下游效应因子，该因子的发现打破了PKA是cAMP信号通路唯一下游因子这一传统观点，使人们对于cAMP信号通路相关因子和途径有了新的认识。Epac是cAMP直接活化的新蛋白家族，是小GTP酶Ras家族Rap1和Rap2的鸟嘌呤核苷酸交换因子，对各种依赖cAMP的信号通路(如细胞增殖与分化、钙离子调节、细胞与细胞的黏附等关键过程)均起作用。越来越多的研究表明，Epac参与心肌兴奋-收缩偶联、心肌肥厚、心肌细胞凋亡等过程，在心脏疾病的许多病理生理过程中扮演着重要角色。本文就Epac对心脏结构及功能的影响作一综述。

1Epac的生物学特点

1.1Epac的结构及亚型Epac是一多结构域蛋白，由5个区域构成，含氨基端调节区域和羧基端催化区域各1个：即DEP区域、CNB区域(cAMP结合区域)、REM区域、RA区域及CDC25-HD区域。其中以cAMP结合区域对cAMP亲和力最高，DEP区域在细胞膜定位中起主要作用，REM区域是将氨基端调节区域和羧基端催化区域之间连接起来的桥梁分子，RA区域含有与Ras相互作用的结构域。CDC25-HD区域是位于羧基末端的催化区域，在鸟嘌呤核苷酸交换活性方面起作用[1]。目前已发现Epac的两种亚型，即Epac1和Epac2(Epac2A和Epac2B)，在哺乳动物中分别由两个独立的基因PAPGEF3和PAPGEF4编码，它们在各个区域上有高度同源性，二者差异在于Epac2有一个附加低亲和性的cAMP结合结构域(CNB-A)，此结构域确定了Epac2A和Epac2B在细胞内的定位和生物学特性[2]。

1.2Epac的分布与活化Epac广泛分布于各种组织中。Epac1在心脏、血管、肾脏、脂肪组织、中枢神经系统、子宫和卵巢等组织中表达丰富，而Epac2大多表达在中枢神经系统(Epac2A)、肾上腺(Epac2B)和胰腺(Epac2A)。在心肌组织中Epac1远比Epac2表达丰富[4]。在细胞内，Epac1和Epac2也分布在不同区域，Epac1蛋白定位于浆膜、细胞质、核周区、核膜以及线粒体，而Epac2蛋白定位于浆膜、细胞质碎片、细胞骨架肌动蛋白、减数分裂的纺锤体中央区以及高尔基体[3]。Epac在细胞内的定位差异性在一定程度上决定了其不同的生物学效应。不同的亚细胞定位和功能可能与Epac1、Epac2之间的差异有关。Epac作为Ras家族小分子G蛋白Rap的特异性鸟嘌呤核苷酸交换因子，将Rap结合的GDP置换为GTP从而激活Rap发挥重要信号分子作用[4]。

2Epac对心脏结构及功能的影响

2.1 Epac与心肌兴奋-收缩偶联在心肌兴奋-收缩偶联过程中，钙是关键因素之一。每一次心搏，心肌细胞产生动作电位，膜去极化诱导肌膜上L型钙通道的激活，随后钙离子进入细胞质，胞质中Ca2+浓度的增加激活周边兰尼碱受体(RyR2)，触发胞质肌质网中的Ca2+释放到胞质中，这种协调的过程称为Ca2+诱导的钙释放，其为肌原纤维的收缩提供必需的Ca2+[7]。大鼠心室肌细胞在肌质网钙载量减少和钙瞬变降低的情况下，Epac激动剂8-pCPT激动Epac可以产生Ca2+的震荡，同时该过程伴随着钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ) RyR2的磷酸化[5]。

兴奋-收缩偶联的微调主要是通过钙/CaMKⅡ以及磷酸化磷蛋白和RyR2来实现，并由此提高肌质网的钙摄取和自发的Ca2+释放。在大鼠心室肌细胞中，Epac和PKA 对Ca2+激活肌丝动力和肌丝Ca2+敏感性有着相反的效果。Epac通过依赖磷脂酶C-蛋白质激酶C-CaMKⅡ途径磷酸化cTnI和cMyBPC来增强肌丝对Ca2+的敏感性[6]。

此外，心肌缝隙连接的形成是控制兴奋-收缩偶联和保持心脏收缩的另一个前提条件。对新生大鼠的心肌细胞初步研究表明，8-pCPT诱导起主导作用的心肌间隙连接蛋白43积累，Epac诱导的粘连蛋白上调促进缝隙连接的形成。近来在新生大鼠心肌细胞研究证实Epac与连接蛋白43之间存在联系，Epac不仅改变连接蛋白43的亚细胞定位而且改变其功能[7]。以上研究说明Epac参与调节心肌兴奋-收缩过程。

2.2Epac与心肌肥厚 2005年，在原代培养的乳鼠心肌细胞模型中首次发现Epac1在心肌肥厚中起作用。在心衰大鼠左心室压力超负荷导致心肌肥厚的早期阶段，Epac1蛋白表达上调。在胸主动脉缩窄引起的压力超负荷或者长期注射异丙肾上腺素诱导的心肌肥厚模型中Epac1或Epac2的表达上调，这也说明了Epac在促进心肌肥厚方面有潜在作用。在人心脏衰竭的晚期Epac的表达也增加[8]。此外，通过siRNA钝化Epac的表达可以抑制β-肾上腺素诱导的心肌肥厚。由于cAMP的高表达，乳鼠心肌细胞比成人心肌细胞肥大更加明显，通过特定的cAMP类似物刺激或Epac过表达可以诱导心肌细胞肥大反应。

在细胞水平，8-pCPT激动Epac的表达，诱导心肌肥厚性生长,主要表现为细胞表面积、体积的增大，蛋白质以及胶原合成的增加，肌丝以更加分化的方式发生重组，心肌肥厚标志物心房利钠肽因子、c-fos、血清应答元件和SKMα肌动蛋白等胚胎基因或应力基因的再表达；更重要的是，沉默Epac1的表达可以明显降低β-肾上腺素能受体刺激产生的相关心肌肥厚标志物的表达。Epac对心肌的肥厚效应有一部分是通过调节钙稳态实现的。在体外培养的心肌细胞中，PKA抑制剂存在和不存在两种情况下，Epac激活都可以调节胞内钙离子的释放[9]。小G蛋白Rac和 Ras 通过激活CaMKⅡ诱导的细胞内Ca2+释放需要钙敏感GEF结构域。通过Epac1腺病毒或特异性的Epac激动剂8-pCPT激动Epac表达可以分别通过PLC/IP3R/Ca2+/CaMKⅡ/HDAC4-HDAC5和H-Ras/Ca2+/钙调磷酸酶通路激活肥厚性转录调节因子MEF2和NFAT的表达[9]。缺血再灌注损伤心肌的保护试验显示，Epac可产生正性肌力作用[10]。Park等[11]在白藜芦醇对心肌保护机制的研究显示，通过对磷酸二酯酶4(PDE4)的抑制，引起cAMP的增加以及随后的Epac活化，可导致细胞内能量型传感器腺苷单磷酸活化蛋白激酶的激活。心肌肥厚作为一个短期的自适应过程可增加心肌收缩力，持续Epac激活并由此引起的持续正性肌力作用是心肌肥厚的起始步骤。然而，激活Epac在心肌肥厚发生发展过程中的作用尚有争议，有待于进一步研究证实。

2.3Epac与心肌细胞凋亡最近研究表明，Epac对于包括心肌细胞在内的几种细胞可诱导细胞凋亡[12]。在H9c2心肌细胞和乳鼠心肌细胞中，PDE4抑制剂罗氟司特通过cAMP-PKA-CREB和Epac-PKB/Akt的途径抑制一氧化氮诱导的细胞凋亡[13]。Zhang等发现慢性异丙肾上腺素不能诱导转基因小鼠心肌细胞肥大、心肌间质纤维化、心肌细胞凋亡以及心功能异常。在体外培养的成年猫左室心肌细胞中，PKA抑制剂可以保护心肌细胞免受β-肾上腺素能受体激动剂引起的细胞凋亡，这一保护作用是通过独立于PKA信号通路外的cAMP/Epac/Rap1/ERK信号通路介导的[13]。在原代培养新生小鼠心肌细胞，EPAC失活诱导细胞凋亡与细胞凋亡诱导因子Bim的缺乏相关，这表明Epac诱导的细胞凋亡是通过一系列复杂的细胞生存信号通路网络来调节的。细胞凋亡似乎产生一条自噬功能网络通路，使其适应某些应激条件以避免细胞死亡从而抑制细胞凋亡；然而，在其他细胞类型中设置这条自噬通路则促进另一种细胞死亡[14]。自噬是由哺乳动物的雷帕霉素(mTOR1和mTOR2)通过磷脂酰肌醇3激酶依赖的PKB/Akt信号通路来调节的。它也是Epac的效应因子之一。Epac是包含mTOR1和mTOR2多蛋白复合物的一部分，表明Epac通过mTOR1和mTOR2途径调节自体吞噬。Insel等[15]认为cAMP既是促凋亡也是抗凋亡的第二信使，不同类型的细胞在cAMP被激活后均可产生PKA和Epac两条信号通路，但不同的细胞以及不同的生理病理条件下占主导的下游信号通路不同，PKA信号通路介导促凋亡反应，而Epac信号通路介导抗凋亡反应。Suzuki等[12]研究发现，在神经细胞中，激活PKA信号通路促进神经元的存活，而激活Epac信号通路后神经元的凋亡数目增加；心肌细胞的反应则相反。因此，Epac对心肌细胞凋亡的影响及机制有待于进一步研究。

综上所述，在心脏中，Epac是一种重要的新信号分子，通过对钙离子的处理及心肌兴奋-收缩偶联的调节，诱导后者产生正性肌力作用及心肌肥厚性反应,以及参与透导心肌细胞凋亡。

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(收稿日期：2015-10-23)

中图分类号：R34

文献标志码：A

文章编号：1002-266X(2016)05-0092-03

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2016.05.039

通信作者：刘应才(E-mail:13882735770@163.com)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(31300946)。