蛋白翻译后SUMO化修饰在动脉粥样硬化中的作用与机制

祝昀辉,周晓菲,余路阳

(浙江大学生命科学学院,杭州310058)

多年来,心血管疾病一直是全球范围内发病率、致死率最高的疾病,并成为有效寿命损失的首要原因[1],其中由动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)引起的血栓形成及其并发症如脑卒中、心肌梗死等血管事件是导致死亡的头号杀手[2].动脉粥样硬化是一种过程复杂的慢性心血管疾病,其发病过程涉及脉管系统上的代谢压力导致的内皮细胞活化、脂质代谢障碍、内皮功能障碍和局部血管炎症等[3],而炎症反应贯穿于动脉粥样硬化起始、病变和斑块破裂的全过程,因此动脉粥样硬化也被认为是一种慢性炎症性疾病[4-5].

到目前为止,动脉粥样硬化的具体发病机制尚未完全清楚.在现有的对动脉粥样硬化疾病发生的认识中,涉及多个转录因子的控制.这些分子的蛋白翻译后修饰变化将对蛋白的转录活性、稳定性、定位等多个方面产生影响,从而促进或抑制动脉粥样硬化的发病过程.SUMO(中英文全称参见附录,下同)化修饰是近期被发现较多的在蛋白质水平影响心血管疾病发生的蛋白翻译后修饰类型[6-8].本综述将从动脉粥样硬化病变进展的不同阶段来分别阐述蛋白翻译后SUMO化的作用及调控机制,并提出将其作为动脉粥样硬化临床治疗潜在靶点的启示.

1 动脉粥样硬化的病变进展

动脉粥样硬化的病变从动脉内膜的内皮细胞开始.血管内皮作为天然的血液容器,是心血管系统稳态网络的关键调控节点,在病理状态下内皮在大动脉壁内的功能障碍是动脉粥样硬化性心血管疾病(ACVD)的重要促成因素[9].

动脉粥样硬化的过程在最早阶段是内皮功能的紊乱,随之启动了一个复杂的致病序列[10-11]：多种因素导致的内皮细胞过度表达黏附分子,如VCAM1被称为内皮激活[12].该过程也涉及内皮功能障碍.内皮源性一氧化氮(nitricoxide,NO)合成的下降也可增加白细胞黏附[13].随后血液中白细胞(主要为单核细胞)被招募并与活化的内皮细胞黏附,进一步浸润至内膜下启动局部炎性反应.大部分单核细胞会演变为巨噬细胞,摄取脂质后转变为泡沫细胞,这是早期脂纹病变的标志.同时,积聚的巨噬细胞向血管中层迁移并释放更多的细胞因子,如TNF-α,IL-1等激活内皮细胞、巨噬细胞和平滑肌细胞,加剧炎症反应,并使平滑肌由中膜向内膜迁移.活化的内皮细胞和巨噬细胞分泌纤维因子和生长因子等作用于相邻的平滑肌,促使其增殖及胶原生成,在斑块外形成纤维帽,形成成熟的纤维肌性斑块.随着病变的进行,斑块内巨噬细胞和平滑肌细胞部分死亡,释放脂质,在斑块的中心区域积聚为富含脂质的坏死核心.病程继续发展至斑块破裂常基于纤维帽的削弱过程,斑块中的巨噬细胞过度分泌基质金属蛋白酶MMP加速细胞外机制的降解,使纤维帽形状变薄、斑块破裂,使凝血因子与斑块内部的组织因子接触,触发血栓延伸到血管腔内,阻止血液流动.

2 SUMO化修饰

SUMO化修饰是新近发现的蛋白翻译后修饰形式,SUMO分子通过靶蛋白特异的赖氨酸残基形成异构肽,从而与许多蛋白形成共价连接.SUMO是一类广泛存在于真核生物中高度保守的小分子蛋白家族,哺乳动物中的SUMO主要包括SUMO1,SUMO2和SUMO3这3种蛋白[14].

SUMO化修饰过程主要包括激活、结合和连接3个阶段,分别由SUMO活化酶E1(由SAE1和SAE2构成的一类二聚体酶)、SUMO结合酶E2(Ubc9)、SUMO连接酶E3(包括RanBP2,PIAS及Pc2三类酶)调控[8].SUMO化修饰对于靶蛋白具有表达、定位、稳定性和活性等多类型的调控作用[15-16].SUMO化修饰是一个高度动态且可逆的过程,主要由SUMO特异蛋白酶SENP家族调控.SENP家族共有6个成员(SENP1～3,SENP5～7),是SUMO特异蛋白酶,其对蛋白的SUMO化和去SUMO化修饰在维持蛋白功能中起重要作用[17].近年来,越来越多的证据表明SUMO化与心血管疾病的发生发展密切相关,在心脏衰竭、动脉粥样硬化、心血管代谢异常等疾病中都发现SUMO系统分子和SUMO通路在心血管组织表达异常[6-8].

3 SUMO化修饰在动脉粥样硬化中的作用

3.1 SUMO化修饰与湍流导致的内皮激活

作为动脉粥样硬化的早期事件,内皮激活涉及SUMO化修饰多方面的调控.管腔内血液的湍流(disturbed-f l ow,d-f l ow)被认为是造成内皮激活的原因之一,进而导致内皮功能障碍和局部动脉粥样硬化[18].D-f l ow的低剪切应力激活调控内皮基因表达的剪应力反应启动子元件和转录因子[19-20],随之上调了内皮中促进动脉粥样硬化发生的基因和蛋白质[21],其中多个蛋白的SUMO化修饰参与了动脉粥样硬化的发生.

Heo等[22]发现,d-f l ow会通过下调SENP2的功能来增加p53和ERK5蛋白的SUMO化修饰.D-f l ow介导的过氧亚硝酸盐(ONOO-)会促进PKCζ的活化,随后诱导p53的SUMO化、p53-Bcl-2结合和内皮凋亡[23].D-f l ow还可以激活丝氨酸/苏氨酸激酶p90RSK,p90RSK使SENP2的368号位点苏氨酸368(T368)磷酸化.T368磷酸化促进了SENP2的出核,导致eNOS表达下调、促炎症黏附分子的表达和细胞凋亡上调,从而导致动脉粥样硬化斑块的形成[24].由此提出了在湍流介导的内皮凋亡过程中由PKCζ-PIASγ相互作用介导的p53 SUMO化的新机制,该机制与动脉粥样硬化的早期事件具有潜在相关性.

D-f l ow还显著在ERK5 Lys6和Lys22残基处增加SUMO化修饰,并且该SUMO化抑制了转录因子MEF2转录活性和随后的KLF2启动子活性以及KLF2介导的eNOS表达[25].值得注意的是,ERK5 SUMO化独立抑制了ERK5自身的转录活性.这些证据都强烈表明了由d-f l ow介导的p53和ERK5的SUMO化动脉粥样硬化早期参与内皮激活和内皮功能障碍的重要作用.

3.2 SUMO化修饰与NF-κB介导的炎症反应

核受体NF-κB是调节免疫反应、应激反应、凋亡和炎症反应的中心环节.NF-κB与其抑制亚单位(IκB)结合以无活性的形式存在于胞质中,通过IκB的降解以激活NF-κB易位至细胞核调控各种炎症反应基因转录,形成炎症因子[26].近期研究表明,参与动脉粥样硬化斑块中炎症反应的相关基因多为NF-κB的靶基因,由NK-κB/IκB信号通路调控其表达[27].

虽然目前尚无证据表明NF-κB自身受到SUMO化的修饰,但SUMO系统中的蛋白酶对NF-κB的调节以及SUMO化修饰对其下游基因的调控均在动脉粥样硬化的炎症反应中起重要作用.

SUMO E3连接酶PIAS1是NF-κB和STAT1的转录抑制因子,通过与NF-κB和STAT1启动子区域结合起到抑制作用.进一步的研究表明,PIAS1选择性地调节NF-κB和STAT1-靶基因亚群(PIAS1敏感基因)的诱导,会优先选择炎性细胞因子和趋化因子[28-29].经过促炎因子如TNF-α或LPS刺激后,PIAS1的Ser90位点迅速磷酸化,诱导PIAS1招募至NF-κB或STAT1靶基因的启动子上,导致抑制其启动子结合活性.已有研究证实κB激酶α抑制剂IκKα是负责PIAS1 Ser90磷酸化的激酶,在IκKα敲除的巨噬细胞中观察到炎性基因诱导增加[30].

过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)是一种调节炎症、动脉粥样硬化、胰岛素敏感性和脂肪生成的核受体.除了在脂肪组织中分布最多以外,PPARγ也存在于多种血管的各种细胞(单核细胞、内皮细胞和平滑肌细胞等)中[31-32].活化的PPARγ通过NF-κB,AP-1,STAT信号通路能抑制多种与斑块进展相关的促炎因子的基因表达[33].Pascual等[34]报道了PPARγ抑制小鼠巨噬细胞中炎症反应基因转录激活的分子途径,该途径的最初步骤涉及PPARγ配体结合域的配体依赖性SUMO化,其K395位点的SUMO化促进了PPARγ与炎症基因启动子上的核受体NCoR-HDAC3复合物的结合,使NCoR复合物无法从启动子中清除,靶基因维持在抑制状态.

肝X受体(LXRs)是胆固醇感应核受体,它不仅是脂质代谢和转运的关键调节因子,而且还通过独特的反式阻抑机制抑制巨噬细胞中的炎症信号转导[35].LXRs在巨噬细胞中的表达被认为是动脉粥样硬化缓解的关键[36].LXR激活剂GW3965通过抑制单核细胞与内皮细胞的牢固黏附而表现出有效的抗炎活性,并抑制了内皮中IL-8的表达[37].Bi等[38]发现LXR介导的炎症基因抑制与NF-κB途径和SUMO化的抑制相关：IκBα与SUMO2/3的结合会促进IκBα降解,LXR通过抑制SUMO化以维持IκBα的稳定性,减弱内皮细胞中的NF-κB信号,从而可能以此发挥抗动脉粥样硬化的作用.

3.3 SUMO化与巨噬细胞的脂质代谢

除了炎症反应,巨噬细胞对于动脉粥样硬化病理发生过程中的脂质代谢也具有重要的调节作用[39].SUMO化在巨噬细胞形成泡沫细胞的过程中也起到了重要的作用.

Oishi等[40]的研究显示,SENP1通过对Kr¨uppel样转录因子5(KLF5)SUMO化修饰的调控参与了细胞脂质代谢稳态的维持.在巨噬细胞中FABP4蛋白能通过控制活性脂质的转运来调节炎症因子的分泌和反式胆固醇转运[41],其在斑块内巨噬细胞中的过表达会增强内质网应激的促凋亡作用,是促进动脉粥样硬化病理发生的关键因子[42],而SENP1的缺失会使细胞应对内质网应激的凋亡率显著升高[43],提示SENP1可能通过抑制巨噬细胞的凋亡及斑块微环境的恶化抑制动脉粥样硬化病变发生.

转录因子MiTF及其相关家族成员TFE3和TFEB是调控自噬过程中重要的转录因子[44-45],其316号赖氨酸残基位点受SUMO化修饰,这些位点的突变会显著影响MITF的转录活性[46].TFEB的SUMO化在巨噬细胞形成泡沫细胞的过程中起到调控作用[47]：在ox-LDL诱导巨噬细胞泡沫化过程中,TFEB的SUMO化修饰水平明显降低,TFEB的SUMO化可以调控TFEB转录活性,影响其下游溶酶体生成和自噬形成相关基因的表达,从而促进巨噬细胞溶酶体的生成和自噬过程,通过促进巨噬细胞胆固醇酯水解减少泡沫细胞的形成.

3.4 SUMO化修饰与雌激素受体

动脉粥样硬化疾病的发病率在男性和绝经前女性之间存在明显的性别差异[48],这与女性的雌激素与雌激素受体(estrogen receptor,ER)有明显的关系.雌激素通过降低低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)、甘油三酯(TG)、脂蛋白α,升高高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)以阻止粥样硬化斑块的形成；雌激素受体具有提高内皮细胞eNOS基因表达的功能[49].ERα是被多种翻译后修饰调控的核转录因子,响应雌激素受体α天然配体17-β雌二醇调节许多生理途径[50].

Sentis等[51]证明了ERα是SUMO1修饰的新靶标,其修饰位点位于D结构域铰链区的赖氨酸残基.ERα的SUMO化严格依赖激素配体的存在,SUMO1修饰正调节配体依赖性ERα转录活性.

Kobayashi等[52]利用酵母双杂交系统筛选了来自人类心脏cDNA文库的ERα相互作用蛋白,发现FHL2,Ubc9和PIAS1在17β-雌二醇存在下与ERα相互作用.这些蛋白质主要与ERα的DNA结合和配体结合结构域相互作用.过表达Ubc9或PIAS1以剂量依赖性方式增强了COS-1(CV-1(simian)in origin,and carrying the SV40 genetic material,非洲绿猴SV40转化的肾细胞)中ERα介导的转录活性,表明Ubc9和PIAS1均作为ERα的共激活因子起作用.这些发现表明,Ubc9和PIAS1的共激活因子能力和SUMO化能力是不同的.

4 SUMO化修饰对治疗动脉粥样硬化的启示

在动脉粥样硬化复杂的病变过程中,SUMO化修饰在多个环节中起作用.虽然具体的致病机制尚未完全明确,但就目前已知的SUMO化参与调节的信号通路来看,已经涉及动脉粥样硬化发病过程中的多个环节,包括SUMO化修饰直接对靶蛋白的稳定性、转录活性的调控、定位等多个因素和SUMO化系统蛋白酶的诱导；SUMO化通过调控不同的靶蛋白来参与相对应的疾病发生过程,也有相同的蛋白如PPARγ受到的SUMO化修饰会在动脉粥样硬化发展的不同阶段起作用；甚至SUMO化修饰在相同蛋白的不同位点也会产生不同的调控作用.而从结果上来看,SUMO化修饰对斑块形成是抑制或促进作用也要根据其调控的具体蛋白而论.

因此,针对特定的SUMO化事件而非全局的SUMO化途径可能是一种更合理有效的策略.目前已有的针对动脉粥样硬化的药物多基于炎症靶点,SUMO化对炎症的生物学效应可能在很大程度上取决于通过SUMO化修饰的单个蛋白质.在SUMO系统的各种组分中,SUMO连接酶对于控制底物特异性是最重要的.近期研究表明,PIAS1选择性地影响NF-κB和STAT1靶基因的诱导,优先选择炎性细胞因子和趋化因子[53],这种选择性使得PIAS1成为治疗动脉粥样硬化等炎症性疾病的潜在治疗靶点.而针对蛋白翻译后SUMO化修饰的调控,需要依赖于更精确的特定于具体蛋白和位点的机制.