ABCG1基因表达调控在心血管疾病中的作用

师 莹, 姚 柳, 艾 玎

(1.天津市胸科医院天津市心血管病研究所,天津300222；

2.天津医科大学免疫微环境与疾病教育部重点实验室,天津300070；

3.天津医科大学天津市代谢病重点实验室,天津300070；

4.天津医科大学生理学与病理生理学系,天津300070)

心血管疾病是世界范围内发病率和死亡率较高的疾病,严重影响了人类的健康.动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)作为心血管疾病的病理基础,其特点是动脉血管壁,尤其是巨噬细胞中过量胆固醇的累积.因此,维持胆固醇平衡对预防和治疗AS病变至关重要[1-2].体内胆固醇的清除主要是通过高密度脂蛋白(high density lipoprotein,HDL)的胆固醇逆向运输(reverse cholesterol transport,RCT)作用.通常肝外组织中多余的胆固醇被HDL转运至肝脏,最后经粪便排出体外,该过程称为RCT[3].以往的研究发现,血浆中HDL-胆固醇水平与心血管疾病呈负相关,降脂类药物如他汀等可显著升高血浆HDL-胆固醇水平,降低心血管疾病风险[4].然而,近年来的研究发现,升高HDL的药物如胆固醇酯转移蛋白(cholesteryl ester transfer protein,CETP)抑制剂(torcetrapib),虽然能够升高HDL-胆固醇水平,但并未降低心血管疾病发生的风险[5].随后有研究者提出,增强HDL的功能比单纯提高血浆HDL-胆固醇水平更有意义；而提高HDL的胆固醇流出能力也已成为临床治疗动脉粥样硬化样心血管疾病的潜在靶标[6].胆固醇流出作为RCT的第一步也是最为关键的步骤,主要通过三磷酸腺苷结合盒转运蛋白A1(adenosine triphophate(ATP)-binding cassette(ABC)transporter A1,ABCA1)和三磷酸腺苷结合盒转运蛋白G1(adenosine triphophate(ATP)-binding cassette(ABC)transporter G1,ABCG1)介导,其中ABCA1可促进胆固醇转运至胞外的apoA-Ⅰ,而ABCG1可促进细胞内胆固醇流出至HDL颗粒[7].ABCG1在维持细胞或组织胆固醇稳态方面具有重要作用,但其在心血管疾病中的作用尚有争议.因此,本工作就ABCG1在心血管疾病中的研究进展作一综述,以期为代谢性心血管病的治疗提供新的靶点和思路.

1 ABCG1概述

ABCG1属于三磷酸腺苷结合盒转运蛋白家族,为6次跨膜蛋白,主要由胞外区域、跨膜结构域和胞内三磷酸腺苷(adenosine triphophate,ATP)结合域组成.已有研究发现,ABCG1属于半转运子蛋白,必须与另一个转运子蛋白形成异源或同源二聚体来发挥功能[8].ABCG1利用ATP水解释放的能量驱动多种底物,如胆固醇、氧化甾醇类物质和磷脂等脂类以及脂溶性小分子如维生素E等,穿越细胞膜磷脂双分子层,实现细胞内脂质再分布[9-10].ABCG1的表达呈组织特异性,高表达于心脏、肝脏、脾脏、肺、脑和肾上腺.目前,关于ABCG1的亚细胞定位尚不明确.最初的研究认为ABCG1主要分布于细胞膜,可促进胆固醇流出至胞外的HDL[11].随后的研究认为,ABCG1存在于内吞囊泡中而非细胞膜上,促进了内质网上甾醇类物质再分布[8].其他研究认为,ABCG1同时存在于细胞膜和次级内体上,可将胆固醇转运至细胞表面,被胞外多种受体所识别,参与多种信号转导和疾病进展[12].结构分析表明,ABCG1 550/562位点的亮氨酸突变为脯氨酸是引起ABCG1定位改变的直接原因[13].但该结论很快被其他研究者否定,文献[14]认为ABCG1 550/562位点亮氨酸突变与否与ABCG1在各级内体上的定位无直接关系.

2 ABCG1在心血管疾病中的作用

ABCG1作为RCT的关键蛋白,由于其在维持细胞脂质稳态过程中的重要作用,可通过促进巨噬细胞中的胆固醇流出作用而抑制AS发展.已有研究发现,Abcg1-/-小鼠来源的巨噬细胞中炎症因子表达升高,而且骨髓移植实验表明Abcg1-/-小鼠来源的骨髓促进Ldlr-/-小鼠斑块处招募更多的炎症细胞[15].然而其他研究发现,接受Abcg1-/-骨髓移植的小鼠与对照小鼠的AS病变程度相似,可能与血清胆固醇引起的ABCA1代偿性上调有关[16].此外,Abcg1-/-小鼠来源的骨髓可促进巨噬细胞凋亡,减少斑块面积,抑制高脂/高胆固醇饮食诱导的动脉粥样硬化[17].以上结果提示,ABCG1在动脉粥样硬化疾病中的不同作用因斑块形成的阶段而异.在斑块形成初期,ABCG1通过促进巨噬细胞的胆固醇流出而抑制斑块形成；反之,在斑块形成晚期,ABCG1可通过促进巨噬细胞的凋亡加速斑块形成[18].

内皮细胞是位于血管内表面的一层单细胞,形成血管内膜,释放多种介质,包括内皮素-1、前列腺素和一氧化氮(nitric oxide,NO)等以调节血管张力[19].内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)是合成NO的关键酶.NO具有抗血小板、抗增殖、抗迁移、抗氧化和抗炎等多种血管保护作用以维持血管稳态和心脏功能[20].已有研究发现,ABCG1对于维持内皮细胞的eNOS活性至关重要.内皮细胞特异性Abca1-/-Abcg1-/-双敲除小鼠,可通过抑制内皮细胞eNOS活性,上调炎症基因的表达,进而加速饮食诱导的AS进程[21].Abcg1-/-小鼠来源的内皮细胞中炎症因子(MCP-1,IL-6)和黏附分子(E-选择素和ICAM-1)表达明显升高,导致单核细胞在血管内皮上的黏附增加[22],提示ABCG1可通过影响单核细胞的黏附促进AS发生.另外,ABCG1缺失引起细胞内胆固醇外流受损,促进T细胞向Treg细胞分化进而抑制AS[23].Yvan-Charvet等[24]和Westerterp等[25]发现Abca1-/-Abcg1-/-小鼠的细胞内胆固醇积累增加,促进造血干细胞和多潜能祖细胞的增殖和动员及其在动脉血管壁聚集从而导致动脉粥样硬化,其内在机制可能与IL23/IL17/G-CSF信号通路激活有关[24-25].因此,ABCG1过表达和组织特异性敲除小鼠模型的建立有利于明确ABCG1在AS形成过程中的复杂作用.

基因组分析发现,ABCG1基因多态性与心肌梗死密切相关.位于ABCG1启动子区域SP1结合位点的基因突变(g.-376C＞T)能够预测心肌梗死风险增加[26].然而,已有研究指出,SNP位点rs57137919(g.-367G＞A)与心肌梗死和心血管疾病风险降低有关[27].另外,在高血压患者外周血来源的单核细胞中ABCG1和ABCA1表达均降低,抗高血压治疗可逆转二者的降低趋势[28].上述研究提示ABCG1参与了心肌梗死和高血压疾病的发生发展,但其作用机制尚未明确,有待进一步研究.

3 ABCG1基因表达调控在心血管疾病中的作用

人类ABCG1基因位于染色体21q22.3[29],含有23个外显子和多个启动子,在细胞内通过不同的转录起始和mRNA选择性剪接产生多种转录本.在外显子17末端的额外选择性剪接导致一种ABCG1剪接变体的产生,该变体缺乏胞内结构域和ATP结合域之间的12个氨基酸,简称ABCG1(-12)[30]；人类细胞中ABCG1(+12)和ABCG1(-12)均表达[31],而小鼠仅表达ABCG1(-12),但是两种变异体的功能是相似的[32].ABCG1的表达受多重因素的调控,其在疾病发展中有重要作用.

3.1 转录因子

ABCG1的表达主要受转录因子——肝脏X受体(liver X receptors,LXR)的调节,而LXR作为胆固醇“感受器”,在受到胆固醇负荷或氧化甾醇类刺激后被激活.LXR激动剂(TO901317)可通过激活LXR使ABCG1的表达升高,促进膜内外胆固醇重排,诱导胆固醇外流[33].巨噬细胞特异性缺失LXR导致AS形成风险增加[34],而肝脏特异性过表达LXR可减少饮食诱导的动脉粥样硬化[35].LXR激活可转录激活ABC转运子蛋白,直接刺激RCT过程[36].此外,G蛋白途径抑制因子2(G protein pathway suppressor 2,GPS2)通过促进LXR与ABCG1启动子的结合,导致H3K9位点发生去甲基化,转录激活ABCG1,促进了RCT过程；而GPS2缺失则抑制了ABCG1转运蛋白所介导的RCT作用[37].进一步的研究发现,肠上皮细胞中LXR的组成型活化还可通过降低肠道胆固醇吸收、增强RCT来减少动脉粥样硬化[38].以上结果提示RCT可能成为LXR抑制动脉粥样硬化形成的潜在靶点.

3.2 DNA甲基化

心血管疾病是由机体本身与外界环境共同作用诱发的代谢性疾病.表观遗传学通常指在不影响DNA序列的情况下,通过环境与基因组之间的相互作用调节基因的表达,进而影响心血管疾病的生理病理改变.DNA甲基化是最为常见的一种表观遗传修饰,主要指CpG二核苷酸序列中的碳-5位置被甲基修饰,通过阻止转录因子与基因启动子结合或募集染色质修饰酶来抑制基因活性[39].已有研究发现,血脂水平与胆固醇代谢相关基因的DNA甲基化之间存在关联.进一步的分析发现ABCG1 DNA甲基化可能介导了高甘油三酯水平与心肌梗死风险之间的关联,其中ABCG1 cg06500161甲基化导致ABCG1转录水平降低,ABCG1甲基化位点(cg06500161)与HDL-胆固醇和甘油三酯水平均呈负相关；相对于健康人群,心肌梗死患者的ABCG1甲基化(cg06500161)程度明显增加[40].以上结果表明ABCG1甲基化及其调控网络在调节血脂水平以及心肌梗死的发展中发挥了关键作用.另一项针对中国汉族人群中ABCG1启动子甲基化与冠心病关系的研究分析发现,冠心病患者中ABCG1启动子高甲基化者是正常甲基化者的5倍左右,提示ABCG1启动子高甲基化水平与冠心病风险增加密切相关[41].同时,ABCG1位点cg27243685甲基化亦可引起ABCG1表达降低,甘油三酯增加,HDL水平降低,导致冠心病风险增加[42].

糖尿病和肥胖是心血管疾病的危险因素,它们通过相互作用共同促进心血管疾病的发展.已有研究发现,ABCG1甲基化伴随糖尿病风险的增加.ABCG1 cg06500161位点甲基化与身体质量指数(body mass index,BMI)、HbA1c、胰岛素和甘油三酯水平相关[43-44].此外,肥胖尤其是腹部脂肪堆积,是心血管疾病和糖尿病等代谢性疾病的重要特征.表观遗传分析发现,ABCG1 cg06500161位点甲基化与高胆固醇血症腰围(hypertriglyceridaemic waist,HTGW)密切相关[45].以上研究结果表明,ABCG1甲基化与血脂异常、心肌梗死、冠心病、糖尿病和肥胖等脂质代谢紊乱相关疾病密切相关,这将为治疗脂质异常相关疾病的药物开发提供依据.

3.3 MiRNA

MiRNA是一类长度为18～24核苷酸的内源性非编码小分子RNA,它们通常与靶基因mRNA的3’-非编码区结合,促进靶基因降解或抑制其翻译,发挥基因表达转录后调节因子的作用[46].MiRNA可调控RCT和HDL-胆固醇的合成及清除,在动脉粥样硬化的发病过程中发挥重要作用[47].MiRNA在血管生理学、脂质代谢和炎症及其对血管代谢性疾病的影响已得到广泛研究.相关研究表明miRNA可特异性作用于胆固醇流出过程.在多种细胞和组织中表达的miR-33a/b,是位于胆固醇转录因子2基因上的一个固有miRNA,可部分作用于ABCA1和ABCG1,在增加胆固醇合成的同时减少胆固醇清除,调控细胞内胆固醇动态平衡[48-49].在小鼠巨噬细胞和肝细胞中,miR-33可抑制ABCG1蛋白表达及其介导的胆固醇流出作用,而miR-33抑制剂可促进胆固醇流出,升高血液HDL水平(增加25%～50%)[50].

在人类和小鼠AS斑块处发现miR-23a-5p表达显著升高,生物信息学发现ABCA1/G1是miR-23a-5p的新型靶标,其通过抑制ABCA1/G1的表达,减少巨噬细胞胆固醇流出,促进泡沫细胞形成,加速斑块形成并影响斑块不稳定性[51].已有研究发现,miR10-b通过靶向ABCA1和ABCG1,抑制巨噬细胞胆固醇流出作用；花青素-3-糖苷的肠道菌群代谢产物——花青素与原儿茶酸(protocatechuic acid,PCA)可通过抑制miR10-b促进胆固醇流出,具有抗AS作用[52].而miR-378和miR-128-2可直接抑制ABCG1的表达,参与调节胆固醇稳态[53-54].此外,miRNA也可上调ABCG1的表达.如miR21缺失后ABCG1表达降低,促进泡沫细胞的形成,该过程可能与p38和c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)的活化有关[55].MiRNA在疾病预防和治疗过程中具有巨大潜能,可以通过miRNA激动/拮抗剂或饮食干预来影响miRNA的表达.已有研究还发现,miRNA可以通过外泌体[56]、凋亡小体[57]、HDL颗粒[58]在血液中稳定地运输,最后被靶细胞识别以调控靶基因的表达.上述结果提示miRNA可能通过细胞间的相互交流形成网路系统参与胆固醇的代谢调控.因此,对于miRNA调控ABCG1的作用模式有待更进一步研究.

3.4 蛋白修饰

ABCG1的表达还受到蛋白磷酸化和泛素化等修饰,其中ABCG1的泛素化修饰对于细胞内胆固醇的平衡有重要调控作用.相关研究已发现,泛素化-蛋白酶体途径中的关键酶——E3连接酶(HUWE1和NEDD4-1)可直接结合ABCG1并增加其泛素化修饰,促进ABCG1进入蛋白酶体降解,抑制细胞内胆固醇的流出,参与维持细胞内胆固醇的平衡[59].此外,细胞内胆固醇水平也可反过来影响ABCG1的泛素-蛋白酶体降解途径[60].细胞内胆固醇水平降低可增加ABCG1的泛素化修饰,促进其进入蛋白酶体降解；反之,细胞内胆固醇水平升高则会抑制ABCG1的泛素化修饰,减少其在蛋白酶体的降解[60].上述研究结果表明,细胞内胆固醇水平和ABCG1的泛素化修饰可相互影响,共同维持细胞内胆固醇的平衡.另外,ABCG1可被激酶磷酸化后进入蛋白酶体发生自身降解,12/15-脂氧合酶可通过激活p38和JNK信号通路促进ABCG1的磷酸化而导致其降解,从而使胆固醇流出能力降低[61].已有研究还发现,在巨噬细胞中ABCG1 Cys311位点棕榈酰化可通过促进ABCG1的细胞膜定位来发挥促胆固醇流出的作用[62],提示增强ABCG1蛋白稳定性和棕榈酰化,可促进细胞胆固醇流出,抑制泡沫细胞形成,从而延缓AS的发生发展,为动脉粥样硬化的治疗提供新的策略.

4 结束语

胆固醇是细胞膜的必需组成成分,不仅在维持细胞膜的通透性和流动性中有重要作用,还可形成脂筏结构,为细胞信号转导通路提供平台,确保细胞正常生长和功能.ABCG1介导的胆固醇流出促使细胞膜和细胞器膜之间的胆固醇重新分布,维持了细胞内脂质稳态.ABCG1的表达受多重因素的调控,而这些因素之间又可相互影响共同调节ABCG1的表达.本工作通过阐明ABCG1表达调控对胆固醇外流的影响,明确了ABCG1在心血管疾病中的重要作用.通过本工作的总结,期望为动脉粥样硬化样心血管疾病提供新的治疗策略.