端粒-p53的调节作用在冠心病中的研究进展

赵海静 刘琪 刘昱圻 程龙 陈韵岱

100853 北京，解放军医学院(赵海静、刘琪)；100853 北京，中国人民解放军总医院第一医学中心心血管内科(刘昱圻、陈韵岱)；100071 北京，中国人民解放军军事科学院军事医学研究院生物工程研究所(程龙)

Fundprogram： Beijing Nova Program(Z191100001119020)

心血管疾病是危害人类生命健康的头号杀手。端粒磨损与炎症、氧化损伤相关，介导细胞复制性衰老。转录因子p53能够调节包括细胞衰老、DNA修复等广泛的细胞过程。近年来发现，端粒功能及p53的表达与冠心病的发生发展密切相关。本文旨在对端粒及p53在冠心病中的功能和作用机制展开综述。

1 端粒功能及作用

1.1 端粒

端粒是线性染色体末端的特殊保护结构，由5’-TTAGGG-3’ DNA重复序列构成。人类端粒DNA长度为10～15 kb，小鼠端粒DNA长度略长于人类，为25～50 kb[1]。端粒重复序列与shelterin蛋白复合体结合，促进了端粒中套索样结构t-环的形成[2]，防止端粒功能障碍引起DNA损伤反应及双链断裂修复通路[3]，在端粒长度调节、掩盖染色体末端使其免受损伤影响上意义重大。哺乳动物一生中，因存在末端复制问题[4]，DNA聚合酶无法完全合成染色体的3’末端，导致端粒长度随细胞分裂、个体年龄增长而不断缩短。端粒磨损介导细胞复制性衰老[5]。当端粒长度达到临界值，通常触发DNA损伤反应，引起细胞生长停滞，趋向衰老。

1.2 端粒磨损与冠心病

端粒磨损是分子衰老标志之一，是包括冠心病在内的年龄相关疾病的危险因素[6]。除了复制性磨损外，端粒缩短与炎症、氧化损伤相关[7]。心肌细胞端粒较短导致严重的心室功能障碍和病理性心脏重构，并且与老年人较易罹患心脏病相关[8]。流行病学研究表明，白细胞端粒缩短与心血管疾病发生和心血管死亡呈正相关。一项前瞻性队列研究报道，端粒长度是组织特异性氧化应激的生物标志，较短的外周血端粒长度是急性心肌梗死(acute myocardial infarction，AMI)后全因死亡和心血管死亡的独立预测因素[9]。短端粒与缺血性心血管疾病之间可能存在的因果关系尚未完全阐明，但可以肯定，在动脉粥样硬化的病理过程中，短端粒与粥样斑块的快速形成呈正相关[10]。

1.3 端粒酶

端粒酶是将端粒DNA重复序列添加到染色体末端的核糖核蛋白酶，由端粒逆转录酶(telomerase reverse transcriptase，TERT)和端粒酶RNA(telomerase RNA component，TERC)构成。端粒酶以自身携带的RNA序列为模板，通过逆转录合成端粒重复序列，弥补端粒磨损[3]。

1.4 端粒酶与冠心病

端粒酶的激活对AMI后的心脏起保护作用。在AMI小鼠心脏外源性表达TERT后，端粒延长，且小鼠心肌梗死面积减小，心室功能改善，小鼠存活率提高17%[11]。Richardson等[12]研究发现，小鼠心脏在受到冷冻损伤后，表达端粒酶的细胞数量增加了约6.45倍。除了维持端粒长度之外，端粒酶可能具有其他非端粒功能，包括调节细胞分化、基因表达、细胞凋亡和增殖[13]。

2 p53蛋白

转录因子p53是一种特殊的DNA结合蛋白。据报道其能够靶向调节近500个目标基因的转录[14]，参与广泛的细胞过程，包括细胞衰老、细胞周期调控、DNA损伤修复、代谢适应和细胞死亡。正常情况下，E3泛素蛋白连接酶MDM2(mouse double minute 2)等通过与p53结合促进它的降解，将p53蛋白维持在较低水平。当细胞出现DNA损伤等应激反应时，阻断MDM2介导p53蛋白的降解[15]，p53蛋白激活，促进受损细胞清除或修复，降低细胞增殖突变的风险。

p53蛋白与心血管疾病密切相关。Si等[16]发现，p53蛋白的过度表达与2型糖尿病患者冠状动脉微血管病变相关，下调或抑制p53蛋白的表达可改善糖尿病患者冠状动脉血流速度储备和心功能；Liu等[17]发现，阻断p53蛋白介导心肌素的转录调节心肌细胞自噬，减轻AMI后缺血再灌注损伤。

3 端粒及p53蛋白在冠心病中的作用机制

3.1 端粒-p53蛋白-线粒体机制

细胞如何识别端粒缩短是目前研究的热点问题。端粒缩短通过激活p53蛋白[18]，抑制过氧化物酶体增殖活化受体γ辅助激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1 alpha，PGC-1α)，导致线粒体生理功能和生物合成受损[19]。

PGC-1α是线粒体生理和代谢的主要调节剂，属于转录辅激活因子家族，具有抗炎抗氧化功能[20]。PGC-1α通过结合下游NRF-1、NRF-2、ERRα和PPARα等编码线粒体功能相关的核转录因子，反式激活靶基因的转录，调控氧化呼吸链复合体亚基、脂肪酸氧化酶类、参与线粒体DNA(mitochondrial DNA， mtDNA)复制与转录等相关核基因的转录，是血管衰老的中枢负调控因子。

线粒体基因表达和形态学的改变引起的细胞功能障碍可能是端粒功能障碍的结果[21]。端粒功能障碍引起线粒体功能受损、氧化呼吸链复合体损伤，导致氧化呼吸效率下降，活性氧自由基(reactive oxygen species，ROS)产量增加[22]，推动细胞趋向衰老。

端粒缩短达临界值，触发DNA损伤，经两种蛋白激酶毛细血管扩张共济失调突变蛋白(ataxia telangiectasia mutated，ATM)及共济失调毛细血管扩张RAD3相关蛋白(ataxia telangiectasia and rad3-related protein，ATR)识别。ATM/ATR识别DNA损伤，抑制MDM2，并介导p53蛋白激活，PGC-1α表达水平降低，下调其下游编码线粒体功能的核基因转录因子NRF-1、NRF-2、ERRα和PPARα水平[19]，使得编码线粒体生理功能的核基因转录受抑制，线粒体功能受损，ROS产量增加，进一步加速端粒磨损。此外，p53蛋白的激活提高细胞内促凋亡蛋白BAX、BAK和BID水平，抑制抗凋亡蛋白BCL-2和BCL-XL，促进线粒体膜通透性转换孔的开放，加速细胞色素C(cytochrome c， Cyt C)从线粒体膜间隙向细胞质中释放[23]，结合并激活凋亡蛋白酶激活因子1(apoptosis protease activating factor-1，Apaf-1)及半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶9前体(procaspase 9)，进而激活caspase 9、caspase 3、caspase 7，介导细胞凋亡[24](图1)。

Amano等[25]发现，线粒体关键抗衰老分子sirtuins蛋白受到PGC-1α、PGC-1β的调节，端粒较短时PGC-1α、PGC-1β蛋白的表达被p53蛋白抑制。此外，PGC-1α能够抑制氧化型低密度脂蛋白在细胞内的积聚，减少泡沫细胞生成，起到动脉粥样硬化保护作用。Xiong等[26]研究显示，在PGC-1α+/-ApoE-/-小鼠中，敲低PGC-1α基因引起小鼠血管产生衰老表型，抗氧化剂过氧化氢酶和乙酰化酶SIRT1的表达减少，主动脉p53蛋白表达水平提高，PCG-1α表达减少与小鼠体内氧化应激增加、线粒体异常和端粒酶活性降低有关。Sahin等[19]研究发现，在第4代TERT-/-小鼠中，PGC-1α和PGC-1β水平下降，心脏和肝脏mtDNA含量下降，线粒体密度降低，电子传递链的活性存在缺陷，且小鼠左心室壁变薄、直径增长。PGC-1α-/-ApoE-/-小鼠中，PGC-1α的缺失使主动脉TERT表达降低，p53蛋白水平上升；而PGC-1α的表达协同激活TERT的转录，逆转端粒功能障碍[27]。细胞通过端粒-p53蛋白-线粒体轴感知端粒磨损及功能障碍，导致器官组织和代谢的衰竭，加速了冠心病的发生与发展。

3.2 端粒-p53-细胞周期停滞机制

血管内皮细胞屏障受损是冠心病发生的病理基础。骨髓及外周血中存在内皮祖细胞(endothelial progenitor cells，EPCs)，能够修复受损的内皮细胞，维持内皮屏障的完整性，减少脂质的沉积。EPCs中DNA氧化损伤加剧、端粒磨损，可能与冠状动脉疾病发生、粥样斑块的形成密切相关。P53蛋白抑制多种干细胞自我更新，端粒功能障碍、DNA损伤、基因组不稳定可通过p53/p21通路触发细胞衰老[28]。

增殖活跃的细胞中，端粒功能障碍通过激活细胞周期检查点激酶1/2(cell cycle checkpoint kinase 1/2，CHK1/CHK2)，抑制MDM2的活性[14]，激活了p53蛋白依赖的DNA损伤检查点，使其下游p21蛋白转录增加，p21蛋白结合并抑制细胞周期蛋白依赖性激酶2(cyclin dependent kinase 2，CDK2)的活性；此外，CHK1/CHK2介导细胞周期分裂因子25A(the cell division cycle 25A，CDC25A)降解[29]，使得CDC25A促进CDK2功能减弱，细胞周期停滞在G1/S期。端粒磨损通过激活p53蛋白引起细胞周期停滞、衰老和凋亡，导致干细胞功能障碍，使其自我更新及活化修复组织损伤的能力受损[1](图2)。

端粒功能障碍激活p53蛋白，抑制PGC-1α功能，引起线粒体功能受损，氧化呼吸效率下降，ROS产量增加，并触发细胞凋亡机制，导致组织器官代谢衰竭，参与冠心病发生发展图1 端粒-p53蛋白-线粒体假说机制图

增殖活跃的细胞内，端粒磨损通过激活p53依赖的DNA损伤检查点，促进p21等蛋白转录增加，引起细胞周期停滞、衰老和凋亡，导致干细胞自我更新及修复能力受损，加速动脉粥样硬化的发生图2 端粒-p53-细胞周期阻滞假说机制图

4 展望

动脉粥样硬化被认为是一种血管慢性炎症性疾病，现有研究证明端粒缩短与包括心血管疾病在内的年龄相关性疾病的发病和死亡相关[30]，并已建立起端粒与冠心病密切联系的桥梁。WOSCOPS研究首次报道了他汀类药物与端粒长度在冠心病治疗中的作用，证明他汀可降低端粒较短的高危患者罹患冠心病的风险[31]，延缓患者端粒酶活性的下降及端粒磨损。他汀类药物治疗增强骨髓来源EPCs的动员，可使端粒shelterin蛋白复合体的TRF2蛋白表达量增加。

然而，目前多为横断面研究，不足以论证端粒磨损与动脉粥样硬化的因果关系。当前仍未形成细胞感知端粒磨损的完整信号机制，但证实端粒缩短通过激活p53蛋白牵动下游一系列分子表达水平的变化，引起机体复杂的病理生理过程，参与冠心病发生、发展和预后的多个阶段。p53蛋白已成为细胞识别过短端粒的重要信号靶点，调控细胞周期进程及线粒体生物发生和代谢功能，是端粒功能障碍分子信号通路的枢纽。基于端粒及端粒酶的创新性基因治疗方式和治疗靶点正在不断的研究和探索中，端粒酶基因疗法期盼能够通过弥补端粒磨损对冠心病提供预防与治疗，改善患者预后情况。

虽然证实端粒长度是心血管疾病的独立危险因素，端粒功能障碍与冠状动脉疾病相关，然而端粒长度能否成为临床上可行的风险评估因子，进一步指导临床策略制订仍需要未来大规模、多中心的前瞻性研究，以及长期的随访评估其应用效能。

利益冲突：无