微管在心血管疾病中作用机制的研究进展

吴巧敏，汪艳丽，刘金凤，常兴，姚舜宇，刘如秀

(中国中医科学院广安门医院心血管科，北京 100053)

微管是构成细胞骨架的非共价聚合物之一[1]。细胞骨架是一种完整的丝状蛋白质网络，其赋予细胞形态，促进细胞运动以及构建分离遗传物质所需的纺锤体。微管具有“动态不稳定性”，在生长期和解聚期之间循环，从生长到解聚的转变称为解聚作用(“灾难”)，从解聚到生长的转变称为聚合作用(“拯救”)。聚合和解聚速率以及“灾难”和“拯救”事件频率构成了微管动力学的4个特征参数。微管蛋白包括两种类型：α微管蛋白和β微管蛋白，两者形成异二聚体，可逆和动态聚合成微管细胞骨架元素，调节细胞形态，驱动有丝分裂，进而为细胞内运输提供平台，介导细胞的运动[2]。微管蛋白通过多种翻译后修饰过程，如乙酰化、去酪氨酸化等，在不同组织、细胞中产生执行不同功能的微管体系，发挥多样的微管生物学功能。微管作为胞内运输系统，与肌动蛋白联合参与心肌细胞线粒体的分布和能量运输，微管的失衡造成线粒体能量代谢的异常，进而损伤心肌细胞。有文献报道，微管在心血管疾病的发生中起关键作用[3-4]，而靶向微管治疗是调节心血管疾病的新机制，其有望成为心血管疾病治疗的新方法。现就微管在心血管疾病中作用机制的研究进展予以综述。

1 微管的生物学功能

1.1微管蛋白翻译后修饰 微管蛋白通过多种不同的翻译后修饰进一步多样化。乙酰化、去酪氨酸化、甲基化、磷酸化和棕榈酰化等翻译后修饰充当“微管蛋白代码”，进而影响微管与细胞器的相互作用，为多种生理环境提供物质基础。其中，乙酰化和去酪氨酸化在心血管疾病中发挥重要作用，也是目前心血管疾病研究较多的两种翻译后修饰。

1.1.1乙酰化 微管乙酰化发生在α/β微管蛋白异二聚体的α-亚单位第40位赖氨酸的氨基上，是唯一发生在微管腔内的修饰形式。微管乙酰化具有保持微管弯曲刚度或长度持久性的作用，有助于微管晶格应对机械应力，促进微管自我修复，如微管去乙酰化导致微管弯曲刚度降低50%，且微管断裂事件发生的可能性增加26%[5]。肌动蛋白是心肌细胞调节运动的蛋白质，肌动蛋白和微管之间存在相互串扰。肌动蛋白通过乙酰化依赖机制维持微管组织、动力学和稳定性，并且控制线粒体分布。若肌动蛋白扰动，组蛋白去乙酰化酶6(histone deacetylase 6，HDAC6)破坏微管蛋白和肌动蛋白之间的串扰，进而降低微管乙酰化水平，影响微管稳定性和线粒体分布[6]。肌动蛋白和微管之间串扰联系的破坏，将改变微管乙酰化，导致心肌细胞运功功能失常。

调节微管乙酰化的关键酶为α微管蛋白乙酰转移酶和HDAC6，它们分别添加或移除α微管蛋白的乙酰基[7-10]。依赖于踝蛋白和肌动球蛋白的底物刚性机械传感通过促进α微管蛋白乙酰转移酶募集到局灶黏附区来控制微管乙酰化[8]。其中，HDAC6使多种非组蛋白脱乙酰，参与细胞信号转导、侵袭体形成、应激颗粒生物学和基因转录等过程[11]，在调节微管稳定性和动力学中发挥关键作用。同时，HDAC6与沉默信息调节因子4互相作用，负调节乙酰-α微管蛋白水平，减少线粒体能量代谢[12]。因此，抑制HDAC6可升高乙酰化微管蛋白水平，增强线粒体运动[13-14]。

1.1.2去酪氨酸化/酪氨酸化 微管蛋白酪氨酸化是第一个确定的修饰形式。具有C端酪氨酸编码的α微管蛋白的细胞均经历了“去酪氨酸化/酪氨酸化”的循环。该循环中，微管蛋白羧肽酶去除 C端酪氨酸，随后由微管蛋白酪氨酸连接酶释放，调节去酪氨酸化/酪氨酸化的丰度。稳定的去酪氨酸化/酪氨酸化是微管依赖性机械传导的有效调节因子，具有调节细胞骨架力学的作用，其失调与心脏缺陷、心力衰竭等心血管疾病的发生相关[15-16]。

“去酪氨酸化/酪氨酸化”的稳定循环保证细胞功能正常发挥，而稳态失调致使微管结构和功能的异常。当影响“去酪氨酸化/酪氨酸化”循环的生物过程发生时，微管网络变薄、重组成束及机械传感力变化。微管亲和调节激酶4(microtubule affinity-regulating kinase 4，MARK4)靶向调节微管去酪氨酸化[3]，微调心肌细胞的微管网络结构。当MARK4水平降低时，微管被松散地固定，使得心脏更容易收缩和放松，而当MARK4表达增加时，微管机械阻力增加，阻碍心肌收缩[3]。微管去酪氨酸化的稳定与心脏烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶2依赖性活性氧产生(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase 2-dependent reactive oxygen species production，X-ROS)信号和Ca2+通道密切相关。X-ROS为微管依赖性机械传导的活性氧和Ca2+信号。去酪氨酸化的微管加剧了X-ROS的机械传导[17]。通过X-ROS机械传导途径，收缩或拉伸的机械应力与烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶生成的活性氧联系起来介导Ca2+通道[18]。拉伸诱导的X-ROS导致正常心脏中的细胞内钙通道处于同步激活状态，该途径的失调则引发非同步Ca2+释放和心律失常[18]。

1.2微管运输 细胞的生命活动依赖于胞内运输。在心脏中，微管和以微管为基础的胞内运输帮助构成和维持心肌细胞内肌节、肌质网膜等关键结构。心肌细胞的微管和中间丝共同构成交联支架，负责输送细胞内“货物”、传递机械信号、形成膜系统以及协同调控肌原纤维和细胞器[19]。微管运输与心肌细胞亚细胞器功能的发挥紧密相关。心脏是高耗氧和ATP需求的器官，仅线粒体就占心肌细胞体积的35%～40%[19]。因此，线粒体功能的正常发挥对于心肌细胞尤为重要。在细胞内，线粒体需要附着于细胞骨架元素上作为内部支架系统，从而控制线粒体形态[20]。微管等细胞骨架成分在细胞周期的不同时相发挥的作用不同，以微管和肌动蛋白为基础的马达分子、驱动蛋白以及细胞质动力蛋白水解ATP，从而将化学能转变为机械能，参与线粒体的运输和分布。微管作为线粒体运动的主要工具[21]，为ATP需求高的部位运输能量[22]。线粒体通过与α微管蛋白和β微管蛋白等的相互作用，调节细胞能量代谢、协调线粒体呼吸和氧化磷酸化及整个细胞生理功能[20]。

微管运输结构的破坏造成线粒体形态和能量的损伤，如微管重组、变形对线粒体能量代谢、呼吸功能造成影响，减少能量的产生和运输；周期性的拉伸改变细胞形态并引起微管重组，影响线粒体分布和ATP的产生[23]。当微管蛋白缺乏时，线粒体的呼吸功能及其对ADP的敏感性明显降低[24-25]。线粒体功能障碍在多种心血管疾病的进程中具有关键的调控作用，与之相关联的微管运输结构和功能的破坏亦成为心血管疾病发生发展的重要原因。

2 微管与心血管疾病的联系

心肌细胞富含微管网络，其可分为3个不同又相互重叠的群体：①与肌原纤维和线粒体平行的纤维间微管及环绕细胞核的额外群体；②垂直于肌原纤维、缠绕在心肌细胞周围的皮质微管，参与外部机械传导以及跨膜蛋白和离子通道的调节；③环绕于细胞核、核周细胞器的核周微管[19]。细胞骨架的结构和功能可以稳定细胞形态、功能、运输等，尤其对于富含微管结构的心肌细胞。微管蛋白功能的紊乱使心肌细胞线粒体产生明显的机械敏感性，参与心力衰竭、心肌病、心律失常等心血管疾病的病理过程[23,26-27]。因此，微管的失衡是造成多种心血管疾病的原因。

2.1微管蛋白与心肌梗死 缺血再灌注损伤由器官血流初始中断和血流随之恢复产生，是急性心肌梗死后的临床难题。缺血再灌注是心肌梗死的病理核心，可造成心肌细胞的致命性损伤。心肌细胞死亡的重要原因为微管及其与线粒体联系的破坏。心肌梗死期间，氧化应激增加，诱发了微管的突变，严重破坏正常的微管动力学[28]。其可能原因为氧化应激抑制心肌细胞糖原合成酶激酶-3β，降低微管正端示踪蛋白磷酸化，导致微管正端示踪蛋白从微管中移位，由此破坏细胞骨架结构[28]。而当细胞骨架破坏时，细胞骨架与线粒体的相互关系发生显著变化，致使心肌细胞完整性受损[29-30]。骨架破坏的过程中，随着β微管蛋白的异常改变，线粒体呼吸功能受损，能量转移功能降低[31-32]。且氧化应激损伤促使线粒体释放大量活性氧，线粒体通透性转换孔过度开放，线粒体内膜对溶质的渗透性突然增加，致使线粒体水肿破裂，启动细胞凋亡，引发心脏不可逆损伤[33]。

微管去酪氨酸化调节的微管动态变化是保护心肌梗死后心肌细胞收缩功能的重要机制。稳定的去酪氨酸化微管与结合蛋白结合收缩心肌细胞，为心肌细胞提供机械阻力。微管蛋白的“去酪氨酸化/酪氨酸化”循环的失调导致微管功能的紊乱，影响心肌细胞收缩功能[34-35]。研究发现，敲除MARK4可减少心肌梗死后心肌微管去酪氨酸化，保护心脏收缩功能。在心肌梗死面积相同的情况下，MARK4敲除小鼠左心室射血分数仅降低4.3%，而对照小鼠左心室射血分数降低37.9%，严重影响了心脏收缩功能[3]，说明抑制微管去酪氨酸化可显著改善心肌梗死后的心肌收缩功能。

2.2微管蛋白与动脉粥样硬化 动脉粥样硬化是多种心血管疾病发病的病理学基础。动脉粥样硬化和血管狭窄与血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cell，VSMC)增殖紧密相关。VSMC产生细胞外基质分子(间质胶原、弹性蛋白及蛋白多聚糖等)，使血管内膜层增厚[36]，并通过脂质介导的氧化DNA损伤和端粒功能障碍及转分化驱动动脉钙化，形成动脉粥样硬化[37-38]。微管动力学调节细胞迁移过程，不稳定的微管促进了VSMC的迁移[39]，而微管乙酰化增加微管稳定性，从而抑制VSMC定向迁移和内膜新生[40]。微管相关的MARK4蛋白在动脉粥样硬化的发生发展中亦发挥作用。MARK4具有调节脂质(胆固醇、脂肪酸和三酰甘油)代谢、炎症、胰岛素信号、葡萄糖稳态、白色脂肪细胞褐变和氧化应激的作用[41]。研究发现，动脉粥样硬化患者的MARK4表达显著增加[41]，说明MARK4过度表达可能诱发动脉粥样硬化。其具体机制可能为MARK4参与内源性损伤相关分子模式，启动动脉粥样硬化炎症反应。微管调节核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3)的细胞内分选，介导NLRP3炎症小体的组装，促进NLRP3向线粒体募集[42]，并产生白细胞介素-1β，响应内源性损伤相关分子模式，启动动脉粥样硬化炎症反应[43]。MARK4是NLRP3炎症小体的特异性免疫调节剂，特异性靶向NLRP3激活炎症。当敲除MARP4时，细胞中的NLRP3炎症小体明显减少，内皮损伤和动脉粥样硬化程度减轻[44]。说明微管的稳定性及其分子调控动脉粥样硬化的发生发展，参与细胞增殖、炎症损伤等关键病理过程。

2.3微管蛋白与心律失常 经典的抗心律失常药物包括β受体阻滞剂和针对特定离子通道的药物，但其缺乏心脏特异性，治疗窗狭窄，不能有效改善预后。胞内运输在心律失常的发生发展中起重要作用，为治疗心律失常新的干预靶点。微管作为细胞内分子运输系统的组成部分，微管聚合与解聚的动态平衡有利于减少心律失常事件的发生。当阻止微管的解聚时，可以改善缺血等损伤诱发的心律失常[45]。抑制微管聚合亦可减少心律失常发生，如秋水仙碱靶向抑制微管聚合可降低术后心房颤动的发生率[46]，减少不良心血管结局[47]。

微管翻译后修饰的异常表达诱导心律失常的发生。在心肌细胞中，生理性拉伸和电诱发收缩激活X-ROS，产生活性氧，并增加兰尼碱受体(一种Ca2+释放通道)的敏感性，触发Ca2+火花爆发[27,48]。在疾病状态中，X-ROS触发Ca2+火花导致心律失常[27,48]。当微管去酪氨酸化减少时，X-ROS及下游信号可被抑制，从而保护心肌细胞免受有害的Ca2+信号和减少应激性心律失常的发生[17]。HDAC6通过去除微管蛋白的乙酰化，破坏了心肌收缩能力而诱发心律失常[49]，这也是心力衰竭后心律失常的病理机制。缝隙连接蛋白43重塑与非缺血性心力衰竭中的电传导速度受损和致命性室性心律失常有关[50]。微管改变和α微管蛋白乙酰化减少导致缝隙连接蛋白43的重塑，进而改变心肌细胞之间的正确通讯，最终导致电传导障碍，诱发恶性心律失常[51]。

3 心血管疾病的微管靶向治疗

靶向微管的治疗可能成为心血管疾病治疗的新策略。药物抑制微管去酪氨酸化可降低衰竭心肌细胞的黏弹性，恢复心脏40%～50%的收缩功能[52]，因而，研究者们尝试靶向微管以防治心血管疾病。秋水仙碱是经典的微管蛋白抑制剂，其可通过与微管蛋白结合阻断微管聚合。目前口服低剂量秋水仙碱越来越多地用于治疗心血管疾病，如急性冠状动脉综合征、术后心房颤动、动脉粥样硬化等[53-57]。多个靶向微管的分子研究也在进行中，如MARK4抑制剂改善心肌梗死、心力衰竭后的心肌收缩功能，HDAC6抑制剂治疗心房颤动和缓解缺血再灌注损伤等。因此，未来将会有更多调节微管平衡的药物用于治疗心血管疾病。

4 小 结

心血管疾病是最常见的死亡原因，其高发病率、高死亡率使研究者们不断致力于研究降低心血管疾病风险和治疗心血管疾病的方法。微管从多方面参与了心血管疾病的发生、发展及重要的病理过程，在细胞的形态、运输、细胞器互作等方面起到关键作用。心脏富含微管结构，微管失衡是心肌梗死、动脉粥样硬化等心血管疾病发生的病理机制。随着实验技术不断改进和实验方法的更新，心血管疾病中微管失衡的分子不断被挖掘，使得微管的机制逐步被完善和充实，未来或许有更多的靶向微管的药物用于心血管疾病的防治。