泛素-蛋白酶体系统在心脏中的作用*

缪林煜 赖玲

据WHO 称，心血管疾病是全世界发病率和死亡率的主要原因[1]，如慢性心力衰竭，其特征是心脏不能泵出足够的血液和氧气来支持各组织及器官的需要。心力衰竭可急性发病，但更常见于由慢性疾病引起，如慢性高血压、瓣膜疾病或先天性缺陷引起的血流动力学负荷过重[2]。随着医学技术的进步及对潜在致病机制的认识，在发达国家中心血管疾病的危险因素略有下降，从而降低了发达国家心血管事件的发生率，但中低收入国家的发生率却稳步上升[3]。如此令人沮丧的统计数据和对未来巨大的医疗投入的估算，促使寻找能减缓疾病进展的新的病理生理机制和治疗靶点成为当务之急。而蛋白酶体系统在心脏中的调控作用可能在心脏疾病中起到干预和治疗的作用。本综述将总结有关心脏生物学中涉及的特异性E3 连接酶的最新报道，以及蛋白酶体在心脏疾病中调节蛋白质控制的基本作用。

1 泛素-蛋白酶体系统的功能

1.1 泛素-蛋白酶体系统 过去的几十年中，泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system，UPS）在蛋白质的降解中控制着许多基本的生物学过程。现在的研究也表明，在大多数哺乳动物细胞中，UPS降解约90%的蛋白质，其中确保具有内在毒性的、错误折叠的、氧化或损伤的蛋白质被它降解[4]。多达30%新合成的蛋白质在合成后几分钟内就会被蛋白酶体降解[5]。除了在清除受损或错误折叠的蛋白方面发挥作用，UPS 还以高度调控的方式靶向降解特定的底物。目前泛素蛋白酶体系统在绝大部分细胞中存在重要作用，如在细胞核、细胞质、内质网及膜蛋白中，都是由泛素化酶和蛋白酶体参与其合成与降解[6]。除蛋白酶体外，在溶酶体、自噬体中，蛋白质降解的其他机制还包括非蛋白酶体细胞内蛋白酶裂解。Nemchenko 等[7]对自噬体在心脏生物学和心脏疾病中的作用做了全面阐述。尽管UPS 主要在细胞和癌症生物学背景下进行研究，但越来越多的研究表明，UPS 功能障碍在心脏疾病中发挥作用。

1.2 心脏特异性蛋白酶体 26S 蛋白酶体包括催化20S 和调节19S。19Scap 由6 种atp 酶（Rpt1-6）和12 种非atp 酶（Rpn）亚基组成，提供进入催化核心的途径。PA28 也被称为11S，是20S 的非ATP依赖性激活剂。不同的11S 复合物具有不同的亚细胞定位。催化复合物在其1、2 和5 个亚基内分别含有caspase 样、胰蛋白酶样和糜蛋白酶样肽酶活性。这些催化亚基被可诱导的亚基（称为1i、2i 和5i）取代，以响应免疫刺激。在许多形式的心肌病中，包括缺血-再灌注损伤和糖尿病心肌病，可诱导的亚单位表达显著增加[8]。

哺乳动物心脏蛋白酶体具有分子异质性[9]，如：19S 复合物内Rpn10 的选择性剪接亚型；其功能调节不同于其他组织中的蛋白酶体和酵母细胞，这主要与几种蛋白酶体的组织特异性表达有关。Kloss等[10]最近的研究根据对蛋白酶体抑制剂的易感性，对不同的蛋白酶体亚群进行分类，将大鼠心脏蛋白酶体分为不同的亚型。11S 和PA200 复合物在与其他器官不同的基础条件下对心脏不起主要调节作用，但在应激状态下如应激性糖尿病起作用[11]。此外，20S 亚单位复合物的β1i 亚基在心脏中也起重要作用，因为其缺陷加剧了小鼠的缺血-再灌注损伤；β1i 基因敲除导致氧化蛋白的积聚和蛋白酶体活性的降低，提示β1i 可能影响心肌蛋白酶体对氧化应激的反应。

2 蛋白酶体在心肌重塑中的作用

2.1 心肌重塑 心肌重塑发生在心肌损伤如坏死、压力超负荷、容量超负荷或老化后，涉及心腔大小、形状和功能的改变。心肌肥厚是心肌重塑的常见形式，一般在心力衰竭之前发生。心肌肥厚被认为是心脏的代偿性反应，通过心肌增厚使心室壁顺应力恢复正常[12]。对于心肌肥厚是一种生理性还是一种病理性的过程是一个有争议的问题。最近的研究表明，心肌肥厚的生理性或病理性肥大是与不同的刺激时间和性质相关[13]。虽然心肌肥厚在短期内通过使室壁顺应力正常化而获益，但长期心肌肥厚导致心力衰竭和心血管死亡率风险升高。

心肌肥大的特点是心肌细胞增大而不是增殖，因为心肌细胞是终末分化的，这通常归因于细胞蛋白质含量的增加。在心肌肥厚时，蛋白质合成和蛋白质降解速率均增加。蛋白质降解速率增加作为翻译蛋白质的控制机制，以确保任何异常合成的蛋白质被降解。

2.2 UPS 在慢性心力衰竭中的作用 考虑到UPS 在心肌肥厚中所起的作用，将UPS 与心肌肥厚联系起来的统一模型并不奇怪。在衰竭心脏人体活检分析下蛋白质降解缺陷可导致心力衰竭。然而，尽管大多数研究一致表明在衰竭的心脏中泛素化蛋白和泛素阳性聚集物的总水平很高，但仍不清楚这是否归因于蛋白酶体功能受损[14]。也有研究表明在衰竭心脏中蛋白酶体的水平和活性未发生变化；相反，其他研究表明在衰竭心脏中蛋白酶体活性受损，可能是由于蛋白酶体亚单位氧化修饰的结果[15]。在压力超负荷小鼠蛋白酶体活性的长期评估显示，蛋白酶体活性的降低预示着心脏功能障碍[16]。反过来，已证实的慢性心力衰竭患者的左心室去负荷导致蛋白酶体活性改善[17]。最近Predmore 等[18]再次强调了这一点，他们发现蛋白酶体水解活性在衰竭的人类心脏中显著减少并可以在左心室去负荷后部分恢复。

2.3 蛋白酶体抑制在心脏中的作用 蛋白酶体抑制在心脏疾病中的作用一直是人们关注并感兴趣的热点。Depre 等[19]发现，用药理学抑制蛋白酶体活性可防止心肌肥大，尤其是在承受较高压力的心内膜下层，恢复并增加犬在慢性压力超负荷时蛋白酶体的表达和活性。值得注意的是，蛋白酶体抑制剂如环氧酶素完全抑制了左室肥厚。在另一个起搏诱导心力衰竭的犬模型中，发现编码蛋白酶体亚单位、E2 泛素结合酶和E3 泛素连接酶的基因上调[20]。此外，Meiners 等[21]证实了低剂量的硼替佐米下调UPS，从而抑制心肌细胞肥大。然而Stansfield 等[22]和Hedhli 等[23]使用其他蛋白酶体抑制剂的小鼠心肌肥厚消退。蛋白酶体抑制作为一种心脏保护手段的概念已经引起了人们的关注。与上述研究相反，Tang 等[24]最近发现硼替佐米的慢性蛋白酶体抑制足以诱导左心室肥大，程度与横向主动脉缩窄相似（TAC：一种诱导肥大的实验方法）。更重要的是，硼替佐米抑制蛋白酶体使TAC 引起的肥大恶化，并导致小鼠心力衰竭和死亡，支持蛋白质降解问题可能导致心肌重塑和慢性心力衰竭进展的假设[25]。

3 心脏生物学中涉及的降解途径

考虑到UPS 系统的复杂性，可以合理地预期在未来的几年中，许多新的信号通路和UPS 功能将在心脏中被发现。本节将讨论以下已知的心脏E3 泛素连接酶。

3.1 结构蛋白：肌节 UPS 除了对蛋白质的控制外，在长寿肌节蛋白转换中也存在作用。使用蛋白酶体抑制剂和细胞稳态中ATP 含量降低的研究表明，UPS 介导了哺乳动物细胞中肌原纤维的降解，而可溶性肌原纤维包括肌球蛋白、肌动蛋白和肌钙蛋白，而它们在多种复合物中的结合能够保护它们进入UPS 循环[26]。在体外培养的心肌细胞中，肌球蛋白重链被蛋白酶体降解，心肌肌钙蛋白I 被肌肉特异性MuRF1 降解，这也降低了心肌收缩性[27]。最近，心脏特异性F-box 蛋白Fbxl22 被证明可促进关键肌节蛋白的蛋白酶体依赖性降解如α-actinin和flaminC[28]。

3.2 Atrogin Atrogin 也称为肌肉萎缩因子F-box，是一种肌肉和心脏特异性F-boxE3 泛素连接酶，是心肌重塑的基本调节因子。最初显示在骨骼肌萎缩中具有关键作用，在骨骼肌萎缩和其他分解代谢状态中诱导[29]。Atrogin 还可抑制生理性心肌肥大，生理性心肌肥大不依赖于钙调节神经磷酸酶，而是依赖于Akt 信号的激活，Akt 信号增加促进心肌肥大的蛋白质合成和转录[30]。Atrogin 通过增强转录因子FoxO1 和FoxO3a 的活性来抑制生理性心肌肥大，FoxO1 和FoxO3a 是激活肌肉萎缩相关基因的转录因子家族成员。Atrogin 介导泛素的K63 连接链泛素化到FoxO 转录因子，而不是典型的K48 连接泛素链，后者通常调节蛋白降解[31]。Atrogin 如何调节这两种不同类型的泛素化链却有待研究。此外，K63 连接的泛素链能刺激FoxO 转录因子转录活性的机制也仍未明确。

关于Atrogin 的功能，仍有几个未解之谜。首先，Atrogin 的基因敲除和过表达在心肌重塑和心力衰竭中的作用如何？其次，泛素连接酶如何导致骨骼肌萎缩以及心肌肥大？最后，在心肌肥大过程中，是何种转录因子激活Atrogin 表达尚不清楚。

4 UPS系统对心脏病的治疗干预

肿瘤细胞对蛋白酶体抑制敏感，使蛋白酶体成为开发抗癌疗法的理想靶点。事实上，正在进行研究的新型蛋白酶体抑制剂硼替佐米是一种高度选择性、可逆性26S 蛋白酶体抑制剂，已可用于治疗多发性骨髓瘤和套细胞淋巴瘤。其作用于蛋白酶体不同的抑制剂目前也正在研发中[32]，这篇综述总结了蛋白酶体抑制剂在治疗心脏疾病中有新的疗效。然而，考虑到蛋白酶体功能的抑制和增强都有可能赋予心脏保护作用，在这个相对较新的领域中仍有几个问题有待解决。如前所述，蛋白酶体抑制程度似乎决定了是否存在心脏保护或心脏毒性。因为UPS参与了细胞的基本过程，特别是在长期治疗中，抑制整个途径共同的酶如蛋白酶体，可能非特异性损害许多过程并产生毒性[33]。

在治疗策略涉及使用细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂治疗心脏病，是利用其共同的信号通路驱动癌症及心肌肥大。最近研究表明，细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂p27 的降解通过介导心肌细胞的病理性肥大，在心脏重塑中发挥关键作用[34]。众所周知，p27 的水平是由SCF-SKP2 泛素连接酶控制的，通过增强p27 信号传导或使用特异性抑制剂抑制其降解来调控p27 蛋白水平可能对心力衰竭的治疗有益[35]。

综上所述，UPS 在心肌重塑、慢性心力衰竭中发挥着重要作用，在治疗心脏疾病中起着干预和治疗的可能。它还可调节细胞的基本功能，包括有丝分裂、DNA 复制和修复、细胞分化和转录调节，这些都在心脏生物学中发挥作用。展望未来，有可能在心脏中识别越来越多的UPS 底物及其特异性E2、E3 复合物。从治疗学的角度来看，在心脏疾病中UPS 不但调节蛋白质控制的基本作用，且调节UPS使其在目标心脏保护的最佳区域内发挥作用将是至关重要的。在不久的将来，可以期待开发出能优化调节UPS 以实现心脏保护的新型治疗药物，虽然存在着重大挑战，但心脏病患者很可能因此获益。