BAG3蛋白在心脏疾病中的研究进展

李 丹,陈建淑,谢亚斐,丁 虹,张小卫

(兰州大学 1. 第二医院心内科、2. 第二临床医学院,甘肃 兰州 730000)

Bcl-2相关永生基因3(Bcl-2 associated athanogene 3,BAG3)是一种由575个氨基酸组成的多功能蛋白,1999年作为热休克蛋白70(heat shock protein 70,Hsp70)的相互作用蛋白首次被分离出来[1]。BAG3属于抗凋亡的BAG家族,因为所有家族成员的C端都具有BAG结构域而得名。2006年,Homma等[2]发现BAG3缺乏的小鼠心肌和骨骼肌会发生强烈的肌原纤维变性,并在4周龄时死亡,这首次证明了BAG3在心脏中的重要作用。BAG3在成熟心肌细胞中定位于Z盘并维持Z盘的稳定性。除此之外,BAG3还可以减少心肌细胞凋亡、调节蛋白质量控制系统、维持线粒体稳态以及调节心肌收缩力[3]。心脏疾病是由心脏结构和功能异常引起的多种心脏病变的总称,严重威胁人类健康[4]。近年来,BAG3已经被发现与多种心脏疾病相关,本文将对BAG3基本结构和功能、调控作用机制及其在各种心脏疾病中作用的研究进展进行综述。

1 BAG3的基本结构和功能

BAG3是一种普遍存在于真核生物的胞质蛋白,在基因和蛋白层面高度保守。BAG3包括5种结构域(Fig 1):①BAG结构域,这是BAG3与其他BAG家族成员唯一的共同点;②富含脯氨酸的PXXP结构域;③两个IPV(Isoleucine-Proline-Valin)基序;④两个磷酸丝氨酸结构域位于两个IPV基序之间,是14-3-3蛋白的结合位点;⑤WW结构域[5]。

BAG3在心肌细胞中的生理功能包括以下方面(Fig 2):①抗凋亡:作为抗凋亡蛋白家族的一员,BAG3通过BAG域和Bcl-2的结合抑制线粒体外膜上电压依赖性阴离子通道的开放,从而阻断线粒体释放细胞色素,最终导致半胱天冬酶级联激活的信号传导途径改变[1]。不仅如此,BAG3与抗凋亡蛋白Bcl-2结合还可以拮抗Bax(Bcl2-associated X)、Bad(Bcl2-antagonist of cell death)、Bak(Bcl2-antagonist killer)等的促凋亡作用[6]。此外,有报道称BAG3抑制凋亡的作用还与NF-κB通路相关,但这其中的机制尚需进一步阐明[6]。②调节蛋白质量控制系统:BAG3选择性的巨自噬也被称为分子伴侣辅助的选择性自噬。错误折叠的蛋白质之间相互聚集形成聚集体,聚集体和BAG3/HspB8/Hsp70复合体结合,BAG3介导复合物和动力蛋白的结合[7]。聚集体被转运到核周,与溶酶体结合后被彻底水解。③维持线粒体稳态:BAG3在调节心肌细胞线粒体动力学和线粒体质量控制中的作用已被报道。线粒体质量控制机制通过针对功能失调的线粒体进行降解和清除来维持线粒体的稳态。当线粒体膜丢失、去极化时,Parkin作为E3泛素连接酶以PINK1依赖的方式泛素化受损的线粒体,最终将其清除[8]。也有研究发现,BAG3突变小鼠心脏中线粒体裂变和融合蛋白改变,会进一步导致进行性心衰的发展[9]。④维持Z盘的结构完整:Z盘在心肌细胞中维持正常的机械活动,对于心肌细胞的重要性可想而知。BAG3在成熟心肌细胞中定位于Z盘,稳定Z盘并连接相邻的肌节[10]。BAG3通过促进肌动蛋白盖帽蛋白Z(capping protein z,capZ)和Hsp70的关联确保肌动蛋白在Z盘的正确锚定[1]。细丝蛋白是广泛存在于心肌细胞中的蛋白质,主要通过与肌动蛋白交联维持肌节的机械稳定性。BAG3对于细丝蛋白的清除和生成十分重要,不仅通过伴侣辅助选择性自噬途径清除受损的细丝蛋白,还可以通过其WW域和细丝蛋白转录激活因子YAP和TAZ的抑制剂(LATS1/2、AMOTL1/2)结合,从而刺激细丝蛋白基因的表达[1]。⑤调节心肌收缩力:BAG3在肌膜和横管与Na+-K+-ATP酶及L型钙通道共定位,偶联β1-肾上腺素能受体和L型钙通道,通过调节β1-肾上腺素能受体信号传导和动作电位的持续时间影响心肌收缩功能[11]。

2 BAG3的调控作用机制

2.1 BAG3与HSF1在真核细胞中,应激反应基因的表达主要由热休克因子1(heat shock factor 1,HSF1)调节。HSF1在非应激条件下以非活化形式存在,只有在应激时才会暂时活化。最近有研究结果提示,心脏BAG3的表达和肌丝定位与 HSF-1 相关。BAG3基因启动子中存在3个HSF1结合位点,即热休克原件1-3(heat shock element 1-3,HSE1-3)。EMSA和ChIP实验检测到HSF1与3个HSE相互作用,但与HSE1的结合很弱。并且发现可以通过调控HSF1的活性来影响BAG3的表达[12]。在心肌中,BAG3突变和BAG3蛋白水平降低与细胞凋亡增加和肌节结构紊乱有关[2]。调控BAG3的表达及活性已被提议作为心肌病的治疗策略[13]。

2.2 BAG3与NF-κB通路核因子-κB(nuclear factor kappa B,NF-κB)广泛存在于真核细胞胞质中。心肌缺氧可能导致多种心脏疾病的发展,如心力衰竭、心肌梗死等[14]。有研究表明,缺氧引起心肌细胞内BAG3的mRNA和蛋白表达增加,BAG3上调NF-κB的亚基p65的磷酸化,进而激活NF-κB信号通路和自噬过程并抑制细胞凋亡,表明BAG3在缺氧损伤的心肌细胞中具有保护作用。另一方面,抑制BAG3的表达也会显著降低NF-κB的激活[15]。BAG3与NF-κB的相互作用在自噬、细胞增殖、凋亡等各种生理过程中发挥重要作用[1],调控BAG3的表达可能为缺血性心脏病的治疗提供新的思路。

Fig 1 The schematic diagram of BAG3 structure and interacting proteins

Fig 2 The physiological role of BAG3

2.3 BAG3与Akt-mTOR 通路雷帕霉素靶蛋白(molecular target of rapamycin,mTOR)是属于磷脂酰肌醇相关激酶家族的一种丝氨酸/苏氨酸激酶[16]。mTOR信号通路是调控心脏生理性肥大的最经典通路,研究表明,BAG3通过激活PI3K-Akt-mTOR通路促进心肌生理性肥大[17]。而另一方面,PI3K-Akt-mTOR通路的过度激活也可能引起心肌组织缺氧[17]。如何在促进心肌生理性肥大的同时避免心肌组织缺氧也是亟待解决的问题。

3 BAG3在心脏疾病中的研究进展

3.1 BAG3与扩张型心肌病(dilated cardiomyopathy,DCM)DCM是慢性心力衰竭的重要原因,也是心脏移植的最常见指征[18]。在普通人群中DCM的患病率约为1/(250～400),这不仅给患者带来沉重的负担,还造成卫生资源的大量消耗[19]。近年来BAG3已被发现是DCM的相关致病基因,多种BAG3突变和DCM的发病密切相关[20](Fig 3)。第一项关于BAG3与DCM相关性的研究来自于Ellinor等[21]对DCM、心肌纤维化和猝死患者的研究,他们发现这些疾病表型与包含BAG3基因的10q25-26染色体上的基因座相关。对于DCM相关基因的循证整理结果显示,BAG3突变被归类为DCM的明确证据[22]。迄今为止最大的BAG3突变相关的DCM队列研究结果表明,由BAG3突变引起的DCM大多以早发性的为特征,进展为终末期心衰的风险很高,而且男性患者的预后较差[23]。

BAG3在减少心肌细胞凋亡、维持蛋白质稳态、调节线粒体稳定性、调节心肌收缩、减少心律失常等方面有很大贡献,从而对心肌细胞起到保护作用。所以BAG3的突变会导致其正常生理功能的改变或是丧失,进而促进DCM的发生发展[23]。虽然目前调控DCM患者BAG3表达的分子机制尚不完全清楚,但BAG3突变与DCM的相关性以及BAG3在DCM心肌细胞中的功能为DCM的诊断和治疗提供了必要的见解。

3.2 BAG3与心力衰竭(heart failure,HF)HF是许多心脏疾病的终末期,也是世界范围内死亡的主要原因之一[24]。以往研究发现BAG3表达水平与HF表型密切相关,而且在临床上BAG3血浆浓度已经被认为是HF患者死亡风险的预测因素[1]。目前BAG3在HF中的研究已经深入到对于其中机制的探索。关于HF的GWAS全基因相关联研究(genome-wide association studies,GWAS)荟萃分析结果表明,BAG3主要是通过调节蛋白质稳态来参与HF的发生发展,并且有研究发现增加BAG3的表达可以恢复蛋白更新和心功能[25]。除了影响蛋白稳态,BAG3的P209L突变体所致的HF的小鼠体内还发现淀粉样蛋白前低聚物,线粒体动力学异常以及p38信号的激活[9]。

肌节的复杂成分不断暴露于收缩拉伸之下,导致蛋白质折叠和凋亡信号的变化,所以适当水平的BAG3在心脏中特别重要[25]。但仍需要更详细的分子机制说明HF患者心脏中BAG3水平变化的原因,并评估恢复BAG3正常水平能否挽救HF患者下降的心功能,最终应用于临床工作中。

3.3 BAG3与限制型心肌病(restrictive cardiomyopathy,RCM)RCM是以心室充盈受限为特点的心内膜纤维化,5年存活率为30%左右,愈后较差[26]。BAG3的P209L突变导致严重的儿童RCM、肌营养不良、呼吸功能不全和多发性外周神经病[27]。广泛的纤维化导致心肌硬化和心室舒张期充盈受损的表现与动物模型中的病理学结果一致[28]。此外,在表达人BAG3 P209L的小鼠中还观察到Z盘解体和蛋白质聚集体,导致早发RCM。该疾病的发病机制是由于人BAG3 P209L和小鼠BAG3的积累,导致蛋白质量控制系统和自噬机制分离,进而破坏肌节[28]。降低人BAG3 P209L的表达不仅可以缓解RCM的临床症状,而且在细胞水平发现蛋白质聚集体大幅减少[28],再次强调了蛋白质聚集体形成对RCM病理生理学的影响并且表明通过降低病理蛋白的表达水平可能阻止甚至逆转疾病的进展。

Fig 3 DCM-related BAG3 mutations

3.4 BAG3与Tako-Tsubo心肌病(Tako-Tsubo cardiomyopathy, TTC)TTC又称应激性心肌病,目前被认为是一种不明原因的心脏疾病。TTC临床表现酷似急性心肌梗死,绝经后的女性多发,通常由情绪或身体压力引发[29]。正常情况下,microRNA-371a-5p(miR-371a-5p)使心肌细胞对肾上腺素的反应中BAG3上调。相反,BAG3 3′-UTR中g2252c多态性影响其与miR-371a-5p的绑定[30]。TTC心肌细胞中BAG3水平下降,失去对心脏的保护作用。也就是说,g2252c变体使心肌细胞易受表观诱导的损伤[30]。

4 讨论与展望

随着对BAG3在心脏疾病中的研究不断深入,人们更清晰的认识到其在生理、病理状态下发挥作用的机制。维持Z盘的稳定性、减少心肌细胞凋亡、调控蛋白质量控制系统、维持线粒体稳态和调节心肌收缩力,这是BAG3目前已知的在心肌细胞中发挥作用的方式。了解BAG3在疾病中的作用机制有助于临床工作中心脏疾病的诊断和治疗,但目前BAG3的调控机制仍未完全清楚。而且在疾病的诊治方面也还存在尚未解决的问题,例如随着BAG3成为化疗的新靶标,如何保证在调节肿瘤细胞凋亡和自噬的同时不影响心脏中的这些途径。

心脏疾病十分常见,严重危害人类健康,但是至今仍不能十分清楚地了解其发病机制。BAG3在心脏疾病中的研究加深了我们对心脏疾病发病机制的理解。BAG3在心脏疾病中发挥重要作用,可以作为心脏疾病的诊断标志物。同时,有研究表明,恢复BAG3的正常水平和结构可能对心脏疾病有治疗意义。现已有多种可能的治疗思路,如通过miRNA调控BAG3的表达、根据BAG3各个结构域的功能开发小肽,或是抑制由BAG3突变体激活的异常信号通路。深入研究BAG3参与的信号通路的调控机制,并将BAG3在心脏疾病的研究逐步应用于临床,可以为广大患者带来福音。