蛋白质O-连接-N-乙酰葡萄糖胺修饰在心力衰竭中的作用的研究进展

张小雪 王汶芳 王占黎

基金项目：国家自然科学基金项目（编号：82170296）

作者简介：张小雪，在读硕士研究生，研究方向：炎症与免疫。

通信作者：王占黎，博士研究生，教授，研究方向：感炎、炎症与免疫。E-mail：wang.zhanli@hotmail.com

【摘要】蛋白质O-连接-N-乙酰葡萄糖胺（O-GlcNAc）修饰是细胞内普遍存在的重要蛋白质翻译后修饰，对于细胞生物学功能至关重要。这种翻译后修饰可影响细胞的翻译与转运，对维持和促进正常细胞发挥功能有重要意义。蛋白质O-GlcNAc修饰对心脏组织有重要作用，短期内增加的蛋白质O-GlcNAc对心脏有保护作用，而长期增加的蛋白质O-GlcNAc导致心脏功能障碍。蛋白质O-GlcNAc修饰在心血管疾病中的辅助治疗作用已成为当前研究热点。现就蛋白质O-GlcNAc修饰在心力衰竭中的作用的研究进展进行综述。

【关键词】O-连接-N-乙酰葡萄糖胺；心力衰竭；心脏保护

【中图分类号】R541.6+1 【文献标识码】A 【文章编号】2096-2665.2024.08.0.04

DOI：10.3969/j.issn.2096-2665.2024.08.004

心力衰竭（heart failure， HF）是一种心血管疾病，其症状和体征由心室充盈或射血功能损伤引起[1]。HF是一种较常见的心内科疾病，目前其治疗主要依靠药物、器械及手术等方式。近年来，许多研究揭示了蛋白质O-连接-N-乙酰葡萄糖胺（O-GlcNAc）修饰的功能及其在心脏、心肌细胞和脉管系统中的复杂动力学。在原核生物和真核生物中，近50%的蛋白被糖基化或结合多种糖基化物质。在多种多样的生物生长发育过程中，从胚胎发育、细胞分裂到蛋白质结构调控，糖基化都发挥作用。O-GlcNAc修饰是一种高度动态且普遍存在的蛋白质翻译后修饰，广泛分布在细胞核及细胞质中，可修饰数百种蛋白质，这种蛋白质的翻译后修饰对维持和促进正常细胞发挥功能有重要意义，如果缺失会导致一系列疾病，甚至死亡[2]。随着现代医学技术的进步，许多学者对蛋白质O-GlcNAc修饰在介导心血管疾病中的作用及将其作为治疗性靶点的可能性进行了研究与分析。本研究重点探讨蛋白质O-GlcNAc修饰在心力衰竭中的作用的研究进展。

1 蛋白质O-GlcNAc

细胞核及细胞质蛋白的糖基化是通过单糖N-乙酰葡糖胺（GlcNAc）的O-连接对丝氨酸或苏氨酸残基进行快速和动态的修饰，该过程被称为蛋白质O-GlcNAc修饰。蛋白质O-GlcNAc修饰的变化是导致机体代谢紊乱的基础，其涉及多种病理生理过程，包括癌症、神经退行性疾病及心血管系统疾病等[3]。研究表明，蛋白质O-GlcNAc修饰是心肌细胞炎症应激的重要影响因素，急性升高的O-GlcNAc修饰通过上调己糖胺生物合成途径（HBP），从而有效地减轻心肌缺血/再灌注（I/R）的损伤，起到心脏保护的作用；而随着时间的推移，蛋白质O-GlcNAc修饰会逐渐增加，降低心脏收缩力，最终导致心血管功能的障碍[4]。蛋白质中O-GlcNAc的添加和去除是通过真核生物中酶的作用进行的，这使O-GlcNAc修饰是可逆的，而该可逆性有助于维持细胞 O-GlcNAc 水平的平衡。目前，已有两个基因被证实为蛋白质O-GlcNAc修饰的主要调节因子，分别是O-GlcNAc转移酶（OGT）和O-GlcNAc糖苷酶（OGA）。OGT将O-GlcNAc修饰添加到丝氨酸/苏氨酸残基，而 OGA是去除O-GlcNAc修饰的酶。

另外，蛋白质O-GlcNAc的翻译后修饰由HBP产生。在HBP的生物合成过程中， 首先通过L-谷氨酰胺-D-果糖-6-磷酸酰胺转移酶（GFAT）将果糖-6-磷酸（Frc-6P）转化为葡糖胺-6-磷酸（GlcN-6P）。然后，经过一系列酶促步骤，GlcN-6P被转化为尿苷-二磷酸-N-乙酰葡糖胺（UDP-GlcNAc）。蛋白质O-GlcNAc修饰的供体尿苷-二磷酸-N-乙酰葡糖胺（UDP-GlcNAc） 是HBP的产物，其可催化O-GlcNAc添加到丝氨酸/苏氨酸残基上，进而参与O-GlcNAc的翻译后修饰。作为糖酵解的一条辅助途径，HBP通过消耗葡萄糖产生UDP-GlcNAc，调控高度诱导、动态和可逆的蛋白质O-GlcNAc修饰[5]。通过HBP通量的增加可使O-GlcNAc水平升高，升高的O-GlcNAc显著改善心功能，减少心脏I/R损伤。而随着时间的推移，蛋白质O-GlcNAc修饰会逐渐增加，降低心脏收缩力，最终导致心血管功能的障碍[6]。

2 蛋白质O-GlcNAc在心脏保护中的作用

蛋白质O-GlcNAc修饰参与心肌细胞的多项生理病理活动，是心血管稳态的调节剂。参与蛋白质O-GlcNAc修饰的OGA、OGT也在心脏保护中发挥着重要作用。新型OGA抑制剂具有较强的心脏保护作用，缺血再灌注时使用OGA抑制剂可增加心脏蛋白质O-GlcNAc修饰水平，有效改善心脏功能，并减轻I/R后的组织损伤，发挥其心脏保护作用[7]。

通过葡萄糖胺上调HBP通量或使用己糖胺苷酶A和B抑制剂（PUGNAc）抑制O-GlcNAc相关酶可升高蛋白质O-GlcNAc水平，从而改善心脏功能。而OGT抑制剂四氧嘧啶阻断了葡萄糖胺对心脏的保护作用，并下调O-GlcNAc修饰的水平，这表明葡糖胺对心脏的保护作用与蛋白质O-GlcNAc修饰水平升高相关[8]。在心脏调控中，HBP的作用具有两面性。多种蛋白质需要通过O-GlcNAc修饰来活化或抑制，并可防止心肌细胞肥大或凋亡；然而，持续上调HBP可激活丝氨酸/苏氨酸激酶（mTOR）可减少蛋白质O-GlcNAc水平，进而导致心脏功能障碍[9]。

低氧习服（HA）可改善氧化应激状态，减少I/R心脏的梗死面积。这种心脏保护作用与蛋白质O-GlcNAc修饰的升高结合，其原因是 HA相关的炎症细胞因子上调HBP途径，提供有效的心脏保护作用。葡萄糖-6-磷酸（G6P）可通过磷酸戊糖通路（PPP）途径的氧化产生还原型辅酶Ⅱ（NDAPH）。细胞内氧化还原平衡的变化与葡萄糖-6-磷酸脱氢酶 （G6PDH） 活性升高有关，G6PDH 是 PPP 通路中的限速酶。HA 状态下诱导 O-GlcNAcylation 激活心脏 G6PDH 并改善氧化还原稳态，从而抵消心肌细胞的缺氧/复氧

（H/R）损伤[10]。

远端缺血预适应（RIPC）是一些器官在受到短暂、可逆性缺血缺氧刺激后，通过诱导缺血器官以外的其他脏器（如心脏、大脑、肝脏、肾）对随后发生的严重或致命的缺血缺氧状态产生保护作用。RIPC机制涉及心肌蛋白O-GlcNAc修饰，具有心脏保护作用。RIPC通过增加OGT活性和降低OGA活性来增加O-GlcNAc水平，进而发挥心脏保护作用[11]。在自发性2型糖尿病的小鼠中，通过6-重氮-5-氧代-L-正亮氨酸（DON）抑制蛋白质O-GlcNAc糖基10增加胰岛素诱导Akt磷酸化，并恢复小鼠H9c2心肌细胞的心脏保护作用。然而，肥胖诱导的蛋白质O-GlcNAc水平升高可减弱胰岛素对I/R损伤的心脏保护作用[12]。这些研究结果表明，心脏中蛋白质O-GlcNAc修饰水平的急性增加对心脏具有保护作用，并且可减轻I/R的损伤。

3 蛋白质O-GlcNAc修饰在心力衰竭中的作用

当心脏面临血流动力学负担时，会通过增加肌肉质量来承受额外负荷，这种质量的增加会导致心肌细胞的肥大。慢性心肌肥大是不利于健康的，因为其增加了发生心力衰竭和过早死亡的风险。腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）主要通过控制GFAT将Frc-6P转化为GlcN-6P来抑制蛋白质O-GlcNAc修饰，从而减少如肌钙蛋白T等蛋白质的O-GlcNAc修饰，抑制心肌细胞肥大[13]。

有研究发现，2周内增加的蛋白质O-GlcNAc修饰水平会导致与HF、代谢和Ca2+调节相关的基因表达的变化[14]。这些变化在蛋白质O-GlcNAc修饰水平升高的24周内加剧，导致心脏肥大、心脏纤维化程度增加和心脏舒张功能障碍。这表明短期增加的蛋白质O-GlcNAc修饰起初可能是适应性改变，但随着其持续增加可进展为更严重的心脏功能障碍。

HBP的限速酶GFAT1生成UDP-GlcNAc用于蛋白质O-GlcNAc修饰。在心脏中的过度表达会加重心功能障碍及压力过载引起的心力衰竭。Tran等[15]研究表明，心肌细胞特异性的GFAT1缺失可保护心脏免受压力超负荷引起的心脏不良事件。有研究表明，通过减少蛋白质O-GlcNAc修饰来抑制OGT可加重心力衰竭，但通过增加蛋白质O-GlcNAc修饰来抑制OGA可缓解心力衰竭。但在心血管疾病长期病程中，无论是OGT的缺失还是OGA的缺失最终都会加重心力衰竭的程度[16]。心力衰竭上调细胞周期相关转录因子E2F1的表达，E2F1可在体外负调控OGT和OGA的表达，其缺失可减少心肌梗死后心室功能障碍[17]。研究发现，即使在没有相关代谢性疾病的情况下，慢性、过度O-GlcNAc修饰足以导致扩张型心肌病甚至引起死亡，并且还表明逆转或预防过度的心肌蛋白O-GlcNAc修饰可能是心肌病和心力衰竭的创新和有效的治疗策略[18]。

已有研究证明，对野生型（WT）小鼠和敲除心肌细胞OGT表达基因的小鼠进行冠状动脉结扎再灌注，以制作I/R损伤模型，并随访4周，与WT小鼠相比，OGT缺失的小鼠心功能障碍明显加重，这说明心脏中OGT的表达是必不可少的[19]。这些研究可说明，与蛋白质O-GlcNAc修饰相关的酶可通过一定途径诱导心脏肥大甚至心力衰竭。据文献报道，转录诱导因子形成基因40（Tisp 40）的表达、裂解和核积聚会增加心脏I/R损伤。Tisp 40是I/R诱导的急性心脏损伤、心室重塑和功能障碍的负调节因子，Tisp 40的过表达足以减轻心脏的I/R损伤。从机制上来看，Tisp 40是位于内质网膜的Ⅱ型跨膜蛋白，可在应激状态下被剪切进入细胞核，在细胞核中Tisp 40直接与谷氨酰胺-6-磷酸果糖转氨酶（GFPT1）的启动子结合，增加HBP通量和蛋白质O-GlcNAc修饰，从而减轻心脏I/R损伤[20]。由OGT floxed小鼠与aSMA-Cre转基因小鼠杂交产生了一种新的小鼠模型（aSMA OGT KO），这种模型在心肌细胞与血管平滑肌细胞中产生了细胞特异性的OGT敲除。aSMA OGT KO可导致小鼠收缩基因表达减少，表现出多种心脏和动脉异常，可导致心力衰竭及死亡[21]。心脏保护因子HDAC 4缺乏在患糖尿病的条件下促进心力衰竭，而蛋白质O-GlcNAc诱导的HDAC 4蛋白的水解能够保护糖尿病心脏免于衰竭[22]。综上所述，蛋白质O-GlcNAc参与心脏的多项调节，有望成为治疗心力衰竭的新靶点。

4 展望

蛋白质O-GlcNAc修饰动态调节心血管系统的机制十分复杂， 对维持心脏功能发挥十分重要的作用。 短期急性升高的蛋白质O-GlcNAc水平对心脏及血管有保护作用，而慢性长期的增加则会加重心血管疾病。目前，关于蛋白质O-GlcNAc修饰信号传导的动态调控机制尚未完全阐明，对于OGT、OGA在心力衰竭中的作用也知之甚少。尽管存在许多疑问，从转化的角度上来看，基于蛋白质O-GlcNAc修饰的心力衰竭诊断技术和靶向治疗的开发研究具有极大的潜力。相信随着蛋白组学技术等研究的不断深入，蛋白质O-GlcNAc修饰在心力衰竭这一领域会取得更多的突破性进展。

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