徐 輝 尹 翔 郭曉綱

(浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院心內(nèi)科，浙江 杭州 310003)

?

泛素-蛋白酶體系統(tǒng)功能異常與心臟疾病

徐 輝1尹 翔 郭曉綱

(浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院心內(nèi)科，浙江 杭州 310003)

泛素；蛋白酶體；泛素-蛋白酶體反流；心臟疾病

泛素(Ub)-蛋白酶體系統(tǒng)(UPS)是真核細(xì)胞內(nèi)大多數(shù)蛋白質(zhì)的降解通路，其調(diào)控異常與多種疾病發(fā)生有關(guān)，對生命活動具有重要的調(diào)控意義。UPS功能異常與心血管疾病，如心肌病、心肌缺血、心肌纖維化等有著密切的關(guān)系。本文對UPS與心臟疾病的關(guān)系進(jìn)行綜述。

1 UPS概述

1.1 UPS結(jié)構(gòu) UPS由Ub、Ub活化酶(E1)、Ub結(jié)合酶(E2)、Ub連接酶(E3)、蛋白酶體構(gòu)成。Ub是一種由76個(gè)氨基酸殘基組成的高度保守的小分子蛋白質(zhì)，相互之間通過內(nèi)含的7個(gè)賴氨酸殘基構(gòu)成多聚Ub鏈〔1〕，它廣泛存在于真核細(xì)胞內(nèi)。Ub基因主要編碼兩種Ub前體蛋白質(zhì):一種是多聚Ub,另一種是Ub融合蛋白。E1由1 100個(gè)左右氨基酸殘基組成，分子量110～130 kD，是催化Ub與底物結(jié)合所需的第1個(gè)酶，它對靶蛋白的識別幾乎沒有特異性，活性很高，低濃度即可激活Ub。E2是催化Ub與底物結(jié)合所需的第2個(gè)酶，內(nèi)含一個(gè)由150～200個(gè)氨基酸殘基(分子量14～16 kD)組成的保守區(qū)域〔2〕，含有半胱氨酸殘基。E3是UPS中種類最多的一種酶，有600多種，在特異性底物識別中發(fā)揮最為關(guān)鍵的作用〔3〕，不同類型的E3間缺乏序列同源性，而且相對分子質(zhì)量差異較大。蛋白酶體是催化Ub與底物蛋白耦聯(lián)體降解的關(guān)鍵酶，多為26 S蛋白酶體，它是由1個(gè)20 S核心蛋白酶及2個(gè)19 S調(diào)節(jié)顆粒(RP)共同結(jié)合而成，此組裝過程需要耗能。20 S核心蛋白酶是由4個(gè)堆積的七元環(huán)組成，這些環(huán)結(jié)構(gòu)由兩種不同的亞基構(gòu)成:α亞基為結(jié)構(gòu)性蛋白，β亞基主要發(fā)揮催化作用。19 S RP又稱19 S復(fù)合物，至少含有19個(gè)不同的亞基，連接在20 S核心蛋白酶的一端或兩端，構(gòu)成具有降解蛋白質(zhì)功能的蛋白酶體〔4,5〕。

1.2 UPS降解蛋白質(zhì)的過程 在真核細(xì)胞內(nèi)，大多數(shù)蛋白的降解都依賴于UPS〔6〕。UPS是依賴于三磷酸腺苷(ATP)的蛋白水解系統(tǒng)，其降解蛋白質(zhì)包括兩個(gè)步驟:①即蛋白的Ub化修飾，在 ATP的參與下E1通過給Ub的C-端半胱氨酸加一個(gè)高能硫酯鍵而激活Ub，活化的Ub通過高能硫酯鍵與E2結(jié)合，最后E3將Ub轉(zhuǎn)運(yùn)至蛋白底物活化賴氨酸殘基的ε-氨基上，形成單或多聚Ub鏈；②Ub分子標(biāo)記的蛋白底物被26 S蛋白酶體復(fù)合物識別和降解，同時(shí)釋放游離的、可重新利用的Ub分子〔7〕。在蛋白的Ub化修飾過程中，E3決定著底物蛋白的特異性，控制著特定蛋白的生物學(xué)功能〔8〕。

1.3 Ub-蛋白酶體途徑(UPP)的調(diào)控 UPP介導(dǎo)的蛋白降解是機(jī)體調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)蛋白水平與功能的一個(gè)重要機(jī)制。負(fù)責(zé)執(zhí)行這個(gè)調(diào)控過程的組成成分包括Ub及其啟動酶系統(tǒng)和蛋白酶體系統(tǒng)。Ub啟動酶系統(tǒng)負(fù)責(zé)活化Ub，并將其結(jié)合到待降解的蛋白上，形成靶蛋白多聚Ub鏈，即Ub化。蛋白酶體系統(tǒng)可以識別已Ub化的蛋白并將其降解。此外，細(xì)胞內(nèi)還有另一類解離Ub鏈分子的去Ub化蛋白酶形成反向調(diào)節(jié)。Ub化與去Ub化是可逆的。正是通過兩個(gè)過程的動態(tài)平衡，使體內(nèi)蛋白質(zhì)水平維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平。在去Ub化過程中，需要去Ub化酶 (DUBs)的參與。DUBs通過加工Ub，負(fù)向調(diào)控Ub信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑及調(diào)節(jié)Ub的再循環(huán)3個(gè)方面實(shí)現(xiàn)其對蛋白Ub化修飾的調(diào)節(jié)〔9,10〕。此外，DUBs還可以通過降低E3連接酶自體Ub化水平而間接使E3連接酶的底物蛋白降解增加〔11〕。

蛋白質(zhì)完成Ub化修飾后，被蛋白酶體識別并降解。在蛋白酶體降解Ub蛋白的開始階段，其RP首先解開酶作用底物的折疊，然后將酶作用底物轉(zhuǎn)移到蛋白酶體的核心顆粒位置。研究發(fā)現(xiàn)〔12〕，有3個(gè)蛋白與蛋白酶體的RP有關(guān)聯(lián)，這3個(gè)蛋白分別是Nas6、Rpn14和Hsm3。如果表達(dá)這些蛋白的基因發(fā)生突變，會導(dǎo)致蛋白酶體失去功能。蛋白酶體的RP裝配過程受多種伴侶分子的調(diào)控。在機(jī)體內(nèi)，可以通過對蛋白酶體組成成分的改變(異質(zhì)性)、轉(zhuǎn)錄后修飾(如磷酸化、氧化修飾等)及一些協(xié)同分子〔如蛋白激酶(PK)A、鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶(CaMKⅡ)〕的作用實(shí)現(xiàn)對蛋白酶體的調(diào)控〔13,14〕。

2 UPS功能異常與心血管疾病

2.1 心肌中的蛋白酶體 心肌與其他組織蛋白酶體在構(gòu)成及空間結(jié)構(gòu)上的區(qū)別尚不完全清楚。心肌中26 S蛋白酶體的組裝，可能包括了不同比例的20 S蛋白酶體β亞基〔15〕。在不同組織中所表達(dá)的蛋白酶體亞基不同，從而決定了蛋白酶體對于底物的特異性及其不同的功能。Cai等〔16〕發(fā)現(xiàn)20 S蛋白酶體的β1亞基的敲除可以導(dǎo)致蛋白酶體功能缺失及被氧化的蛋白積聚，并且可以使小鼠缺血-再灌注損傷加重〔16〕。而在心臟分別處于基礎(chǔ)狀態(tài)及壓力應(yīng)答狀態(tài)時(shí)，一些起調(diào)節(jié)作用的19 S復(fù)合物也發(fā)揮著不同的作用〔17,18〕。

2.2 UPS與動脈粥樣硬化(AS) AS是一種慢性動脈炎癥反應(yīng)性疾病，核因子(NF)-κB是一種重要的促炎調(diào)節(jié)因子，其活化與AS密切相關(guān)。在AS早期，當(dāng)血管平滑肌細(xì)胞(VSMC)受到某些氧化應(yīng)激刺激時(shí)，NF-κB抑制蛋白Ub化，被26 S蛋白酶體降解激活，啟動炎性細(xì)胞因子、黏附分子、血管生成調(diào)節(jié)因子的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，從而啟動AS的發(fā)生〔19〕。在AS進(jìn)展期，VSMC組織活力下降，受損蛋白大量聚集，UPS激活增加，引起細(xì)胞內(nèi)抗凋亡基因活化及VSMC增殖。內(nèi)膜損傷的頸動脈局部給予蛋白酶體抑制劑MG132僅5 min，血管內(nèi)膜增生降低74%，且損傷區(qū)浸潤巨噬細(xì)胞減少，VSMC增殖抑制、細(xì)胞凋亡增加〔20〕。因此，UPS在AS形成的不同階段發(fā)揮不同的作用，其與AS的起始、進(jìn)展和并發(fā)癥形成等病理過程均具有密切關(guān)系。

2.3 UPS與心肌病 心臟長期的壓力和(或)容積負(fù)荷過度，使心室壁應(yīng)力增加，導(dǎo)致心肌肥大。心肌肥大的主要特征是心肌細(xì)胞體積的增大和涉及心肌肥大的相關(guān)基因表達(dá)上調(diào)。在肥大應(yīng)答反應(yīng)中，一些信號分子如細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(Erk)1/2、蛋白激酶B(Akt)、鈣調(diào)磷酸酶等有重要作用〔21〕。使用小劑量蛋白酶體抑制劑可以下調(diào)這些在心肌肥大過程中起關(guān)鍵作用的信號分子，從而抑制心肌肥大的發(fā)生〔22～24〕。另有研究表明，蛋白酶體抑制劑可能是通過抑制蛋白酶體功能，對心肌細(xì)胞有益的因子降解減少，導(dǎo)致抗心肌肥大〔25〕。心肌肥大過程常常伴隨著心肌細(xì)胞內(nèi)蛋白合成的增加。在生物體內(nèi)蛋白質(zhì)量控制(PQC)主要是通過伴侶分子及UPS減少異常蛋白質(zhì)的產(chǎn)生并清除已產(chǎn)生的異常蛋白來實(shí)現(xiàn)〔26〕，而心臟PQC異常會導(dǎo)致心肌病的發(fā)生。在肥厚型心肌病(HCM)、擴(kuò)張型心肌病(DCM)引起的心衰病例中，都發(fā)現(xiàn)了異常蛋白的過度積聚〔27〕。

研究者發(fā)現(xiàn)通過抑制蛋白酶體的功能，使與HCM相關(guān)的突變蛋白大量積聚〔28，29〕。另一種不常見的結(jié)蛋白相關(guān)心肌病(DRC)，在其發(fā)病過程中出現(xiàn)的蛋白酶體功能的缺失也引起了極大的重視。DRC是由編碼結(jié)蛋白或其協(xié)同蛋白的基因突變(R120G-CryAB)而引起，主要表現(xiàn)為心肌細(xì)胞內(nèi)結(jié)蛋白過多積聚。在過表達(dá)突變結(jié)蛋白的轉(zhuǎn)基因小鼠，同時(shí)出現(xiàn)了心臟蛋白酶體功能的缺失。進(jìn)一步研究表明，這種蛋白酶體功能的缺失可能還與19 S的功能缺陷有關(guān)〔30～32〕。以上研究提示，蛋白酶體功能缺陷引起的損傷蛋白降解減少，進(jìn)一步導(dǎo)致異常蛋白的過度積聚，可能是心肌病的一個(gè)發(fā)病機(jī)制。

2.4 UPS與心肌缺血-再灌注損傷 心肌缺血-再灌注既可以保護(hù)心肌，也能損傷心肌。這種損傷主要表現(xiàn)為心律失常、心肌鈍抑、心肌能量代謝異常、超微結(jié)構(gòu)的變化及內(nèi)皮和微血管功能障礙相關(guān)的無復(fù)流等現(xiàn)象。新近研究發(fā)現(xiàn)的一個(gè)連接酶-熱休克蛋白70 C端反應(yīng)蛋白(CHIP)，具有輔助伴侶分子和E3的活性。伴侶分子蛋白與未折疊的結(jié)構(gòu)區(qū)結(jié)合，促進(jìn)蛋白底物被CHIP Ub化，繼而被UPS識別和降解〔33,34〕，提示UPS在心臟缺血-再灌注損傷中起著重要的作用。

在心肌缺血過程中，常常伴隨著UPS功能的降低。Bulteau等〔35〕發(fā)現(xiàn)在冠脈左前降支阻斷30 min后，Ub化的蛋白明顯增加，說明在此過程中，存在蛋白酶體功能的失衡 。研究者〔8〕構(gòu)建了心肌中蛋白酶體功能缺失的轉(zhuǎn)基因小鼠，即CR-PSMI小鼠。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于該小鼠蛋白酶體功能的缺失，導(dǎo)致第10號染色體丟失的磷酸酶基因(PTEN)及PKCδ表達(dá)增高而PKCε及Akt信號通路受到抑制，從而加重了缺血-再灌注損傷〔36〕。缺血預(yù)處理(IPC)則可以通過調(diào)節(jié)PKCδ/PKCε的比率、降低19 S調(diào)節(jié)亞基的過氧化等途徑起到保護(hù)UPS的作用，進(jìn)而減輕缺血-再灌注損傷〔37〕。

2.5 UPS在心肌纖維化中的作用 心肌纖維化是以廣泛的肌細(xì)胞壞死、心肌成纖維細(xì)胞增殖和細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)沉積為特點(diǎn)，是心臟對長期負(fù)荷過重的應(yīng)答反應(yīng)，是心臟的重塑過程，最終將導(dǎo)致心力衰竭的發(fā)生。Ma等〔38〕發(fā)現(xiàn)在心臟壓力負(fù)荷增加的早期和晚期，心室肌蛋白酶體的活性持續(xù)增高。通過建立大鼠模型，給予MG132 作用12 w后，結(jié)果顯示:MG132不但對阻止心肌重塑起作用〔38〕，而且可以顯著減少心肌間質(zhì)的膠原沉積并減輕心肌纖維化的發(fā)生〔39〕。表明MG132可能是通過下調(diào)NF-κB/轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)β1、Smad2信號通路來阻止了心肌重塑〔38〕。而在自發(fā)性高血壓大鼠模型上，通過抑制心肌蛋白酶體，則可以抑制大鼠心臟成纖維細(xì)胞增殖，減少膠原產(chǎn)生并下調(diào)金屬基質(zhì)蛋白酶(MMPs)的表達(dá)。MMPs主要以非活性形式存在，其活性主要受MMPS抑制劑 (TIMP)的調(diào)節(jié)。TIMP是抑制MMPs活性的一組多功能因子家族，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的有4種，分別命名為TIMP1、TIMP2、TIMP3、TIMP4。López等〔40〕通過組織活檢發(fā)現(xiàn)高血壓患者血漿TIMP1水平與心肌纖維化程度有著直接關(guān)系。抑制心肌蛋白酶體，可以通過影響NF-κB/TGF β1、Smad2信號通路及MMPs的表達(dá)，延緩心肌纖維化的進(jìn)行。因此，未來是否可以使用蛋白酶體抑制劑，為臨床上心肌纖維化的病人提供新的治療方案，尚需要進(jìn)一步的研究。

1 Pickart CM. Ubiquitin in chains〔J〕. Trends Biochem Sci,2000；25(11):544-8.

2 van Wijk SJ，Timmers HT. The family of ubiquitin-conjugating enzymes (E2s):deciding between life and death of proteins〔J〕. FASEB J,2010；24(4):981-93.

3 Jana NR. Protein homeostasis and aging:role of ubiquitin protein ligases〔J〕. Neurochem Int,2012；60(5):443-7.

4 Nickell S, Beck F, Scheres SH,etal. Insights into the molecular architecture of the 26S proteasome〔J〕. Proc Natl Acad Sci U S A,2009；106(29):11943-7.

5 Groll M, Bochtler M, Brandstetter H,etal. Molecular machines for protein degradation〔J〕. Chembiochemistry,2005；6(2):222-56.

6 Finley DJ. Recognition and processing of ubiquitin-protein conjugates by the proteasome〔J〕. Annu Rev Biochem,2009；78:477-513.

7 Herrmann L,Ciechanover A,Lerman LO,etal. The ubiquitin-proteasome system in cardiovascular diseases-a hypothesis extended〔J〕. Cardiovasc Res,2004；61(1):11-21.

8 Scheffner M, Nuber U, Huibregtse JM. Protein ubiquitination involving an E1-E2-E3 enzyme ubiquitin thioester cascade〔J〕. Nature,1995；373(6509):81-3.

9 Wilkinson KD. DUBs at a glance〔J〕. J Cell Sci,2009；122(Pt 14):2325-9.

10 Clague MJ, Coulson JM, Urbe S. Cellular functions of the DUBs〔J〕. J Cell Sci,2012；125(Pt 2):277-86.

11 Komander D, Clague MJ, Urbé S. Breaking the chains:structure and function of the deubiquitinases〔J〕. Nat Rev Mol Cell Biol,2009；10(8):550-63.

12 Roelofs J,Park S,Haas W，etal.Chaperone-mediated pathway of proteasome regulatory particle assembly〔J〕. Nature,2009；459(7248):861-5.

13 Chondrogianni N,Gonos ES. Structure and function of the ubiquitin-proteasome system:modulation of components〔J〕. Prog Mol Biol Transl Sci,2012;109:41-74.

14 Chitra S, Nalini G, Rajasekhar G. The ubiquitin proteasome system and efficacy of proteasome inhibitors in diseases〔J〕. Int J Rheum Dis,2012;15(3):249-60.

15 Gomes AV, Zong C, Edmondson RD,etal. The murine cardiac 26S proteasome:an organelle awaiting exploration〔J〕. Ann N Y Acad Sci,2005；1047:197-207.

16 Cai ZP, Shen Z, Van Kaer L,etal. Ischemic preconditioning-induced cardioprotection is lost in mice with immunoproteasome subunit low molecular mass polypeptide-2 deficiency〔J〕. FASEB J,2008；22(12):4248-57.

17 Gomes AV, Zong C, Edmondson RD,etal. Mapping the murine cardiac 26S proteasome complexes〔J〕. Circ Res,2006；99(4):362-71.

18 Powell SR, Samuel SM, Wang P,etal. Upregulation of myocardial 11S-activated proteasome in experimental hyperglycemia〔J〕. J Mol Cell Cardiol,2008;44(3):618-21.

19 Jeon KI, Jeong JY, Jue DM. Thiol-reactive metal compounds inhibit NF-κB activation by blocking IκB kinase〔J〕. J Immunol, 2000；164(11):5981-9.

20 Meiners S, Laule M, Rother W,etal. Ubiquitin-proteasome pathway as a new target for the prevention of restenosis〔J〕.Circulation, 2002；105(4):483-9.

21 Frey N, Olson EN.Cardiac Hypertrophy:the good, the bad, and the ugly〔J〕. Annu Rev Physiol,2003；65:45-79.

22 Bueno OF, Wilkins BJ, Tymitz KM,etal. Impaired cardiac hypertrophic response in Calcineurin Abeta -deficient mice〔J〕. Proc Natl Acad Sci U S A,2002；99(7):4586-91.

23 Sugden PH. Signaling in myocardial hypertrophy:life after calcineurin〔J〕?Circ Res,1999；84(6):633-46.

24 Shioi T, Kang PM, Douglas PS,etal. The conserved phosphoinositide 3-kinase pathway determines heart size in mice〔J〕. EMBO J,2000；19(11):2537-48.

25 Schlossarek S, Carrier L. The ubiquitin-proteasome system in cardiomyopathies〔J〕. Curr Opin Cardiol,2011；26(3):190-5.

26 Araki K, Nagata K. Protein folding and quality control in the ER〔J〕. Cold Spring Harb Perspect Biol,2012；4(8):415-38.

27 Su H, Wang X. The ubiquitin-proteasome system in cardiac proteinopathy:a quality control perspective〔J〕. Cardiovasc Res,2010；85(2):253-62.

28 Sarikas A, Carrier L, Schenke C,etal. Impairment of the ubiquitin-proteasome system by truncated cardiac myosin binding protein C mutants〔J〕. Cardiovasc Res,2005；66(1):33-44.

29 Bahrudin U, Morisaki H, Morisaki T,etal. Ubiquitin-proteasome system impairment caused by a missense cardiac myosin-binding protein C mutation and associated with cardiac dysfunction in hypertrophic cardiomyopathy〔J〕. J Mol Biol,2008；384(4):896-907.

30 Liu J, Tang M, Mestril R,etal. Aberrant protein aggregation is essential for a mutant desmin to impair the proteolytic function of the ubiquitin-proteasome system in cardiomyocytes〔J〕. J Mol Cell Cardiol,2006；40(4):451-4.

31 Wang X, Osinska H, Gerdes AM,etal. Desmin filaments and cardiac disease:establishing causality〔J〕. J Card Fail,2002；8(6 Suppl):S287-92.

32 Chen Q, Liu JB, Horak KM,etal. Intrasarcoplasmic amyloidosis impairs proteolytic function of proteasomes in cardiomyocytes by compromising substrate uptake〔J〕. Circ Res,2005；97(10):1018-26.

33 Patterson C.Search and destroy:the role of protein quality control in maintaining cardiac function〔J〕. J Mol Cell Cardiol,2006；40(4):438-41.

34 Murata S,Minami Y,Minami M,etal.CHIP is a chaperone-dependent E3 ligase that ubiquitylates unfolded protein〔J〕. EMBO Rep,2001；2(12):1133-8.

35 Bulteau AL, Lundberg KC, Humphries KM,etal. Oxidative modification and inactivation of the proteasome during coronary occlusion/reperfusion〔J〕. J Biol Chem,2001；276(32):30057-63.

36 Tian Z, Zheng H, Li J,etal. Genetically induced moderate inhibition of the proteasome in cardiomyocytes exacerbates myocardial ischemia-reperfusion injury in mice〔J〕. Circ Res,2012；111(5):532-42.

37 Churchill EN, Ferreira JC, Brum PC,etal. Ischaemic preconditioning improves proteasomal activity and increases the degradation of deltaPKC during reperfusion〔J〕. Cardiovasc Res,2010；85(2):385-94.

38 Ma Y, Chen B, Liu D,etal. MG132 treatment attenuates cardiac remodeling and dysfunction following aortic banding in rats via the NF-κB/TGFβ1 pathway〔J〕. Biochem Pharmacol, 2011；81(10):1228-36.

39 Meiners S, Hocher B, Weller A,etal. Downregulation of matrix metalloproteinases and collagens and suppression of cardiac fibrosis by inhibition of the proteasome〔J〕. Hypertension,2004；44(4):471-7.

40 López B,González A,Querejeta R,etal. Alterations in the pattern of collagen deposition may contribute to the deterionation of systoblic function in hypertensive patients with heart failure〔J〕. J Am Coll Cardiol,2006；48(1):89-96.

〔2015-05-13修回〕

(編輯 王一涵)

郭曉綱(1975-)，男，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事冠心病研究。

徐 輝(1978-)，男，在職碩士，主治醫(yī)師，主要從事心血管疾病研究。

R541

A

1005-9202(2016)21-5472-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2016.21.116

1 嘉興市秀洲區(qū)高照街道社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心