吳誠潔,陸 琳,涂均楚,李玉潔,張 瑜,王燕麗,李楊欣

(蘇州大學醫(yī)學院附屬第一醫(yī)院心血管病研究所,中國江蘇 蘇州 215123)

心血管疾病(cardiovascular diseases,CVDs)是危害人類健康的主要疾病,目前已成為全球首位死因,且有逐年上升的趨勢[1]。雖然心血管疾病的治療策略有了很大的改善,但仍缺乏準確、有效、科學的治療方法。目前研究認為,心血管疾病涉及多種蛋白質的差異表達及互相作用[2]。細胞內存在多種與蛋白質穩(wěn)態(tài)相關的蛋白質翻譯后修飾形式,主要包括:磷酸化、甲基化、糖基化、乙酰化、泛素化等,其中泛素化是介導蛋白質降解的重要方式之一,它通過將泛素(ubiquitin,Ub)結合到靶蛋白上,形成多聚泛素鏈,被蛋白酶體識別后引起靶蛋白降解,對維持機體的蛋白質穩(wěn)態(tài)具有重要作用。目前研究已發(fā)現(xiàn)一些類泛素化蛋白,它們的結構與泛素分子相似,但功能卻與泛素完全不同。在這些類泛素化蛋白中,小泛素相關修飾物(small ubiquitin-like modifier,SUMO)是最受矚目的一類。SUMO分子在細胞內以化學的方式或依附或脫離其底物蛋白,對所修飾的蛋白質功能進行調控。SUMO化修飾在蛋白質與蛋白質之間的相互作用、轉錄調控、核質運輸、DNA修復及基因組穩(wěn)定性維持等方面均扮演著重要的角色,與細胞損傷、細胞內環(huán)境的異常以及某些心血管疾病的發(fā)生和發(fā)展有關。因此,SUMO化修飾可作為預防或治療心血管疾病的潛在靶標。

1 SUMO化修飾

1.1 SUMO分子

SUMO廣泛分布于真核生物細胞內,是一類大小約15 kD的高度保守小蛋白質,結構和反應方式與泛素相似,但功能不同。SUMO1分子及SUMO化修飾方式是在1996年發(fā)現(xiàn)的[3]。最初脊椎動物的SUMO1被命名為PIC1(PML-interacting clone 1)、UBLI(ubiquitin-like protein 1)、Sentrin[4],其能在不基于特定底物的情況下,調控底物蛋白的功能。真核細胞存在4種SUMO蛋白(SUMO1/2/3/4)和6種SUMO特異性蛋白酶(Sentrin/SUMO-specific protease,SENP)——SENP1/2/3/5/6/7[5](表1)。SUMO蛋白主要分布在細胞核,其中SUMO1在核膜、核仁、核質都有分布,而SUMO2/3則主要分布于核質。SUMO2和SUMO3僅相差3個氨基酸,兩者與SUMO1的同源性約為47%。由于SUMO2和SUMO3很相似,因此一般把二者稱為SUMO2/3。SUMO4是由人TAB2(TGF-beta activated kinase 1 binding protein 2)基因的一個內含子所編碼,主要在腎、淋巴結和脾臟中表達。SUMO化修飾靶蛋白的方式有3種類型:靶蛋白單個位點的單SUMO化修飾、靶蛋白多個位點的單SUMO化修飾和靶蛋白的多聚SUMO化修飾(圖1)。SUMO2/3可以使其底物蛋白發(fā)生多聚SUMO化,而SUMO1可以使其底物蛋白單SUMO化或充當聚SUMO2/3鏈的終止子。SUMO特異性蛋白酶,也稱去SUMO化蛋白酶,在SUMO化修飾循環(huán)通路中起著關鍵作用,一是催化SUMO分子由前體變成活性形式,二是切斷SUMO分子與靶蛋白之間形成的異肽鍵,實現(xiàn)去SUMO化。

表1 SUMO化修飾過程中的關鍵分子Table 1 Key molecules in the process of SUMOylation

圖1 多種靶蛋白的SUMO化修飾方式S:SUMO分子;GG:成熟SUMO分子C端暴露的甘氨酸殘基;K:底物蛋白上的賴氨酸殘基。Fig.1 SUMOylation of multiple target proteinsS:SUMO molecule;GG:The exposed glycine residue at the C-terminus of a mature SUMO molecule;K:The lysine residue on the substrate protein.

1.2 SUMO化修飾過程

SUMO修飾是一種重要的蛋白質翻譯后修飾形式,可以調控底物蛋白的多種功能以及細胞中的許多應激反應。其因修飾過程與泛素化相似,也被稱作類泛素化修飾。在經典的SUMO化修飾中,大多數(shù)底物蛋白都存在一段共識序列ΨKXE。其中,Ψ代表疏水性氨基酸,如異亮氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸等;K代表賴氨酸,是SUMO的結合位點;X代表任意氨基酸;E代表谷氨酸[6]。SUMO化包括3個反應步驟:激活、轉移、連接。SUMO激活酶、轉移酶和連接酶(分別為E1、E2和E3)在SUMO化的3個反應步驟中依次起作用(圖2)。激活:SUMO分子以前體非活性形式存在于細胞核中,通過SENP分子的內肽酶活性將其裂解后成為成熟的SUMO分子進入級聯(lián)反應。SUMO分子在ATP的作用下與E1激活酶[SAE1(SUMO1 activating enzyme subunit 1)和SAE2組合形成的復合物]結合而活化,該反應在SUMO分子的C端與E1激活酶之間形成高能硫酯鍵時結束。轉移:激活后,SUMO特異性結合酶UBC9(ubiquitin-like protein SUMO1 conjugating enzyme;唯一的E2轉移酶)與SAE2相互作用,并和E1-SUMO分子中間體結合。SUMO分子從E1復合體轉移到UBC9活性位點的半胱氨酸殘基上。連接:UBC9催化成熟的SUMO分子與底物蛋白的賴氨酸殘基形成異肽鍵,從而完成結合。E3數(shù)量最多,最常見的為PIAS(protein inhibitor of activated STAT)家族蛋白。在SUMO化修飾過程中,E3一般只是增加SUMO化修飾的效率,并不起決定性作用,在沒有E3的情況下,該過程一樣可以發(fā)生。與泛素化類似,SUMO化修飾也是一個動態(tài)可逆的過程。SENP酶可以切斷靶蛋白與SUMO分子形成的異肽鍵,實現(xiàn)去SUMO化。SUMO化與去SUMO化的動態(tài)平衡對疾病的發(fā)生發(fā)展至關重要。

1.3 SUMO化與泛素化

蛋白質SUMO化和泛素化修飾的調節(jié)機制,以及二者之間的相互關系具有精細性和復雜性[7]。SUMO化和泛素化是蛋白質翻譯后修飾的重要方式,都能夠調節(jié)蛋白質功能,參與細胞周期調控、基因轉錄活性和信號轉導等細胞活動。泛素分子通常使蛋白質底物發(fā)生多聚泛素化后經26S蛋白酶體,即泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(ubiquitin-proteasome system,UPS)降解。SUMO是一種類泛素分子,主要調節(jié)蛋白質的相互作用、細胞內定位和活性等。當SUMO分子和泛素分子修飾同一底物時,SUMO分子由于與泛素競爭靶蛋白上的賴氨酸位點,所以可能會阻止底物被泛素化降解[8],因而兩種修飾方式存在一種拮抗關系。但有研究發(fā)現(xiàn)二者也存在協(xié)同關系[9],機體內存在一種SUMO依賴的泛素連接酶——RNF4蛋白家族,某些底物的SUMO化能夠激活該酶,啟動UPS降解底物[10]。在急性早幼粒細胞白血病(acute promyelocytic leukemia,APL)中,三氧化二砷誘導早幼粒細胞白血病蛋白(promyelocytic leukemia protein,PML)-維甲酸受體(retinoic acid receptor alpha,RARA)致癌基因編碼的融合蛋白降解,導致白血病細胞分化并產生臨床緩解[11]。研究發(fā)現(xiàn),PML是RNF4在體內的一個底物。當三氧化二砷治療后,RNF4識別PML的SUMO2/3多聚泛素鏈,介導PML的泛素化降解,阻止PML在核中的積累,從而起到治療APL的作用[12]。因此,泛素化和SUMO化在機體內協(xié)同與競爭關系的平衡決定了生物體各項生命活動的正常進行。

1.4 去SUMO化修飾

SUMO化修飾是一個動態(tài)可逆的過程,蛋白質發(fā)生SUMO化修飾的同時,去SUMO化修飾也會隨之發(fā)生。去SUMO化修飾由SUMO特異性蛋白酶維持,主要是SENP家族,包括:SENP1、SENP2、SENP3、SENP5、SENP6和SENP7六種。SUMO化和去SUMO化過程的失控可能會打破細胞內的動態(tài)平衡,進而推動疾病的發(fā)生發(fā)展。二者之一發(fā)生異常都會導致動態(tài)紊亂,造成疾病。

2 SUMO化修飾的功能

SUMO化修飾已被證明能通過多種途徑影響生命進程。一方面,SUMO化修飾通過影響蛋白質穩(wěn)定性及定位、細胞周期、DNA修復、轉錄調控等過程維持細胞正常功能[13～15];另一方面,SUMO化修飾也會對細胞造成損傷,從而促進疾病的發(fā)生發(fā)展[16～17]。此外,SUMO化修飾還可以調節(jié)細胞骨架、線粒體功能、離子通道活性等[18～19]。

2.1 調節(jié)細胞命運

由于SUMO化的靶蛋白眾多,所以這種修飾發(fā)揮功能的方式是多樣的[20]。SUMO化修飾與泛素化修飾結合靶蛋白上相同的氨基酸,故二者可能存在競爭關系[21]。SUMO化修飾競爭泛素化修飾,抵抗蛋白酶體的降解,從而增加蛋白質的穩(wěn)定性。已有研究表明,肌漿網/內質網鈣ATP酶2a(sarcoplasmic/endoplasmic reticulum Ca2+ATPase 2a,SERCA2a)在K480和K585位點可以與SUMO1分子結合并發(fā)生SUMO化,從而影響其自身穩(wěn)定性,并發(fā)揮鈣離子再攝取的功能,促進心臟收縮,改善心衰表型[22]。SUMO分子與靶蛋白的結合也會影響蛋白質在細胞中的定位。研究表明,調節(jié)性T細胞中的轉錄調節(jié)蛋白BACH2(BTB domain and CNC homolog 2)可以發(fā)生SUMO化,而SENP3介導的去SUMO化可抑制BACH2的核輸出,從而抑制與CD4 T效應細胞分化相關的基因[23]。SUMO化通過影響細胞周期的進程在維持機體的穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要的作用。在人類癌癥中,胞外信號調節(jié)激酶(extracellular signal-regulated protein kinase,ERK)、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)級聯(lián)介導的有絲分裂信號被Ras癌基因過度激活。致癌基因Ras通過抑制MEK(MAPK-ERK激酶)的SUMO化能有效激活ERK通路,促進細胞分化、增殖和惡性轉化,從而誘導癌變[24]。在DNA損傷中,SUMO化修飾也扮演著不可或缺的角色。CtIP(CtBP interacting protein)蛋白可促進DNA末端切除,在同源重組早期發(fā)揮作用,可以使受干擾的復制不被過度的核降解。已有研究表明,CtIP蛋白可以被SUMO2分子修飾,并且在SUMO化整體受到抑制時,CtIP無法被招募到DNA損傷的位點,從而造成DNA損傷加劇[25]。此外,SUMO化也可以通過轉錄調控來調節(jié)細胞進程。研究者利用SLAM-seq和ChIP-seq研究了脂肪細胞分化過程中,SUMO化途徑對新生基因轉錄的調控,發(fā)現(xiàn)SUMO化途徑在脂肪細胞分化中具有雙重功能[26]。SUMO化修飾促進前脂肪細胞特異性基因的初始下調,同時促進成熟脂肪細胞轉錄程序的建立。另有研究發(fā)現(xiàn),PPARγ/RXR(peroxisome proliferator-activated receptor γ/retinoid X receptor)等特定轉錄因子的SUMO化及其輔因子與成脂基因的轉錄相關[27]。綜上可知,SUMO化修飾在調節(jié)細胞命運方面有著重要的作用。

2.2 對細胞造成損傷

與泛素化類似,SUMO化修飾與去SUMO化修飾是一個動態(tài)平衡的過程。若該平衡被破壞,SUMO化通路也會通過不同的方式對細胞造成損傷[28]。

目前已有研究證明,SUMO化通路的異常可以通過影響氧化應激對細胞造成損傷。SENP7蛋白具有感知氧化應激、維持CD8+T細胞的代謝狀態(tài)和抗腫瘤的功能。SENP7缺陷的CD8+T細胞表現(xiàn)出糖酵解和氧化磷酸化減少,導致體外增殖減弱,體內抗腫瘤功能減弱;CD8+T細胞衍生的活性氧(reactive oxygen species,ROS)觸發(fā)胞漿SENP7介導的磷酸酶和緊張素同系物(phosphatase and tensin homolog,PTEN)蛋白的去SUMO化,從而促進PTEN降解并防止PTEN依賴的代謝缺陷[29]。SUMO化也可以通過熱休克對細胞造成損傷。Kaiso是BTB/POZ鋅指家族成員,參與腫瘤進展、細胞周期控制、凋亡和Wnt信號轉導。在不同的啟動子環(huán)境中,它可以作為轉錄抑制因子或激活因子發(fā)揮作用。研究發(fā)現(xiàn),Kaiso蛋白可能通過自身的SUMO化調控熱休克過程[30]。SUMO化的Kaiso可以激活轉錄,而Kaiso的去SUMO化形式則保持了Kaiso作為阻遏子的能力。正常生理條件下,腎源細胞系中的Kaiso蛋白在K42位點發(fā)生單SUMO化,進而發(fā)揮轉錄激活因子的功能。在細胞發(fā)生熱休克后,Kaiso快速去SUMO化,激活本身阻遏子的功能,這導致了離子轉運、血壓和免疫應答相關基因的失調[30]。此外,有研究表明,來自RNA和DNA病毒家族的蛋白質都可以通過SUMO偶聯(lián)修飾,促進病毒復制,而病毒可以通過與SUMO途徑的相互作用來控制SUMO修飾的整個過程[31]。

2.3 其他作用

SUMO化除了可以調節(jié)細胞命運、對細胞造成損傷外,還有一些其他的作用。例如,SUMO化與細胞骨架功能有關。波形蛋白(vimentin,VIM)是參與細胞骨架組織和細胞運動的Ⅲ型中間絲蛋白,在K439和K445位點被SUMO化。VIM的SUMO化是其動態(tài)分解的必要條件,表達非SUMO化VIM突變體的細胞遷移水平降低[32]。SUMO化可以影響線粒體功能。研究表明,在肝缺血再灌注損傷(ischemia-reperfusion injury,I/R injury)中,動力相關蛋白1(dynamin-related peptide 1,Drp1)的磷酸化可以防止線粒體裂變,從而保護肝臟;Drp1的活性受到SUMO化修飾的調控,影響線粒體裂變的過程;肝臟再生增強劑(augmenter of liver regeneration,ALR)顯著降低Drp1的SUMO化,減弱I/R損傷誘導的線粒體裂變,保持線粒體的穩(wěn)定性和功能,從而使肝細胞免受I/R損傷誘導的凋亡[33]。此外,SUMO途徑已被證明可以控制離子通道功能。在人類心臟中,NaV1.5是一種可以通過INa(一種快速激活和失活的Na+電流)的電壓門控鈉離子通道,決定了動作電位的上升和持續(xù)時間。有研究報道,在心肌缺血患者中,心臟中鈉電流升高和動作電位延長,并通過Nav1的SUMO化引起心律失常[34]。K2P1是一個K+選擇性的、pH敏感的、由可逆肽鏈調控的開放整流通道。SUMO偶聯(lián)酶存在于質膜中,與K2P1結合,并修飾K2P1的K274位,從而誘導K2P1在質膜上的表達,而SENP1介導的去SUMO化又能抑制其表達。因此,K2P1的活性可以通過SUMO化修飾和去SUMO化修飾被嚴格調控[35]。

3 SUMO化修飾通路與心血管疾病

心血管發(fā)育是一個復雜的過程,需要各種細胞活動、轉錄因子和信號轉導途徑之間的高度協(xié)作,而在其中發(fā)揮作用的蛋白質又受許多蛋白質翻譯后修飾調控。蛋白質翻譯后修飾包括磷酸化、乙?；-亞硝基化、糖基化和泛素化等。目前,磷酸化與泛素化已被證明在心血管疾病中有不可或缺的作用。泛素化修飾對蛋白質穩(wěn)態(tài)具有調控作用,而蛋白質穩(wěn)態(tài)又與心血管疾病息息相關。SUMO化作為一種類泛素化修飾也與蛋白質的穩(wěn)態(tài)相互關聯(lián)。近期研究也揭示,SUMO化修飾通路正在成為心血管疾病中的重要參與者[15,36～37](表2)。

表2 底物SUMO化在心血管疾病中的作用Table 2 The roles of substrate SUMOylation in CVDs

3.1 SUMO化與心力衰竭

心力衰竭(heart failure,HF)簡稱心衰,是指由于心臟的收縮和舒張功能發(fā)生障礙,不能將靜脈回心血量充分排出心臟,導致靜脈系統(tǒng)血液淤積,動脈系統(tǒng)血液灌注不足,從而引起心臟循環(huán)障礙[38]。心衰不是一個獨立的疾病,而是心臟疾病發(fā)展的終末階段[39]。

研究顯示,在實驗動物和人類心衰心臟中,內源性SUMO1表達降低,導致SUMO1修飾的SERCA2a減少[22]。SERCA2a是心肌細胞興奮-收縮偶聯(lián)過程中鈣重新攝取到肌漿網中的關鍵ATP酶。SERCA2a在K480和K585位點的SUMO1修飾增加了其穩(wěn)定性和ATP酶活性[40]。腺病毒介導的SUMO1遞送恢復了心衰動物模型中的SERCA2表達和活性。重要的是,SUMO1基因遞送改善了動物模型中的心臟射血分數(shù)[41]。敲除SERCA2a導致體外和體內心臟功能嚴重受損,且SUMO1過表達也無法恢復。因此,SUMO化作為一種重要的翻譯后修飾形式,可以調節(jié)SERCA2a的功能并為心衰新治療策略的設計提供新思路[22]。SUMO1在心臟中的重要性也由負調節(jié)SUMO1表達的miR-146a證實。在動物和人類發(fā)生心衰時,miR-146a的表達增加,并且miR-146a的過表達會降低體內SUMO1、SERCA2a的表達和心臟收縮性;研究進一步表明,miR-146a通過心衰心臟中的成纖維細胞分泌的細胞外囊泡遞送至心肌細胞,以減少SUMO1的表達[42]。

另外,SUMO化修飾與衰老指標P21存在一定的關聯(lián)。REGγ是一種蛋白酶體激活因子,能特異性結合并活化20S蛋白酶體,以ATP和泛素非依賴途徑降解目的蛋白質。研究證明,REGγ能介導蛋白酶體對P21的降解[43]。Wu等[44]發(fā)現(xiàn),REGγ在體內和體外都可以與SUMO1結合發(fā)生SUMO化。SUMO偶聯(lián)對REGγ進行翻譯后修飾,介導了REGγ的胞質易位,并增加了這種蛋白酶體激活劑的穩(wěn)定性。由于REGγ的SUMO化缺陷突變體對P21的親和力降低,因此P21的降解減少,蓄積增加,促進了衰老的發(fā)生[44]。除了SUMO1對心臟衰老有影響,還有研究發(fā)現(xiàn)SUMO2/3修飾蛋白在終末期心衰患者的心臟樣本中也增加[45]。去SUMO化酶SENP5的過表達也會導致心肌病,在SENP5轉基因小鼠的心臟中,Drp1維持低SUMO化狀態(tài)導致線粒體功能失調[46]。這些研究表明SUMO化修飾對心衰具有調控作用,暗示了SUMO化修飾對心衰患者的治療潛力。

3.2 SUMO化與心肌梗死

急性心肌梗死是冠狀動脈急性、持續(xù)性缺血缺氧所引起的心肌壞死[47]。心肌I/R損傷是造成心肌梗死患者預后不良的關鍵因素之一[48]。

已有研究發(fā)現(xiàn),SUMO化相關酶參與了心肌I/R過程,影響了疾病的進程。去SUMO化酶SENP1可以修復心肌I/R損傷。在人、小鼠以及大鼠心肌I/R后,SENP1水平均升高。在小鼠心肌I/R損傷后,SENP1敲除小鼠的收縮功能降低,心肌梗死面積增大,促使心臟功能惡化。SENP1調控缺氧誘導因子1α (hypoxia inducible factor 1α,HIF1α)的表達,這是心肌I/R過程中一個關鍵的保護因子。HIF1α的過表達逆轉了SENP1敲除對細胞死亡的惡化作用[49]。

在心肌梗死動物模型中,ERK5被SUMO2/3高度修飾[50]。在暴露于H2O2或高葡萄糖(兩種眾所周知的糖尿病介質)的心肌細胞中,人們也可觀察到ERK5的SUMO化。SUMO化的ERK5轉錄活性降低,這可能是心肌梗死后糖尿病患者心衰惡化的原因[51]。通過與絲裂原活化蛋白激酶激酶5(MAP kinase kinase 5,MEK5)結合,ERK5 的SUMO化減弱,而MEK5a過表達的轉基因小鼠在心肌梗死后ERK5的SUMO化也降低。因此,ERK5的SUMO化是應激誘導的糖尿病性心肌病發(fā)展的關鍵因素。SUMO2/3特異性蛋白酶SENP3是缺血梗死后細胞存活的重要因素。在I/R模型中,研究人員檢測了心肌內SUMO化靶蛋白和SENP3的水平變化,發(fā)現(xiàn)心肌缺血后SENP3丟失90%,I/R后丟失80%,并且shRNA(short hairpin RNA)介導的SENP3基因敲除導致再灌注時細胞死亡率增加,說明心臟缺血極大地改變了SENP3的水平,這可能是心臟I/R后細胞死亡的機制之一[52]。

3.3 SUMO化與心肌病

心肌病是一組異質性心肌疾病,由不同病因引起心臟機械和電活動的異常,表現(xiàn)為心室不適當?shù)姆屎窕驍U張。嚴重心肌病會引起心血管性死亡或進展性心衰[53～55]。心肌素(myocardin)屬于 SAP(SAF-A/B,Acinus,PIAS)結構域家族,僅在胚胎的心肌和平滑肌發(fā)育過程中表達,并在心肌細胞肥大中起關鍵作用。心肌素通過調節(jié)心肌細胞的穩(wěn)定性和代謝活性影響心肌細胞的生長,通過血清效應因子(serum response factor,SRF)的共激活因子促進平滑肌細胞分化。心肌素的異常表達會導致肥厚型心肌病,其突變可能造成心血管發(fā)育異常[56]。據報道,心肌素在K445位點被SUMO1 SUMO化,SUMO1和E3 PIAS1對心肌素的SUMO化逆轉了心肌素基因的表達,加重了心肌肥厚,表明心肌素的SUMO化在心臟肥大發(fā)展中起著重要作用[57]。線粒體生物發(fā)生和心臟能量代謝的缺陷是導致心肌病的關鍵因素。SENP1可以通過調節(jié)過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α (peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1α,PGC1α)的轉錄活性,調控線粒體生物發(fā)生和線粒體功能[58]。有研究證明,心肌病的發(fā)病機制與SENP1介導的線粒體異常調節(jié)有關,病變心臟中SENP1的上調是通過鈣調神經磷酸酶-NFAT/MEF2C-PGC1α 通路介導的[59]。

3.4 SUMO化與動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化是慢性炎癥性疾病,涉及內皮激活、內皮功能障礙和局部炎癥反應等多個病理步驟。近期研究發(fā)現(xiàn),SUMO化在動脈粥樣硬化發(fā)生發(fā)展中起到重要的調控作用[60]。

有報道稱,血流紊亂可誘導內皮細胞的促炎和凋亡反應,導致內皮細胞功能失調,進而導致動脈粥樣硬化[61]。雖然已有研究證明,在內皮細胞凋亡和炎癥過程中能檢測到P53和ERK5的SUMO化,但在促動脈粥樣硬化流動條件下,其機制在很大程度上仍是未知的[62]。在血流干擾條件下,P53和ERK5的SUMO化有助于動脈粥樣硬化斑塊的形成,參與這一信號轉導的分子將成為控制內皮細胞功能障礙和動脈粥樣硬化形成的關鍵靶點[63]。PIAS1是一種SUMO E3連接酶,同時也是一種轉錄阻遏因子。MAPK活化的蛋白激酶2是一種促炎激酶,能磷酸化PIAS1的Ser522殘基,也可以發(fā)揮獨特的抗炎作用。蛋白激酶2的激活增強了P53的SUMO化,但是PIAS1磷酸化突變體PIAS S522A卻降低了P53的SUMO化,這表明PIAS1 S522磷酸化在其SUMO連接酶活性中起著關鍵作用。MAPK激活的蛋白激酶2通過增強PIAS1 S522的磷酸化介導PIAS1的轉抑制和增加SUMO連接酶活性,從而限制內皮炎癥[64]。除了炎癥反應,巨噬細胞對動脈粥樣硬化病理發(fā)生過程中的脂質代謝也具有重要的調節(jié)作用。肥胖和代謝綜合征日益被認為是心血管疾病的主要危險因素。Krüppel-like轉錄因子 5(Krüppel-like transcription factor 5,KLF5)是一個重要的能量代謝調節(jié)因子。已有研究證明,KLF5的SUMO化在涉及PPARδ的脂質代謝轉錄程序中起分子開關的作用[65]。

3.5 去SUMO化酶SENP在心血管疾病中的作用

SENP是去SUMO化酶,其家族成員的作用各不相同。SENP1是一種核質穿梭蛋白質,能催化SUMO1、SUMO2/3修飾的靶蛋白發(fā)生去SUMO化。SENP2與SENP1相似,也能夠對SUMO1、SUMO2/3起作用,但是二者的底物不同。比如:SENP2可以調控磷脂酶Cβ4(phospholipase Cβ4,PLCβ4)的核運輸,起到維持細胞穩(wěn)態(tài)的作用,而SENP1則不能[66]。在機體中,促炎因子的存在導致SENP1升高,造成下游靶蛋白去SUMO化升高,進而改變下游靶蛋白功能,影響疾病的進程[67]。在人類肥厚和衰竭心臟中,研究人員觀察到SENP1的表達增加,并證明SENP1可以保護心肌細胞,使其免受肥厚性生長刺激[59]。相反,心臟特異性過表達SENP2卻導致心肌病和心臟功能障礙,引起冠心病房間隔缺損小鼠過早死亡。免疫生化結果顯示,與野生型相比,SENP2過表達小鼠心臟的心肌細胞增殖減少;存活的SENP2過表達小鼠生長發(fā)育遲緩,隨著年齡的增長出現(xiàn)心肌病,心功能受損[68]。

SENP3和SENP5都是核仁蛋白質且具有很高的序列同源性,二者主要特異性結合SUMO2/3。目前SENP3在心臟中的作用頗具爭議。SENP3在小鼠心臟中表達上調取決于ROS的產生,以此應對心臟的I/R損傷。SENP3敲低可以顯著減少I/R損傷誘導的梗死面積并改善心功能。在心臟中,SENP3主要通過抑制內質網應激和線粒體介導的凋亡途徑改善心肌細胞凋亡。SENP3的過表達顯著加重了心臟的I/R損傷[69]。這些研究顯示SENP3對心臟具有損害作用。相反,也有研究證明了SENP3對心肌細胞具有保護作用[70]。在缺血和再灌注期間的不同研究中,SENP3在心臟中的表達水平變化很大,這可能與SENP3在I/R后的細胞內定位發(fā)生了改變有關。有研究證明,在缺血期間SENP3的細胞質部分顯著減少,同時核部分顯著增加,表明缺血后SENP3可能重新定位于細胞核[52]。目前,研究者已在人的衰竭心臟中觀察到SENP5的表達增加,并且發(fā)現(xiàn)在小鼠心臟中過表達SENP5會導致細胞增殖受損以及細胞凋亡增多,從而導致心肌病[46]。SENP5的心臟特異性過表達與線粒體裂變有關,而Drp1的寡聚化是線粒體裂變的重要因素。有研究報道,心肌特異性過表達SENP5會降低SUMO2/3綴合的Drp1水平,并誘導細胞凋亡,最終導致成年小鼠心肌病的發(fā)生[71]。

SENP7在細胞質中表達的比例較小,其和SENP6主要存在于核質中。二者主要切割多聚SUMO2/3鏈,從而起到拮抗SUMO化修飾的作用[72～73]。SENP6 和 SENP7 在去除 PML 的 SUMO 化及核體(nuclear bodies,NBs)形成過程中起關鍵作用,從而調節(jié)NBs動力學和多種細胞功能[74]。三氧化二砷注射液通過誘導PML的SUMO化和NBs形成上調TGF-β1,從而增加心肌纖維化;SUMO E2綴合物UBC9被沉默后,PML的SUMO化受到抑制,從而減少橫向主動脈縮窄小鼠中心臟纖維化的發(fā)展[75]。這些結果均證明,SENP家族介導的去SUMO化修飾在心臟中發(fā)揮著至關重要的作用。

4 SUMO化修飾與外泌體在心血管疾病中的研究

細胞外囊泡(extracellular vesicles,EVs)是一種由細胞釋放到細胞外基質的膜性小囊泡,參與細胞通信、細胞遷移、血管新生和腫瘤細胞生長等過程,廣泛地存在于各種體液和細胞上清中,并且穩(wěn)定攜帶一些重要的信號分子[76]。根據產生方式、體積和分子標志物的不同,EVs可分成3類,即外泌體(exosome,Exo)、細胞衍生微粒(cell-derived microparticle)和凋亡小體(apoptotic body)[77]。外泌體是EVs中體積最小的一類,直徑30～100 nm。細胞質中的內體膜先向內體腔內凹陷,形成多囊內體,同時募集細胞質中的各種蛋白質、核酸、脂質進入多囊內體的各個小囊泡中,隨后多囊內體遷移到細胞膜的胞質面,與細胞膜發(fā)生膜融合,釋放出內部的小囊泡,即外泌體[78]。

近年來的研究表明,外泌體能夠參與心血管疾病的調控。例如:心肌成纖維細胞分泌的外泌體將miR-133a輸送至心肌細胞,心肌細胞中升高的miR-133a靶向果蠅ELAV樣1蛋白[(embryonic lethal,abnormal vision,Drosophila)-like 1],抑制焦亡的發(fā)生,從而治療I/R損傷[79]。間充質干細胞來源的外泌體通過遞送circ-0001273,抑制心肌梗死后心肌細胞凋亡的發(fā)生,進而改善心肌梗死后的心臟功能[80]。以上研究提示,外泌體調控心血管疾病進程的主要分子機制是遞送其中包含的眾多非編碼 RNA,如 miRNA、lncRNA、circRNA等,這也表明外泌體的生成過程中可能存在特異的RNA分選機制。目前有研究表明,SUMO化修飾與外泌體中成分的分選機制有關。外泌體的生成有依賴于內吞體分選轉運復合體(endosomal sorting complex required for transport,ESCRT)和不依賴于ESCRT的途徑[81]。依賴于ESCRT的外泌體生成過程不僅有泛素化修飾的參與,也有SUMOylation、NEDDylation和 ISGylation等修飾的參與[82]。SUMO化修飾在外泌體的生物發(fā)生中起重要作用,外泌體富含的miRNA的特異序列(GGAG),已被鑒定為Exo-motif。Exo-motif可被人核內不均一核糖核蛋白A2B1(human heterogeneous nuclear ribonucleoprotein A2B1,hnRNPA2B1)和hn-RNPA1特異性識別,從而調控這些miRNA選擇性進入外泌體[83]。有研究報道,hnRNPA2B1在外泌體中大部分被SUMO化后,會識別特定的miRNA并將其包裝到外泌體中,繼而使miRNA運輸?shù)桨屑毎邪l(fā)揮作用[84];SUMO化修飾在自噬相關基因5(autophagy-related gene 5,ATG5)的協(xié)助下將α-突觸核蛋白包埋到外泌體中,這表明SUMO化修飾是特定分子被分類到外泌體中的重要調節(jié)劑[85]。另外,已有研究證明SUMO化修飾通過EVs的運輸作用調控心衰后的心臟功能。在心衰后,成纖維細胞可以分泌一種含有miR-146a的EV,其將miR-146a傳遞到心肌細胞,心肌細胞中的miR-146a可介導SUMO1分子的下調,從而導致SERCA2a蛋白的穩(wěn)定性下降,最終造成心臟收縮功能障礙[42]。這啟示,我們可以利用外泌體的“貨物載體”功能調控SUMO化修飾,進而實現(xiàn)心血管疾病的靶向治療。雖然SUMO化修飾可以在外泌體生物發(fā)生以及外泌體的運輸過程中發(fā)揮重要作用,但是SUMO化修飾是否能夠通過介導外泌體的生物發(fā)生以及基于外泌體的遞送作用來調控心血管疾病,仍需要繼續(xù)深入探究。隨著研究的深入,我們相信在SUMO化修飾與外泌體共同靶向調控心血管疾病方面將會取得更多令人鼓舞的進展。

5 總結與展望

蛋白質翻譯后修飾是重要的生物功能調控機制,其重要性不亞于轉錄和蛋白質表達調控,并且其復雜性更甚。即使是幾種常規(guī)的蛋白質翻譯后修飾,目前的研究也只是揭其冰山一角,還有很多的功能以及修飾種類有待進一步的探索。SUMO化修飾是繼泛素化、磷酸化、乙?；?、甲基化和糖基化等常規(guī)修飾的又一種重要的蛋白質翻譯后修飾形式。SUMO化修飾的過程與泛素化類似,但該修飾發(fā)揮的生物學功能又與泛素化大不相同,是近幾年蛋白質翻譯后修飾的研究熱點。目前,SUMO化修飾在心血管疾病方面的研究雖有很多,但針對不同類型的疾病,包括心衰、心肌梗死、缺血性心肌病和動脈粥樣硬化等,其作用及機制依舊不明確。SUMO化如何通過影響蛋白質穩(wěn)定性及定位、細胞周期、DNA修復、轉錄調控等過程維持細胞正常功能;如何通過調節(jié)細胞骨架、線粒體功能、離子通道活性等過程影響疾病的發(fā)生發(fā)展,都需要進一步研究。

雖然心血管疾病的治療策略有了很大的改善,但目前仍缺乏準確、有效、科學的治療。靶向治療是未來心血管疾病治療的有效方式之一。外泌體具有貨物運輸功能,在靶向治療心血管疾病方面具有良好的臨床應用前景,因此,探究是否能夠利用外泌體調控細胞中的SUMO化修飾,來達到靶向治療心血管疾病的作用,將有助于更好地了解SUMO化在心血管疾病發(fā)生發(fā)展中的作用,并研發(fā)靶向治療心血管疾病的精準策略。

另外,以往的蛋白質組學研究發(fā)現(xiàn),多種不同類型的蛋白質翻譯后修飾,如磷酸化、泛素化、甲基化、SUMO化等,存在復雜的交互作用,進而共同影響疾病的發(fā)生[86]。SUMO化不僅能調節(jié)靶蛋白的功能和定位,還可以影響其他翻譯后修飾的過程,而且可能與其他翻譯后修飾共同調節(jié)相同的生理病理過程。因此,在臨床治療中考慮SUMO化和其他翻譯后修飾對心血管疾病進展的協(xié)同作用,探索靶蛋白SUMO化與其他蛋白質翻譯后修飾之間的動態(tài)平衡,將是未來需要深入研究的方向。將SUMO化與其他蛋白質翻譯后修飾形式之間復雜的關系作為心血管疾病治療研究的切入點,可能會為心血管疾病治療打開一扇全新的大門。

利益聲明:所有作者均聲明不存在利益沖突。