微管在心血管疾病中作用機制的研究進展

吳巧敏，汪艷麗，劉金鳳，常興，姚舜宇，劉如秀

(中國中醫科學院廣安門醫院心血管科，北京 100053)

微管是構成細胞骨架的非共價聚合物之一[1]。細胞骨架是一種完整的絲狀蛋白質網絡，其賦予細胞形態，促進細胞運動以及構建分離遺傳物質所需的紡錘體。微管具有“動態不穩定性”，在生長期和解聚期之間循環，從生長到解聚的轉變稱為解聚作用(“災難”)，從解聚到生長的轉變稱為聚合作用(“拯救”)。聚合和解聚速率以及“災難”和“拯救”事件頻率構成了微管動力學的4個特征參數。微管蛋白包括兩種類型：α微管蛋白和β微管蛋白，兩者形成異二聚體，可逆和動態聚合成微管細胞骨架元素，調節細胞形態，驅動有絲分裂，進而為細胞內運輸提供平臺，介導細胞的運動[2]。微管蛋白通過多種翻譯后修飾過程，如乙酰化、去酪氨酸化等，在不同組織、細胞中產生執行不同功能的微管體系，發揮多樣的微管生物學功能。微管作為胞內運輸系統，與肌動蛋白聯合參與心肌細胞線粒體的分布和能量運輸，微管的失衡造成線粒體能量代謝的異常，進而損傷心肌細胞。有文獻報道，微管在心血管疾病的發生中起關鍵作用[3-4]，而靶向微管治療是調節心血管疾病的新機制，其有望成為心血管疾病治療的新方法。現就微管在心血管疾病中作用機制的研究進展予以綜述。

1 微管的生物學功能

1.1微管蛋白翻譯后修飾 微管蛋白通過多種不同的翻譯后修飾進一步多樣化。乙?；?、去酪氨酸化、甲基化、磷酸化和棕櫚?；确g后修飾充當“微管蛋白代碼”，進而影響微管與細胞器的相互作用，為多種生理環境提供物質基礎。其中，乙?；腿ダ野彼峄谛难芗膊≈邪l揮重要作用，也是目前心血管疾病研究較多的兩種翻譯后修飾。

1.1.1乙?；?微管乙?；l生在α/β微管蛋白異二聚體的α-亞單位第40位賴氨酸的氨基上，是唯一發生在微管腔內的修飾形式。微管乙?；哂斜３治⒐軓澢鷦偠然蜷L度持久性的作用，有助于微管晶格應對機械應力，促進微管自我修復，如微管去乙?；瘜е挛⒐軓澢鷦偠冉档?0%，且微管斷裂事件發生的可能性增加26%[5]。肌動蛋白是心肌細胞調節運動的蛋白質，肌動蛋白和微管之間存在相互串擾。肌動蛋白通過乙?；蕾嚈C制維持微管組織、動力學和穩定性，并且控制線粒體分布。若肌動蛋白擾動，組蛋白去乙酰化酶6(histone deacetylase 6，HDAC6)破壞微管蛋白和肌動蛋白之間的串擾，進而降低微管乙?；剑绊懳⒐芊€定性和線粒體分布[6]。肌動蛋白和微管之間串擾聯系的破壞，將改變微管乙酰化，導致心肌細胞運功功能失常。

調節微管乙?；年P鍵酶為α微管蛋白乙酰轉移酶和HDAC6，它們分別添加或移除α微管蛋白的乙?；鵞7-10]。依賴于踝蛋白和肌動球蛋白的底物剛性機械傳感通過促進α微管蛋白乙酰轉移酶募集到局灶黏附區來控制微管乙酰化[8]。其中，HDAC6使多種非組蛋白脫乙酰，參與細胞信號轉導、侵襲體形成、應激顆粒生物學和基因轉錄等過程[11]，在調節微管穩定性和動力學中發揮關鍵作用。同時，HDAC6與沉默信息調節因子4互相作用，負調節乙酰-α微管蛋白水平，減少線粒體能量代謝[12]。因此，抑制HDAC6可升高乙酰化微管蛋白水平，增強線粒體運動[13-14]。

1.1.2去酪氨酸化/酪氨酸化 微管蛋白酪氨酸化是第一個確定的修飾形式。具有C端酪氨酸編碼的α微管蛋白的細胞均經歷了“去酪氨酸化/酪氨酸化”的循環。該循環中，微管蛋白羧肽酶去除 C端酪氨酸，隨后由微管蛋白酪氨酸連接酶釋放，調節去酪氨酸化/酪氨酸化的豐度。穩定的去酪氨酸化/酪氨酸化是微管依賴性機械傳導的有效調節因子，具有調節細胞骨架力學的作用，其失調與心臟缺陷、心力衰竭等心血管疾病的發生相關[15-16]。

“去酪氨酸化/酪氨酸化”的穩定循環保證細胞功能正常發揮，而穩態失調致使微管結構和功能的異常。當影響“去酪氨酸化/酪氨酸化”循環的生物過程發生時，微管網絡變薄、重組成束及機械傳感力變化。微管親和調節激酶4(microtubule affinity-regulating kinase 4，MARK4)靶向調節微管去酪氨酸化[3]，微調心肌細胞的微管網絡結構。當MARK4水平降低時，微管被松散地固定，使得心臟更容易收縮和放松，而當MARK4表達增加時，微管機械阻力增加，阻礙心肌收縮[3]。微管去酪氨酸化的穩定與心臟煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶2依賴性活性氧產生(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase 2-dependent reactive oxygen species production，X-ROS)信號和Ca2+通道密切相關。X-ROS為微管依賴性機械傳導的活性氧和Ca2+信號。去酪氨酸化的微管加劇了X-ROS的機械傳導[17]。通過X-ROS機械傳導途徑，收縮或拉伸的機械應力與煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶生成的活性氧聯系起來介導Ca2+通道[18]。拉伸誘導的X-ROS導致正常心臟中的細胞內鈣通道處于同步激活狀態，該途徑的失調則引發非同步Ca2+釋放和心律失常[18]。

1.2微管運輸 細胞的生命活動依賴于胞內運輸。在心臟中，微管和以微管為基礎的胞內運輸幫助構成和維持心肌細胞內肌節、肌質網膜等關鍵結構。心肌細胞的微管和中間絲共同構成交聯支架，負責輸送細胞內“貨物”、傳遞機械信號、形成膜系統以及協同調控肌原纖維和細胞器[19]。微管運輸與心肌細胞亞細胞器功能的發揮緊密相關。心臟是高耗氧和ATP需求的器官，僅線粒體就占心肌細胞體積的35%～40%[19]。因此，線粒體功能的正常發揮對于心肌細胞尤為重要。在細胞內，線粒體需要附著于細胞骨架元素上作為內部支架系統，從而控制線粒體形態[20]。微管等細胞骨架成分在細胞周期的不同時相發揮的作用不同，以微管和肌動蛋白為基礎的馬達分子、驅動蛋白以及細胞質動力蛋白水解ATP，從而將化學能轉變為機械能，參與線粒體的運輸和分布。微管作為線粒體運動的主要工具[21]，為ATP需求高的部位運輸能量[22]。線粒體通過與α微管蛋白和β微管蛋白等的相互作用，調節細胞能量代謝、協調線粒體呼吸和氧化磷酸化及整個細胞生理功能[20]。

微管運輸結構的破壞造成線粒體形態和能量的損傷，如微管重組、變形對線粒體能量代謝、呼吸功能造成影響，減少能量的產生和運輸；周期性的拉伸改變細胞形態并引起微管重組，影響線粒體分布和ATP的產生[23]。當微管蛋白缺乏時，線粒體的呼吸功能及其對ADP的敏感性明顯降低[24-25]。線粒體功能障礙在多種心血管疾病的進程中具有關鍵的調控作用，與之相關聯的微管運輸結構和功能的破壞亦成為心血管疾病發生發展的重要原因。

2 微管與心血管疾病的聯系

心肌細胞富含微管網絡，其可分為3個不同又相互重疊的群體：①與肌原纖維和線粒體平行的纖維間微管及環繞細胞核的額外群體；②垂直于肌原纖維、纏繞在心肌細胞周圍的皮質微管，參與外部機械傳導以及跨膜蛋白和離子通道的調節；③環繞于細胞核、核周細胞器的核周微管[19]。細胞骨架的結構和功能可以穩定細胞形態、功能、運輸等，尤其對于富含微管結構的心肌細胞。微管蛋白功能的紊亂使心肌細胞線粒體產生明顯的機械敏感性，參與心力衰竭、心肌病、心律失常等心血管疾病的病理過程[23,26-27]。因此，微管的失衡是造成多種心血管疾病的原因。

2.1微管蛋白與心肌梗死 缺血再灌注損傷由器官血流初始中斷和血流隨之恢復產生，是急性心肌梗死后的臨床難題。缺血再灌注是心肌梗死的病理核心，可造成心肌細胞的致命性損傷。心肌細胞死亡的重要原因為微管及其與線粒體聯系的破壞。心肌梗死期間，氧化應激增加，誘發了微管的突變，嚴重破壞正常的微管動力學[28]。其可能原因為氧化應激抑制心肌細胞糖原合成酶激酶-3β，降低微管正端示蹤蛋白磷酸化，導致微管正端示蹤蛋白從微管中移位，由此破壞細胞骨架結構[28]。而當細胞骨架破壞時，細胞骨架與線粒體的相互關系發生顯著變化，致使心肌細胞完整性受損[29-30]。骨架破壞的過程中，隨著β微管蛋白的異常改變，線粒體呼吸功能受損，能量轉移功能降低[31-32]。且氧化應激損傷促使線粒體釋放大量活性氧，線粒體通透性轉換孔過度開放，線粒體內膜對溶質的滲透性突然增加，致使線粒體水腫破裂，啟動細胞凋亡，引發心臟不可逆損傷[33]。

微管去酪氨酸化調節的微管動態變化是保護心肌梗死后心肌細胞收縮功能的重要機制。穩定的去酪氨酸化微管與結合蛋白結合收縮心肌細胞，為心肌細胞提供機械阻力。微管蛋白的“去酪氨酸化/酪氨酸化”循環的失調導致微管功能的紊亂，影響心肌細胞收縮功能[34-35]。研究發現，敲除MARK4可減少心肌梗死后心肌微管去酪氨酸化，保護心臟收縮功能。在心肌梗死面積相同的情況下，MARK4敲除小鼠左心室射血分數僅降低4.3%，而對照小鼠左心室射血分數降低37.9%，嚴重影響了心臟收縮功能[3]，說明抑制微管去酪氨酸化可顯著改善心肌梗死后的心肌收縮功能。

2.2微管蛋白與動脈粥樣硬化 動脈粥樣硬化是多種心血管疾病發病的病理學基礎。動脈粥樣硬化和血管狹窄與血管平滑肌細胞(vascular smooth muscle cell，VSMC)增殖緊密相關。VSMC產生細胞外基質分子(間質膠原、彈性蛋白及蛋白多聚糖等)，使血管內膜層增厚[36]，并通過脂質介導的氧化DNA損傷和端粒功能障礙及轉分化驅動動脈鈣化，形成動脈粥樣硬化[37-38]。微管動力學調節細胞遷移過程，不穩定的微管促進了VSMC的遷移[39]，而微管乙?；黾游⒐芊€定性，從而抑制VSMC定向遷移和內膜新生[40]。微管相關的MARK4蛋白在動脈粥樣硬化的發生發展中亦發揮作用。MARK4具有調節脂質(膽固醇、脂肪酸和三酰甘油)代謝、炎癥、胰島素信號、葡萄糖穩態、白色脂肪細胞褐變和氧化應激的作用[41]。研究發現，動脈粥樣硬化患者的MARK4表達顯著增加[41]，說明MARK4過度表達可能誘發動脈粥樣硬化。其具體機制可能為MARK4參與內源性損傷相關分子模式，啟動動脈粥樣硬化炎癥反應。微管調節核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3)的細胞內分選，介導NLRP3炎癥小體的組裝，促進NLRP3向線粒體募集[42]，并產生白細胞介素-1β，響應內源性損傷相關分子模式，啟動動脈粥樣硬化炎癥反應[43]。MARK4是NLRP3炎癥小體的特異性免疫調節劑，特異性靶向NLRP3激活炎癥。當敲除MARP4時，細胞中的NLRP3炎癥小體明顯減少，內皮損傷和動脈粥樣硬化程度減輕[44]。說明微管的穩定性及其分子調控動脈粥樣硬化的發生發展，參與細胞增殖、炎癥損傷等關鍵病理過程。

2.3微管蛋白與心律失常 經典的抗心律失常藥物包括β受體阻滯劑和針對特定離子通道的藥物，但其缺乏心臟特異性，治療窗狹窄，不能有效改善預后。胞內運輸在心律失常的發生發展中起重要作用，為治療心律失常新的干預靶點。微管作為細胞內分子運輸系統的組成部分，微管聚合與解聚的動態平衡有利于減少心律失常事件的發生。當阻止微管的解聚時，可以改善缺血等損傷誘發的心律失常[45]。抑制微管聚合亦可減少心律失常發生，如秋水仙堿靶向抑制微管聚合可降低術后心房顫動的發生率[46]，減少不良心血管結局[47]。

微管翻譯后修飾的異常表達誘導心律失常的發生。在心肌細胞中，生理性拉伸和電誘發收縮激活X-ROS，產生活性氧，并增加蘭尼堿受體(一種Ca2+釋放通道)的敏感性，觸發Ca2+火花爆發[27,48]。在疾病狀態中，X-ROS觸發Ca2+火花導致心律失常[27,48]。當微管去酪氨酸化減少時，X-ROS及下游信號可被抑制，從而保護心肌細胞免受有害的Ca2+信號和減少應激性心律失常的發生[17]。HDAC6通過去除微管蛋白的乙?；?，破壞了心肌收縮能力而誘發心律失常[49]，這也是心力衰竭后心律失常的病理機制。縫隙連接蛋白43重塑與非缺血性心力衰竭中的電傳導速度受損和致命性室性心律失常有關[50]。微管改變和α微管蛋白乙?；瘻p少導致縫隙連接蛋白43的重塑，進而改變心肌細胞之間的正確通訊，最終導致電傳導障礙，誘發惡性心律失常[51]。

3 心血管疾病的微管靶向治療

靶向微管的治療可能成為心血管疾病治療的新策略。藥物抑制微管去酪氨酸化可降低衰竭心肌細胞的黏彈性，恢復心臟40%～50%的收縮功能[52]，因而，研究者們嘗試靶向微管以防治心血管疾病。秋水仙堿是經典的微管蛋白抑制劑，其可通過與微管蛋白結合阻斷微管聚合。目前口服低劑量秋水仙堿越來越多地用于治療心血管疾病，如急性冠狀動脈綜合征、術后心房顫動、動脈粥樣硬化等[53-57]。多個靶向微管的分子研究也在進行中，如MARK4抑制劑改善心肌梗死、心力衰竭后的心肌收縮功能，HDAC6抑制劑治療心房顫動和緩解缺血再灌注損傷等。因此，未來將會有更多調節微管平衡的藥物用于治療心血管疾病。

4 小 結

心血管疾病是最常見的死亡原因，其高發病率、高死亡率使研究者們不斷致力于研究降低心血管疾病風險和治療心血管疾病的方法。微管從多方面參與了心血管疾病的發生、發展及重要的病理過程，在細胞的形態、運輸、細胞器互作等方面起到關鍵作用。心臟富含微管結構，微管失衡是心肌梗死、動脈粥樣硬化等心血管疾病發生的病理機制。隨著實驗技術不斷改進和實驗方法的更新，心血管疾病中微管失衡的分子不斷被挖掘，使得微管的機制逐步被完善和充實，未來或許有更多的靶向微管的藥物用于心血管疾病的防治。