泛素-蛋白酶體系統在心臟中的作用*

繆林煜 賴玲

據WHO 稱，心血管疾病是全世界發病率和死亡率的主要原因[1]，如慢性心力衰竭，其特征是心臟不能泵出足夠的血液和氧氣來支持各組織及器官的需要。心力衰竭可急性發病，但更常見于由慢性疾病引起，如慢性高血壓、瓣膜疾病或先天性缺陷引起的血流動力學負荷過重[2]。隨著醫學技術的進步及對潛在致病機制的認識，在發達國家中心血管疾病的危險因素略有下降，從而降低了發達國家心血管事件的發生率，但中低收入國家的發生率卻穩步上升[3]。如此令人沮喪的統計數據和對未來巨大的醫療投入的估算，促使尋找能減緩疾病進展的新的病理生理機制和治療靶點成為當務之急。而蛋白酶體系統在心臟中的調控作用可能在心臟疾病中起到干預和治療的作用。本綜述將總結有關心臟生物學中涉及的特異性E3 連接酶的最新報道，以及蛋白酶體在心臟疾病中調節蛋白質控制的基本作用。

1 泛素-蛋白酶體系統的功能

1.1 泛素-蛋白酶體系統 過去的幾十年中，泛素-蛋白酶體系統（ubiquitin-proteasome system，UPS）在蛋白質的降解中控制著許多基本的生物學過程。現在的研究也表明，在大多數哺乳動物細胞中，UPS降解約90%的蛋白質，其中確保具有內在毒性的、錯誤折疊的、氧化或損傷的蛋白質被它降解[4]。多達30%新合成的蛋白質在合成后幾分鐘內就會被蛋白酶體降解[5]。除了在清除受損或錯誤折疊的蛋白方面發揮作用，UPS 還以高度調控的方式靶向降解特定的底物。目前泛素蛋白酶體系統在絕大部分細胞中存在重要作用，如在細胞核、細胞質、內質網及膜蛋白中，都是由泛素化酶和蛋白酶體參與其合成與降解[6]。除蛋白酶體外，在溶酶體、自噬體中，蛋白質降解的其他機制還包括非蛋白酶體細胞內蛋白酶裂解。Nemchenko 等[7]對自噬體在心臟生物學和心臟疾病中的作用做了全面闡述。盡管UPS 主要在細胞和癌癥生物學背景下進行研究，但越來越多的研究表明，UPS 功能障礙在心臟疾病中發揮作用。

1.2 心臟特異性蛋白酶體 26S 蛋白酶體包括催化20S 和調節19S。19Scap 由6 種atp 酶（Rpt1-6）和12 種非atp 酶（Rpn）亞基組成，提供進入催化核心的途徑。PA28 也被稱為11S，是20S 的非ATP依賴性激活劑。不同的11S 復合物具有不同的亞細胞定位。催化復合物在其1、2 和5 個亞基內分別含有caspase 樣、胰蛋白酶樣和糜蛋白酶樣肽酶活性。這些催化亞基被可誘導的亞基（稱為1i、2i 和5i）取代，以響應免疫刺激。在許多形式的心肌病中，包括缺血-再灌注損傷和糖尿病心肌病，可誘導的亞單位表達顯著增加[8]。

哺乳動物心臟蛋白酶體具有分子異質性[9]，如：19S 復合物內Rpn10 的選擇性剪接亞型；其功能調節不同于其他組織中的蛋白酶體和酵母細胞，這主要與幾種蛋白酶體的組織特異性表達有關。Kloss等[10]最近的研究根據對蛋白酶體抑制劑的易感性，對不同的蛋白酶體亞群進行分類，將大鼠心臟蛋白酶體分為不同的亞型。11S 和PA200 復合物在與其他器官不同的基礎條件下對心臟不起主要調節作用，但在應激狀態下如應激性糖尿病起作用[11]。此外，20S 亞單位復合物的β1i 亞基在心臟中也起重要作用，因為其缺陷加劇了小鼠的缺血-再灌注損傷；β1i 基因敲除導致氧化蛋白的積聚和蛋白酶體活性的降低，提示β1i 可能影響心肌蛋白酶體對氧化應激的反應。

2 蛋白酶體在心肌重塑中的作用

2.1 心肌重塑 心肌重塑發生在心肌損傷如壞死、壓力超負荷、容量超負荷或老化后，涉及心腔大小、形狀和功能的改變。心肌肥厚是心肌重塑的常見形式，一般在心力衰竭之前發生。心肌肥厚被認為是心臟的代償性反應，通過心肌增厚使心室壁順應力恢復正常[12]。對于心肌肥厚是一種生理性還是一種病理性的過程是一個有爭議的問題。最近的研究表明，心肌肥厚的生理性或病理性肥大是與不同的刺激時間和性質相關[13]。雖然心肌肥厚在短期內通過使室壁順應力正常化而獲益，但長期心肌肥厚導致心力衰竭和心血管死亡率風險升高。

心肌肥大的特點是心肌細胞增大而不是增殖，因為心肌細胞是終末分化的，這通常歸因于細胞蛋白質含量的增加。在心肌肥厚時，蛋白質合成和蛋白質降解速率均增加。蛋白質降解速率增加作為翻譯蛋白質的控制機制，以確保任何異常合成的蛋白質被降解。

2.2 UPS 在慢性心力衰竭中的作用 考慮到UPS 在心肌肥厚中所起的作用，將UPS 與心肌肥厚聯系起來的統一模型并不奇怪。在衰竭心臟人體活檢分析下蛋白質降解缺陷可導致心力衰竭。然而，盡管大多數研究一致表明在衰竭的心臟中泛素化蛋白和泛素陽性聚集物的總水平很高，但仍不清楚這是否歸因于蛋白酶體功能受損[14]。也有研究表明在衰竭心臟中蛋白酶體的水平和活性未發生變化；相反，其他研究表明在衰竭心臟中蛋白酶體活性受損，可能是由于蛋白酶體亞單位氧化修飾的結果[15]。在壓力超負荷小鼠蛋白酶體活性的長期評估顯示，蛋白酶體活性的降低預示著心臟功能障礙[16]。反過來，已證實的慢性心力衰竭患者的左心室去負荷導致蛋白酶體活性改善[17]。最近Predmore 等[18]再次強調了這一點，他們發現蛋白酶體水解活性在衰竭的人類心臟中顯著減少并可以在左心室去負荷后部分恢復。

2.3 蛋白酶體抑制在心臟中的作用 蛋白酶體抑制在心臟疾病中的作用一直是人們關注并感興趣的熱點。Depre 等[19]發現，用藥理學抑制蛋白酶體活性可防止心肌肥大，尤其是在承受較高壓力的心內膜下層，恢復并增加犬在慢性壓力超負荷時蛋白酶體的表達和活性。值得注意的是，蛋白酶體抑制劑如環氧酶素完全抑制了左室肥厚。在另一個起搏誘導心力衰竭的犬模型中，發現編碼蛋白酶體亞單位、E2 泛素結合酶和E3 泛素連接酶的基因上調[20]。此外，Meiners 等[21]證實了低劑量的硼替佐米下調UPS，從而抑制心肌細胞肥大。然而Stansfield 等[22]和Hedhli 等[23]使用其他蛋白酶體抑制劑的小鼠心肌肥厚消退。蛋白酶體抑制作為一種心臟保護手段的概念已經引起了人們的關注。與上述研究相反，Tang 等[24]最近發現硼替佐米的慢性蛋白酶體抑制足以誘導左心室肥大，程度與橫向主動脈縮窄相似（TAC：一種誘導肥大的實驗方法）。更重要的是，硼替佐米抑制蛋白酶體使TAC 引起的肥大惡化，并導致小鼠心力衰竭和死亡，支持蛋白質降解問題可能導致心肌重塑和慢性心力衰竭進展的假設[25]。

3 心臟生物學中涉及的降解途徑

考慮到UPS 系統的復雜性，可以合理地預期在未來的幾年中，許多新的信號通路和UPS 功能將在心臟中被發現。本節將討論以下已知的心臟E3 泛素連接酶。

3.1 結構蛋白：肌節 UPS 除了對蛋白質的控制外，在長壽肌節蛋白轉換中也存在作用。使用蛋白酶體抑制劑和細胞穩態中ATP 含量降低的研究表明，UPS 介導了哺乳動物細胞中肌原纖維的降解，而可溶性肌原纖維包括肌球蛋白、肌動蛋白和肌鈣蛋白，而它們在多種復合物中的結合能夠保護它們進入UPS 循環[26]。在體外培養的心肌細胞中，肌球蛋白重鏈被蛋白酶體降解，心肌肌鈣蛋白I 被肌肉特異性MuRF1 降解，這也降低了心肌收縮性[27]。最近，心臟特異性F-box 蛋白Fbxl22 被證明可促進關鍵肌節蛋白的蛋白酶體依賴性降解如α-actinin和flaminC[28]。

3.2 Atrogin Atrogin 也稱為肌肉萎縮因子F-box，是一種肌肉和心臟特異性F-boxE3 泛素連接酶，是心肌重塑的基本調節因子。最初顯示在骨骼肌萎縮中具有關鍵作用，在骨骼肌萎縮和其他分解代謝狀態中誘導[29]。Atrogin 還可抑制生理性心肌肥大，生理性心肌肥大不依賴于鈣調節神經磷酸酶，而是依賴于Akt 信號的激活，Akt 信號增加促進心肌肥大的蛋白質合成和轉錄[30]。Atrogin 通過增強轉錄因子FoxO1 和FoxO3a 的活性來抑制生理性心肌肥大，FoxO1 和FoxO3a 是激活肌肉萎縮相關基因的轉錄因子家族成員。Atrogin 介導泛素的K63 連接鏈泛素化到FoxO 轉錄因子，而不是典型的K48 連接泛素鏈，后者通常調節蛋白降解[31]。Atrogin 如何調節這兩種不同類型的泛素化鏈卻有待研究。此外，K63 連接的泛素鏈能刺激FoxO 轉錄因子轉錄活性的機制也仍未明確。

關于Atrogin 的功能，仍有幾個未解之謎。首先，Atrogin 的基因敲除和過表達在心肌重塑和心力衰竭中的作用如何？其次，泛素連接酶如何導致骨骼肌萎縮以及心肌肥大？最后，在心肌肥大過程中，是何種轉錄因子激活Atrogin 表達尚不清楚。

4 UPS系統對心臟病的治療干預

腫瘤細胞對蛋白酶體抑制敏感，使蛋白酶體成為開發抗癌療法的理想靶點。事實上，正在進行研究的新型蛋白酶體抑制劑硼替佐米是一種高度選擇性、可逆性26S 蛋白酶體抑制劑，已可用于治療多發性骨髓瘤和套細胞淋巴瘤。其作用于蛋白酶體不同的抑制劑目前也正在研發中[32]，這篇綜述總結了蛋白酶體抑制劑在治療心臟疾病中有新的療效。然而，考慮到蛋白酶體功能的抑制和增強都有可能賦予心臟保護作用，在這個相對較新的領域中仍有幾個問題有待解決。如前所述，蛋白酶體抑制程度似乎決定了是否存在心臟保護或心臟毒性。因為UPS參與了細胞的基本過程，特別是在長期治療中，抑制整個途徑共同的酶如蛋白酶體，可能非特異性損害許多過程并產生毒性[33]。

在治療策略涉及使用細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑治療心臟病，是利用其共同的信號通路驅動癌癥及心肌肥大。最近研究表明，細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑p27 的降解通過介導心肌細胞的病理性肥大，在心臟重塑中發揮關鍵作用[34]。眾所周知，p27 的水平是由SCF-SKP2 泛素連接酶控制的，通過增強p27 信號傳導或使用特異性抑制劑抑制其降解來調控p27 蛋白水平可能對心力衰竭的治療有益[35]。

綜上所述，UPS 在心肌重塑、慢性心力衰竭中發揮著重要作用，在治療心臟疾病中起著干預和治療的可能。它還可調節細胞的基本功能，包括有絲分裂、DNA 復制和修復、細胞分化和轉錄調節，這些都在心臟生物學中發揮作用。展望未來，有可能在心臟中識別越來越多的UPS 底物及其特異性E2、E3 復合物。從治療學的角度來看，在心臟疾病中UPS 不但調節蛋白質控制的基本作用，且調節UPS使其在目標心臟保護的最佳區域內發揮作用將是至關重要的。在不久的將來，可以期待開發出能優化調節UPS 以實現心臟保護的新型治療藥物，雖然存在著重大挑戰，但心臟病患者很可能因此獲益。