BAG3蛋白在心臟疾病中的研究進展

李 丹,陳建淑,謝亞斐,丁 虹,張小衛

(蘭州大學 1. 第二醫院心內科、2. 第二臨床醫學院,甘肅 蘭州 730000)

Bcl-2相關永生基因3(Bcl-2 associated athanogene 3,BAG3)是一種由575個氨基酸組成的多功能蛋白,1999年作為熱休克蛋白70(heat shock protein 70,Hsp70)的相互作用蛋白首次被分離出來[1]。BAG3屬于抗凋亡的BAG家族,因為所有家族成員的C端都具有BAG結構域而得名。2006年,Homma等[2]發現BAG3缺乏的小鼠心肌和骨骼肌會發生強烈的肌原纖維變性,并在4周齡時死亡,這首次證明了BAG3在心臟中的重要作用。BAG3在成熟心肌細胞中定位于Z盤并維持Z盤的穩定性。除此之外,BAG3還可以減少心肌細胞凋亡、調節蛋白質量控制系統、維持線粒體穩態以及調節心肌收縮力[3]。心臟疾病是由心臟結構和功能異常引起的多種心臟病變的總稱,嚴重威脅人類健康[4]。近年來,BAG3已經被發現與多種心臟疾病相關,本文將對BAG3基本結構和功能、調控作用機制及其在各種心臟疾病中作用的研究進展進行綜述。

1 BAG3的基本結構和功能

BAG3是一種普遍存在于真核生物的胞質蛋白,在基因和蛋白層面高度保守。BAG3包括5種結構域(Fig 1):①BAG結構域,這是BAG3與其他BAG家族成員唯一的共同點;②富含脯氨酸的PXXP結構域;③兩個IPV(Isoleucine-Proline-Valin)基序;④兩個磷酸絲氨酸結構域位于兩個IPV基序之間,是14-3-3蛋白的結合位點;⑤WW結構域[5]。

BAG3在心肌細胞中的生理功能包括以下方面(Fig 2):①抗凋亡:作為抗凋亡蛋白家族的一員,BAG3通過BAG域和Bcl-2的結合抑制線粒體外膜上電壓依賴性陰離子通道的開放,從而阻斷線粒體釋放細胞色素,最終導致半胱天冬酶級聯激活的信號傳導途徑改變[1]。不僅如此,BAG3與抗凋亡蛋白Bcl-2結合還可以拮抗Bax(Bcl2-associated X)、Bad(Bcl2-antagonist of cell death)、Bak(Bcl2-antagonist killer)等的促凋亡作用[6]。此外,有報道稱BAG3抑制凋亡的作用還與NF-κB通路相關,但這其中的機制尚需進一步闡明[6]。②調節蛋白質量控制系統:BAG3選擇性的巨自噬也被稱為分子伴侶輔助的選擇性自噬。錯誤折疊的蛋白質之間相互聚集形成聚集體,聚集體和BAG3/HspB8/Hsp70復合體結合,BAG3介導復合物和動力蛋白的結合[7]。聚集體被轉運到核周,與溶酶體結合后被徹底水解。③維持線粒體穩態:BAG3在調節心肌細胞線粒體動力學和線粒體質量控制中的作用已被報道。線粒體質量控制機制通過針對功能失調的線粒體進行降解和清除來維持線粒體的穩態。當線粒體膜丟失、去極化時,Parkin作為E3泛素連接酶以PINK1依賴的方式泛素化受損的線粒體,最終將其清除[8]。也有研究發現,BAG3突變小鼠心臟中線粒體裂變和融合蛋白改變,會進一步導致進行性心衰的發展[9]。④維持Z盤的結構完整:Z盤在心肌細胞中維持正常的機械活動,對于心肌細胞的重要性可想而知。BAG3在成熟心肌細胞中定位于Z盤,穩定Z盤并連接相鄰的肌節[10]。BAG3通過促進肌動蛋白蓋帽蛋白Z(capping protein z,capZ)和Hsp70的關聯確保肌動蛋白在Z盤的正確錨定[1]。細絲蛋白是廣泛存在于心肌細胞中的蛋白質,主要通過與肌動蛋白交聯維持肌節的機械穩定性。BAG3對于細絲蛋白的清除和生成十分重要,不僅通過伴侶輔助選擇性自噬途徑清除受損的細絲蛋白,還可以通過其WW域和細絲蛋白轉錄激活因子YAP和TAZ的抑制劑(LATS1/2、AMOTL1/2)結合,從而刺激細絲蛋白基因的表達[1]。⑤調節心肌收縮力:BAG3在肌膜和橫管與Na+-K+-ATP酶及L型鈣通道共定位,偶聯β1-腎上腺素能受體和L型鈣通道,通過調節β1-腎上腺素能受體信號傳導和動作電位的持續時間影響心肌收縮功能[11]。

2 BAG3的調控作用機制

2.1 BAG3與HSF1在真核細胞中,應激反應基因的表達主要由熱休克因子1(heat shock factor 1,HSF1)調節。HSF1在非應激條件下以非活化形式存在,只有在應激時才會暫時活化。最近有研究結果提示,心臟BAG3的表達和肌絲定位與 HSF-1 相關。BAG3基因啟動子中存在3個HSF1結合位點,即熱休克原件1-3(heat shock element 1-3,HSE1-3)。EMSA和ChIP實驗檢測到HSF1與3個HSE相互作用,但與HSE1的結合很弱。并且發現可以通過調控HSF1的活性來影響BAG3的表達[12]。在心肌中,BAG3突變和BAG3蛋白水平降低與細胞凋亡增加和肌節結構紊亂有關[2]。調控BAG3的表達及活性已被提議作為心肌病的治療策略[13]。

2.2 BAG3與NF-κB通路核因子-κB(nuclear factor kappa B,NF-κB)廣泛存在于真核細胞胞質中。心肌缺氧可能導致多種心臟疾病的發展,如心力衰竭、心肌梗死等[14]。有研究表明,缺氧引起心肌細胞內BAG3的mRNA和蛋白表達增加,BAG3上調NF-κB的亞基p65的磷酸化,進而激活NF-κB信號通路和自噬過程并抑制細胞凋亡,表明BAG3在缺氧損傷的心肌細胞中具有保護作用。另一方面,抑制BAG3的表達也會顯著降低NF-κB的激活[15]。BAG3與NF-κB的相互作用在自噬、細胞增殖、凋亡等各種生理過程中發揮重要作用[1],調控BAG3的表達可能為缺血性心臟病的治療提供新的思路。

Fig 1 The schematic diagram of BAG3 structure and interacting proteins

Fig 2 The physiological role of BAG3

2.3 BAG3與Akt-mTOR 通路雷帕霉素靶蛋白(molecular target of rapamycin,mTOR)是屬于磷脂酰肌醇相關激酶家族的一種絲氨酸/蘇氨酸激酶[16]。mTOR信號通路是調控心臟生理性肥大的最經典通路,研究表明,BAG3通過激活PI3K-Akt-mTOR通路促進心肌生理性肥大[17]。而另一方面,PI3K-Akt-mTOR通路的過度激活也可能引起心肌組織缺氧[17]。如何在促進心肌生理性肥大的同時避免心肌組織缺氧也是亟待解決的問題。

3 BAG3在心臟疾病中的研究進展

3.1 BAG3與擴張型心肌病(dilated cardiomyopathy,DCM)DCM是慢性心力衰竭的重要原因,也是心臟移植的最常見指征[18]。在普通人群中DCM的患病率約為1/(250～400),這不僅給患者帶來沉重的負擔,還造成衛生資源的大量消耗[19]。近年來BAG3已被發現是DCM的相關致病基因,多種BAG3突變和DCM的發病密切相關[20](Fig 3)。第一項關于BAG3與DCM相關性的研究來自于Ellinor等[21]對DCM、心肌纖維化和猝死患者的研究,他們發現這些疾病表型與包含BAG3基因的10q25-26染色體上的基因座相關。對于DCM相關基因的循證整理結果顯示,BAG3突變被歸類為DCM的明確證據[22]。迄今為止最大的BAG3突變相關的DCM隊列研究結果表明,由BAG3突變引起的DCM大多以早發性的為特征,進展為終末期心衰的風險很高,而且男性患者的預后較差[23]。

BAG3在減少心肌細胞凋亡、維持蛋白質穩態、調節線粒體穩定性、調節心肌收縮、減少心律失常等方面有很大貢獻,從而對心肌細胞起到保護作用。所以BAG3的突變會導致其正常生理功能的改變或是喪失,進而促進DCM的發生發展[23]。雖然目前調控DCM患者BAG3表達的分子機制尚不完全清楚,但BAG3突變與DCM的相關性以及BAG3在DCM心肌細胞中的功能為DCM的診斷和治療提供了必要的見解。

3.2 BAG3與心力衰竭(heart failure,HF)HF是許多心臟疾病的終末期,也是世界范圍內死亡的主要原因之一[24]。以往研究發現BAG3表達水平與HF表型密切相關,而且在臨床上BAG3血漿濃度已經被認為是HF患者死亡風險的預測因素[1]。目前BAG3在HF中的研究已經深入到對于其中機制的探索。關于HF的GWAS全基因相關聯研究(genome-wide association studies,GWAS)薈萃分析結果表明,BAG3主要是通過調節蛋白質穩態來參與HF的發生發展,并且有研究發現增加BAG3的表達可以恢復蛋白更新和心功能[25]。除了影響蛋白穩態,BAG3的P209L突變體所致的HF的小鼠體內還發現淀粉樣蛋白前低聚物,線粒體動力學異常以及p38信號的激活[9]。

肌節的復雜成分不斷暴露于收縮拉伸之下,導致蛋白質折疊和凋亡信號的變化,所以適當水平的BAG3在心臟中特別重要[25]。但仍需要更詳細的分子機制說明HF患者心臟中BAG3水平變化的原因,并評估恢復BAG3正常水平能否挽救HF患者下降的心功能,最終應用于臨床工作中。

3.3 BAG3與限制型心肌病(restrictive cardiomyopathy,RCM)RCM是以心室充盈受限為特點的心內膜纖維化,5年存活率為30%左右,愈后較差[26]。BAG3的P209L突變導致嚴重的兒童RCM、肌營養不良、呼吸功能不全和多發性外周神經病[27]。廣泛的纖維化導致心肌硬化和心室舒張期充盈受損的表現與動物模型中的病理學結果一致[28]。此外,在表達人BAG3 P209L的小鼠中還觀察到Z盤解體和蛋白質聚集體,導致早發RCM。該疾病的發病機制是由于人BAG3 P209L和小鼠BAG3的積累,導致蛋白質量控制系統和自噬機制分離,進而破壞肌節[28]。降低人BAG3 P209L的表達不僅可以緩解RCM的臨床癥狀,而且在細胞水平發現蛋白質聚集體大幅減少[28],再次強調了蛋白質聚集體形成對RCM病理生理學的影響并且表明通過降低病理蛋白的表達水平可能阻止甚至逆轉疾病的進展。

Fig 3 DCM-related BAG3 mutations

3.4 BAG3與Tako-Tsubo心肌病(Tako-Tsubo cardiomyopathy, TTC)TTC又稱應激性心肌病,目前被認為是一種不明原因的心臟疾病。TTC臨床表現酷似急性心肌梗死,絕經后的女性多發,通常由情緒或身體壓力引發[29]。正常情況下,microRNA-371a-5p(miR-371a-5p)使心肌細胞對腎上腺素的反應中BAG3上調。相反,BAG3 3′-UTR中g2252c多態性影響其與miR-371a-5p的綁定[30]。TTC心肌細胞中BAG3水平下降,失去對心臟的保護作用。也就是說,g2252c變體使心肌細胞易受表觀誘導的損傷[30]。

4 討論與展望

隨著對BAG3在心臟疾病中的研究不斷深入,人們更清晰的認識到其在生理、病理狀態下發揮作用的機制。維持Z盤的穩定性、減少心肌細胞凋亡、調控蛋白質量控制系統、維持線粒體穩態和調節心肌收縮力,這是BAG3目前已知的在心肌細胞中發揮作用的方式。了解BAG3在疾病中的作用機制有助于臨床工作中心臟疾病的診斷和治療,但目前BAG3的調控機制仍未完全清楚。而且在疾病的診治方面也還存在尚未解決的問題,例如隨著BAG3成為化療的新靶標,如何保證在調節腫瘤細胞凋亡和自噬的同時不影響心臟中的這些途徑。

心臟疾病十分常見,嚴重危害人類健康,但是至今仍不能十分清楚地了解其發病機制。BAG3在心臟疾病中的研究加深了我們對心臟疾病發病機制的理解。BAG3在心臟疾病中發揮重要作用,可以作為心臟疾病的診斷標志物。同時,有研究表明,恢復BAG3的正常水平和結構可能對心臟疾病有治療意義。現已有多種可能的治療思路,如通過miRNA調控BAG3的表達、根據BAG3各個結構域的功能開發小肽,或是抑制由BAG3突變體激活的異常信號通路。深入研究BAG3參與的信號通路的調控機制,并將BAG3在心臟疾病的研究逐步應用于臨床,可以為廣大患者帶來福音。