蛋白質O-連接-N-乙酰葡萄糖胺修飾在心力衰竭中的作用的研究進展

張小雪 王汶芳 王占黎

基金項目：國家自然科學基金項目（編號：82170296）

作者簡介：張小雪，在讀碩士研究生，研究方向：炎癥與免疫。

通信作者：王占黎，博士研究生，教授，研究方向：感炎、炎癥與免疫。E-mail：wang.zhanli@hotmail.com

【摘要】蛋白質O-連接-N-乙酰葡萄糖胺（O-GlcNAc）修飾是細胞內普遍存在的重要蛋白質翻譯后修飾，對于細胞生物學功能至關重要。這種翻譯后修飾可影響細胞的翻譯與轉運，對維持和促進正常細胞發揮功能有重要意義。蛋白質O-GlcNAc修飾對心臟組織有重要作用，短期內增加的蛋白質O-GlcNAc對心臟有保護作用，而長期增加的蛋白質O-GlcNAc導致心臟功能障礙。蛋白質O-GlcNAc修飾在心血管疾病中的輔助治療作用已成為當前研究熱點。現就蛋白質O-GlcNAc修飾在心力衰竭中的作用的研究進展進行綜述。

【關鍵詞】O-連接-N-乙酰葡萄糖胺；心力衰竭；心臟保護

【中圖分類號】R541.6+1 【文獻標識碼】A 【文章編號】2096-2665.2024.08.0.04

DOI：10.3969/j.issn.2096-2665.2024.08.004

心力衰竭（heart failure， HF）是一種心血管疾病，其癥狀和體征由心室充盈或射血功能損傷引起[1]。HF是一種較常見的心內科疾病，目前其治療主要依靠藥物、器械及手術等方式。近年來，許多研究揭示了蛋白質O-連接-N-乙酰葡萄糖胺（O-GlcNAc）修飾的功能及其在心臟、心肌細胞和脈管系統中的復雜動力學。在原核生物和真核生物中，近50%的蛋白被糖基化或結合多種糖基化物質。在多種多樣的生物生長發育過程中，從胚胎發育、細胞分裂到蛋白質結構調控，糖基化都發揮作用。O-GlcNAc修飾是一種高度動態且普遍存在的蛋白質翻譯后修飾，廣泛分布在細胞核及細胞質中，可修飾數百種蛋白質，這種蛋白質的翻譯后修飾對維持和促進正常細胞發揮功能有重要意義，如果缺失會導致一系列疾病，甚至死亡[2]。隨著現代醫學技術的進步，許多學者對蛋白質O-GlcNAc修飾在介導心血管疾病中的作用及將其作為治療性靶點的可能性進行了研究與分析。本研究重點探討蛋白質O-GlcNAc修飾在心力衰竭中的作用的研究進展。

1 蛋白質O-GlcNAc

細胞核及細胞質蛋白的糖基化是通過單糖N-乙酰葡糖胺（GlcNAc）的O-連接對絲氨酸或蘇氨酸殘基進行快速和動態的修飾，該過程被稱為蛋白質O-GlcNAc修飾。蛋白質O-GlcNAc修飾的變化是導致機體代謝紊亂的基礎，其涉及多種病理生理過程，包括癌癥、神經退行性疾病及心血管系統疾病等[3]。研究表明，蛋白質O-GlcNAc修飾是心肌細胞炎癥應激的重要影響因素，急性升高的O-GlcNAc修飾通過上調己糖胺生物合成途徑（HBP），從而有效地減輕心肌缺血/再灌注（I/R）的損傷，起到心臟保護的作用；而隨著時間的推移，蛋白質O-GlcNAc修飾會逐漸增加，降低心臟收縮力，最終導致心血管功能的障礙[4]。蛋白質中O-GlcNAc的添加和去除是通過真核生物中酶的作用進行的，這使O-GlcNAc修飾是可逆的，而該可逆性有助于維持細胞 O-GlcNAc 水平的平衡。目前，已有兩個基因被證實為蛋白質O-GlcNAc修飾的主要調節因子，分別是O-GlcNAc轉移酶（OGT）和O-GlcNAc糖苷酶（OGA）。OGT將O-GlcNAc修飾添加到絲氨酸/蘇氨酸殘基，而 OGA是去除O-GlcNAc修飾的酶。

另外，蛋白質O-GlcNAc的翻譯后修飾由HBP產生。在HBP的生物合成過程中， 首先通過L-谷氨酰胺-D-果糖-6-磷酸酰胺轉移酶（GFAT）將果糖-6-磷酸（Frc-6P）轉化為葡糖胺-6-磷酸（GlcN-6P）。然后，經過一系列酶促步驟，GlcN-6P被轉化為尿苷-二磷酸-N-乙酰葡糖胺（UDP-GlcNAc）。蛋白質O-GlcNAc修飾的供體尿苷-二磷酸-N-乙酰葡糖胺（UDP-GlcNAc） 是HBP的產物，其可催化O-GlcNAc添加到絲氨酸/蘇氨酸殘基上，進而參與O-GlcNAc的翻譯后修飾。作為糖酵解的一條輔助途徑，HBP通過消耗葡萄糖產生UDP-GlcNAc，調控高度誘導、動態和可逆的蛋白質O-GlcNAc修飾[5]。通過HBP通量的增加可使O-GlcNAc水平升高，升高的O-GlcNAc顯著改善心功能，減少心臟I/R損傷。而隨著時間的推移，蛋白質O-GlcNAc修飾會逐漸增加，降低心臟收縮力，最終導致心血管功能的障礙[6]。

2 蛋白質O-GlcNAc在心臟保護中的作用

蛋白質O-GlcNAc修飾參與心肌細胞的多項生理病理活動，是心血管穩態的調節劑。參與蛋白質O-GlcNAc修飾的OGA、OGT也在心臟保護中發揮著重要作用。新型OGA抑制劑具有較強的心臟保護作用，缺血再灌注時使用OGA抑制劑可增加心臟蛋白質O-GlcNAc修飾水平，有效改善心臟功能，并減輕I/R后的組織損傷，發揮其心臟保護作用[7]。

通過葡萄糖胺上調HBP通量或使用己糖胺苷酶A和B抑制劑（PUGNAc）抑制O-GlcNAc相關酶可升高蛋白質O-GlcNAc水平，從而改善心臟功能。而OGT抑制劑四氧嘧啶阻斷了葡萄糖胺對心臟的保護作用，并下調O-GlcNAc修飾的水平，這表明葡糖胺對心臟的保護作用與蛋白質O-GlcNAc修飾水平升高相關[8]。在心臟調控中，HBP的作用具有兩面性。多種蛋白質需要通過O-GlcNAc修飾來活化或抑制，并可防止心肌細胞肥大或凋亡；然而，持續上調HBP可激活絲氨酸/蘇氨酸激酶（mTOR）可減少蛋白質O-GlcNAc水平，進而導致心臟功能障礙[9]。

低氧習服（HA）可改善氧化應激狀態，減少I/R心臟的梗死面積。這種心臟保護作用與蛋白質O-GlcNAc修飾的升高結合，其原因是 HA相關的炎癥細胞因子上調HBP途徑，提供有效的心臟保護作用。葡萄糖-6-磷酸（G6P）可通過磷酸戊糖通路（PPP）途徑的氧化產生還原型輔酶Ⅱ（NDAPH）。細胞內氧化還原平衡的變化與葡萄糖-6-磷酸脫氫酶 （G6PDH） 活性升高有關，G6PDH 是 PPP 通路中的限速酶。HA 狀態下誘導 O-GlcNAcylation 激活心臟 G6PDH 并改善氧化還原穩態，從而抵消心肌細胞的缺氧/復氧

（H/R）損傷[10]。

遠端缺血預適應（RIPC）是一些器官在受到短暫、可逆性缺血缺氧刺激后，通過誘導缺血器官以外的其他臟器（如心臟、大腦、肝臟、腎）對隨后發生的嚴重或致命的缺血缺氧狀態產生保護作用。RIPC機制涉及心肌蛋白O-GlcNAc修飾，具有心臟保護作用。RIPC通過增加OGT活性和降低OGA活性來增加O-GlcNAc水平，進而發揮心臟保護作用[11]。在自發性2型糖尿病的小鼠中，通過6-重氮-5-氧代-L-正亮氨酸（DON）抑制蛋白質O-GlcNAc糖基10增加胰島素誘導Akt磷酸化，并恢復小鼠H9c2心肌細胞的心臟保護作用。然而，肥胖誘導的蛋白質O-GlcNAc水平升高可減弱胰島素對I/R損傷的心臟保護作用[12]。這些研究結果表明，心臟中蛋白質O-GlcNAc修飾水平的急性增加對心臟具有保護作用，并且可減輕I/R的損傷。

3 蛋白質O-GlcNAc修飾在心力衰竭中的作用

當心臟面臨血流動力學負擔時，會通過增加肌肉質量來承受額外負荷，這種質量的增加會導致心肌細胞的肥大。慢性心肌肥大是不利于健康的，因為其增加了發生心力衰竭和過早死亡的風險。腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）主要通過控制GFAT將Frc-6P轉化為GlcN-6P來抑制蛋白質O-GlcNAc修飾，從而減少如肌鈣蛋白T等蛋白質的O-GlcNAc修飾，抑制心肌細胞肥大[13]。

有研究發現，2周內增加的蛋白質O-GlcNAc修飾水平會導致與HF、代謝和Ca2+調節相關的基因表達的變化[14]。這些變化在蛋白質O-GlcNAc修飾水平升高的24周內加劇，導致心臟肥大、心臟纖維化程度增加和心臟舒張功能障礙。這表明短期增加的蛋白質O-GlcNAc修飾起初可能是適應性改變，但隨著其持續增加可進展為更嚴重的心臟功能障礙。

HBP的限速酶GFAT1生成UDP-GlcNAc用于蛋白質O-GlcNAc修飾。在心臟中的過度表達會加重心功能障礙及壓力過載引起的心力衰竭。Tran等[15]研究表明，心肌細胞特異性的GFAT1缺失可保護心臟免受壓力超負荷引起的心臟不良事件。有研究表明，通過減少蛋白質O-GlcNAc修飾來抑制OGT可加重心力衰竭，但通過增加蛋白質O-GlcNAc修飾來抑制OGA可緩解心力衰竭。但在心血管疾病長期病程中，無論是OGT的缺失還是OGA的缺失最終都會加重心力衰竭的程度[16]。心力衰竭上調細胞周期相關轉錄因子E2F1的表達，E2F1可在體外負調控OGT和OGA的表達，其缺失可減少心肌梗死后心室功能障礙[17]。研究發現，即使在沒有相關代謝性疾病的情況下，慢性、過度O-GlcNAc修飾足以導致擴張型心肌病甚至引起死亡，并且還表明逆轉或預防過度的心肌蛋白O-GlcNAc修飾可能是心肌病和心力衰竭的創新和有效的治療策略[18]。

已有研究證明，對野生型（WT）小鼠和敲除心肌細胞OGT表達基因的小鼠進行冠狀動脈結扎再灌注，以制作I/R損傷模型，并隨訪4周，與WT小鼠相比，OGT缺失的小鼠心功能障礙明顯加重，這說明心臟中OGT的表達是必不可少的[19]。這些研究可說明，與蛋白質O-GlcNAc修飾相關的酶可通過一定途徑誘導心臟肥大甚至心力衰竭。據文獻報道，轉錄誘導因子形成基因40（Tisp 40）的表達、裂解和核積聚會增加心臟I/R損傷。Tisp 40是I/R誘導的急性心臟損傷、心室重塑和功能障礙的負調節因子，Tisp 40的過表達足以減輕心臟的I/R損傷。從機制上來看，Tisp 40是位于內質網膜的Ⅱ型跨膜蛋白，可在應激狀態下被剪切進入細胞核，在細胞核中Tisp 40直接與谷氨酰胺-6-磷酸果糖轉氨酶（GFPT1）的啟動子結合，增加HBP通量和蛋白質O-GlcNAc修飾，從而減輕心臟I/R損傷[20]。由OGT floxed小鼠與aSMA-Cre轉基因小鼠雜交產生了一種新的小鼠模型（aSMA OGT KO），這種模型在心肌細胞與血管平滑肌細胞中產生了細胞特異性的OGT敲除。aSMA OGT KO可導致小鼠收縮基因表達減少，表現出多種心臟和動脈異常，可導致心力衰竭及死亡[21]。心臟保護因子HDAC 4缺乏在患糖尿病的條件下促進心力衰竭，而蛋白質O-GlcNAc誘導的HDAC 4蛋白的水解能夠保護糖尿病心臟免于衰竭[22]。綜上所述，蛋白質O-GlcNAc參與心臟的多項調節，有望成為治療心力衰竭的新靶點。

4 展望

蛋白質O-GlcNAc修飾動態調節心血管系統的機制十分復雜， 對維持心臟功能發揮十分重要的作用。 短期急性升高的蛋白質O-GlcNAc水平對心臟及血管有保護作用，而慢性長期的增加則會加重心血管疾病。目前，關于蛋白質O-GlcNAc修飾信號傳導的動態調控機制尚未完全闡明，對于OGT、OGA在心力衰竭中的作用也知之甚少。盡管存在許多疑問，從轉化的角度上來看，基于蛋白質O-GlcNAc修飾的心力衰竭診斷技術和靶向治療的開發研究具有極大的潛力。相信隨著蛋白組學技術等研究的不斷深入，蛋白質O-GlcNAc修飾在心力衰竭這一領域會取得更多的突破性進展。

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