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蛋白磷酸酶在病理性心肌肥厚中的研究进展

发表时间:2024年04月29日阅读量:282次下载量:464次下载手机版

作者: 张旭涛 1, 2, 3 夏豪 1, 2, 3

作者单位: 1. 武汉大学人民医院心内科(武汉 430060) 2. 武汉大学心血管病研究所(武汉 430060) 3. 心血管病湖北省重点实验室(武汉 430060)

关键词: 病理性心肌肥厚 蛋白磷酸酶 去磷酸化 组蛋白去乙酰化酶 活化T细胞核因子

DOI: 10.12173/j.issn.1004-5511.202402028

基金项目: 基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金项目(81900364)

引用格式:张旭涛, 夏豪. 蛋白磷酸酶在病理性心肌肥厚中的研究进展[J]. 医学新知, 2024, 34(4): 458-465. DOI: 10.12173/j.issn.1004-5511.202402028.

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摘要|Abstract

病理性心肌肥厚是持续机械、化学刺激导致的多种心血管疾病共有的病理改变,最终会导致心力衰竭、心律失常等。目前的临床防治手段尚不理想,因此,明确病理性心肌肥厚的调控机制,开发有效的治疗靶点,对延缓病理性心肌肥厚进展具有重要意义。近年来,越来越多的证据表明蛋白磷酸酶在病理性心肌肥厚的发生发展中发挥重要作用。大量动物实验显示,对蛋白磷酸酶或蛋白磷酸酶的底物进行直接调控足以有效改善小鼠病理性心肌肥厚。本文对蛋白磷酸酶参与的病理性心肌肥厚过程进行概述,探讨调控蛋白磷酸酶及其底物在病理性心肌肥厚临床防治中的潜在价值。

全文|Full-text

心肌肥厚分为生理性与病理性心肌肥厚。生理性心肌肥厚通常是由于体育锻炼以及妊娠导致的心肌轻度增生,一般不会导致心功能异常,是一种可逆改变。病理性心肌肥厚与慢性机械、体液刺激相关,通常会导致心室顺应性降低及心功能下降[1]。目前,心血管疾病已成为严重危害人类健康的主要因素之一,给居民与社会带来了沉重的经济负担[2-4]。作为多数心血管疾病的共同病理过程,病理性心肌肥厚在心血管疾病的治疗中具有十分重要的意义[5-6]。当前已有大量改善病理性心肌肥厚进展的药物,但仍然无法满足临床治疗的需要,探索详细的病理性心肌肥厚调控过程对开发新的治疗靶点具有重要意义。本文总结了近年来在病理性心肌肥厚去磷酸化过程调控中的研究,以期为开发新的临床治疗方案提供指导价值。

1 病理性心肌肥厚概述

病理性心肌肥厚是长期容量、压力过载或神经、体液因子刺激所导致的一种心肌改变。起初,心脏为了应对外界刺激,通过代偿性增生来维持心功能,随着物理、体液因素的持续刺激,这种代偿性肥大会发展为失代偿性心肌肥厚,并伴随细胞死亡和心脏纤维化,导致心室重塑、心室硬化、心功能下降,最终进展为心力衰竭[1,  7]。过去很长一段时间内,人们认为病理性心肌肥厚的过程是不可逆的,但近期的研究表明这一病理过程至少是部分可逆的,这种可逆性受到年龄、身体质量指数、病因等众多因素的影响,同时让治疗病理性心肌肥厚成为可能[7]。包括血管紧张素转化酶抑制剂(angiotensin converting enzyme inhibitor,ACEI)、血管紧张素Ⅱ受体阻滞剂(angiotensin Ⅱ receptor blocker,ARB)、血管紧张素受体脑啡肽酶抑制剂(angiotensin receptor neprilysin inhibitor,ARNI)与β-肾上腺素能受体拮抗剂在内的抗心力衰竭药物已被证明具有缓解病理性心肌肥厚的作用,最近的研究表明钠-葡萄糖共转运蛋白2抑制剂(sodium glucose co-transporter 2 inhibitor,SGLT2i)也可以有效逆转病理性心肌肥厚[8-9]。病理性心肌肥厚的特点包括心肌细胞体积增大、质量增加以及蛋白质合成增加等,同时会伴随细胞凋亡及心肌纤维化等改变。有证据表明,病理性心肌肥厚与心源性猝死高度相关[10-11]。同时,心脏大小以及质量的增加会伴随分子与通路的变化,如磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(Phosphoinositide-3 kinase/protein kinase B,PI3K/PKB)、钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(calcium/calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ,CaMKⅡ)、丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)信号通路等[12-16]。大量分子、通路在病理性心肌肥厚发生发展中的重要性已被发现,但病理性心肌肥厚的分子机制错综复杂,目前尚未完全阐明[17]。

2 磷酸化/去磷酸化过程

正常的细胞生理状态依赖于高度协调的蛋白质功能,蛋白质功能受到多种机制的调节,如蛋白质的转录、翻译与翻译后修饰。蛋白质翻译后修饰是指通过在翻译后的蛋白质氨基酸残基上添加或去除特定的基团进行化学修饰,从而调节蛋白质的折叠、活性、稳定性以及蛋白质相互作用。翻译后修饰主要包括磷酸化、去磷酸化、乙酰化、糖基化、泛素化等[18-21]。磷酸化与去磷酸化是一对可逆的过程,是最普遍的蛋白翻译后修饰之一,磷酸化过程是指通过蛋白激酶将磷酸基团添加到底物蛋白质的氨基酸残基上,通常为丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸,而去磷酸化过程则是由蛋白磷酸酶去除相应的磷酸基团。磷酸化/去磷酸化过程对许多生物过程起着“开/关”作用,它几乎可以以任意一种方式调控蛋白质的功能,如增减蛋白质的酶活性,改变蛋白质的亚细胞定位等[22]。蛋白激酶和心肌肥厚之间的关系已经得到广泛研究,但蛋白磷酸酶诱导的去磷酸化过程在心肌肥厚中的调控作用却知之甚少。20世纪50年代,人们首次发现蛋白激酶[23]。同期,Fischer等证明糖原磷酸化酶a向糖原磷酸化酶b的转化受去磷酸化过程调控,介导该去磷酸过程的蛋白磷酸酶后被定义为蛋白磷酸酶1(protein phosphatase-1,PP1)[24]。随后,蛋白磷酸酶被证明参与多种生理以及病理生理过程,心脏病理生理过程同样与蛋白质的磷酸化水平关系密切,许多心脏磷酸化蛋白都具有多个可供调控的磷酸化位点[25-26]。蛋白磷酸酶家族成员包括PP1、PP2A、PP2B、PP4、PP5、PP6和PP7蛋白,它们由催化亚基和多种调控亚基组成酶复合体。心脏中的蛋白磷酸酶活性几乎全部来自于PP1、PP2A、PP2B,其中,PP2A与PP2B在病理性心肌肥厚中的调控作用被广泛报道[27-29]。

3 蛋白磷酸酶概述

3.1 PP2A

PP2A全酶通常以二聚体或三聚体形式存在,二聚体被称为核心酶,包含催化亚基(PP2AC)和结构亚基(PP2AA),三聚体形式还包含一个调节亚基(PP2AB),这两种存在形式在心肌细胞中均具有较高水平的表达[25]。PP2AB以组织特异性方式表达,在心肌中存在丰富的不同家族以及变体形式的PP2AB,大量研究表明PP2AB与PP2A全酶的亚细胞定位及底物特异性密切相关 [30-31]。PP2A被认为是β肾上腺素能受体传导通路的重要参与者,Neumann团队的研究首次证明持续β肾上腺素能受体激活会导致蛋白磷酸酶活性增强[32]。伦敦大学国王学院的研究团队通过心肌肌丝的亚蛋白质组学分析了 异丙肾上腺素刺激后蛋白质的空间变化,发现PP2A调控亚基B56α在生理状态下定位于肌丝,而在异丙肾上腺素瞬时刺激后转位至细胞质,并在后续的实验中证明持续异丙肾上腺素刺激后,特异性敲除B56α的基因小鼠相对于野生型小鼠表现出出色的抗心肌肥厚能力[33-34]。

3.2 PP2B

PP2B也被称为钙调磷酸酶(calcineurin),由催化亚基(CnA)和调节亚基(CnB)组成,是一种钙/钙调蛋白(Ca2+/CaM)依赖性蛋白磷酸酶,CnA的N端包含一个结合Ca2+/CaM复合体的结构域,CnB则可以通过相应的结合位点直接结合Ca2+,由于该种特性,PP2B在Ca2+相关的信号通路与磷酸化修饰中具有重要地位[27,29]。多数学者的研究支持PP2B不参与生理性心肌肥厚,仅参与病理性心肌肥厚过程[35]。在哺乳动物心肌肥厚模型中被广泛研究的亚基是CnAβ和CnB1,Taigen等的研究表明在病理性心肌肥厚与心衰模型中PP2B的酶活性与CnAβ亚基蛋白水平均明显升高,关于PP2B调控亚基的研究则表明心脏特异性缺失CnB1会导致心脏的结构性病变以及心功能下降、心律失常等[36]。

4 蛋白磷酸酶在病理性心肌肥厚中的作用

4.1 蛋白磷酸酶与HDACs信号通路

组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases,HDACs)是一类通过调节赖氨酸乙酰化调节组蛋白乙酰化/去乙酰化平衡的酶,大量研究表明HDACs在病理性心肌肥厚发生发展中发挥重要作用。HDACs家族被分为四类,在心脏中的研究热点有三类,即Ⅰ类HDAC、Ⅱa类HDAC和Ⅲ类HDAC。Ⅰ类HDAC被认为是促进病理性心肌肥厚发展的调控因子;IIa类HDAC是病理性心肌肥厚的重要负性调控因子,通过抑制肌细胞增强因子(MEF2)家族成员来调控病理性心肌肥厚;Ⅲ类HDAC又称为sirtuins(SIRT1-7),相关研究表明,SIRT1过表达具有抗心肌肥厚及心衰效应,SIRT3、SIRT6也被证明可以抵抗病理性心肌肥厚 [37-38]。HDACs蛋白具有多个磷酸化位点,PP2A在病理状态下会介导特异HDAC分子的去磷酸化,调控HDAC的核异位以及相关通路。

酪蛋白激酶2相互作用蛋白1 (casein kinaese 2-interaction protein-1,CKIP-1)作为PP2A的调节剂,通过与PP2A的催化亚基直接结合促进PP2A介导的组蛋白去乙酰化酶4(HDAC4)的去磷酸化,从而抑制HDAC4的核输出,抑制促心肌肥厚基因的表达[39]。Kate等的研究发现异丙肾上腺素的瞬时刺激会导致PP2A调节亚基B55α特异性靶向组蛋白去乙酰化酶5(HDAC5),进而去磷酸化HDAC5,促进其核积累,发挥抑制心肌肥大的效应[31]。同样,Sucharov的研究也支持PP2A调控HDAC5的亚细胞定位[40]。此外,Yoon等的研究表明,PP2A的催化亚基PP2CA可以与组蛋白去乙酰化酶2(HDAC2)直接结合并促进其S394位点的去磷酸化,PP2CA转基因小鼠明显缓解异丙肾上腺素诱导的心室重塑,而加入HDAC2的S394E突变体成功阻断PP2CA对病理性心肌肥厚的治疗作用,表明PP2A是一个病理性心肌肥厚的关键性调节因子[41]。而另一项研究表明,热休克蛋白70(HSP70)可以阻止PP2A与HDAC2的结合,并抑制PP2A的去磷酸化作用,促进HDAC2的激活[42]。相反,也有研究发现心脏特异性表达PP2CA的转基因小鼠蛋白磷酸酶活性显著升高,转基因小鼠表现出明显的心肌肥厚与心脏纤维化,反映过度激活PP2A活性也可能会损害心功能,导致小鼠对病理性心肌肥厚的易感性增加 [43]。这些研究表明PP2A活性与病理性心肌肥厚过程有密切关联,但不同程度的酶活性可能会发挥不同的作用,尚需进一步深入的研究来探讨靶向PP2A与病理性心肌肥厚治疗的具体关系。

4.2 蛋白磷酸酶与NFATs信号通路

活化T细胞核因子(nuclear factor of activiated T cells,NFATs)是一类转录因子家族,其富含丝氨酸的核定位信号(nuclear localization signal,NLS)被多重磷酸化所掩盖,蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)、双特异性酪氨酸磷酸化调节激酶1/2(DYRK1/2)、酪蛋白激酶I(casein kinase I,CK1)、MAPK等众多蛋白激酶参与心脏NFAT的磷酸化过程,值得一提的是,PKA和DYRK1/2可作为启动激酶,使其他激酶能够进入NFAT磷酸化位点。PP2B则通过去磷酸化作用暴露NLS活化NFAT,从而促进NFATs的核异位,引起特定基因的转录反应[44]。基于该调控通路,荧光标记的NFAT蛋白和NFAT驱动的荧光素酶报告蛋白被用来评价PP2B的酶活性[45]。

20世纪末,Molkentin等首次认识到PP2B/NFAT信号通路在病理性心肌肥厚调节中的重要作用,该团队发现病理状态下,细胞内Ca2+浓度升高,激活PP2B,使NFAT3易位到细胞核,进而和GATA结合蛋白4(GATA4)协同作用,促进病理性心肌肥厚相关基因的转录[46]。后来发现,在多种模型中NFATc3和NFATc4是病理性心肌肥厚所必需的,当PP2B被Ca2+/CaM激活后,它们被去磷酸化,导致它们的核易位、转录启动和心肌肥厚的诱导以及电重构[47- 48]。相反,NFATc2或NFATc3的缺失会减弱心室重塑 [27]。此外,与PP2A类似,PP2B也可以通过激活MEF2来促进病理性心肌肥厚,并且后来的研究发现MEF2和NFATs可以协同促进心室重塑的进展 [49- 50]。Zheng等发现盐酸水苏碱通过抑制PP2B/NFAT信号轴改善心肌肥厚[51]。与传统观点相反,另一项研究发现,在过表达CnAβ1的转基因小鼠中,心肌梗死后的心肌肥大与心脏纤维化都得到改善,表明CnAβ1也介导了对心室重塑的保护功能,研究者认为内源表达的CnAβ1亚基可以更好的诱导保护作用[52]。PP2B在病理性心肌肥厚中的作用目前存在一些争议,现有研究线索提示,这可能与PP2B的不同亚型或底物有关,也可能与酶活性程度有关,通过靶向PP2B治疗病理性心肌肥厚还需进一步的探索,蛋白磷酸酶在病理性心肌肥厚中的作用与机制总结见表1。

  • 表格1 蛋白磷酸酶在病理性心肌肥厚中的作用与机制
    Table1.The role and mechanism of protein phosphatases in pathological cardiac hypertrophy

5 蛋白磷酸酶调节剂在病理性心肌肥厚中的应用

去磷酸化过程在病理性心肌肥厚中发挥重要调控作用,蛋白磷酸酶参与病理性心肌肥厚的众多途径,涉及到复杂的调控机制。根据目前的研究结果,蛋白磷酸酶在心脏中可能具有多重效应,这可能与蛋白磷酸酶的底物或不同水平的酶活性有关,尚需进一步的研究阐明去磷酸酶的作用机制以促进有效的临床转化。针对PP2A与PP2B 目前已经发现了数种激活剂以及抑制剂。20世纪末,Honkanen发现斑螯素可以作为PP2A与PP1的天然抑制剂,冈田酸和花萼海绵体诱癌素A(calyculin A)也有类似的效果[26,  53]。FTY720是一种免疫抑制剂,具有PP2A激活特性,研究表明FTY720可以治疗压力过载导致的心肌肥厚[54-55]。同时,Ming的团队也发现FTY720可以改善心脏缺血再灌注损伤[56]。PP2B抑制剂环孢素A(CsA)和他克莫司(FK506)在临床上用作免疫抑制剂,它们通过与亲免蛋白家族形成复合物发挥作用,不直接抑制PP2B的酶活性,而是通过药物-亲免蛋白复合物与PP2B结合,从而阻止底物结合[57]。

1998年,Molkentin等发现CsA和FK506通过抑制PP2B来阻断血管紧张素Ⅱ或苯肾上腺素诱导的心肌肥大[46]。同年,一篇发表在Science上的研究也表明CsA和FK506可以阻断PP2B从而缓解压力过载导致的心肌肥厚[58]。近期,Lu等的研究表明CsA通过抑制Ca2+/PP2B/NFAT信号通路来缓解压力过载导致的心肌肥厚与心脏纤维化[59]。虽然在动物模型中靶向蛋白磷酸酶可能是一个良好的治疗靶点,但其缺点是缺乏酶特异性或底物特异性,对所有形式的磷酸酶活性进行抑制或激活是不必要的,在实际治疗中可能会产生严重的副作用,进一步改进蛋白磷酸酶抑制剂仍是一个很大的挑战。大量有关PP2A与PP2B的研究表明,直接调控酶活性或调控相关的亚基有明显的改善病理性心肌肥厚的作用,基于此,开发出针对特异催化亚基或调节亚基,亦或是针对去磷酸化底物进行调控的药物具有巨大的治疗潜力。未来,靶向蛋白磷酸酶很有可能成为治疗心室重塑的新手段之一。

6 结语

蛋白质磷酸化的平衡是调控病理生理过程的重要方式,在病理性心肌肥厚的发生发展中具有不可替代的地位。过去的几十年中,大量的科学研究阐述了蛋白磷酸酶在病理性心肌肥厚中的重要作用。但由于它在病理性心肌肥厚中复杂的调控机制,蛋白磷酸酶仍然是一个具有挑战性的靶点。蛋白磷酸酶在病理性心肌肥厚中的调控机制并未得到完全阐明,本文仅仅列举了被广泛关注的蛋白磷酸酶的底物以及涉及的信号通路,当然还有很多未被列举的底物,例如蛋白激酶B/糖原合成酶激酶-3β/β连环蛋白(PKB/GSK3β/β-catenin)信号通路等,甚至还有很多尚未发现的底物。进一步探索心脏中蛋白磷酸酶参与的去磷酸化过程,开发针对不同蛋白磷酸酶或特定底物的特异性调节剂,有望促进病理性心肌肥厚领域新治疗策略的发展。

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