泛素特異性蛋白酶在心血管疾病中的研究進(jìn)展

王妍莉 滕宗艷

心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)是導(dǎo)致死亡的重要原因，給人們的身心健康造成巨大負(fù)擔(dān)。目前，CVD的發(fā)病率在世界范圍內(nèi)仍不斷上升，積極尋找防治CVD的途徑迫在眉睫[1]。近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)泛素特異性蛋白酶(ubiquitin specific proteases，USPs)在動(dòng)脈粥樣硬化(atherosis，AS)、心肌缺血再灌注損傷、心力衰竭(心衰)等CVD中發(fā)揮重要作用，通過(guò)各種通路調(diào)控著CVD的發(fā)生發(fā)展過(guò)程。本文就USPs在CVD中的作用進(jìn)行綜述，旨在為CVD的防治提供一個(gè)新的途徑。

1 USPs概述

1.1 泛素化途徑及去泛素化酶(deubiquitinating enzymes, DUBs)分類 泛素是一類真核細(xì)胞內(nèi)廣泛存在的大小為76個(gè)氨基酸殘基的小分子蛋白質(zhì)，可與多種形式的特異性靶蛋白偶聯(lián)，即多泛素化和單泛素化。泛素化修飾的過(guò)程是在ATP供能的情況下，泛素激活酶(ubiquitin-activating enzyme, E1)激活泛素，轉(zhuǎn)移到泛素結(jié)合酶(ubiquitin-conjuagtion enzyme, E2)上，再和泛素連接酶(ubiquitin-ligase enzyme，E3)共同識(shí)別靶蛋白，對(duì)其進(jìn)行泛素化修飾，從而影響靶蛋白的活性、定位、蛋白之間的相互作用及穩(wěn)定性，參與調(diào)控蛋白酶體對(duì)蛋白質(zhì)的選擇性降解、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)運(yùn)、自噬和免疫反應(yīng)等過(guò)程[2-4]。DUBs是逆轉(zhuǎn)泛素化的一類酶。大約有100個(gè)人類基因組編碼的DUBs被發(fā)現(xiàn)，他們目前可分為6個(gè)家族：USPs、泛素羧基末端水解酶家族(ubiquitin carboxyterminal hydrolases, UCHs)、卵巢腫瘤相關(guān)蛋白酶家族(ovarian-tumor proteases, OTUs)、Machado-Joseph疾病蛋白酶家族(Machado-Joseph disease protein domain proteases, MJDs)、單核細(xì)胞趨化誘導(dǎo)蛋白家族(monocyte chemotactic proteininduced protein, MCPIPs)和JAMM/MPN金屬鈦酶家族(JAMM/MPN domain-associated metallopeptidases, JAMMs)，其中只有JAMMs是鋅金屬鈦酶，其余5個(gè)家族皆是半胱氨酸鈦酶[5]。

1.2 USPs的結(jié)構(gòu)和功能 USPs是DUBs中占比最多的成員，有近60個(gè)子成員。每個(gè)子成員都具有像手指、拇指和手掌一樣的3個(gè)區(qū)域組成的高度保守的USPs結(jié)構(gòu)域，USPs的催化中心位于手掌和拇指的交界區(qū)域。也有一些USP具有其他結(jié)構(gòu)域，如頭帕腫瘤綜合征蛋白(CYLD)的B-box結(jié)構(gòu)域，USP3、USP5、USP39、USP44、USP45、USP49、USP51的鋅指結(jié)構(gòu)域，USP4、USP7、USP14、USP32、USP47和USP48的泛素樣結(jié)構(gòu)域，USP52的核酸外切酶Ⅲ結(jié)構(gòu)域等。USPs結(jié)構(gòu)域的數(shù)量和多樣性與其功能的多樣性密切相關(guān)，使其成為許多研究的重點(diǎn)。已經(jīng)有大量研究表明，USPs參與調(diào)控細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖、凋亡等多種生物學(xué)過(guò)程，在腫瘤、神經(jīng)退行性疾病、自身免疫性疾病、感染性疾病、CVD等多種疾病的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中扮演重要角色[6]。USPs不僅維持著心臟正常生理活動(dòng)，而且調(diào)控著CVD的病理過(guò)程。

2 USPs與CVD

2.1 USPs與心臟電生理 電壓門控鈣通道(voltage gated calcium channel，Cav)可以調(diào)節(jié)心肌興奮性和收縮性。心臟中鈣通道的定位和表達(dá)，可以調(diào)節(jié)竇房結(jié)心率，也可以調(diào)節(jié)房室結(jié)傳導(dǎo)，還可以調(diào)節(jié)工作心肌的心臟復(fù)極。鈣通道功能紊亂會(huì)導(dǎo)致心肌細(xì)胞異常興奮和心律失常[7]。已有研究證明，USP2-45可使上皮細(xì)胞鈉通道去泛素化并調(diào)節(jié)其在質(zhì)膜上的表達(dá)[8]。USP8調(diào)控上皮細(xì)胞鈉通道的內(nèi)體轉(zhuǎn)運(yùn)[9]。也有研究證明，USP2-45和USP2-69均可對(duì)抗神經(jīng)前體細(xì)胞表達(dá)發(fā)育抑制蛋白4-2(Nedd4-2)依賴的泛素化，從而恢復(fù)KCNQ1鉀通道的質(zhì)膜定位[10]。既然USP可調(diào)節(jié)鈉通道和鉀通道，那么他在鈣通道中是否也有調(diào)節(jié)作用？Pouly等[11]發(fā)現(xiàn)USP2-45在細(xì)胞膜翻譯后水平具有時(shí)鐘輸出效應(yīng)，并可能調(diào)節(jié)Ca2+的膜通透性。Rougier等[12]發(fā)現(xiàn)USP2-45和USP2-69均可使心臟Cav通道去泛素化。USP2-45作為研究的重點(diǎn)被發(fā)現(xiàn)可降低質(zhì)膜上的Cav通道的數(shù)量?？梢?jiàn)USPs對(duì)維持離子通道的穩(wěn)定具有重要作用，可能成為治療CVD的一個(gè)靶點(diǎn)。

2.2 USPs與AS

2.2.1 USPs對(duì)AS病因的影響：CVD的危險(xiǎn)因素如高血壓、糖尿病、血脂異常、肥胖、吸煙等是AS的病因，積極預(yù)防以上這些病因，可以減少AS的發(fā)生。越來(lái)越多的研究表明，USPs與這些病因密切相關(guān)。

LDL水平的升高是AS的主要病因。LDL受體(LDLR)的突變使肝臟對(duì)LDL的清除減少，血漿膽固醇水平升高，從而加速AS，因此LDLR水平的穩(wěn)定調(diào)控就顯得格外重要了。Nelson等[13]發(fā)現(xiàn)USP2與偶聯(lián)酶相互作用并促進(jìn)其去泛素化，然后和LDLR組成復(fù)合體控制LDLR的降解。USP2調(diào)控脂蛋白代謝，為血脂異常和AS疾病的治療提供了可能。

肥胖的一個(gè)標(biāo)志是脂肪生成功能障礙。Yang等[14]研究發(fā)現(xiàn)，十字花科蔬菜(如卷心菜)中富含的一種衍生物吲哚-3-甲醇在胃酸作用下代謝成更為穩(wěn)定的3,3′-二吲哚甲烷(3,3′-diindolylmethane，DIM)，DIM通過(guò)抑制USP2活性在脂肪生成早期抑制細(xì)胞周期進(jìn)展，誘導(dǎo)細(xì)胞周期蛋白D1的翻譯后降解，從而起到抗肥胖作用。Huang等[15]研究了cullin-RING E3的調(diào)節(jié)因子COP9信號(hào)體的下調(diào)可以提高C/EBP同源蛋白抑制脂肪滴形成的作用，而USP15參與調(diào)控其過(guò)程。Akoumianakis等[16]研究發(fā)現(xiàn)，脂肪組織分泌體釋放的無(wú)翅相關(guān)整合位點(diǎn)5A通過(guò)USP17/RAC1介導(dǎo)的血管平滑肌細(xì)胞的NADPH氧化酶激活，調(diào)控肥胖對(duì)人類動(dòng)脈氧化還原狀態(tài)的影響，以此說(shuō)明USP17和無(wú)翅相關(guān)整合位點(diǎn)5A是預(yù)防和治療與人類肥胖有關(guān)的血管并發(fā)癥的有效靶點(diǎn)。

脂肪組織的慢性炎癥會(huì)加速脂肪細(xì)胞釋放脂肪細(xì)胞因子和脂質(zhì)因子。Saito等[17]的研究表明，巨噬細(xì)胞USP2A(一種較長(zhǎng)的USP2剪接變體)通過(guò)脂肪細(xì)胞依賴機(jī)制改善肥胖誘導(dǎo)的胰島素抵抗。也有研究表明，肝臟USP4過(guò)表達(dá)可明顯減輕非酒精性脂肪肝(nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD)小鼠的肝脂肪變性、胰島素抵抗和炎癥反應(yīng)[18]。Zhang等[19]的研究表明，運(yùn)動(dòng)可以增強(qiáng)肝USP4、USP18和雙特異性磷酸酶14對(duì)TGF-β活化激酶-1 (TGF-β-activated kinase 1, TAK1)磷酸化的抑制作用，來(lái)改善高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖大鼠的胰島素抵抗。An等[20]的研究表明，USP18過(guò)表達(dá)也可以改善NAFLD小鼠的肝臟脂肪變性及脂質(zhì)代謝紊亂。Ji等[21]發(fā)現(xiàn)CYLD通過(guò)與激酶TAK1相互作用并使其去泛素化，防止JNK-p38信號(hào)通路的活化來(lái)減輕肥胖小鼠的脂質(zhì)積聚、胰島素抵抗、肝臟炎癥標(biāo)志物的表達(dá)。而與USP2、USP4、CYLD可以改善胰島素抵抗不同的是，有研究表明USP14過(guò)表達(dá)可促進(jìn)肝甘油三酯的積累，而USP14的下調(diào)可以改善肥胖小鼠的骨質(zhì)疏松、高血糖、高胰島素血癥和胰島素抵抗[22]。以上這些研究表明USPs可能通過(guò)調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、肥胖、血糖等因素影響AS的發(fā)生發(fā)展。

2.2.2 USPs在AS病理過(guò)程中的影響：AS的3個(gè)病理階段是：(1)動(dòng)脈內(nèi)膜的巨噬細(xì)胞和少數(shù)平滑肌細(xì)胞灶性積聚，細(xì)胞內(nèi)外脂質(zhì)沉積；(2)內(nèi)膜增生的結(jié)締組織和含有脂質(zhì)的平滑肌細(xì)胞、巨噬細(xì)胞組成的纖維病變；(3)纖維斑塊出血、壞死、潰瘍、鈣化、附壁血栓形成的復(fù)合病變。炎癥是構(gòu)成AS的病理基礎(chǔ)，而巨噬細(xì)胞是主要的促炎因子。Kitamura等[23]的研究表明，USP2抑制脂多糖誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞樣細(xì)胞促炎細(xì)胞因子的表達(dá)。Jean-Charles等[24-25]在AS的小鼠模型中發(fā)現(xiàn)USP20可以抑制平滑肌細(xì)胞炎癥及頸動(dòng)脈內(nèi)膜增生，并進(jìn)一步證明USP20通過(guò)抑制腫瘤壞死因子(TNF)觸發(fā)的平滑肌細(xì)胞炎癥來(lái)對(duì)抗AS。Takami等[26]在頸動(dòng)脈球囊損傷的大鼠模型中發(fā)現(xiàn)CYLD過(guò)表達(dá)顯著抑制新生內(nèi)膜形成，且表明CYLD可能通過(guò)抗炎和抗增殖作用減輕球囊損傷后的血管重構(gòu)。研究還證實(shí)了在血管內(nèi)皮細(xì)胞中，CYLD通過(guò)去泛素化TNF受體相關(guān)因子2抑制NF-κB活性來(lái)抑制炎癥和內(nèi)皮細(xì)胞增殖，CYLD可能通過(guò)去泛素化Bcl-3抑制cyclin D1和E2F活性來(lái)抑制平滑肌細(xì)胞的增殖。Liu等[27]的研究表明，在血管平滑肌細(xì)胞中，CYLD通過(guò)激活TNF-α誘導(dǎo)的有絲分裂原活化蛋白激酶促進(jìn)炎癥反應(yīng)，而這個(gè)過(guò)程并不影響TNF-α誘導(dǎo)的NF-κB活性。血管外膜的成纖維細(xì)胞被外力刺激后分化為肌成纖維細(xì)胞，分泌多種物質(zhì)，引起血管張力改變、血管炎癥發(fā)生和血管擴(kuò)張等一系列反應(yīng)，參與AS、血管重建的過(guò)程。Yu等[28]發(fā)現(xiàn)高同型半胱氨酸血癥小鼠通過(guò)上調(diào)Nox4促進(jìn)血管外膜成纖維細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化和促炎細(xì)胞因子產(chǎn)生以及加重腹主動(dòng)脈瘤。進(jìn)一步證實(shí)CYLD通過(guò)去泛素化Nox4誘導(dǎo)血管外膜成纖維細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化。衰老可加劇AS的進(jìn)展。Imaizumi等[29]報(bào)道了CYLD可能通過(guò)改變單核細(xì)胞對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞的黏附、巨噬細(xì)胞的脂質(zhì)積聚和炎癥反應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)年齡相關(guān)的AS的發(fā)生。USPs可能成為治療AS和血管炎性疾病的一個(gè)新靶點(diǎn)，也為該病的發(fā)病機(jī)制提供新的見(jiàn)解和方向。

2.3 USPs與心肌缺血再灌注損傷 心肌缺血再灌注損傷是急性心肌梗死后一段時(shí)間的再灌注反而加重心肌損傷的病理過(guò)程。其發(fā)生機(jī)制可能與氧自由基的產(chǎn)生、鈣超載、炎性細(xì)胞浸潤(rùn)、能量代謝紊亂等有關(guān)，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致惡性心律失常和猝死。因此，探索其防治措施很重要。Yu等[30]報(bào)道了β1腎上腺素能受體(β1-adrenergic receptors，β1AR)誘導(dǎo)的USP20活化可穩(wěn)定β1AR在病理性心肌損傷中的表達(dá)。另外，Zhang等[31]的研究表明，在再灌注損傷后的AC16心肌細(xì)胞中，USP49水平呈時(shí)間依賴性增加，且USP49抑制了心肌細(xì)胞的凋亡和應(yīng)激活化蛋白激酶1/2(JNK1/2)的激活。研究還表明，USP49通過(guò)雙特異性蛋白磷酸酶1-JNK1/2信號(hào)通路抑制缺血再灌注損傷誘導(dǎo)的AC16心肌細(xì)胞存活抑制和凋亡。在心臟缺血再灌注損傷中具有保護(hù)作用的USP49可能成為防治心肌缺血再灌注損傷的一個(gè)靶點(diǎn)。

2.4 USPs與心衰的病理生理機(jī)制 心衰的發(fā)生發(fā)展涉及復(fù)雜的病理生理學(xué)機(jī)制，包括神經(jīng)體液激活、心肌肥厚、心室重構(gòu)、體液因子改變及炎癥等。心肌肥厚是心臟后負(fù)荷增高時(shí)的主要代償機(jī)制，病理性心肌肥厚多由應(yīng)激反應(yīng)或疾病引起，可以獨(dú)立預(yù)測(cè)各種CVD。因此，尋找新穎且有效的防治心肌肥厚的靶點(diǎn)日益突出[32-33]。有研究表明正常心臟中USP4高表達(dá)，而人衰竭心臟和小鼠肥厚心臟中其水平持續(xù)降低。體外研究表明，內(nèi)源性USP4的缺乏可促進(jìn)體外血管緊張素Ⅱ誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞肥大，而USP4的恢復(fù)可有效緩解這種促肥大作用。在體內(nèi)研究中，USP4全敲除壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的小鼠心肌肥厚和纖維化加重，而心臟特異過(guò)表達(dá)USP4的小鼠病理性心肌肥厚有所改善。體內(nèi)外研究的一致性說(shuō)明USP4具有減輕病理性心肌肥厚和心衰的作用，而USP4對(duì)心肌肥厚的保護(hù)作用主要依賴于其去泛素化活性導(dǎo)致的TAK1-(JNK1/2)/p38信號(hào)通路的抑制。在腹主動(dòng)脈縮窄誘導(dǎo)的左心室肥厚模型中，大鼠左心室組織中USP14表達(dá)增加，在血管緊張素Ⅱ誘導(dǎo)的初生大鼠心肌細(xì)胞肥大模型中，USP14表達(dá)也增加，且證實(shí)USP14的含量在心肌肥厚各個(gè)階段都有升高。研究也表明USP14可通過(guò)促進(jìn)糖原合成酶激酶3β磷酸化，來(lái)促進(jìn)心肌肥厚的發(fā)展[34]。Isumi等[35]通過(guò)對(duì)USP15過(guò)表達(dá)的轉(zhuǎn)基因小鼠心臟的研究發(fā)現(xiàn)，USP15去泛素化骨骼肌LIM蛋白1 并與其相互作用可導(dǎo)致心臟重構(gòu)、心臟體積增大，說(shuō)明USP15參與了心肌肥厚的調(diào)控。研究表明無(wú)論是在擴(kuò)張型心肌病病人的心臟，還是壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的肥厚性小鼠心臟及血管緊張素Ⅱ刺激48 h后的新生大鼠心臟，USP18的表達(dá)都是升高的。并且驗(yàn)證了同非轉(zhuǎn)基因小鼠相比，心肌細(xì)胞特異性過(guò)表達(dá)USP18的小鼠心臟有下列特點(diǎn)：心臟擴(kuò)張和衰竭延緩，心肌肥厚、病理性纖維化減輕。而USP18過(guò)表達(dá)抑制心臟重構(gòu)和延緩心臟功能障礙的過(guò)程依賴于TAK1的p38和JNK1/2信號(hào)通路的阻滯[36]。Wang等[37]發(fā)現(xiàn)主動(dòng)脈弓橫向縮窄后的小鼠心臟和血管緊張素Ⅱ誘導(dǎo)的心肌肥厚小鼠心臟以及尸體解剖獲得的人類肥厚和衰竭心臟，CYLD的表達(dá)皆上調(diào)，而敲除CYLD的主動(dòng)脈弓橫向縮窄小鼠的心肌肥厚、纖維化、凋亡、氧化應(yīng)激和功能障礙程度均減輕。并進(jìn)一步證明CYLD能夠抑制細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)、p38/AP1和c-Myc/Nrf2通路的激活，從而加重心臟氧化應(yīng)激。

這些研究表明，USPs通過(guò)各種通路或改善或促進(jìn)心肌肥厚，影響著心衰的發(fā)生發(fā)展過(guò)程，這些影響使得USPs可能成為治療心衰的有效靶點(diǎn)。

3 總結(jié)與展望

USPs與心臟的正常電生理活動(dòng)、AS、心肌缺血再灌注損傷、心衰的病理生理過(guò)程等息息相關(guān)，通過(guò)多種信號(hào)通路參與CVD的發(fā)生發(fā)展，為我們研究CVD提供了新的思路。通過(guò)調(diào)控USPs及其參與的各種信號(hào)途徑，有望成為防治CVD的新措施。USPs在心衰病理生理過(guò)程中的作用也使得其可能成為心衰的一個(gè)新型標(biāo)記物。但是，USPs是否通過(guò)影響其他信號(hào)通路作用于CVD，以及已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的相關(guān)信號(hào)通路的潛在機(jī)制仍有待進(jìn)一步闡明。另外，USPs的其他子成員在CVD中是否也有著相似的作用也需要我們進(jìn)一步探索?？傊?，現(xiàn)有的研究表明USPs為血脂異常、AS、心肌缺血再灌注損傷及心衰的診治提供了可能。