科研 | Cell Metab.：蛋白质量的控制和代谢：心脏的双向控制
编译：阿昊，编辑：小白、江舜尧。
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由于不健康的生活方式及肥胖人群的增长，心力衰竭的发病率急剧增加，心血管疾病目前是全球范围内人类死亡的主要原因之一。心肌细胞生命周期较长且更新速度较慢，因此一些蛋白酶的质量对心肌细胞代谢和功能尤为重要。清除低质量蛋白的主要机制包括自噬、未折叠蛋白反应和泛素-蛋白酶系统。最近的研究表明，上述机制与细胞代谢密切相关，代谢途径和代谢控制对全面了解蛋白质量控制机制至关重要。
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内容
1. 心脏病的蛋白质质量控制
蛋白质量控制对细胞稳态和完整性至关重要，蛋白稳态的丧失导致了蛋白发生错误折叠，然而复杂的适应性反应可以清除异常折叠的蛋白和有缺陷的细胞器。多种相互作用环环相扣以确保蛋白的稳态。蛋白质量控制的缺失或失衡与许多疾病有关，包括神经性疾病、心血管疾病、糖尿病和癌症。作为有丝分裂后的细胞，心肌细胞在成熟期几乎没有复制能力。因此，保持蛋白质量对于减少细胞功能障碍至关重要。同时，代谢紊乱与心脏病的发病机制密切相关。蛋白质量控制对维持蛋白内环境稳定至关重要，但最近的研究表明，也积极参与心脏代谢的调节（图1）。
图1 心脏病的蛋白质量控制与心脏代谢
心肌疾病会引发对蛋白折叠和蛋白损伤，葡萄糖和游离脂肪酸是支持心肌能量产生的主要营养素。这两个主要细胞过程之间存在复杂的相互作用，包括双向信号传导、转录控制和底物供应。
2. 蛋白稳态的细胞机制
蛋白稳态涉及基因转录、mRNA翻译、高阶复合物组装和蛋白清除等方面，这些均参与了心脏生理过程，虽然我们对心脏基因表达调控的研究已经取得了相当大的进展，但在蛋白质量控制方面的研究相对有限。多种细胞机制可作为监控系统，确保心肌细胞内的蛋白质稳态；自噬和泛素-蛋白酶体系统(UPS)是消除错误折叠蛋白和缺陷细胞器的蛋白水解级联反应；未折叠蛋白反应（UPR）是调节内质网（ER）中蛋白质折叠压力的一个适应性过程。这三个过程中的每一个过程都能造成破坏性的，甚至致命的伤害，已有大量心脏病的研究报道了这些调节机制的缺陷，并且发现可以通过调节这些过程来治疗疾病。
3. 自噬
自噬是一个保守的进化过程，在这个过程中细胞吞噬了细胞质的一小部分。目前至少有三种形式的自噬已经被报道，并且所有的自噬都涉及到将目标细胞器运送到溶酶体进行降解。其中，宏自噬（本文中称为自噬）是调控最为严格、研究最为深入的一种自噬过程。自噬由30多种自噬相关蛋白（ATG）控制，是一个受调控、高度动态的过程，（图2），其启动是由营养缺乏或缺乏生长因子支持所引起。雷帕霉素（mTOR）是细胞生长中主要的调节因子，其作用靶点与ULK1-ATG13-FIP200蛋白复合物有关，通常营养缺乏会导致mTOR从ULK1失活和解离。
4. 营养缺乏性自噬
心脏作为一个持续工作的“泵”，消耗的ATP比身体的任何其他器官都要多，因此心肌细胞必须不断地产生能量、不间断地消耗营养物质。
在哺乳动物出生时，营养供应突然中断，在这个关键时期，许多类型细胞中的自噬过程被激活，如小鼠心脏的自噬在分娩后30分钟内被激活，并在24小时内保持高水平，这种自噬反应显著降低了缺乏营养的新生儿的存活率，相而强迫喂奶提高了自噬缺陷新生儿的存活率，突出了在这个阶段自噬发挥提供能量的作用。
最近的研究表明，恢复营养供应后，胰岛素信号可迅速抑制自噬，从而避免过度“自噬”，促进机体的正常发育。同样，在饥饿条件下的成年小鼠中，心肌细胞自噬在维持细胞内稳态和维持心脏泵功能方面起着关键作用。正常情况下，在3天的食物剥夺过程中，心脏功能得以保持，然而当添加巴非霉素A1抑制自噬时，心肌氨基酸和ATP浓度显著降低，心脏功能明显受损。总的来说，心脏自噬不仅“清除垃圾”，还回收垃圾以支持新陈代谢。
5. 自噬是一种自我清理的过程
自噬是降解缺陷蛋白和细胞器的主要手段，在有丝分裂后的细胞中，如心肌细胞和神经元，其再生能力非常有限，因此需要自噬功能维持细胞的生存和功能。在基础条件下，ATG5基因沉默导致自噬功能不足，从而引发心肌肥大和心室扩张。Danon病是一种溶酶体糖原贮积性疾病，主要由溶酶体膜蛋白LAMP2突变引起。在小鼠模型中，靶向沉默LAMP2导致自噬空泡的积累、长寿命蛋白半衰期延长和心肌收缩力下降，这再次强调了自噬在维持心肌细胞稳态中的关键作用。
自噬的“管家”作用也体现在其对抗心脏蛋白毒性的作用上。在心肌细胞中，α-B晶体蛋白（CryAB，一种伴侣蛋白）用于阻止结蛋白等高含量蛋白质的聚集。CryAB突变体（CryABR120G）的表达会引起蛋白质聚集、肌原纤维紊乱和心肌病。研究者的实验室已经证明，这种突变体在NRVMs中的过度表达足以触发自噬，3-MA抑制自噬导致不溶性增加。此外，体内减弱自噬可加速表达CryABR120G，并导致心力衰竭。通常情况下可以通过促进表达ATG7以促进自噬，并降低体内和体外的聚集物含量并减弱细胞毒性。
6. 心肌肥大的自噬作用
三分之一的美国人患有高血压，为了缓解高血压及室壁压力增加，心脏经历了一个增生生长同时合并新肌节的过程。最初人们认为心肌肥厚是一种急性适应性反应。在流行病学研究中，左心室肥大是收缩功能障碍和心力衰竭的危险预警，心力衰竭也是心脏无法维持外周器官充分灌注的临床综合征。人们已经进行了大量的努力来解释心肌肥大向心力衰竭的转变机制，然而，对这一机制的认识仍然是不清晰的。心脏的肥厚生长不仅仅是心肌细胞内肌节的简单增长，大量的报告表明自噬参与了这一过程。在心肌肥大生长的早期阶段，自噬可能被强烈抑制，这促进了合成代谢和心肌细胞生长的加速。早期的研究报告显示，在大鼠心脏中短期（10分钟）输注异丙肾上腺素可导致自噬空泡减少。胸主动脉缩窄术（TAC）是一种在啮齿类动物模型中广泛应用的手术，使用手术使主动脉弓收缩心脏负荷增加，有研究者认为小鼠TAC可导致术后1周的自噬抑制。总之，这些结果强调了自噬可以诱导心脏负荷并导致心肌肥大。然而，有些发现似乎是自相矛盾的，这些研究者设计了心肌细胞ATG5缺乏症的小鼠， TAC处理后，ATG5基因敲除的小鼠心脏表现出更为严重的肥大，并且收缩功能障碍加重。尽管这些差异背后的原因不清楚，但研究者认为，所采用模型的差异是造成这种差异的原因之一。
心肌肥大与代谢重构有密切关系，健康成人心脏ATP产生的主要来源是游离脂肪酸（FFA）。然而在心肌肥大的患者体内葡萄糖的利用率不断提高，最终成为ATP的重要来源。研究表明，糖解产生的ATP从对照组的7%增加到心肌肥大组的19%。同时，FFA产生的ATP从70%下降到55%。此外，糖解的增加与氧化磷酸化不耦合，这可能为心肌肥厚生长提供关键的代谢中间体。
7. 缺血性心脏病的自噬作用
向心肌细胞输送氧气和营养的限制是常见的，典型的原因是冠状动脉粥样硬化导致的血管狭窄。冠状动脉完全闭塞会引发不可逆的细胞死亡过程。虽然细胞死亡可以通过恢复血流来挽救，但这一过程会导致第二波毒性事件，即再灌注损伤。缺血造成的缺氧环境类似于营养缺乏并可能引发强烈的自噬。20世纪70年代末的研究表明，兔心脏缺氧40分钟后，自噬空泡就被强烈诱导。在猪缺血性心肌病模型中，自噬标记物（包括LC3-II（ATG8）、Beclin 1和组织蛋白酶）普遍上调。
心肌梗死引起的自噬作用对心肌缺血损伤有保护作用。由于外源养分供应突然中断，自噬产生的代谢物成为能量生产的主要来源。此外，自噬刺激的糖解可能是缺氧时的一种适应性特征，因为糖解可在缺氧时产生ATP。使用TAT-p27刺激小鼠自噬可减少心肌梗死面积并改善心脏功能。此外，自噬可以通过消除有缺陷的线粒体进而起到保护作用，并进一步限制毒性活性氧（ROS）的积累。对缺血的心肌细胞进行及时有效的再灌注是减轻心肌损伤的最有效手段。在20世纪70年代末的研究同样表明兔心脏缺氧后再灌注会引起第二波自噬。在小鼠心脏、HL-1细胞和NRVMs中也有类似的发现。虽然通过缺血/再灌注（I/R）诱导自噬已经被证实，但其功能作用可能是复杂和具有时间依赖性的。这些结果共同指出了自噬在I/R中的毒害作用。
8. UPR（未折叠蛋白反应）
高达35%的蛋白需要在内质网中进行翻译、折叠、组装和分泌。如果这些分泌物或跨膜分子没有被正确处理从而导致其在内质网中积累，一个进化上的保守过程将被激活，UPR通过减少新蛋白的翻译来促进旧蛋白的表达，并通过降解和自噬以清除多余的蛋白，减轻内质网应激反应。UPR有三种方式将信号传输到细胞核以引发后续代谢过程（图3）。PERK是一种跨膜蛋白激酶，在基态下，PERK通过与ER驻留的BiP相互作用而被隔离在非活动状态。活跃的PERK通过磷酸化eIF2a（一种翻译起始因子）以抑制其活性并有效减少mRNA的整体翻译，这在内质网中创造一个“修复时间窗口”。
9. UPR和HBP（己糖胺生物合成途径）
UPR与糖代谢之间的密切联系促使我们研究UPR在调节葡萄糖利用中的潜在作用。高达5%的葡萄糖通过HBP代谢所生成。在某些条件下，这种贡献可能要大得多。葡萄糖最初磷酸化为葡萄糖-6-磷酸，然后转化为果糖-6-磷酸。谷氨酰胺果糖-6-磷酸氨基转移酶（GFAT）是HBP的限速酶，它将果糖-6-磷酸转化为葡萄糖胺-6-磷酸。然后，磷酸葡萄糖胺N-乙酰转移酶（GNPNAT）偶联乙酰基，形成N-乙酰氨基葡萄糖-6-磷酸，再由磷酸葡萄糖变位酶3（PGM3）转化为N-乙酰氨基葡萄糖-1-磷酸。活化后生成UDP-GlcNAc，其是生物合成聚糖、蛋白多糖、糖脂和O-GlcNAc修饰的重要供体。
O-GlcNAc蛋白将成千上万种胞浆蛋白和核蛋白进行进一步修饰。这控制了蛋白质亚细胞定位、蛋白质-蛋白质相互作用、酶活性和蛋白质功能。O-GlcNAc转移酶（OGT）催化O-GlcNAc酰化反应，并与O-GlcNAcase（OGA）产生拮抗。UDP-GlcNAc是一种细胞糖衍生物，是与靶蛋白上的Ser/Thr残基结合的供体分子。研究表明OGT的酶活性在很大程度上取决于HBP的最终产物UDP-GlcNAc的浓度。
尽管HBP和蛋白O-GlcN酰化可能由病理原因造成，但早期的研究已经确定，急性刺激心脏O-GlcN酰化在各种应激条件下具有强烈的心脏保护作用，包括I/R、心肌细胞特异性OGT缺失和O-GlcN酰化的抑制。重要的是，心脏O-GlcNAc的升高与缺血（一种经典的心脏保护应激）有关。心肌细胞中O-GlcNAc的增加可提高过氧化氢处理下的细胞存活率，这可能与维持线粒体完整性有关。此外，OGT的过度表达和O-GlcN酰化的升高可保护NRVM免受I/R损伤。相反，OGT基因敲除导致细胞存活率下降。总的来说，这些数据表明心肌细胞O-GlcNAc蛋白修饰的急性增加具有心脏保护作用，这一结果可能是凋亡抑制和线粒体功能增强来介导的。
10. UPS与心肌肥大
UPS是降解错误折叠蛋白质和促进细胞内稳态的主要机制。这是一个高度调控的多步骤过程，从ATP依赖性激活酶E1开始，激活后的泛素被转移到一种称为E2的结合酶上。泛素连接酶（E3）又对E2和目标底物进行结合。在人类基因组中有2个E1和大约40个E2，超过600个E3，这些酶赋予了对蛋白质识别和降解的功能。泛素化的蛋白质被识别并被降解，最后，小段肽链被释放并迅速水解成氨基酸。在某些特殊情况下，如转录因子NF-kB的前体处理过程可能产生具有生物活性的蛋白质片段。除了降解错误折叠的蛋白质外，UPS对关键调节分子的靶向转换与细胞周期控制、炎症和细胞死亡有关。
11. UPS与心肌梗死
心肌梗死后，再灌注过程与细胞结构有关，在这种情况下，UPS至关重要。炎症是导致I/R损伤的重要因素之一，ROS的突然增加会引起蛋白质错误折叠和损伤。NF-kB是炎症反应的主要调节因子，其激活依赖于IkBa的蛋白水解降解，IkBa是IKK和NFkB活性的抑制剂。用20S蛋白酶抑制剂对UPS的整体活性进行药理学抑制。抑制NF-kB的激活可以在猪体内产生强烈的心脏保护作用。在心肌梗死前甚至在再灌注期间，给予同样的抑制剂可以显著保护小鼠的I/R损伤。这两种情况都涉及到NF-kB的活性抑制，然而在心肌细胞中操纵UPS活性会引起不同的结果。据报道，小鼠I/R抑制了UPS的三种酶活性。相反，在心肌细胞中过度表达PA28a（一种独立于泛素链的替代性调节亚单位）可以增强蛋白酶活性从而保护小鼠心脏免受I/R损伤并防止错误折叠蛋白的积累。最近的一份报告阐明了PA28a在清除氧化性损伤蛋白质方面的特殊作用。总之与非心肌细胞相比，心肌细胞内UPS的调节会导致不同的表型，因此，在讨论UPS在心脏I/R损伤中的作用时需要谨慎。
结论
尽管我们已经对心血管疾病和治疗手段有了长足的认识，但这种疾病仍在继续演变和扩大。因此，有效的治疗仍然较为缺乏，心血管疾病仍然在全球范围内具有较高的发病率和死亡率。自噬、UPR和UPS是降解错误折叠蛋白质和有缺陷细胞器的主要机制，这有助于维持功能性细胞环境。这些过程中任何一个过程的失调都会导致疾病的发生，如心肌肥大、心肌梗死和心力衰竭。此外，这些机制中的每一个都与新陈代谢密切相关。研究蛋白质分解和代谢系统之间复杂的相互作用是必需的。我们期望，这将推动我们朝着与临床相关的新治疗方法前进。