環(huán)腺苷酸結(jié)合蛋白對(duì)心臟結(jié)構(gòu)及功能影響的研究進(jìn)展

吳丹，馮健，劉應(yīng)才

(瀘州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，四川瀘州646000)

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·綜述·

環(huán)腺苷酸結(jié)合蛋白對(duì)心臟結(jié)構(gòu)及功能影響的研究進(jìn)展

吳丹，馮健，劉應(yīng)才

(瀘州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，四川瀘州646000)

摘要：環(huán)腺苷酸結(jié)合蛋白(Epac)是近來發(fā)現(xiàn)的一種新型cAMP下游靶因子，是小GTP酶Ras家族Rap1和Rap2的鳥嘌呤核苷酸交換因子。Epac對(duì)心肌興奮-收縮偶聯(lián)、心肌肥厚、心肌細(xì)胞凋亡等均發(fā)揮重要調(diào)控作用，有望作為治療心臟疾病的一個(gè)新靶點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：環(huán)腺苷酸結(jié)合蛋白；興奮-收縮偶聯(lián)；心肌肥厚；細(xì)胞凋亡

環(huán)腺苷酸結(jié)合蛋白(Epac)是一種新型cAMP下游效應(yīng)因子，該因子的發(fā)現(xiàn)打破了PKA是cAMP信號(hào)通路唯一下游因子這一傳統(tǒng)觀點(diǎn)，使人們對(duì)于cAMP信號(hào)通路相關(guān)因子和途徑有了新的認(rèn)識(shí)。Epac是cAMP直接活化的新蛋白家族，是小GTP酶Ras家族Rap1和Rap2的鳥嘌呤核苷酸交換因子，對(duì)各種依賴cAMP的信號(hào)通路(如細(xì)胞增殖與分化、鈣離子調(diào)節(jié)、細(xì)胞與細(xì)胞的黏附等關(guān)鍵過程)均起作用。越來越多的研究表明，Epac參與心肌興奮-收縮偶聯(lián)、心肌肥厚、心肌細(xì)胞凋亡等過程，在心臟疾病的許多病理生理過程中扮演著重要角色。本文就Epac對(duì)心臟結(jié)構(gòu)及功能的影響作一綜述。

1Epac的生物學(xué)特點(diǎn)

1.1Epac的結(jié)構(gòu)及亞型Epac是一多結(jié)構(gòu)域蛋白，由5個(gè)區(qū)域構(gòu)成，含氨基端調(diào)節(jié)區(qū)域和羧基端催化區(qū)域各1個(gè)：即DEP區(qū)域、CNB區(qū)域(cAMP結(jié)合區(qū)域)、REM區(qū)域、RA區(qū)域及CDC25-HD區(qū)域。其中以cAMP結(jié)合區(qū)域?qū)AMP親和力最高，DEP區(qū)域在細(xì)胞膜定位中起主要作用，REM區(qū)域是將氨基端調(diào)節(jié)區(qū)域和羧基端催化區(qū)域之間連接起來的橋梁分子，RA區(qū)域含有與Ras相互作用的結(jié)構(gòu)域。CDC25-HD區(qū)域是位于羧基末端的催化區(qū)域，在鳥嘌呤核苷酸交換活性方面起作用[1]。目前已發(fā)現(xiàn)Epac的兩種亞型，即Epac1和Epac2(Epac2A和Epac2B)，在哺乳動(dòng)物中分別由兩個(gè)獨(dú)立的基因PAPGEF3和PAPGEF4編碼，它們?cè)诟鱾€(gè)區(qū)域上有高度同源性，二者差異在于Epac2有一個(gè)附加低親和性的cAMP結(jié)合結(jié)構(gòu)域(CNB-A)，此結(jié)構(gòu)域確定了Epac2A和Epac2B在細(xì)胞內(nèi)的定位和生物學(xué)特性[2]。

1.2Epac的分布與活化Epac廣泛分布于各種組織中。Epac1在心臟、血管、腎臟、脂肪組織、中樞神經(jīng)系統(tǒng)、子宮和卵巢等組織中表達(dá)豐富，而Epac2大多表達(dá)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)(Epac2A)、腎上腺(Epac2B)和胰腺(Epac2A)。在心肌組織中Epac1遠(yuǎn)比Epac2表達(dá)豐富[4]。在細(xì)胞內(nèi)，Epac1和Epac2也分布在不同區(qū)域，Epac1蛋白定位于漿膜、細(xì)胞質(zhì)、核周區(qū)、核膜以及線粒體，而Epac2蛋白定位于漿膜、細(xì)胞質(zhì)碎片、細(xì)胞骨架肌動(dòng)蛋白、減數(shù)分裂的紡錘體中央?yún)^(qū)以及高爾基體[3]。Epac在細(xì)胞內(nèi)的定位差異性在一定程度上決定了其不同的生物學(xué)效應(yīng)。不同的亞細(xì)胞定位和功能可能與Epac1、Epac2之間的差異有關(guān)。Epac作為Ras家族小分子G蛋白R(shí)ap的特異性鳥嘌呤核苷酸交換因子，將Rap結(jié)合的GDP置換為GTP從而激活Rap發(fā)揮重要信號(hào)分子作用[4]。

2Epac對(duì)心臟結(jié)構(gòu)及功能的影響

2.1 Epac與心肌興奮-收縮偶聯(lián)在心肌興奮-收縮偶聯(lián)過程中，鈣是關(guān)鍵因素之一。每一次心搏，心肌細(xì)胞產(chǎn)生動(dòng)作電位，膜去極化誘導(dǎo)肌膜上L型鈣通道的激活，隨后鈣離子進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，胞質(zhì)中Ca2+濃度的增加激活周邊蘭尼堿受體(RyR2)，觸發(fā)胞質(zhì)肌質(zhì)網(wǎng)中的Ca2+釋放到胞質(zhì)中，這種協(xié)調(diào)的過程稱為Ca2+誘導(dǎo)的鈣釋放，其為肌原纖維的收縮提供必需的Ca2+[7]。大鼠心室肌細(xì)胞在肌質(zhì)網(wǎng)鈣載量減少和鈣瞬變降低的情況下，Epac激動(dòng)劑8-pCPT激動(dòng)Epac可以產(chǎn)生Ca2+的震蕩，同時(shí)該過程伴隨著鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ) RyR2的磷酸化[5]。

興奮-收縮偶聯(lián)的微調(diào)主要是通過鈣/CaMKⅡ以及磷酸化磷蛋白和RyR2來實(shí)現(xiàn)，并由此提高肌質(zhì)網(wǎng)的鈣攝取和自發(fā)的Ca2+釋放。在大鼠心室肌細(xì)胞中，Epac和PKA 對(duì)Ca2+激活肌絲動(dòng)力和肌絲Ca2+敏感性有著相反的效果。Epac通過依賴磷脂酶C-蛋白質(zhì)激酶C-CaMKⅡ途徑磷酸化cTnI和cMyBPC來增強(qiáng)肌絲對(duì)Ca2+的敏感性[6]。

此外，心肌縫隙連接的形成是控制興奮-收縮偶聯(lián)和保持心臟收縮的另一個(gè)前提條件。對(duì)新生大鼠的心肌細(xì)胞初步研究表明，8-pCPT誘導(dǎo)起主導(dǎo)作用的心肌間隙連接蛋白43積累，Epac誘導(dǎo)的粘連蛋白上調(diào)促進(jìn)縫隙連接的形成。近來在新生大鼠心肌細(xì)胞研究證實(shí)Epac與連接蛋白43之間存在聯(lián)系，Epac不僅改變連接蛋白43的亞細(xì)胞定位而且改變其功能[7]。以上研究說明Epac參與調(diào)節(jié)心肌興奮-收縮過程。

2.2Epac與心肌肥厚 2005年，在原代培養(yǎng)的乳鼠心肌細(xì)胞模型中首次發(fā)現(xiàn)Epac1在心肌肥厚中起作用。在心衰大鼠左心室壓力超負(fù)荷導(dǎo)致心肌肥厚的早期階段，Epac1蛋白表達(dá)上調(diào)。在胸主動(dòng)脈縮窄引起的壓力超負(fù)荷或者長(zhǎng)期注射異丙腎上腺素誘導(dǎo)的心肌肥厚模型中Epac1或Epac2的表達(dá)上調(diào)，這也說明了Epac在促進(jìn)心肌肥厚方面有潛在作用。在人心臟衰竭的晚期Epac的表達(dá)也增加[8]。此外，通過siRNA鈍化Epac的表達(dá)可以抑制β-腎上腺素誘導(dǎo)的心肌肥厚。由于cAMP的高表達(dá)，乳鼠心肌細(xì)胞比成人心肌細(xì)胞肥大更加明顯，通過特定的cAMP類似物刺激或Epac過表達(dá)可以誘導(dǎo)心肌細(xì)胞肥大反應(yīng)。

在細(xì)胞水平，8-pCPT激動(dòng)Epac的表達(dá)，誘導(dǎo)心肌肥厚性生長(zhǎng),主要表現(xiàn)為細(xì)胞表面積、體積的增大，蛋白質(zhì)以及膠原合成的增加，肌絲以更加分化的方式發(fā)生重組，心肌肥厚標(biāo)志物心房利鈉肽因子、c-fos、血清應(yīng)答元件和SKMα肌動(dòng)蛋白等胚胎基因或應(yīng)力基因的再表達(dá)；更重要的是，沉默Epac1的表達(dá)可以明顯降低β-腎上腺素能受體刺激產(chǎn)生的相關(guān)心肌肥厚標(biāo)志物的表達(dá)。Epac對(duì)心肌的肥厚效應(yīng)有一部分是通過調(diào)節(jié)鈣穩(wěn)態(tài)實(shí)現(xiàn)的。在體外培養(yǎng)的心肌細(xì)胞中，PKA抑制劑存在和不存在兩種情況下，Epac激活都可以調(diào)節(jié)胞內(nèi)鈣離子的釋放[9]。小G蛋白R(shí)ac和 Ras 通過激活CaMKⅡ誘導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)Ca2+釋放需要鈣敏感GEF結(jié)構(gòu)域。通過Epac1腺病毒或特異性的Epac激動(dòng)劑8-pCPT激動(dòng)Epac表達(dá)可以分別通過PLC/IP3R/Ca2+/CaMKⅡ/HDAC4-HDAC5和H-Ras/Ca2+/鈣調(diào)磷酸酶通路激活肥厚性轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子MEF2和NFAT的表達(dá)[9]。缺血再灌注損傷心肌的保護(hù)試驗(yàn)顯示，Epac可產(chǎn)生正性肌力作用[10]。Park等[11]在白藜蘆醇對(duì)心肌保護(hù)機(jī)制的研究顯示，通過對(duì)磷酸二酯酶4(PDE4)的抑制，引起cAMP的增加以及隨后的Epac活化，可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)能量型傳感器腺苷單磷酸活化蛋白激酶的激活。心肌肥厚作為一個(gè)短期的自適應(yīng)過程可增加心肌收縮力，持續(xù)Epac激活并由此引起的持續(xù)正性肌力作用是心肌肥厚的起始步驟。然而，激活Epac在心肌肥厚發(fā)生發(fā)展過程中的作用尚有爭(zhēng)議，有待于進(jìn)一步研究證實(shí)。

2.3Epac與心肌細(xì)胞凋亡最近研究表明，Epac對(duì)于包括心肌細(xì)胞在內(nèi)的幾種細(xì)胞可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[12]。在H9c2心肌細(xì)胞和乳鼠心肌細(xì)胞中，PDE4抑制劑羅氟司特通過cAMP-PKA-CREB和Epac-PKB/Akt的途徑抑制一氧化氮誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[13]。Zhang等發(fā)現(xiàn)慢性異丙腎上腺素不能誘導(dǎo)轉(zhuǎn)基因小鼠心肌細(xì)胞肥大、心肌間質(zhì)纖維化、心肌細(xì)胞凋亡以及心功能異常。在體外培養(yǎng)的成年貓左室心肌細(xì)胞中，PKA抑制劑可以保護(hù)心肌細(xì)胞免受β-腎上腺素能受體激動(dòng)劑引起的細(xì)胞凋亡，這一保護(hù)作用是通過獨(dú)立于PKA信號(hào)通路外的cAMP/Epac/Rap1/ERK信號(hào)通路介導(dǎo)的[13]。在原代培養(yǎng)新生小鼠心肌細(xì)胞，EPAC失活誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡與細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)因子Bim的缺乏相關(guān)，這表明Epac誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡是通過一系列復(fù)雜的細(xì)胞生存信號(hào)通路網(wǎng)絡(luò)來調(diào)節(jié)的。細(xì)胞凋亡似乎產(chǎn)生一條自噬功能網(wǎng)絡(luò)通路，使其適應(yīng)某些應(yīng)激條件以避免細(xì)胞死亡從而抑制細(xì)胞凋亡；然而，在其他細(xì)胞類型中設(shè)置這條自噬通路則促進(jìn)另一種細(xì)胞死亡[14]。自噬是由哺乳動(dòng)物的雷帕霉素(mTOR1和mTOR2)通過磷脂酰肌醇3激酶依賴的PKB/Akt信號(hào)通路來調(diào)節(jié)的。它也是Epac的效應(yīng)因子之一。Epac是包含mTOR1和mTOR2多蛋白復(fù)合物的一部分，表明Epac通過mTOR1和mTOR2途徑調(diào)節(jié)自體吞噬。Insel等[15]認(rèn)為cAMP既是促凋亡也是抗凋亡的第二信使，不同類型的細(xì)胞在cAMP被激活后均可產(chǎn)生PKA和Epac兩條信號(hào)通路，但不同的細(xì)胞以及不同的生理病理?xiàng)l件下占主導(dǎo)的下游信號(hào)通路不同，PKA信號(hào)通路介導(dǎo)促凋亡反應(yīng)，而Epac信號(hào)通路介導(dǎo)抗凋亡反應(yīng)。Suzuki等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在神經(jīng)細(xì)胞中，激活PKA信號(hào)通路促進(jìn)神經(jīng)元的存活，而激活Epac信號(hào)通路后神經(jīng)元的凋亡數(shù)目增加；心肌細(xì)胞的反應(yīng)則相反。因此，Epac對(duì)心肌細(xì)胞凋亡的影響及機(jī)制有待于進(jìn)一步研究。

綜上所述，在心臟中，Epac是一種重要的新信號(hào)分子，通過對(duì)鈣離子的處理及心肌興奮-收縮偶聯(lián)的調(diào)節(jié)，誘導(dǎo)后者產(chǎn)生正性肌力作用及心肌肥厚性反應(yīng),以及參與透導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡。

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(收稿日期：2015-10-23)

中圖分類號(hào)：R34

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-266X(2016)05-0092-03

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2016.05.039

通信作者：劉應(yīng)才(E-mail:13882735770@163.com)

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31300946)。