MG53蛋白的研究進展

趙建全，馬芳義，武新民 綜述，高 文 審校

(內蒙古巴彥淖爾市醫院心內科 015000)

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MG53蛋白的研究進展

趙建全，馬芳義，武新民 綜述，高 文△審校

(內蒙古巴彥淖爾市醫院心內科 015000)

Mitsugumin53；心肌細胞修復；胰島素信號通路；TRIM72

近年來研究發現，Mitsugumin53(MG53)蛋白是存在于心肌和骨骼肌中的一個新靶點[1]，作為Tripartite motif-containing(TRIM)的家族成員之一，它被認為通過作用于傷口加快組織修復。MG53主要表達于骨骼肌和心肌，參與多種生理與病理過程，包括急性細胞膜修復，細胞內的囊泡轉運和骨骼肌心臟缺血預適應，也被證明是骨骼肌損傷過程中調節細胞膜修復的關鍵因子[2]。MG53蛋白可通過與胰島素受體1結合后導致泛素依賴的胰島素受體表達下降，最終導致胰島素抵抗和代謝綜合征(metabolic syndrome，MS)。現介紹了MG53蛋白既有對心肌細胞的修復作用，與此同時，又會誘發胰島素抵抗，這有望為冠心病和MS的治療提供新的靶點。

1 MG53與心肌細胞修復

急性心肌缺血是造成全球死亡率的主要原因。雖然冠狀動脈重建會挽救一部分缺血心肌，減少梗死面積，減輕心臟重構和改善收縮功能，但無法避免一部分心肌損傷和心肌纖維化[3]。這種損傷被定義為心肌缺血再灌注損傷(MIRI)。目前，仍然缺乏有效的策略減少MIRI的發生。因此，急需一種新的方法減少心肌細胞損失量、將心肌纖維化降到最小。最近，一項關于“豬模型中MG53對MIRI保護作用”的實驗性研究顯示，人類重組MG53(rhMG53)能有效降低肌鈣蛋白I的釋放，減小心肌梗死面積及降低心功能不全[4]。所以，MG53對于MIRI可能是一個潛在有前途的治療因子。

目前，研究認為心肌細胞的修復作用通過兩條重要的途徑實現:缺血-再灌注損傷補救激酶(RISK)通路和生存激活因子增強(SAFE) 通路。隨著對這一領域研究的不斷深入，現在研究者更多發現RISK通路緊密聯系促存活激酶如促生存激酶磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)、蛋白激酶Cε(PKCε)、p70S6K、蛋白激酶G(PKG)和糖原合成酶激酶3β(glycogen synthesis kinase,GSK-3β)等，一同構成心臟保護信號通路的核心部分，該通路激活后可發揮強大的心臟保護作用，通過作用于線粒體通透性轉換孔而實現[5]。有研究顯示，rhMG53還可能通過損傷部位直接進入心肌細胞激活PI3K通路[6]。所以，rhMG53除了可以對細胞膜進行修復，也可以直接激活絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(Akt)信號通路延長受損心肌細胞存活時間。另外，rhMG53可以結合于細胞膜上的受體、間接激活第二信使。但更多的研究需要進一步去探索確定細胞膜上rhMG53受體。除了對細胞膜有修復功能，rhMG53還是一種E3泛素連接酶[7]。闡明MG53中E3連接酶的功能，對于細胞存活和代謝控制都將有重要作用。

在心肌缺血前應用rhMG53，可以將缺血導致的心肌細胞損傷降到最小。這也提示rhMG53可作為一種預防劑保護外科手術或其他治療方法中組織損傷誘發的心肌損害。Cao等[8]發現MG53蛋白過表達或進行缺血前處理，均可使Akt、糖原合成酶激酶(GSK)和細胞外信號調節激酶1/2(ERK1/2)以下幾種關鍵的促生存酶磷酸化水平明顯增高(高于對照組的50%～60%)；同時發現缺血前處理后，敲除MG53蛋白基因的小鼠并不能激活促生存酶PI3K-Akt-GSK3和ERK1/2信號通路。最終證明MG53蛋白未參與SAFE 通路，而在RISK信號通路上占據著至關重要的地位，因為在缺乏MG53 蛋白表達的小鼠中進行缺血前處理或過度表達MG53蛋白并未觸發信號轉導和轉錄激活因子(STAT)的磷酸化。缺血后處理與缺血前處理相比，臨床意義更深遠。Zhang等[9]通過體外實驗發現MG53蛋白在缺血再灌注(I/R)時表達降低，對缺血處理后可明顯改善MG53蛋白下降的幅度。后續對缺血再灌注損傷(IRI)后MG53蛋白基因沉默型老鼠與野生型小鼠給予缺血處理后發現，前者心肌梗死面積明顯大于后者。

研究發現I/R心肌細胞的損傷可導致MG53顯著釋放入血，所以血液中天然存在的MG53可作為早期診斷急性心肌梗死(AMI)患者的生物標志物。天然MG53一直存在于血液循環中，MG53介導的細胞膜修復過程可被調控及干預。rhMG53作為治療使用的另一個有利因素是可有規范的凈化與生產程序。MG53蛋白在室溫下穩定，以凍干粉的形式存在，通過不同的途徑注入(如靜脈注射，肌內或皮下)。MG53介導的心肌保護還有很大的空間待于開發。Kohr等[10]研究表明，氧化應激可誘導氧化半胱氨酸的144位殘基，減弱MG53的穩定性。因此，可以使基因產生突變(如mg53c144s rhMG53)或用亞硝基修飾，以提高穩定性和血液循環中蛋白的保護作用。

在AMI處MG53水平的增加可能是rhMG53保護心臟的早期步驟。雖然知道rhMG53在組織損傷部位與脂質信號(如磷脂酰絲氨酸和膽固醇)結合可以促進rhMG53的聚集[11]，此機制可能與細胞內MG53蛋白有關，而細胞外與細胞內的rhMG53蛋白作用機制不同。細胞外rhMG53存在于氧化環境中，需要不同的輔助因子從細胞內實現組織修復功能。rhMG53的低聚反應是否參與心肌保護作用還需要進一步的研究。因二聚反應涉及MG53蛋白半胱氨酸242位二硫鍵的形成，用突變的MG53取代c242a或許是以后研究的方向。MG53缺乏會促進MIRI發生、缺血心肌不再受保護，MG53的過表達也會減少心肌細胞死亡。這表明，對于減少MIRI，MG53是一個新型有潛力的分子。Wang等[12]證實MG53可有效修復激光造成的細胞膜損害，修復線粒體功能障礙，減少MIRI。該研究提示MG53在急性IRI中對心肌的保護作用極其重要。自從rhMG53被發現可有效保護心肌I/R，可以想象rhMG53蛋白在AMI患者的治療中有潛在的深遠的治療價值，其可能為冠心病的治療提供了新的治療靶點。其臨床應用還需進一步實驗驗證。

2 MG53與胰島素信號通路

MS是多種代謝成分異常聚集的病理狀態，是一組復雜的代謝紊亂癥候群，它包括中心性肥胖、2型糖尿病(T2DM)或糖耐量減低、高胰島素血癥、血脂紊亂、高血壓、高尿酸血癥、高黏狀態、高凝狀態、脂肪肝及過早動脈硬化等疾病。近年來，MS發病率不斷增高，已嚴重威脅到人類的健康，MS可以使心臟疾病的患病率增加兩倍，T2DM增加5倍[13]。胰島素抵抗(IR)是MS的基礎致病因子。由于骨骼肌負責支配70%～90%胰島素介導的葡萄糖代謝，骨骼肌中的IR有可能在MS及由此導致的T2DM發病機制中起關鍵性作用[14]。有研究證實，在MS和T2DM發病的早期即出現了骨骼肌IR[15]。然而目前對于骨骼肌IR的機制仍知之甚少。表達MG53的IR和MS的動物模型顯示[16]，高脂飲食(HFD)導致了小鼠的肥胖、糖尿病及自發性高血壓。MG53的表達上調在肥胖人群中也得到證實，這為研究MG53與代謝性疾病之間的關系提供了重要的線索。當MG53上調時，可引起以IR、肥胖、高血壓和脂代謝紊亂為特征的 MS。研究人員發現在IR模型中MG53表達明顯增高；并證實過表達MG53即足以觸發肌肉IR和MS。反之，消除MG53，維持胰島素受體、胰島素受體底物(IRS)1和胰島素信號的完整性，即可預防飲食誘導的MS。Olefsky等[17]研究表明，MG53是通過E3泛素連接酶作用，靶向胰島素受體和IRS1，介導它們發生了泛素依賴性的降解，由此調控了骨骼肌中的胰島素信號和代謝。新研究結果證實了MG53是骨骼肌中胰島素信號的一個重要負性調控因子[18]，且MG53介導的骨骼肌胰島素信號抑制在全身IR和MS中起關鍵性作用。這項研究為治療各種代謝性疾病及相關心血管疾病提供了一個潛在的靶點。

胰島素受刺激易導致胰島素受體自身磷酸化。這會導致IRS1和IRS2磷酸化，這反過來又激活磷脂酰肌醇-3-OH激酶(PI(3)K)-akt-gsk3-beta信號通路，其對維持骨骼肌中葡萄糖穩態具有重要意。目前，研究發現無MG53表達的組織胰島素信號轉導增多，而MG53過表達則抑制胰島素信號轉導。胰島素信號通路的明顯變化在于胰島素受體和IRS1蛋白水平，但不是mRNA水平。而在轉基因小鼠中，骨骼肌肉發生IR先于全身胰島素紊亂(肥胖及其引起的IR)。通過敲除無名指結構域或將14位的半胱氨酸突變為丙氨酸可特異性抑制E3泛素連接酶活性，從而影響胰島素受體活性和泛素化。這也支持了通過其E3泛素連接酶，MG53靶向作用于胰島素受體的降解；IRS1下游泛素化似乎依賴于初始胰島素受體的降解，因為IRS1在胰島素樣生長因子1(IGF1)刺激下無退化。因此，IRS1像一個“旁觀者”。骨骼肌胰島素信號通路的負調控通過MG53改變胰島素功能與代謝實現。Song等[19]發現轉基因小鼠發生IR先于體質量和體內成分變化，表明MG53在肌肉中的活動改變了全身能量平衡。該研究還發現在胰島素受體退化過程中，MG53的過表達可能會導致脂肪組織的重新分配，隨后引起MS。Yi等[20]發現胰島素受體1在MG53蛋白表達缺失的小鼠骨骼肌中明顯上升，高脂高能量的飲食并未使MG53蛋白表達缺失的小鼠誘發IR。

3 MG53對細胞膜的修復作用

急性損傷的細胞膜修復是細胞生理學的一個重要方面，而這個過程的破壞可以導致許多人類疾病，包括肌營養不良和心臟衰竭。Miyake等[21]研究建立了細胞膜修復反應的框架，涉及細胞內的小泡轉運到損傷部位，形成細胞膜修補程序。有研究發現MG53蛋白對細胞膜的修復是一個重要組成部分；MG53缺失可導致細胞膜修復功能障礙、增加心臟脆弱性應激和IRI[22]。由于MG53可以區分完整和受損的膜，膜分隔的信號可能參與圈養MG53到受損部位。

細胞膜修復是維持細胞和組織水平穩態的一個重要過程，而對受損修復的能力導致了人類退化疾病。近期的研究表明，MG53是肌細胞膜修復的基礎，MG53功能的缺陷與肌營養不良、心功能不全密切相關。聚合酶Ⅰ轉錄釋放因子(PTRF)，是已知調節細胞膜結構的基因，是細胞膜機械修復不可缺少的組成部分。PTRF作為嵌頓蛋白在細胞膜損傷部位，與膽固醇結合進行細胞膜修復。細胞不表達內源性PTRF表明細胞膜損傷部位MG53缺陷。PTRF的突變可導致PTRF異常核定位和破壞MG53功能。盡管RNAi沉默PTRF導致有缺陷的肌肉細胞膜修復，過表達PTRF可以拯救營養不良的肌肉細胞膜修復缺陷。細胞膜分隔的MG53與PTRF之間的相互作用有助于細胞膜修復的啟動，是人類疾病中組織損傷治療或預防領域的一個有吸引力的靶點。

新型蛋白MG53對感染、創傷、缺血等多種急性肺損傷(ALI)具有保護作用。該蛋白能像“創可貼”一樣，即時修復各種損傷對細胞膜造成的“傷口”，為臨床ALI治療提供新思路。實驗證實了MG53在肺組織上具有特定的生理功能，對實驗動物的ALI具有治療作用。重復使用人工合成的MG53也可改善慢性損傷對肺部結構的改變。由于MG53可以人工合成，這將為預防和治療肺組織損傷開辟全新的思路。

大多數細胞可以自己迅速修復細胞膜中的損傷，這種修復依賴于細胞外鈣離子。細胞外的氧化劑進入細胞氧化細胞膜，然后激活一個新發現的膜修復蛋白——存在于骨骼肌細胞中的MG53。Cai等[23]研究表明MG53多肽綁定磷脂酰絲氨酸殘基，當氧化劑進入時，囊泡與質膜相互交聯。質膜和囊泡膜因MG53聯系形成共價鏈，從而在細胞膜損傷部位形成一個“補丁”。鈣離子作用于膜聯蛋白，促進膜融合。

小窩專門針對于質膜內陷，存在于許多細胞過程中發揮重要作用。小窩蛋白是小窩的主要編碼蛋白，已在多種人類疾病中發現小窩蛋白的突變[24]。有研究表明，MG53與caveolin-3相互作用的改變可導致肌營養不良癥細胞膜修復缺陷[25]。除了小窩蛋白，PTRF也被稱為cavin-1，具有豐富的小窩，小窩的形成有助于穩定[26]。Rajab等[27]些研究表明，PTRF的基因突變與脂肪代謝障礙，相關的肌營養不良癥，心功能不全等代謝紊亂有關；然而，PTRF突變導致人類疾病的分子機制仍不清楚。

綜上所述，MG53對于MIRI的保護是未來探索的新方向。更多的研究需要進一步探索MG53對MIRI的保護作用及其作用機制。而新近研究發現，MG53 蛋白表達上調可誘發IR最終導致代謝紊亂。MG53 蛋白既有對心肌細胞的修復作用，與此同時又會誘發IR，對細胞膜也有補丁作用。MG53在各方面的作用還有待進一步研究。

[1]Glass DJ.PI3 kinase regulation of skeletal muscle hypertrophy and atrophy[J].Curr Top Microbiol Immunol,2010,346(346):267-278.

[2]Lee CS,Yi JS,Jung SY,et al.TRIM72 negatively regulates myogenesis via targeting insulin receptor substrate-1[J].Cell Death Differ,2010,17(8):1254-1265.

[3]Chen M,Yu L,Liu Q,et al.Interleukin-17 inhibition:An important target for attenuating myocardial ischemia and reperfusion injury[J].Int J Cardiol,2015(198):89-90.

[4]Liu J,Zhu H,Zheng Y,et al.Cardioprotection of recombinant human MG53 protein in a porcine model of ischemia and reperfusion injury[J].J Mol Cell Cardiol,2015,80(1):10-19.

[5]Penna C,Perrelli MG,Pagliaro P.Mitochondrial pathways,permeability transition pore,and redox signaling in cardioprotection:therapeutic implications[J].Antioxid Redox Signal,2013,18(5):556-599.

[6]Yi JS,Park JS,Ham YM,et al.MG53-induced IRS-1 ubiquitination negatively regulates skeletal myogenesis and insulin signalling[J].Nat Commun,2013,4(4):2354.

[7]Song R,Peng W,Zhang Y,et al.Central role of E3 ubiquitin ligase MG53 in insulin resistance and metabolic disorders[J].Nature,2013,494(7437):375-379.

[8]Cao CM,Zhang Y,Weisleder N,et al.MG53 constitutes a primary determinant of cardiac ischemic preconditioning[J].Circulation,2010,121(23):2565-2574.

[9]Zhang Y,Lv F,Jin L,et al.MG53 participates in ischaemic postconditioning through the RISK signalling pathway[J].Cardiovasc Res,2011,91(1):108-115.

[10]Kohr MJ,Evangelista AM,Ferlito M,et al.S-nitrosylation of TRIM72 at cysteine 144 is critical for protection against oxidation-induced protein degradation and cell death[J].J Mol Cell Cardiol,2014,69(69):67-74.

[11]Zhu H,Lin P,De G,et al.Polymerase transcriptase release factor (PTRF) anchors MG53 protein to cell injury site for initiation of membrane repair[J].J Biol Chem,2011,286(15):12820-12824.

[12]Wang X,Xie W,Zhang Y,et al.Cardioprotection of ischemia/reperfusion injury by cholesterol-dependent MG53-mediated membrane repair[J].Circ Res,2010,107(1):76-83.

[13]Mcmillen IC,Robinson JS.Developmental origins of the metabolic syndrome:prediction,plasticity,and programming[J].Physiol Rev,2005,85(2):571-633.

[14]Grundy SM.Metabolic syndrome:connecting and reconciling cardiovascular and diabetes worlds[J].J Am Coll Cardiol,2006,47(6):1093-1100.

[15]Defronzo RA,Tripathy D.Skeletal muscle insulin resistance is the primary defect in type 2 diabetes[J].Diabetes Care,2009,32 Suppl 2:S157-163.

[16]Zhang X,Zhang R,Raab S,et al.Rhesus macaques develop metabolic syndrome with reversible vascular dysfunction responsive to pioglitazone[J].Circulation,2011,124(1):77-86.

[17]Olefsky J,Bacon VC,Baur S.Insulin receptors of skeletal muscle:specific insulin binding sites and demonstration of decreased numbers of sites in obese rats[J].Metabolism,1976,25(2):179-191.

[18]Laustsen PG,Russell SJ,Cui L,et al.Essential role of insulin and insulin-like growth factor 1 receptor signaling in cardiac development and function[J].Mol Cell Biol,2007,27(5):1649-1664.

[19]Song R,Peng W,Zhang Y,et al.Central role of E3 ubiquitin ligase MG53 in insulin resistance and metabolic disorders[J].Nature,2013,494(7437):375-379.

[20]Yi JS,Park JS,Ham YM,et al.MG53-induced IRS-1 ubiquitination negatively regulates skeletal myogenesis and insulin signalling[J].Nat Commun,2013,4(4):2354.

[21]Miyake K,Mcneil PL.Vesicle accumulation and exocytosis at sites of plasma membrane disruption[J].J Cell Biol,1995,131(6 Pt 2):1737-1745.

[22]Wang X,Xie W,Zhang Y,et al.Cardioprotection of ischemia/reperfusion injury by cholesterol-dependent MG53-mediated membrane repair[J].Circ Res,2010,107(1):76-83.

[23]Cai C,Masumiya H,Weisleder N,et al.MG53 nucleates assembly of cell membrane repair machinery[J].Nat Cell Biol,2009,11(1):56-64.

[24]Kim CA,Delépine M,Boutet E,et al.Association of a homozygous nonsense caveolin-1 mutation with Berardinelli-Seip congenital lipodystrophy[J].J Clin Endocrinol Metab,2008,93(4):1129-1134.

[25]Hill MM,Bastiani M,Luetterforst R,et al.PTRF-Cavin,a conserved cytoplasmic protein required for caveola formation and function[J].Cell,2008,132(1):113-124.

[26]Aboulaich N,Vainonen JP,Str?lfors P,et al.Vectorial proteomics reveal targeting,phosphorylation and specific fragmentation of polymerase Ⅰ and transcript release factor (PTRF) at the surface of caveolae in human adipocytes[J].Biochem J,2004,383(Pt 2):237-248.

[27]Rajab A,Straub V,Mccann LJ,et al.Fatal cardiac arrhythmia and long-QT syndrome in a new form of congenital generalized lipodystrophy with muscle rippling (CGL4) due to PTRF-CAVIN mutations[J].PLoS Genet,2010,6(3):e1000874.

趙建全(1977-)，副主任醫師，博士，主要從事心血管疾病的診治研究。△

，E-mail：1036908013@qq.com。

10.3969/j.issn.1671-8348.2017.09.042

R541.6

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1671-8348(2017)09-1280-04

2016-08-13

2016-11-11)