蛋白翻譯后SUMO化修飾在動脈粥樣硬化中的作用與機制

祝昀輝,周曉菲,余路陽

(浙江大學生命科學學院,杭州310058)

多年來,心血管疾病一直是全球范圍內發病率、致死率最高的疾病,并成為有效壽命損失的首要原因[1],其中由動脈粥樣硬化(atherosclerosis,AS)引起的血栓形成及其并發癥如腦卒中、心肌梗死等血管事件是導致死亡的頭號殺手[2].動脈粥樣硬化是一種過程復雜的慢性心血管疾病,其發病過程涉及脈管系統上的代謝壓力導致的內皮細胞活化、脂質代謝障礙、內皮功能障礙和局部血管炎癥等[3],而炎癥反應貫穿于動脈粥樣硬化起始、病變和斑塊破裂的全過程,因此動脈粥樣硬化也被認為是一種慢性炎癥性疾病[4-5].

到目前為止,動脈粥樣硬化的具體發病機制尚未完全清楚.在現有的對動脈粥樣硬化疾病發生的認識中,涉及多個轉錄因子的控制.這些分子的蛋白翻譯后修飾變化將對蛋白的轉錄活性、穩定性、定位等多個方面產生影響,從而促進或抑制動脈粥樣硬化的發病過程.SUMO(中英文全稱參見附錄,下同)化修飾是近期被發現較多的在蛋白質水平影響心血管疾病發生的蛋白翻譯后修飾類型[6-8].本綜述將從動脈粥樣硬化病變進展的不同階段來分別闡述蛋白翻譯后SUMO化的作用及調控機制,并提出將其作為動脈粥樣硬化臨床治療潛在靶點的啟示.

1 動脈粥樣硬化的病變進展

動脈粥樣硬化的病變從動脈內膜的內皮細胞開始.血管內皮作為天然的血液容器,是心血管系統穩態網絡的關鍵調控節點,在病理狀態下內皮在大動脈壁內的功能障礙是動脈粥樣硬化性心血管疾病(ACVD)的重要促成因素[9].

動脈粥樣硬化的過程在最早階段是內皮功能的紊亂,隨之啟動了一個復雜的致病序列[10-11]：多種因素導致的內皮細胞過度表達黏附分子,如VCAM1被稱為內皮激活[12].該過程也涉及內皮功能障礙.內皮源性一氧化氮(nitricoxide,NO)合成的下降也可增加白細胞黏附[13].隨后血液中白細胞(主要為單核細胞)被招募并與活化的內皮細胞黏附,進一步浸潤至內膜下啟動局部炎性反應.大部分單核細胞會演變為巨噬細胞,攝取脂質后轉變為泡沫細胞,這是早期脂紋病變的標志.同時,積聚的巨噬細胞向血管中層遷移并釋放更多的細胞因子,如TNF-α,IL-1等激活內皮細胞、巨噬細胞和平滑肌細胞,加劇炎癥反應,并使平滑肌由中膜向內膜遷移.活化的內皮細胞和巨噬細胞分泌纖維因子和生長因子等作用于相鄰的平滑肌,促使其增殖及膠原生成,在斑塊外形成纖維帽,形成成熟的纖維肌性斑塊.隨著病變的進行,斑塊內巨噬細胞和平滑肌細胞部分死亡,釋放脂質,在斑塊的中心區域積聚為富含脂質的壞死核心.病程繼續發展至斑塊破裂常基于纖維帽的削弱過程,斑塊中的巨噬細胞過度分泌基質金屬蛋白酶MMP加速細胞外機制的降解,使纖維帽形狀變薄、斑塊破裂,使凝血因子與斑塊內部的組織因子接觸,觸發血栓延伸到血管腔內,阻止血液流動.

2 SUMO化修飾

SUMO化修飾是新近發現的蛋白翻譯后修飾形式,SUMO分子通過靶蛋白特異的賴氨酸殘基形成異構肽,從而與許多蛋白形成共價連接.SUMO是一類廣泛存在于真核生物中高度保守的小分子蛋白家族,哺乳動物中的SUMO主要包括SUMO1,SUMO2和SUMO3這3種蛋白[14].

SUMO化修飾過程主要包括激活、結合和連接3個階段,分別由SUMO活化酶E1(由SAE1和SAE2構成的一類二聚體酶)、SUMO結合酶E2(Ubc9)、SUMO連接酶E3(包括RanBP2,PIAS及Pc2三類酶)調控[8].SUMO化修飾對于靶蛋白具有表達、定位、穩定性和活性等多類型的調控作用[15-16].SUMO化修飾是一個高度動態且可逆的過程,主要由SUMO特異蛋白酶SENP家族調控.SENP家族共有6個成員(SENP1～3,SENP5～7),是SUMO特異蛋白酶,其對蛋白的SUMO化和去SUMO化修飾在維持蛋白功能中起重要作用[17].近年來,越來越多的證據表明SUMO化與心血管疾病的發生發展密切相關,在心臟衰竭、動脈粥樣硬化、心血管代謝異常等疾病中都發現SUMO系統分子和SUMO通路在心血管組織表達異常[6-8].

3 SUMO化修飾在動脈粥樣硬化中的作用

3.1 SUMO化修飾與湍流導致的內皮激活

作為動脈粥樣硬化的早期事件,內皮激活涉及SUMO化修飾多方面的調控.管腔內血液的湍流(disturbed-f l ow,d-f l ow)被認為是造成內皮激活的原因之一,進而導致內皮功能障礙和局部動脈粥樣硬化[18].D-f l ow的低剪切應力激活調控內皮基因表達的剪應力反應啟動子元件和轉錄因子[19-20],隨之上調了內皮中促進動脈粥樣硬化發生的基因和蛋白質[21],其中多個蛋白的SUMO化修飾參與了動脈粥樣硬化的發生.

Heo等[22]發現,d-f l ow會通過下調SENP2的功能來增加p53和ERK5蛋白的SUMO化修飾.D-f l ow介導的過氧亞硝酸鹽(ONOO-)會促進PKCζ的活化,隨后誘導p53的SUMO化、p53-Bcl-2結合和內皮凋亡[23].D-f l ow還可以激活絲氨酸/蘇氨酸激酶p90RSK,p90RSK使SENP2的368號位點蘇氨酸368(T368)磷酸化.T368磷酸化促進了SENP2的出核,導致eNOS表達下調、促炎癥黏附分子的表達和細胞凋亡上調,從而導致動脈粥樣硬化斑塊的形成[24].由此提出了在湍流介導的內皮凋亡過程中由PKCζ-PIASγ相互作用介導的p53 SUMO化的新機制,該機制與動脈粥樣硬化的早期事件具有潛在相關性.

D-f l ow還顯著在ERK5 Lys6和Lys22殘基處增加SUMO化修飾,并且該SUMO化抑制了轉錄因子MEF2轉錄活性和隨后的KLF2啟動子活性以及KLF2介導的eNOS表達[25].值得注意的是,ERK5 SUMO化獨立抑制了ERK5自身的轉錄活性.這些證據都強烈表明了由d-f l ow介導的p53和ERK5的SUMO化動脈粥樣硬化早期參與內皮激活和內皮功能障礙的重要作用.

3.2 SUMO化修飾與NF-κB介導的炎癥反應

核受體NF-κB是調節免疫反應、應激反應、凋亡和炎癥反應的中心環節.NF-κB與其抑制亞單位(IκB)結合以無活性的形式存在于胞質中,通過IκB的降解以激活NF-κB易位至細胞核調控各種炎癥反應基因轉錄,形成炎癥因子[26].近期研究表明,參與動脈粥樣硬化斑塊中炎癥反應的相關基因多為NF-κB的靶基因,由NK-κB/IκB信號通路調控其表達[27].

雖然目前尚無證據表明NF-κB自身受到SUMO化的修飾,但SUMO系統中的蛋白酶對NF-κB的調節以及SUMO化修飾對其下游基因的調控均在動脈粥樣硬化的炎癥反應中起重要作用.

SUMO E3連接酶PIAS1是NF-κB和STAT1的轉錄抑制因子,通過與NF-κB和STAT1啟動子區域結合起到抑制作用.進一步的研究表明,PIAS1選擇性地調節NF-κB和STAT1-靶基因亞群(PIAS1敏感基因)的誘導,會優先選擇炎性細胞因子和趨化因子[28-29].經過促炎因子如TNF-α或LPS刺激后,PIAS1的Ser90位點迅速磷酸化,誘導PIAS1招募至NF-κB或STAT1靶基因的啟動子上,導致抑制其啟動子結合活性.已有研究證實κB激酶α抑制劑IκKα是負責PIAS1 Ser90磷酸化的激酶,在IκKα敲除的巨噬細胞中觀察到炎性基因誘導增加[30].

過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)是一種調節炎癥、動脈粥樣硬化、胰島素敏感性和脂肪生成的核受體.除了在脂肪組織中分布最多以外,PPARγ也存在于多種血管的各種細胞(單核細胞、內皮細胞和平滑肌細胞等)中[31-32].活化的PPARγ通過NF-κB,AP-1,STAT信號通路能抑制多種與斑塊進展相關的促炎因子的基因表達[33].Pascual等[34]報道了PPARγ抑制小鼠巨噬細胞中炎癥反應基因轉錄激活的分子途徑,該途徑的最初步驟涉及PPARγ配體結合域的配體依賴性SUMO化,其K395位點的SUMO化促進了PPARγ與炎癥基因啟動子上的核受體NCoR-HDAC3復合物的結合,使NCoR復合物無法從啟動子中清除,靶基因維持在抑制狀態.

肝X受體(LXRs)是膽固醇感應核受體,它不僅是脂質代謝和轉運的關鍵調節因子,而且還通過獨特的反式阻抑機制抑制巨噬細胞中的炎癥信號轉導[35].LXRs在巨噬細胞中的表達被認為是動脈粥樣硬化緩解的關鍵[36].LXR激活劑GW3965通過抑制單核細胞與內皮細胞的牢固黏附而表現出有效的抗炎活性,并抑制了內皮中IL-8的表達[37].Bi等[38]發現LXR介導的炎癥基因抑制與NF-κB途徑和SUMO化的抑制相關：IκBα與SUMO2/3的結合會促進IκBα降解,LXR通過抑制SUMO化以維持IκBα的穩定性,減弱內皮細胞中的NF-κB信號,從而可能以此發揮抗動脈粥樣硬化的作用.

3.3 SUMO化與巨噬細胞的脂質代謝

除了炎癥反應,巨噬細胞對于動脈粥樣硬化病理發生過程中的脂質代謝也具有重要的調節作用[39].SUMO化在巨噬細胞形成泡沫細胞的過程中也起到了重要的作用.

Oishi等[40]的研究顯示,SENP1通過對Kr¨uppel樣轉錄因子5(KLF5)SUMO化修飾的調控參與了細胞脂質代謝穩態的維持.在巨噬細胞中FABP4蛋白能通過控制活性脂質的轉運來調節炎癥因子的分泌和反式膽固醇轉運[41],其在斑塊內巨噬細胞中的過表達會增強內質網應激的促凋亡作用,是促進動脈粥樣硬化病理發生的關鍵因子[42],而SENP1的缺失會使細胞應對內質網應激的凋亡率顯著升高[43],提示SENP1可能通過抑制巨噬細胞的凋亡及斑塊微環境的惡化抑制動脈粥樣硬化病變發生.

轉錄因子MiTF及其相關家族成員TFE3和TFEB是調控自噬過程中重要的轉錄因子[44-45],其316號賴氨酸殘基位點受SUMO化修飾,這些位點的突變會顯著影響MITF的轉錄活性[46].TFEB的SUMO化在巨噬細胞形成泡沫細胞的過程中起到調控作用[47]：在ox-LDL誘導巨噬細胞泡沫化過程中,TFEB的SUMO化修飾水平明顯降低,TFEB的SUMO化可以調控TFEB轉錄活性,影響其下游溶酶體生成和自噬形成相關基因的表達,從而促進巨噬細胞溶酶體的生成和自噬過程,通過促進巨噬細胞膽固醇酯水解減少泡沫細胞的形成.

3.4 SUMO化修飾與雌激素受體

動脈粥樣硬化疾病的發病率在男性和絕經前女性之間存在明顯的性別差異[48],這與女性的雌激素與雌激素受體(estrogen receptor,ER)有明顯的關系.雌激素通過降低低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)、甘油三酯(TG)、脂蛋白α,升高高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)以阻止粥樣硬化斑塊的形成；雌激素受體具有提高內皮細胞eNOS基因表達的功能[49].ERα是被多種翻譯后修飾調控的核轉錄因子,響應雌激素受體α天然配體17-β雌二醇調節許多生理途徑[50].

Sentis等[51]證明了ERα是SUMO1修飾的新靶標,其修飾位點位于D結構域鉸鏈區的賴氨酸殘基.ERα的SUMO化嚴格依賴激素配體的存在,SUMO1修飾正調節配體依賴性ERα轉錄活性.

Kobayashi等[52]利用酵母雙雜交系統篩選了來自人類心臟cDNA文庫的ERα相互作用蛋白,發現FHL2,Ubc9和PIAS1在17β-雌二醇存在下與ERα相互作用.這些蛋白質主要與ERα的DNA結合和配體結合結構域相互作用.過表達Ubc9或PIAS1以劑量依賴性方式增強了COS-1(CV-1(simian)in origin,and carrying the SV40 genetic material,非洲綠猴SV40轉化的腎細胞)中ERα介導的轉錄活性,表明Ubc9和PIAS1均作為ERα的共激活因子起作用.這些發現表明,Ubc9和PIAS1的共激活因子能力和SUMO化能力是不同的.

4 SUMO化修飾對治療動脈粥樣硬化的啟示

在動脈粥樣硬化復雜的病變過程中,SUMO化修飾在多個環節中起作用.雖然具體的致病機制尚未完全明確,但就目前已知的SUMO化參與調節的信號通路來看,已經涉及動脈粥樣硬化發病過程中的多個環節,包括SUMO化修飾直接對靶蛋白的穩定性、轉錄活性的調控、定位等多個因素和SUMO化系統蛋白酶的誘導；SUMO化通過調控不同的靶蛋白來參與相對應的疾病發生過程,也有相同的蛋白如PPARγ受到的SUMO化修飾會在動脈粥樣硬化發展的不同階段起作用；甚至SUMO化修飾在相同蛋白的不同位點也會產生不同的調控作用.而從結果上來看,SUMO化修飾對斑塊形成是抑制或促進作用也要根據其調控的具體蛋白而論.

因此,針對特定的SUMO化事件而非全局的SUMO化途徑可能是一種更合理有效的策略.目前已有的針對動脈粥樣硬化的藥物多基于炎癥靶點,SUMO化對炎癥的生物學效應可能在很大程度上取決于通過SUMO化修飾的單個蛋白質.在SUMO系統的各種組分中,SUMO連接酶對于控制底物特異性是最重要的.近期研究表明,PIAS1選擇性地影響NF-κB和STAT1靶基因的誘導,優先選擇炎性細胞因子和趨化因子[53],這種選擇性使得PIAS1成為治療動脈粥樣硬化等炎癥性疾病的潛在治療靶點.而針對蛋白翻譯后SUMO化修飾的調控,需要依賴于更精確的特定于具體蛋白和位點的機制.