黃川明 陳日玲

【摘要】 錨蛋白重復(fù)結(jié)構(gòu)域1（ANKRD1）也被稱為心肌錨定重復(fù)序列蛋白（CARP），由ANKRD1編碼，是一種應(yīng)激反應(yīng)蛋白，為細胞質(zhì)中的重要組成部分，而且是細胞核轉(zhuǎn)錄的重要輔助因子。其在細胞的表達水平，定位甚至病理應(yīng)激類型不同，可發(fā)揮不同的功能。CARP作為肌肉錨蛋白重復(fù)蛋白家族的一員，在各種心臟疾病中高表達，但其發(fā)揮作用的機制及對相關(guān)病理生理學(xué)仍不清楚。本文從ANKRD1的結(jié)構(gòu)及其在心臟疾病中的作用進行闡述。

【關(guān)鍵詞】 錨蛋白重復(fù)結(jié)構(gòu)域1 心肌錨定重復(fù)序列蛋白 心臟疾病

Research Progress of ANKRD1/HUANG Chuanming， CHEN Riling. //Medical Innovation of China， 2021， 18（20）： -188

[Abstract] ANKRD1 also known as cardiac anchored repeat protein （CARP）， is a stress response protein encoded by ANKRD1， ANKRD1 is an important component of cytoplasm and an important cofactor of nuclear transcription. The expression level， location and even pathological stress type of cells are different， which can play different functions. As a member of ankyrin repeat protein family， CARP is highly expressed in various heart diseases， but its mechanism and pathophysiology are still unclear. Here we describe the structure of ANKRD1 and its role in heart disease.

[Key words] ANKRD1 CARP Heart disease

First-author’s address： Guangdong Medical University， Zhanjiang 524003， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2021.20.045

1995年，Chu等[1]首次在白介素（IL）-1A和腫瘤壞死因子α（TNF-α）誘導(dǎo)的人血管內(nèi)皮細胞中發(fā)現(xiàn)心肌錨蛋白重復(fù)蛋白（cardiac anchinin repeat protein，CARP）為細胞因子誘導(dǎo)因子（C-193）。隨后，它也被發(fā)現(xiàn)分布于肌節(jié)I帶中，與肌聯(lián)蛋白相互作用[2]。CARP在細胞中不同定位有不同作用，在骨骼肌及心肌細胞中，主要分布在細胞核之間，它與YB-1等轉(zhuǎn)錄因子相互作用，扮演轉(zhuǎn)錄共調(diào)節(jié)蛋白的角色，在細胞質(zhì)中，它與其他肌漿蛋白結(jié)合，成為結(jié)構(gòu)或信號傳導(dǎo)成分[3-6]。CARP的基因被鑒定為一個胎兒基因，CARP在胚胎和胎兒心臟發(fā)育階段檢測到高水平表達，隨著年齡增長，特別是在成年人中，其表達水平明顯降低，越來越多的證據(jù)表明，CARP突變可導(dǎo)致各種心血管疾病，包括肥厚型心肌病、擴張型心肌病和心力衰竭等[7-9]，但其具體機制仍不清楚。細胞凋亡在心衰的發(fā)展過程中起著至關(guān)重要作用[10]，人們認為腫瘤抑制基因p53和Bax促進心肌細胞凋亡，有趣的是，最近有證據(jù)表明CARP充當p53的共激活因子，并調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)錄活性，這些發(fā)現(xiàn)提示CARP可能通過促進心肌細胞凋亡而加速心肌疾病的進展[11]。目前，關(guān)于錨蛋白重復(fù)結(jié)構(gòu)域1（ANKRD1）影響其他細胞凋亡的研究較少，來自韓國實驗室的三份報告表明，ANKRD1的異位表達可促進肝癌細胞凋亡[12]。這使得CARP的高水平表達是有利還是有害仍沒有共識。這些發(fā)現(xiàn)表明CARP對細胞凋亡的影響可能與環(huán)境及不同類型的細胞相關(guān)。

1 結(jié)構(gòu)

CARP位于人類10q23.31號染色體上，其cDNA全長約1 900個堿基對，由ANKRD1基因編碼，共編碼319個氨基酸的蛋白產(chǎn)物，分子量約37 kDa，其序列在哺乳動物中高度保守[13]。CARP蛋白由以下幾個特點，（1）卷曲螺旋域：由2～5個α螺旋組成的超螺旋相互纏繞形成，在結(jié)構(gòu)上可以介導(dǎo)蛋白質(zhì)的齊聚;（2）串聯(lián)錨蛋白重復(fù)序列：CARP在蛋白C端有數(shù)個重復(fù)序列，存在著反α螺旋和右手螺線管型結(jié)構(gòu)，介導(dǎo)蛋白與蛋白之間的作用，具有多種功能，包括轉(zhuǎn)錄調(diào)控、細胞周期調(diào)控、離子運輸、細胞骨架完整性、內(nèi)吞作用和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等;（3）核定位信號;（4）PEST樣區(qū)域：該區(qū)域富含脯氨酸、谷氨酸、絲氨酸和蘇氨酸，參與蛋白質(zhì)的快速降解，因此，許多短壽命蛋白中均有表達，如G1細胞周期蛋白和p53等;（5）多個蛋白磷酸化位點：這些位點可被蛋白激酶C、酪蛋白激酶Ⅱ等酶磷酸化，如蛋白激酶C能在Thr11、Ser305位點被磷酸化;此外，在5’-非翻譯區(qū)，CARP含有9個外顯子和幾個典型的元件，包括GATA-box、AT-rich、E-box和TATA-box[14-15]。對于不同的物理、化學(xué)刺激和在特定的環(huán)境下，CARP也呈現(xiàn)出不同表達水平。例如，在抗腫瘤藥物阿霉素的環(huán)境下，CARP表達受到明顯抑制，缺氧和熱應(yīng)激則會輕度降低CARP表達;相反，在IL-1α和TNF-α刺激下，人血管內(nèi)皮細胞中CARP的mRNA顯著增加，在小鼠的心肌細胞中也可得到相同的結(jié)果。另外，在疲勞運動、傷口愈合和血管生成的過程中，其在骨骼肌中的表達也會明顯增加。到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾個與CARP相關(guān)的具有多種功能的物理伴侶，表明其具有多種功能，如與參與生物力學(xué)應(yīng)力傳感的肌蛋白相互作用，并與肌體完整性相關(guān)的肌蛋白密切聯(lián)系。它還與Y-box轉(zhuǎn)錄因子1及連接酶MuRF1一起調(diào)控蛋白質(zhì)的精確翻譯，也有證據(jù)表明，CARP能預(yù)防過早細胞衰老的細胞凋亡[16-17]。

2 CARP/ANKRD1與心臟疾病的關(guān)系

心肌肥厚是心臟后負荷增加的適應(yīng)性反應(yīng)，其特征是心室肥厚和舒張功能障礙，并伴有心肌細胞的增大和心肌成纖維細胞合成增強[18]。心臟CARP的表達在各種肥厚性刺激（包括壓力超載和機械應(yīng)激）反應(yīng)中顯著增加，有大量研究證實了這一現(xiàn)象[1，4]。Song等[19]培養(yǎng)了CARP過表達的轉(zhuǎn)基因小鼠，通過與野生型小鼠相比，發(fā)現(xiàn)它們在對壓力超載的反應(yīng)中，心肌肥厚明顯減少，他們認為CARP可以通過抑制心肌細胞介導(dǎo)的ERK1/2和TGF-β通路，減少心肌細胞纖維化，從而減輕心肌細胞肥大;通過增加TGF-β可以逆轉(zhuǎn)CARP對異丙腎上腺素引起的心肌細胞肥厚反應(yīng)的抑制作用，從而證實CARP的表達是對各種應(yīng)激的適應(yīng)性和保護性反應(yīng)。相反，Bang等[20]對敲除CARP等基因的4個月齡小鼠和野生型小鼠進行了動脈收縮（TAC），采用超聲心動圖評價TAC術(shù)前和14 d的心功能，發(fā)現(xiàn)兩組壓力梯度相似，心室壁厚度和體積增加程度均相當，表明CARP對心臟的正常發(fā)育和功能以及對機械壓力過載的反應(yīng)不是必需的。文獻[21]通過分析384例心肌肥厚患者，在試驗組和對照組均發(fā)現(xiàn)了內(nèi)含子變異、非同義替換和同義變異，但在心肌肥厚組檢測到了3個錯義突變，Pro52Ala、Thr123Met、Ile280Val。他們認為CARP突變影響了其與肌動蛋白的作用及在細胞中的定位，從而影響了其基因調(diào)控功能。這提示了CARP在維持肌節(jié)或肌蛋白功能完整性上有著重要作用[4]。因此，CARP目前在肥厚細胞中的作用仍有較多爭議，其在心肌肥厚的具體機制及調(diào)控仍有待進一步研究。

擴張性心肌病（DCM）是指在沒有異常負荷條件（高血壓、瓣膜?。┗蜃阋砸鹫w收縮功能損害的冠狀動脈疾病的情況下，存在左心室擴張和收縮功能不全。Duboscq-Bidot等[22]對231例DCM患者的ANKRD1編碼區(qū)進行了測序，發(fā)現(xiàn)2例家族突變（p.Thr116Met和p.Ala276Val）和3例散發(fā)病例（p.Glu57Gln、P.Arg66Gln和p.Leu199Arg突變），并在遺傳和功能分析的基礎(chǔ)上驗證了這一突變。他們認為這些突變影響了高度保守的氨基酸殘基，同時也抑制了MLC2v啟動子和影響肌蛋白功能，從而影響了信號傳導(dǎo)和蛋白功能，導(dǎo)致疾病發(fā)生。Moulik等[23]在4例DCM患者中，發(fā)現(xiàn)了3種錯義突變（P105S、V107L和M184L）。M184L突變導(dǎo)致CARP與Talin1和FHL2的結(jié)合缺失，P105S突變導(dǎo)致Talin1結(jié)合缺失，這些突變影響了心肌細胞正常的信號傳導(dǎo)以及肌節(jié)和細胞骨架結(jié)構(gòu)成分。另外，P105S突變可導(dǎo)致p53下調(diào)，這意味著CARP與心肌細胞的生長周期和凋亡相關(guān)[24]。因此。CARP可能在擴張性心肌病發(fā)揮著積極作用，但這需要進一步去驗證，其具體機制也不清楚。

心力衰竭主要是由潛在的心肌疾病引起的，然而，心臟瓣膜疾病、心內(nèi)膜或心律失常也可能導(dǎo)致心臟功能障礙。在心力衰竭患者中，發(fā)現(xiàn)心肌CARP水平顯著增高，提示CARP的表達在心衰的過程中發(fā)揮著重要的作用。Kempton等[25]早期研究表明了細胞骨架蛋白βⅡ參與蛋白翻譯以及在心力衰竭患者表達顯著增加，后來又證實βⅡ蛋白調(diào)控著CARP表達，他們的研究表明CARP是一種動態(tài)分子，隨后負荷與壓力改變而變化，并且認為其有潛力作為一種生物標志物來評估心室輔助治療的預(yù)后指標。Herrer等[26]通過對29例心臟病患者進行RNA測序分析，發(fā)現(xiàn)細胞骨架在心力衰竭患者中出現(xiàn)改變，他們鑒定出包括CARP在內(nèi)的60個細胞骨架相關(guān)基因，進一步研究得出CARP可影響細胞骨架變化，導(dǎo)致心肌細胞結(jié)構(gòu)破壞，影響了心肌細胞的收縮能力。

阿霉素（Dox）是一種蒽環(huán)類抗腫瘤藥物，它可以破壞心臟特異的基因表達程序，引起肌節(jié)紊亂和肌絲丟失為特征的依賴性心臟毒性，這極大地影響其在臨床中的應(yīng)用。Jeyaseelan等[27]發(fā)現(xiàn)一種在心肌細胞中表達明顯增加的核蛋白，其mRNA水平對Dox非常敏感，因此他們將其命名為心臟阿霉素反應(yīng)蛋白（CARP）。而該研究證實了CARP可以抑制阿霉素對細胞引起的氧化應(yīng)激作用，其中絲氨酸/蘇氨酸激酶通路起著關(guān)鍵作用。Chen等[28]在共轉(zhuǎn)染實驗中發(fā)現(xiàn)，GATA4通過激活CARP近端啟動子而作用與CARP上游，用腺病毒過表達GATA4維持其在心肌細胞中的水平，可稍微提高CARP的表達，并減少Dox引起的肌節(jié)紊亂，該研究表明，阿霉素同時消耗心肌細胞中的GATA4和CARP，在一定程度上參與了肌纖維紊亂和蒽環(huán)類心肌病的病理生理過程[16]。

細胞凋亡的特征是細胞聚集（固縮），細胞體積減少，染色質(zhì)凝結(jié)和核碎裂，而細胞膜保持完整性。外部和內(nèi)部刺激可以觸發(fā)死亡受體介導(dǎo)（外部）或線粒體介導(dǎo)（內(nèi)部）的凋亡。死亡配體如TNF-α和Fas配體與各自的膜受體結(jié)合，激活死亡受體通路。而CARP正是在TNF-α刺激下，誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細胞表達水平增加的，說明了CARP也參與細胞凋亡的作用。線粒體的損傷導(dǎo)致不規(guī)則的氧化磷酸化、活性氧（ROS）增加引起的氧化應(yīng)激以及線粒體外膜通透性的改變。Bax/Bak是Bcl-2家族的促凋亡蛋白，受Bcl-2及其相關(guān)抗死亡的蛋白負調(diào)控。大鼠心臟缺血缺氧再灌注損傷，可誘導(dǎo)凋亡相關(guān)基因GADD153過表達，導(dǎo)致CARP下調(diào)，表明CARP具有抗凋亡作用。Zhang等[16]的研究表明，在體外缺氧/復(fù)氧和體內(nèi)缺血/再灌注實驗?zāi)Ｐ停珻ARP作為轉(zhuǎn)錄因子GATA-4的輔助因子，可誘導(dǎo)抗凋亡基因Bcl-2的表達，進一步支持CARP作為抗凋亡因子的作用。相反，Shen等[11]研究表明，CARP高水平表達可通過p53蛋白影響線粒體功能而促進心肌細胞凋亡。另外，也有證據(jù)表明CARP與人類肝癌細胞凋亡增加相關(guān)。Caspase是一類內(nèi)源性蛋白酶，在程序性細胞死亡和炎癥中發(fā)揮重要作用。在哺乳動物中，caspase 3可以激活caspase級聯(lián)信號，負責(zé)執(zhí)行凋亡。研究表明，CARP在靠近其N端殘基區(qū)域被caspase 3剪切，說明CARP參與了細胞凋亡作用，然而，隨后的一項研究表明，采用caspase 3抑制劑并不能影響大鼠心室細胞CARP的降解[17]。因此，CARP似乎能在不同條件下增強或抑制細胞凋亡，這些發(fā)現(xiàn)表明CARP對細胞凋亡的影響可能與環(huán)境及不同類型的細胞相關(guān)。

目前對于CARP的調(diào)控機制尚不清楚。CARP啟動子活性的調(diào)控轉(zhuǎn)錄增強因子-1（TEF-1）作為CARP啟動子基礎(chǔ)活性的必需結(jié)合因子，結(jié)合在M-CAT元件上，可能在蛋白激酶通路下游中調(diào)控CARP的表達。作為Nkx2.5的下游靶點，Nkx2.5直接控制CARP的啟動子活性來激活轉(zhuǎn)錄，另外有證明表明GATA-4也參與其中。此外，腫瘤抑制因子p53可上調(diào)骨骼肌細胞中CARP啟動子的活性;GADD153在缺氧誘導(dǎo)的凋亡過程中，可降低CARP的表達。文獻[17]認為，泛素-蛋白酶體酵解途徑是調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的主要機制，其提供了一種蛋白質(zhì)質(zhì)量的控制形式，對維持心臟功能至關(guān)重要，CARP和骨骼肌細胞特異的RING（really interesting new gene）和MuRF2相互作用，這兩種蛋白是與肌節(jié)相關(guān)的E3泛素連接酶，催化泛素向蛋白質(zhì)底物轉(zhuǎn)移，并向蛋白酶體降解發(fā)出信號。此外，caspase 3作為細胞凋亡的執(zhí)行蛋白，也有研究證實其在CARP編碼區(qū)域有相應(yīng)的剪切位點[17]。因此，對于CARP的表達是多種因素控制的，并且因不同的病理刺激和細胞類型，其結(jié)果可能不同。

3 小結(jié)

CARP是一種多功能蛋白，如在胎兒心臟基因表達的負轉(zhuǎn)錄調(diào)控、肌纖維組裝、心肌細胞的重塑、細胞骨架蛋白和對機械刺激的信息傳遞。它在體內(nèi)高水平表達是心臟的致病因素，還是對心臟損傷的適應(yīng)性反應(yīng)，這仍不清楚。作者認為，根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，對于CARP在心臟中表達增加，更是一種對心臟的積極保護作用，但是如果不給予控制，可能會適得其反，反而加重心臟疾病的病理生理過程。

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（收稿日期：2021-05-10） （本文編輯：張爽）