張偉 綜述 仇治梅，谷寧，石蓓 審校

1.遵義醫(yī)科大學臨床醫(yī)學院，貴州 遵義 563000；2.遵義醫(yī)科大學附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科，貴州 遵義 563000

心血管疾病最近已成為全球衛(wèi)生保健系統(tǒng)和經(jīng)濟發(fā)展的主要負擔[1]。心肌梗塞(myocardial infarction，MI)每年危及全球超過700 萬人的健康和生命[2]。現(xiàn)有的介入冠狀動脈再灌注策略可有效控制心肌梗死的發(fā)病率和死亡率。再灌注恢復是挽救存活心肌、限制心肌梗死大小、保留心臟收縮功能、延緩心力衰竭發(fā)展的主要治療方法[3]。然而，血液流動的再通不僅能恢復氧氣和營養(yǎng)供應，而且還會損害心肌。這種病理生理現(xiàn)象被稱為心肌缺血/再灌注(myocardial ischemia/reperfusion，MI/R)損傷。MI/R 損傷的潛在機制尚未完全闡明?，F(xiàn)有研究認為，氧化應激、鈣超載、線粒體功能障礙、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激、凋亡和自噬通路的激活以及表觀遺傳變化可能與其有關[4]。然而，目前對預防MI/R損傷仍無有效的治療方法。因此，提出新的心臟保護策略迫在眉睫。

翻譯后修飾(post-translational modification，PTM)對于調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的構象變化、活性和功能至關重要，并且涉及幾乎所有的細胞途徑和過程[5]。PTM是小化學官能團的共價加成，例如磷酸基(磷酸化)、甲基(甲基化)或乙?；?乙酰化)；脂類，如疏水異戊二烯聚合物(異戊二烯化)；糖例如糖基(糖基化)；甚至是小肽，如泛素(泛素化)、SUMO(蘇木化)等。事實上，翻譯后修飾對于調(diào)整各種信號通路以維持細胞穩(wěn)態(tài)和使細胞適應各種壓力刺激至關重要[6]。在不同的翻譯后修飾中，蘇木化描述了一個由五個小的泛素樣修飾(SUMOs)蛋白組成的家族，即SUMO1-5，可以與特定的蛋白質(zhì)形成共價和可逆的結合物，從而調(diào)節(jié)各種細胞過程和功能[7]，這種結合的后果可以發(fā)展到不同的疾病過程[8]。

已經(jīng)證實，小泛素樣修飾劑可以調(diào)節(jié)NFκB 和其他蛋白質(zhì)，如沉默Kruppel 樣因子(Kruppel-like factor，KLF)和細胞外信號調(diào)節(jié)激酶5(extracellular signal-regulated kinase 5，ERK5)，它們在動脈粥樣硬化形成中起關鍵作用[9]。據(jù)報道，肝再生增強劑通過抑制動力相關蛋1 的蘇木化可保護肝臟免受缺血再灌注損傷[10]。也有人提出，通過調(diào)節(jié)膜聯(lián)蛋白-A1 的去蘇木化可抑制大腦的缺血再灌注損傷[11]。然而，關于SUMO系統(tǒng)的特異性調(diào)節(jié)和心臟缺血再灌注損傷(MI/R)之間的調(diào)節(jié)機制知之甚少。蘇木化在心血管疾病中的作用較復雜，心血管疾病中蘇木化的調(diào)控機制尚不完全清楚?，F(xiàn)就蘇木化在心肌缺血再灌注損傷及心臟保護中的作用及機制進行綜述。

1 缺血再灌注的病理生理過程

當心臟的血液供應受到限制時，心肌急性、持續(xù)性缺血缺氧，就會發(fā)生心肌梗塞。在血流恢復后，心肌組織同時接受再氧合。然而，缺血會導致初始損傷，而再灌注會進一步加劇心臟組織的炎癥反應[12]。因此，缺血再灌注損傷在兩種不同的病理生理狀態(tài)下加重了心肌損傷：即缺血和隨后的再灌注[12-13]。在缺血狀態(tài)下，環(huán)境中的氧氣不足以維持線粒體中的氧化磷酸化，腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine-triphosphate，ATP)的產(chǎn)生會大大減少，導致Na+-K+-ATP酶的功能障礙和細胞內(nèi)鈣、鈉和氫濃度的升高[14]。隨后，細胞腫脹而影響細胞質(zhì)酶的活性。長期缺血會導致心臟進行性和不可逆性損傷。在形態(tài)學上，這種不可逆性損傷的特征是糖原耗竭、核染色質(zhì)邊緣化、線粒體腫脹和肌膜斷裂[15]。在再灌注過程中，線粒體通透性轉換孔(mitochondrial permeability conversion pore，mPTP)開放是心肌細胞死亡的關鍵環(huán)節(jié)，多種因素觸發(fā)mPTP的開放可誘發(fā)心肌損傷，包括線粒體鈣、Ca2+超載、氧化應激、高磷酸鹽濃度等[16]。心肌缺血再灌注(MI/R)損傷是一個復雜的病理生理過程，涉及多個信號通路[17]。有研究表明，缺血增加蘇木化水平，而再灌注進一步增加了動物模型和細胞培養(yǎng)系統(tǒng)中各種蛋白質(zhì)的蘇木化[18]。作為PTM的關鍵類型，蘇木化和去蘇木化在心臟缺血再灌注損傷機制中發(fā)揮著重要作用。

2 蘇木化(SUMOylation)與去蘇木(deSUMOylation)

2.1 小泛素相關修飾劑 小蛋白如泛素和泛素樣修飾劑(ubiquitin like modifier，ULM)可以共價連接到其靶蛋白的不同賴氨酸殘基上，與選定的蛋白質(zhì)形成共價和可逆的結合物，從而調(diào)節(jié)各種細胞過程和功能。迄今為止，已鑒定出五種SUMO亞型(SUMO1、2、3、4和5)。SUMO1和2/3在體內(nèi)廣泛分布，SUMO4僅在腎臟、脾臟和淋巴結中發(fā)現(xiàn)。作為最近發(fā)現(xiàn)的家族成員，SUMO5 在靈長類動物中被鑒定并表現(xiàn)出高度的組織特異性，可能參與早幼粒細胞白血病核小體的調(diào)控?；谝患壗Y構，SUMO1 與SUMO2 和SUMO3具有48%的同源序列，而后兩種異構體高度相似，同源性為97%[19]。SUMO4與SUMO2/3具有85%的同源性，SUMO5 與SUMO1 高度同源[20]。到目前為止，SUMO 分子的底物已經(jīng)發(fā)現(xiàn)幾百種，大多數(shù)底物存在于細胞核中，還有少部分底物存在于細胞質(zhì)、線粒體和細胞膜中。

2.2 蘇木化(SUMOylation)及去蘇木化(deSUMOylation)之間的動態(tài)平衡 已有研究證明，通過將SUMOs 連接到特定的賴氨酸殘基上與蛋白質(zhì)形成共價結合物可調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)功能，這表明了一種新的PTM 機制[21]。因此，蘇木化被提出來描述通過多步酶促反應級聯(lián)可逆地連接到賴氨酸殘基來描述各種蛋白質(zhì)的修飾過程。SUMOs通過三個反應步驟共價結合到底物蛋白的賴氨酸殘基上：即SUMOs 激活、SUMOs 偶聯(lián)和SUMOs 連接。首先，成熟的SUMOs被E1 激活酶(SUMO-activating enzyme 1，SAE1)激活。然后，將SUMOs轉移到唯一的E2綴合酶(ubiquitin-conjugating enzyme 9，Ubc9)。最后，通過E3 連接酶促進E2/UBC9SUMO復合物與底物共價結合[21]。去蘇木化描述了通過特異性蛋白酶(SUMO-specific proteases，SENPs)從靶蛋白中去除SUMOs 的過程[22-23]。SENP 家族包括六個成員，即SENP1-3、5-7，不同的SENP成員作用于特定的SUMO化蛋白[23]。SENP1 和SENP2 催化所有類型的SUMOs 蛋白的去SUMO 化，SENP3、5、6 和7 主要催化SUMO2/3 衍生的蘇木化蛋白[23]。蘇木化和去蘇木化在生理條件下是動態(tài)平衡的。蘇木化可誘導蛋白質(zhì)的構象變化，從而調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)功能，去蘇木化可以消除蘇木化對蛋白質(zhì)功能的影響[7]。此外，蘇木化可以促進或阻斷與SUMOs底物相互作用的分子的結合，在各種分子過程中發(fā)揮重要作用[24]。因此，蘇木化和去蘇木化可協(xié)調(diào)各種細胞信號通路的調(diào)節(jié)。

3 蘇木化(SUMOylation)在心肌缺血再灌注損傷中的作用及機制

3.1 蘇木化在線粒體功能障礙中的作用 線粒體是有氧呼吸產(chǎn)生能量的主要場所，線粒體功能障礙則與多種心血管疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關[25]。據(jù)報道，線粒體形態(tài)動力學在MI/R損傷中發(fā)揮著重要作用[26-27]。動力相關蛋白1(dynamically-associated protein 1，Drp1)是調(diào)節(jié)線粒體形態(tài)和裂變的重要線粒體蛋白，已被確定為心肌缺血損傷期間線粒體形態(tài)變化的介質(zhì)[28]。Drp1的SUMO化可能通過抑制其從細胞質(zhì)易位到線粒體，維持線粒體形態(tài)，抑制線粒體裂變[29]，也可能通過激活線粒體的自噬和抑制活性氧(ROS)的產(chǎn)生[30]，進而保護心臟免受MI/R損傷。所以，Drp1的SUMO化可防止MI/R損傷，這表明了一種針對應激的保護機制。

3.2 蘇木化對肌質(zhì)網(wǎng)膜上Ca2+ATP酶的作用 肌漿網(wǎng)(SR)Ca2+ATP 酶(SERCA2a)是一種重要的ATP 水解酶，在心臟中高度表達，用于控制興奮-收縮偶聯(lián)中Ca2+的再攝取和對肌漿網(wǎng)內(nèi)Ca2+的補充。以前的研究主要集中在心力衰竭中的SERCA2a功能。有研究表明，SERCA2a活性和Ca2+循環(huán)的失調(diào)是心力衰竭的病理特征，并可能導致其他心功能障礙的發(fā)展[31]。然而，很少有關SERCA2a蘇木化在MI/R損傷中的作用的研究。最近的一項研究發(fā)現(xiàn)，小鼠SERCA2a 可在賴氨酸585、480和571位點進行SUMO化，這些位點的任何賴氨酸突變都可能會影響SERCA2a的ATP酶活性[32-33]。通過SUMO介導SERCA2a的蘇木化過程增加了SERCA2a的表達和活性，從而提高了線粒體膜電位，減少體外凋亡細胞，促進心臟功能恢復，減少體內(nèi)梗死面積[32]。MI/R后SERCA和SUMO1以及蘇木化SERCA2a的蛋白質(zhì)水平降低[34]。SERCA2a 功能的降低因SUMO1敲低而加劇，并因SUMO1 過表達而發(fā)生逆轉[32]。此外，SUMO1 過表達可減少心肌細胞凋亡、減少梗塞面積并增強心臟功能[32]?？偟膩碚f，SUMO1 介導的SERCA2a 蘇木化是針對MI/R 損傷的重要心臟保護機制，其中，通過SERCA2a 蘇木化減輕了鈣超載是保護MI/R損傷中最重要的機制之一[16，32]。

3.3 蘇木化對法尼醇X受體(FXR)的作用 法尼醇X 受體(farnesoid-X-receptor，F(xiàn)XR)是一種核激素受體，在肝臟和胃腸道中大量表達，在脂質(zhì)、膽固醇、膽汁酸和葡萄糖的代謝中起關鍵作用[35]。先前曾報道FXR也在心臟中表達，并在介導心肌細胞凋亡中起促凋亡作用[36]。FXR 可以在心臟組織中被蘇木化，而FXR 的蘇木化水平在缺血和再灌注期間均被下調(diào)[37]。進一步的機制研究表明，降低的蘇木化水平增加了FXR的轉錄活性，隨后上調(diào)的FXR靶基因SHP介導了促凋亡作用[37]。同時，觀察到線粒體凋亡通路的激活和自噬通路的功能障礙[38]。因此，F(xiàn)XR 的心臟作用可以通過蘇木化來調(diào)節(jié)并且操縱FXR 的SUMO 化水平可能是MI/R損傷的重要保護機制。

3.4 蘇木化對過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)的作用 過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxidase increment activates the receptor γ，PPARγ)是核激素受體家族中的配體激活受體，包括3 種亞型：PPAR-α、PPAR-β/δ和PPAR-γ[39]。PPAR-γ的激活可抑制缺血再灌注后心臟組織的炎癥反應，并減輕病理性缺血損傷。有研究表明，PPARγ通過抑制NF-κB通路來預防MI/R損傷，而PIAS1介導的PPARγ蘇木化對于NF-κB 信號傳導的失活是必不可少的[40]。STAT(信號傳導及轉錄激活蛋白)是一種能與DNA 結合的蛋白質(zhì)獨特家族，活化STAT抑制蛋白(PIAS)是一組能與STAT 結合的蛋白質(zhì)，包括PIAS1、PIAS3、PIASy、PIASxa 和PIASxβ，屬于以SP-RING 序列為特征的SUMOE3 連接酶[41]?；罨腟TAT 蛋白抑制劑1(PIAS1)是心肌中PPAR-γ蘇木化的特異性E3連接酶，在心肌缺血再灌注過程中，PIAS1被下調(diào)，因此PPAR-γ蘇木化相應降低。PPAR-γ蘇木化的這種下降導致NF-κB活性的失調(diào)和抗凋亡和抗炎活性的抑制，導致缺血再灌注損傷的惡化[40]?？偟膩碚f，增加PIAS1介導的PPARγ蘇木化在MI/R損傷中起著關鍵作用。

3.5 蘇木化對組蛋白去乙?；?(HDAC4)的作用 組蛋白去乙?；?histone deacetylases，HDACs)構成了一個轉錄調(diào)節(jié)因子家族，可催化心血管疾病中一種重要類型的PTM。已經(jīng)有研究發(fā)現(xiàn)，HDAC 在MI/R的再灌注期間與活性氧(ROS)的產(chǎn)生和線粒體損傷有關[42]。HDACs分為四種類型，HDAC4 屬于Ⅱ類，Ⅱ類HDAC主要分布在細胞核和細胞質(zhì)中，它是控制多效應細胞功能基因表達的重要調(diào)節(jié)因子[42]。先前的研究表明，HDAC4 的蘇木化介導了泛素化并促進了HDAC4的降解，導致HDAC4 活性被抑制并中斷細胞保護途徑[43]。另一項研究表明，HDAC4 的蘇木化還可通過減少乳酸脫氫酶(LDH)滲漏、缺氧復氧損傷中Caspase-3 陽性細胞的比例來提高心肌細胞的存活率并減少心肌細胞凋亡[44]。其次，HDAC4 的蘇木化還可以減少ROS 的產(chǎn)生和線粒體功能障礙，并在心肌細胞保護中發(fā)揮間接作用[45]。鳶尾素作為最近發(fā)現(xiàn)的心肌細胞因子，可以通過SUMO 依賴性機制降低HDAC4 的蛋白質(zhì)水平并減輕MI/R 損傷[46]。因此，促進HDAC4 的SUMO 化可能是對抗MI/R 損傷的有效方法。

3.6 蘇木化對沉默信息調(diào)節(jié)因1(Sirt1)的作用 沉默信息調(diào)節(jié)因1(silent information regulator 1，Sirt1)是一種煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依賴性去乙?；福ㄟ^組蛋白脫乙?；{(diào)節(jié)基因表達。最近的研究表明，Sirt1 在氧化應激和炎癥方面的病理學、進展和治療中發(fā)揮著復雜的作用[47]。心臟Sirt1 主要在心肌細胞核中表達，蘇木化促進了Sirt1的去乙?；富钚圆⒃鰪娦募θ毖哪褪苄訹48]。Sirt1的這種心臟保護作用主要通過改變Sirt1介導的核紅細胞2 相關因子2(Nrf2)乙?；癄顟B(tài)對蛋白質(zhì)進行翻譯后修飾的作用調(diào)節(jié)[49]，通過抑制Nrf2抗氧化途徑來保護心臟免受MI/R損傷的影響。此外，Sirt1 可以在p65 的協(xié)同作用下通過去乙?；苯右种芅rf2的活性[50]。有人提出，NF-κ B可能與Nrf2 串擾，通過組蛋白去乙酰化酶的去乙?；富钚缘膮f(xié)同作用來調(diào)節(jié)氧化應激[50-51]。最近的一項研究表明，Sirt1 通過使p65 去乙酰化以抑制NF-κB依賴性炎癥反應，在腦出血后發(fā)揮神經(jīng)保護作用[52]。所以，研究Sirt1的蘇木化對Nrf2的乙?；蚇F-κB的去乙?；^程的調(diào)控可能是MI/R損傷誘導的氧化應激的新調(diào)控機制。

3.7 蘇木化對缺氧誘導因子1α(HIF-1α)的作用 缺氧誘導因子(hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1 α)通過誘導許多缺氧反應基因的表達在細胞和全身氧平衡中發(fā)揮重要作用[53]。HIF-1α介導缺氧信號級聯(lián)以在MI/R 損傷中表現(xiàn)出重要的心臟保護作用[54]。HIF-1α可在缺氧期間被SUMO1、SUMO2/3 蘇木化，而SUMO1 介導了HIF-1α在Lys391 和Lys477 殘基處蘇木化，從而在缺氧期間促進了HIF-1α 的轉錄活性[55]。細胞核中缺氧誘導因子-1α(HIF-1α)的穩(wěn)定表達水平直接影響下游血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)信號通路，在缺氧環(huán)境中增強HIF-1α的蘇木化可調(diào)節(jié)血管生成[56]。也有研究表明，治療性低溫是減少缺血再灌注損傷的重要技術[57]，而增加HIF-1α的SUMO化可能是心肌細胞缺氧后低溫治療保護作用的重要分子機制[58]。所以，HIF-1α是一種氧敏感性轉錄因子，可介導對缺氧的適應性代謝反應，并在MI/R損傷中發(fā)揮關鍵作用。

4 蘇木化在心臟保護中的作用

中度低溫顯著增強SUMO-1 介導的心肌細胞中各種靶蛋白的蘇木化而發(fā)揮心臟保護作用[57]。這些結果表明，中度低溫顯著增加了SUMO-1 和Bcl-2 的表達水平，以及線粒體膜電位，但顯著降低了Caspase-3和線粒體ROS的表達水平。因此，中度低溫可增強蘇木化并通過減少氧自由基產(chǎn)生來改善缺血再灌注后的血流動力學[57-58]。與上述結果一致，目前針對蘇木化信號通路中的基因操作，如法尼醇X受體靶基因的過表達、核轉錄因子紅系2 相關因子2 敲除、Ca2+ATP酶敲減，已被證實可以通過增加蘇木化的水平來抵抗或減輕心臟和心肌細胞的損傷[32，59]。此外，藥理干預也可以有效保護SUMO 依賴的心臟保護過程。研究發(fā)現(xiàn)，銀杏酸(GA)作為SUMO-1 抑制劑，通過降SUMO-1的表達，可以抑制血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)誘導的肌成纖維細胞轉化和膠原蛋白生成[60]，可減少缺血再灌注后的致命性心臟損傷(梗死面積)和心肌功能障礙[60]。煙酰胺單核苷酸(NMN)為一種人體細胞能量生成物質(zhì)，可以減少體外大鼠心臟氧自由基產(chǎn)生并改善缺血再灌注后的血流動學[61]。最近的研究還發(fā)現(xiàn)，鳶尾素在缺血性心臟損傷中顯示出有益作用[9，46]。因此，蘇木化可能是上述心臟疾病的潛在治療靶點。

5 展望

蛋白質(zhì)的翻譯后修飾對心臟的疾病調(diào)節(jié)發(fā)揮重要作用，SUMO小分子蛋白以及參與SUMO化過程的各種核蛋白和核外蛋白(Drp1、HDAC4、HIF-1α、FXR、PPAR、SERCA2a、Sirtuin 1)在心肌缺血再灌注損傷、心肌梗死、心力衰竭等心血管疾病的發(fā)病機制中發(fā)揮重要作用。隨著進一步的研究，將在心血管發(fā)育和維持心臟功能的過程中發(fā)現(xiàn)更多的蘇木化蛋白。另一方面，蘇木化已被證明在心肌缺血再灌注損傷及其他心臟疾病中具有保護作用，針對蘇木化信號通路中的基因操作及小分子藥物的研發(fā)，包括一些物理方法和化合物正在開發(fā)中，以針對蘇木化途徑。但現(xiàn)有的臨床療法并不能完全解決冠心病患者的MI/R 損傷。蘇木化的機制在血管介入和藥物溶栓等臨床治療中尚未見報道。因此，靶向蘇木化被認為可能是治療這些心臟疾病的一個很好的方向。未來需要更進一步的研究來闡明蘇木化的具體作用機制，有利于進一步開發(fā)治療心血管疾病的靶向藥物。