胞膜小凹和窖蛋白在心脏缺血再灌注损伤中保护作用的研究进展

薛紫怡 王佳琬 吴安石

心血管系统疾病是目前全世界人类患病率和病死率上升的主要原因。研究发现细胞表面的特殊结构：胞膜小凹(caveolae)及其结构蛋白均与心血管疾病密切相关，它们与特定的信号分子相互作用，对动脉粥样硬化、心律失常、心肌肥大、心脏缺血再灌注(ischimia-reperfusion, I/R)损伤都有着重要调节作用。本文就其在心脏缺血再灌注损伤中所起的心脏保护作一综述，旨在为今后的基础研究与临床治疗提供思路。

1.细胞膜小凹和窖蛋白的简介

“小凹”(caveolae)，是细胞膜上一种富含胆固醇和鞘脂类的烧瓶样内陷结构，其标记蛋白是窖蛋白(caveolins)，又称“小凹蛋白”[1]。自1953年,第一次在电子显微镜发现以来，目前,已发现caveolae与诸多临床疾病相关，例如脂代谢障碍、肌萎缩、心血管疾病及癌症[2]。窖蛋白有三种异构体caveolin1～3(cav1～3)， cav-1主要存在于内皮细胞、脂肪细胞、纤维细胞中; cav-3主要存在于横纹肌细胞(如骨骼肌和心肌细胞)和平滑肌细胞中,是与心血管疾病密切相关的重要蛋白[3]。窖蛋白作为信号分子的分子伴侣和脚手架蛋白，在时间和空间上调节暂时聚集在小凹的信号分子及其传导，例如G蛋白耦联受体(G-coupled receptors， GPCRs)、酪氨酸激酶(tyrosine kinase， RTK)、磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase,PI3K/ protein kinaseB,Akt)、蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)、丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)、一氧化氮合酶(nitric oxide synthase, NOS)和腺苷酸环化酶(adenylyl cyclase, AC)均与caveolins的脚手架结构域(caveolin scaffold domain，CSD)相互作用，并能增强或抑制信号蛋白转导的能力[4]。有报道提示 caveolins可以直接与细胞器相互作用，例如肌浆网和线粒体[5]，促进和调节细胞内的代谢过程。窖蛋白还有其他的功能，包括囊泡转运、胆固醇平衡、钙稳态和T管形成[6]。

2.窖蛋白在心脏缺血再灌注性损伤预处理中的保护作用

心脏缺血再灌注(I/R)损伤和心肌梗死(miocardial infarction, MI)是临床上导致患者死亡的重要原因。因此，对于如何保护心脏抵抗I/R损伤也是心脏保护研究领域一直以来迫切关注的问题。小凹和窖蛋白与心脏保护密不可分，在缺血预处理(ischemia preconditioning，IPC)和后处理(ischemic postconditioning，IPTC)、吸入性麻醉药预处理、阿片类药物预处理中发挥重要作用。

(1)窖蛋白在心脏IPC和IPTC中的保护作用 ①窖蛋白在IPC和IPTC保护作用的分子机制IPC是指当心脏暴露在一次简短的缺血后(5min左右)会产生对耐受更长时间缺血的保护作用。IPC又被称为双相事件，其中急性相立刻发生在IPC后，持续约1～2h。延迟相的保护作用发生在初始刺激的12～24h并会持续72h。后处理指缺血心肌在经历长时间再灌注前，接受反复、短暂的再灌注-缺血，可以减轻IR损伤。预处理主要通过三种平行的信号通路发挥作用，包括GPCR和利尿钠肽诱发的一氧化氮信号通路、再灌注损伤挽救激酶系统(reperfusion injury salvage kinase，RISK)、生存活化因子增强途径。后处理主要涉及RISK通路[7]。许多参与信号转导通路的信号分子与caveolae和caveolins相互作用，包括GPCRs、RTK、NOS、PKC、PI3K等[4]。最近研究表明 MG53与cav-3和PI3K的相互作用对于IPC/IPTC诱导的RISK信号通路的激活十分重要。MG53也称作TRIM72， N端与cav-3相互作用，C端SPRY结构域与PI3K结合，

形成cav-3-MG53-PI3K复合体发挥作用[8]。其他证据显示IPC可以调节caveolae的微环境使具有心脏保护功能的蛋白增加，例如 eNOS和葡萄糖转运体4(GLUT-4)，GLUT-4会移位到caveolae中[9]。最近Sun 等发现,胞外钙敏感受体(CaSR)的激活在IPC诱导的心脏保护中起重要作用[10]。

②窖蛋白与线粒体相关的保护作用 线粒体被认为是心脏保护性干预措施IPC和IPTC的最终效应器。组织缺血会导致ATP的消耗和细胞内钙超载，电子传递链的破坏和线粒体钙超载会引起活性氧自由基爆发，导致线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeablity transition pore，mPTP)的开放和进一步心肌能量的削减。因此，线粒体被认为是细胞死亡的核心环节或最终执行器。有研究表明细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases, ERK1/2)和Akt可阻断糖原合成激酶-3β(glycogen synthase Kinase-3β, GSk-3β)介导的mPTP开放[11]。Hernandez的实验表明在IPTC的大鼠模型中ERK1/2,Akt 和GSk-3β会借助cav-3形成的结构转移到线粒体，调节mPTP的开放，产生心脏保护作用[12]。根据心肌细胞中线粒体的亚细胞定位分布，分为两种线粒体，肌膜下线粒体(subsarcolemmal mitochondria,SSM)和肌纤维间线粒体(interfibrillar mitochondria,IFM)。由于肌膜下线粒体SSM离caveolae距离较近，因此窖蛋白介导的心脏保护性信号可能更倾向于肌膜下线粒体SSM[13]。Sun J等人发现IPC会导致肌膜下线粒体eNOS和cav-3的表达增多，由此增强了肌膜下线粒体eNOS/NO/S-亚硝基的信号通路活性[14]。线粒体蛋白是S-亚硝基化的主要靶蛋白，NO-介导的S亚硝基化通路会增强IPC诱导的心脏保护作用[15]。

③ 窖蛋白与心脏能量摄取和转运相关的保护作用 心脏需要很高的能量需求，这对维持心脏的收缩功能、离子稳态和代谢过程是必不可少的。在心肌细胞中，基础的葡萄糖摄取是由葡萄糖转运蛋-1(Glucose transporter type 1，GLUT-1)介导的，由于心脏做工的增加或者胰岛素的刺激会导致细胞膜上GLUT-4的转位和葡萄糖摄取增加[16]。最近的研究表明，caveolae对于细胞的新陈代谢也起重要作用。Tsutsumi等报道,心肌缺血会激活葡萄糖的摄取，这一过程主要依赖GLUT-4从胞内的小泡易位到肌纤维膜完成[17]。Koneru等发现, IPC会激活Akt/eNOS/Cav-3信号通路从而使心脏中GLUT-4转位到肌纤维膜[18]。

(2)窖蛋白与吸入性麻醉药预处理的心脏保护作用 吸入麻醉药已经使用超过了150年，但确切的机制仍不清楚。吸入性麻醉药是短链的卤代烷烃类和醚类，不仅可以与细胞膜上的脂质相互作用，并且可以直接或间接地与膜上结合的蛋白相互作用并产生一系列的细胞内效应，例如caveolins.许多研究显示，吸入性麻醉药可以与IPC产生相似的心脏保护作用，并且麻醉药预处理(APC)涉及的信号转导分子也同样是IPC过程中所涉及的，包括G蛋白的激活、第二信使的触发、多种蛋白激酶的活化、一氧化氮的生成和活性氧(reactive oxygen species，ROS)的释放、维持细胞内和线粒体内的钙稳态和调节腺苷三磷酸敏感性K通道的开放[19]。APC也是双相事件；急性相在预处理刺激下1～2h立即生成并涉及一些蛋白的磷酸化和易位，延迟相的保护作用在预处理后几天效果明显放大并涉及蛋白质的从头合成[20]。

异氟醚能保护心肌细胞免受低氧环境引发的细胞死亡。野生型小鼠的心脏在进行异氟醚预处理和IPC后，Src基因(sarcoma gene)表达产物和cav-1磷酸化水平会快速上升。Src抑制剂(PP2)会降低心脏中和Src基因表达产物和cav-1磷酸化水平，由此异氟醚诱导的心脏保护作用也消失了[21]。Tsutsumi等观察到，cav-3在APC诱导的延迟相心脏保护作用是必不可少的，同时，cav-3和GLUT-4共同定位或易位到caveoale中，提示了APC延迟相的心脏保护作用依赖cav-3和GLUT-4的移位和相互作用[22]。Wang等发现，异氟醚预处理会使cav-1和cav-3从caveoale移动到线粒体并富集，这一过程依赖GPCR/Gi信号通路[23]。最近，Jianli Zhao实验室发现七氟烷主要是通过cav-3来抑制环氧化酶-2(cyclooxygenase-2，Cox-2)及其超氧化物的生成，从而保护心脏抵抗I/R损伤[24]。

(3)窖蛋白与阿片类药物预处理的心脏保护作用 阿片，是一种神经激素，可以从神经末梢中释放，也可以在心肌细胞中合成。在心脏中，阿片受体对于调节β肾上腺素受体的信号转导、兴奋收缩耦联以及心脏发育都十分重要[25]。阿片预处理对心脏的保护作用主要通过δ-阿片受体(δ-OR)介导。Tsutsumi等报道,cav-3过表达(cav-3OE)小鼠产生的内源性保护作用也依赖于δ-OR。此外， cav-3使阿片受体汇集到caveoale中，cav-3的表达对于δ-OR诱导的心脏保护作用是必不可少的[26]。然而SeeHoe等认为,阿片预处理的心脏保护作用也分为急性阿片受体激活和持续阿片受体激活(SOA)，并且这两种机制略有不同。β环糊精(MβCD)可以破坏细胞膜上的胆固醇，cav-3缺乏的小鼠细胞膜缺乏caveolae结构，两者都可以削弱δ-OR 介导的保护作用，然而SOA对于细胞膜上胆固醇的清除不如急性受体激活敏感，并且不依赖于cav-3的表达和caveoale[27]，因此更多关于阿片类药物预处理的潜在机制有待实验证实。

4.窖蛋白与心血管疾病的治疗 他汀类药物，被广泛使用于降脂治疗，并具有提高NO的生物利用度、改善内皮功能、增强抗氧化能力和抗炎等特质，使用在预防和治疗冠状动脉疾病。一项最近的临床实验显示，围手术期使用辛伐他汀(simvastatin)可以显著降低非冠状动脉手术患者的心肌损伤和炎性反应，主要是通过增加热休克蛋白90 (heat shock proteins90, Hsp90)的表达和降低cav-1表达进而激活eNOS信号系统[28]。辛伐他汀的这种保护作用与血脂降低水平无关，提示通过改变窖蛋白水平可以有效治疗心脏缺血性疾病。此外，Oshikawa等提出, 细胞外超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)定位在小凹中，并且能催化从超氧化物到H2O2的歧化作用，这对于全面激活血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)信号系统和促进缺血后的血管生成都具有重要意义[29]。因此，在心血管疾病中小凹可作为一个潜在的治疗靶向。

5.小结 窖蛋白及其相关的信号分子在IPC/IPTC、APC和阿片类药物预处理介导的心脏保护作用发挥重要的桥梁作用。目前已经证实，caveolins可以保护心脏抵抗I/R损伤和心脏重构，由此窖蛋白也许是一个理想的治疗靶方向，但仍需要更多的动物实验和临床实验去证实其可行性。