p21在心血管疾病中的研究进展

马玉兰，徐蔓，李丹，唐其柱

(1.武汉大学人民医院心血管内科，武汉 430060； 2.武汉大学第一临床学院，武汉 430060；3.代谢与相关慢病湖北省重点实验室，武汉 430060)

心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)是一组影响心脏或心脏有关血管的疾病，包括冠心病、心绞痛、心肌梗死、先天性心脏病、高血压及心肌病(如扩张型或肥厚型心肌病)等。研究表明，CVD多发于老年人，预计2030年全球65岁以上人口CVD的患病率较往年将成倍增加，而CVD也是全球人类死亡的主要原因[1]。同时CVD的治疗费用逐年增加，造成严重的疾病负担。目前CVD的治疗主要以药物和手术为主，其中心脏外科手术的效果虽然较好，但其临床应用始终受到操作复杂和术后并发症的限制[2]。因此寻找新的药物治疗靶点显得尤为重要。而p21作为抑制细胞生长和分裂的细胞周期的关键调节剂，在细胞衰老和细胞凋亡中起重要作用，同时也是肿瘤抑制因子p53的重要下游靶标。p21可以通过抑制细胞周期蛋白与细胞周期蛋白依赖性激酶的结合来调节细胞周期。在哺乳动物中，p21在胚胎和新生儿心脏中较少表达，但在成年心脏中高表达[3]。研究表明，p21参与了心肌损伤的病理过程[4]，在CVD的发生发展中起非常重要的作用，未来有望成为CVD药物治疗的新靶点。但p21在CVD中的变化及其作用目前仍存在争议。现就p21在多种CVD中的具体作用予以综述，以为CVD的防治提供新靶点。

1 p21概述

p21作为细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂，通过多种方式调控细胞死亡。p21是一种负调控因子，是细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂的初始成员。由于其明确的三级结构，p21能与许多参与关键生物过程的蛋白相互作用[3]。作为多种胞内和胞外应激信号的关键效应因子，p21受到多种转录因子、不同的转录后调控因子[如微RNA(microRNA，miRNA)和RNA结合蛋白]以及多种翻译后修饰的调控[5]。其通过不同的泛素依赖和独立途径降解，而多种激酶可逆的蛋白磷酸化可作为一种额外的翻译后机制，调控p21的功能、定位、稳定性和降解[6]。特别是不同激酶在不同位点的磷酸化可引起p21的细胞质转位，极大地影响其功能和许多化疗干预的治疗反应[7]。近年研究表明，p21在细胞衰老、凋亡等方面的调控作用与CVD的发生发展密切相关[8]。

p21作为细胞周期抑制剂、衰老诱导剂和肿瘤抑制剂，在细胞凋亡、分化、诱导多能干细胞重编程和细胞迁移等方面发挥重要作用[9]；p21可直接抑制细胞周期中的G1期、S期和G2期周期蛋白依赖性激酶[10]。研究发现，p21可抑制多种类型的癌细胞周期、骨骼肌和骨再生[11]。且p21也是心肌细胞周期活动的重要调节剂，其在胎儿和新生儿心肌细胞中的表达和活性较低。对成人心肌细胞进行的一项研究发现，p21通过促进增殖细胞核抗原的降解来阻止细胞进入S期和复制DNA[12]。除p53外，大量的癌基因、肿瘤抑制因子、炎症因子和营养物质均可以启动p21转录，在有害因素刺激下，p21异常增殖可导致暂时的细胞周期阻滞[13]。p21不仅是细胞周期的抑制剂，也是激活因子，这取决于细胞环境及p21表达水平。同时p21也被认为是细胞凋亡的调节因子，参与自噬[14]。细胞质p21可抑制多种胱天蛋白酶(caspase)和凋亡效应因子，包括前caspase-3、caspase-8、caspase-10、凋亡信号调节激酶1和应激活化蛋白激酶[9]。值得注意的是，p21在癌细胞中激活自噬，加速细胞死亡，而在正常细胞中，p21可在外界刺激下诱导细胞凋亡[15]。

2 p21与CVD

CVD主要包括心肌肥厚、心肌纤维化、动脉粥样硬化、心肌梗死和心力衰竭等，其中心肌肥厚主要指心肌细胞体积的增大，以适应外界过高的压力负荷；心肌纤维化则主要指危险因素刺激下心肌成纤维细胞的过度增殖；动脉粥样硬化与衰老的血管平滑肌增多有关；心力衰竭是心肌肥厚、心肌纤维化、动脉粥样硬化、心肌梗死等的终末发展阶段，主要表现为心肌细胞的衰老和凋亡，表明心肌细胞可通过增殖与形态的改变，影响相关基因的表达[16]，进而促进CVD的发生与发展。p21是细胞周期的重要调控因子，近年研究表明，其也可通过抑制细胞死亡过程(包括凋亡、坏死和自噬)的各种机制促进细胞生存，特别是在那些细胞分裂和增殖能力有限的细胞(如心肌细胞和神经细胞)作用更明显，如在心肌细胞中p21是p53应对应激刺激的重要靶点，调控与心肌细胞死亡相关的各种生物学过程[17-19]。此外，p21的激活直接参与心肌细胞周期的终止[20]。由于p21是一种双重功能蛋白，它是促凋亡还是抗凋亡取决于其细胞定位。研究发现，在慢性缺氧、急性缺血、高温等心脏应激条件下，p21细胞质定位增加[21]。而在急性和终末期心力衰竭中，p21水平恢复至人类胎儿心脏模式，显示p21水平下降而p53水平升高[22]。这些研究表明，p21表达可能在应激条件下具有心脏保护作用。针对这一作用的治疗可能通过刺激心肌细胞重新进入细胞周期并增殖，取代心脏中受损或丢失的细胞，从而使CVD患者受益。因此，深入研究p21在各类CVD中的表达变化对CVD的防治至关重要。

2.1p21与心肌肥厚 心肌肥厚是高血压、缺血性心脏病、瓣膜功能不全等多种CVD的常见并发症和独立危险因素[23]，是一个复杂的动态过程。心肌细胞在人类出生后不久便退出细胞周期并最终分化。因此，在成人心脏中，心肌细胞数量不会增加，而是单个心肌细胞的大小增加。心肌细胞肥大有两种类型：生理性和病理性。心肌细胞肥大最初发展为对生理和病理刺激的适应性反应，但病理性肥大通常会发展为心力衰竭。多种神经体液分子、受体、细胞内信号通路相互作用参与心肌肥厚的调控[23]。Tong等[24]通过研究得出，H9c2细胞和原代心肌细胞经血管紧张素Ⅱ(angiotensin，AngⅡ)刺激后细胞面积分别增加2.51倍和3.67倍，并伴有p21信使RNA和蛋白表达的增加；而在H9c2细胞和原代心肌细胞中抑制p21的表达，再给予AngⅡ刺激，发现两种细胞的表面积增加倍数更显著。以上结果表明，p21的高表达可以有效抑制AngⅡ诱导的心肌细胞肥大的发生。Xu等[25]应用冬凌草甲素干预p21靶点，证明了冬凌草甲素可能是一种有前景的抗心肌肥厚的治疗药物，且利用AngⅡ诱导的离体心肌细胞肥大的实验证实，冬凌草甲素是通过促进p21自噬来发挥抗心肌肥厚作用，进一步验证了p21可通过激活自噬减轻压力过负荷造成的心肌肥厚。此外，有研究表明，骨化三醇抗心肌肥厚的作用也是通过激活p21实现[26]。综上可知，上调肥厚型心肌病患者心肌中p21的表达可以达到一定的治疗效果，而这可能均依赖于p21对自噬的调控。

2.2p21与心肌纤维化 纤维化是大多数心肌病的病理过程，其治疗选择有限。过度纤维化会破坏受损组织的结构完整性，并可能导致瘢痕形成和心脏功能的丧失，最终导致心力衰竭、恶性心律失常和猝死[27]。目前，成纤维细胞过度增殖已被证实是心肌纤维化的主要病理基础[28]。一方面，衰老细胞在纤维化心肌组织中积累，证实成纤维细胞是经历衰老的主要心肌细胞群体；另一方面，衰老的心肌细胞释放内皮素3、转化生长因子-β2和生长分化因子15等，可促进成肌纤维细胞活化[29]。这表明衰老的成纤维细胞是心肌纤维化的关键调节剂。而成纤维细胞的衰老过程依赖于p53/p21途径，提示p21可能通过激活心肌纤维化相关基因，调控心肌重构[30]。此外，Zhang等[31]研究发现，miR-26a与心肌纤维化有关，其可以显著抑制心肌纤维化。他们通过AngⅡ诱导纤维化的实验证实，miR-26a通过组蛋白-赖氨酸N-甲基转移酶/p21途径抑制成纤维细胞增殖。miR-26a表达降低会上调组蛋白-赖氨酸N-甲基转移酶的表达并下调p21的表达，从而导致成纤维细胞增殖，诱导心肌纤维化的发生。因此，上调心肌纤维化组织中p21的表达可减少成纤维细胞增殖，从而减缓心肌纤维化进展。

2.3p21与动脉粥样硬化 动脉粥样硬化在世界范围内发生率较高，是CVD最常见的病理基础，其并发症导致的死亡率和致残率均较高；同时，动脉粥样硬化也是一种在老年人群中流行的与年龄相关的疾病[32]。病理上，动脉粥样硬化是一种复杂的现象，包括初始脂质超载、泡沫细胞积累、斑块(包括纤维帽和富含脂质的坏死核心)的形成，而血管平滑肌细胞作为动脉的基质细胞和纤维帽的基本组成部分，在动脉粥样硬化中起重要作用[33]。一方面，有报道称长链非编码RNA-p21在动脉粥样硬化动物模型中显著下调，提示p21在动脉粥样硬化中可抑制血管平滑肌细胞增殖，诱导细胞凋亡[34]。另一方面，也有研究表明，在冠状动脉粥样硬化病变中发现了衰老标志物衰老相关β-半乳糖苷酶的高表达，说明血管平滑肌细胞的衰老可能在血管老化和动脉粥样硬化发展中起关键作用[35]，而p21是内皮细胞衰老和随后的动脉粥样硬化形成的关键信号分子[36]。此外，Bian等[37]研究发现通过敲低DNA损伤激活的非编码RNA基因，可导致细胞周期停滞在G0/G1期；且该研究进一步证明，DNA损伤激活的非编码RNA敲低是通过p53-p21途径诱导血管平滑肌细胞周期停滞、衰老和凋亡。可见，抑制动脉粥样硬化中p21的表达可延缓动脉粥样硬化的进程，这与p21在抗心肌肥厚中的作用不同有关，所以用于治疗抗心肌肥厚的p21激动剂类药物应慎用于抗心肌纤维化。

2.4p21与心肌梗死 心肌梗死是指心肌细胞快速死亡同时引发心功能障碍。研究表明，诱导心脏再生的方法有助于增加心肌梗死后心脏功能恢复所需的心肌细胞数量[38]，因此诱导心肌细胞增殖可能是一种很有前景的诱导心脏再生的方法。目前，p21在心肌细胞增殖中的作用已被深入研究，其在心脏再生中主要发挥抑制作用[39]。研究显示，骨髓嗜病毒整合位点1、T-box转录因子20、神经元限制性沉默因子等基因可调控心肌细胞周期，而这种调控作用均通过转录控制来调控p21信使RNA水平实现[40]。另有研究发现，过表达沉默信息调节因子1(silent information regulator 1，SIRT1)会降低p21的乙酰化水平，而SIRT1缺失会增加p21的乙酰化水平，故得出SIRT1诱导下的p21去乙酰化可以减轻心肌细胞的增殖阻滞，通过SIRT1激活p21去乙酰化和泛素化有助于治疗心肌梗死[41]。Wu等[42]实验得出，低密度脂蛋白受体相关蛋白6特异性缺失会在心肌梗死后诱导强烈的心肌再生，从而改善心肌梗死引起的左心室收缩功能障碍并减小梗死面积，而低密度脂蛋白受体相关蛋白6缺失引起的促心肌细胞增殖作用通过调节p21信号通路实现。Liu[43]实验证实p21在急性心肌梗死中表达水平显著降低，其可能通过激活Wnt/β联蛋白信号通路影响急性心肌梗死大鼠心肌细胞的增殖、凋亡和炎症水平。综上得出，通过调节p21的表达及其结构的变化，可以缓解心肌梗死的发生发展。

2.5p21与心力衰竭 心力衰竭是许多CVD的终末发展阶段。心力衰竭发生的原因包括：①老年人心脏出现心肌细胞凋亡、坏死、心肌细胞反应性肥大、纤维化，从而导致心脏功能和收缩储备大幅下降，最终发展为心力衰竭[44-45]；②在许多CVD的病理基础上心功能进一步恶化，最终发展为心力衰竭，而如何制止基础CVD发展为心力衰竭是目前研究的重点。以往研究表明，阿霉素对多种肿瘤有杀伤作用，是一种广泛使用的抗肿瘤药物[46]。同时学者发现，阿霉素对许多患者也会产生心脏损害，最终导致心力衰竭[47]。Wan等[48]研究发现，心肌细胞给予阿霉素刺激后miR-499-5p的下调与阿霉素心脏毒性有关，并证明p21参与暴露于阿霉素的心肌细胞线粒体分裂和细胞凋亡过程，得出miR-499-5p通过靶向p21防止阿霉素暴露心肌细胞的线粒体分裂和细胞凋亡来有效预防阿霉素心脏毒性。另外两种类型的非编码RNA(长链非编码RNA和环状RNA)也参与阿霉素心脏毒性和心肌损伤，其中长链非编码RNA-p21通过调节Wnt/β联蛋白信号通路参与阿霉素相关心肌细胞衰老，沉默长链非编码RNA-p21可有效防止阿霉素心脏毒性[49]。此外，Ye等[50]研究发现使用阿霉素诱导的心力衰竭模型，给予叶酸可以消除阿霉素诱导的细胞衰老信号(p53、p21和p16)的表达，且叶酸可通过下调p53-p21和p16INK4a的表达减缓心脏衰老并发挥心脏保护作用。可见，下调心力衰竭中p21的表达，有助于改善心力衰竭。

3 小 结

p21在心肌肥厚、心肌纤维化、动脉粥样硬化、心肌梗死以及心力衰竭等CVD中发挥重要作用。目前对其靶向调控影响CVD发生发展有两个重要的研究方向：①通过上游通路或直接调控p21的表达来诱导心肌细胞增殖、自噬、凋亡等的发生，从而改善相关CVD；②通过诱导p21结构改变(乙酰化、泛素化等)影响CVD的发生发展。总之，对p21的研究为防治CVD提供了很好的药物靶向治疗思路，目前对p21的研究仍处于初级阶段，尚存在很多争议，需更深入的研究以明确p21在CVD发生发展的作用机制。随着技术及研究的进一步发展，未来针对p21的靶向治疗将为CVD治疗提供新靶点。