苏木化在心肌缺血再灌注损伤中的作用及机制研究进展

张伟 综述 仇治梅，谷宁，石蓓 审校

1.遵义医科大学临床医学院，贵州 遵义 563000；2.遵义医科大学附属医院心血管内科，贵州 遵义 563000

心血管疾病最近已成为全球卫生保健系统和经济发展的主要负担[1]。心肌梗塞(myocardial infarction，MI)每年危及全球超过700 万人的健康和生命[2]。现有的介入冠状动脉再灌注策略可有效控制心肌梗死的发病率和死亡率。再灌注恢复是挽救存活心肌、限制心肌梗死大小、保留心脏收缩功能、延缓心力衰竭发展的主要治疗方法[3]。然而，血液流动的再通不仅能恢复氧气和营养供应，而且还会损害心肌。这种病理生理现象被称为心肌缺血/再灌注(myocardial ischemia/reperfusion，MI/R)损伤。MI/R 损伤的潜在机制尚未完全阐明。现有研究认为，氧化应激、钙超载、线粒体功能障碍、内质网应激、凋亡和自噬通路的激活以及表观遗传变化可能与其有关[4]。然而，目前对预防MI/R损伤仍无有效的治疗方法。因此，提出新的心脏保护策略迫在眉睫。

翻译后修饰(post-translational modification，PTM)对于调节蛋白质的构象变化、活性和功能至关重要，并且涉及几乎所有的细胞途径和过程[5]。PTM是小化学官能团的共价加成，例如磷酸基(磷酸化)、甲基(甲基化)或乙酰基(乙酰化)；脂类，如疏水异戊二烯聚合物(异戊二烯化)；糖例如糖基(糖基化)；甚至是小肽，如泛素(泛素化)、SUMO(苏木化)等。事实上，翻译后修饰对于调整各种信号通路以维持细胞稳态和使细胞适应各种压力刺激至关重要[6]。在不同的翻译后修饰中，苏木化描述了一个由五个小的泛素样修饰(SUMOs)蛋白组成的家族，即SUMO1-5，可以与特定的蛋白质形成共价和可逆的结合物，从而调节各种细胞过程和功能[7]，这种结合的后果可以发展到不同的疾病过程[8]。

已经证实，小泛素样修饰剂可以调节NFκB 和其他蛋白质，如沉默Kruppel 样因子(Kruppel-like factor，KLF)和细胞外信号调节激酶5(extracellular signal-regulated kinase 5，ERK5)，它们在动脉粥样硬化形成中起关键作用[9]。据报道，肝再生增强剂通过抑制动力相关蛋1 的苏木化可保护肝脏免受缺血再灌注损伤[10]。也有人提出，通过调节膜联蛋白-A1 的去苏木化可抑制大脑的缺血再灌注损伤[11]。然而，关于SUMO系统的特异性调节和心脏缺血再灌注损伤(MI/R)之间的调节机制知之甚少。苏木化在心血管疾病中的作用较复杂，心血管疾病中苏木化的调控机制尚不完全清楚。现就苏木化在心肌缺血再灌注损伤及心脏保护中的作用及机制进行综述。

1 缺血再灌注的病理生理过程

当心脏的血液供应受到限制时，心肌急性、持续性缺血缺氧，就会发生心肌梗塞。在血流恢复后，心肌组织同时接受再氧合。然而，缺血会导致初始损伤，而再灌注会进一步加剧心脏组织的炎症反应[12]。因此，缺血再灌注损伤在两种不同的病理生理状态下加重了心肌损伤：即缺血和随后的再灌注[12-13]。在缺血状态下，环境中的氧气不足以维持线粒体中的氧化磷酸化，腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine-triphosphate，ATP)的产生会大大减少，导致Na+-K+-ATP酶的功能障碍和细胞内钙、钠和氢浓度的升高[14]。随后，细胞肿胀而影响细胞质酶的活性。长期缺血会导致心脏进行性和不可逆性损伤。在形态学上，这种不可逆性损伤的特征是糖原耗竭、核染色质边缘化、线粒体肿胀和肌膜断裂[15]。在再灌注过程中，线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeability conversion pore，mPTP)开放是心肌细胞死亡的关键环节，多种因素触发mPTP的开放可诱发心肌损伤，包括线粒体钙、Ca2+超载、氧化应激、高磷酸盐浓度等[16]。心肌缺血再灌注(MI/R)损伤是一个复杂的病理生理过程，涉及多个信号通路[17]。有研究表明，缺血增加苏木化水平，而再灌注进一步增加了动物模型和细胞培养系统中各种蛋白质的苏木化[18]。作为PTM的关键类型，苏木化和去苏木化在心脏缺血再灌注损伤机制中发挥着重要作用。

2 苏木化(SUMOylation)与去苏木(deSUMOylation)

2.1 小泛素相关修饰剂 小蛋白如泛素和泛素样修饰剂(ubiquitin like modifier，ULM)可以共价连接到其靶蛋白的不同赖氨酸残基上，与选定的蛋白质形成共价和可逆的结合物，从而调节各种细胞过程和功能。迄今为止，已鉴定出五种SUMO亚型(SUMO1、2、3、4和5)。SUMO1和2/3在体内广泛分布，SUMO4仅在肾脏、脾脏和淋巴结中发现。作为最近发现的家族成员，SUMO5 在灵长类动物中被鉴定并表现出高度的组织特异性，可能参与早幼粒细胞白血病核小体的调控。基于一级结构，SUMO1 与SUMO2 和SUMO3具有48%的同源序列，而后两种异构体高度相似，同源性为97%[19]。SUMO4与SUMO2/3具有85%的同源性，SUMO5 与SUMO1 高度同源[20]。到目前为止，SUMO 分子的底物已经发现几百种，大多数底物存在于细胞核中，还有少部分底物存在于细胞质、线粒体和细胞膜中。

2.2 苏木化(SUMOylation)及去苏木化(deSUMOylation)之间的动态平衡 已有研究证明，通过将SUMOs 连接到特定的赖氨酸残基上与蛋白质形成共价结合物可调节蛋白质功能，这表明了一种新的PTM 机制[21]。因此，苏木化被提出来描述通过多步酶促反应级联可逆地连接到赖氨酸残基来描述各种蛋白质的修饰过程。SUMOs通过三个反应步骤共价结合到底物蛋白的赖氨酸残基上：即SUMOs 激活、SUMOs 偶联和SUMOs 连接。首先，成熟的SUMOs被E1 激活酶(SUMO-activating enzyme 1，SAE1)激活。然后，将SUMOs转移到唯一的E2缀合酶(ubiquitin-conjugating enzyme 9，Ubc9)。最后，通过E3 连接酶促进E2/UBC9SUMO复合物与底物共价结合[21]。去苏木化描述了通过特异性蛋白酶(SUMO-specific proteases，SENPs)从靶蛋白中去除SUMOs 的过程[22-23]。SENP 家族包括六个成员，即SENP1-3、5-7，不同的SENP成员作用于特定的SUMO化蛋白[23]。SENP1 和SENP2 催化所有类型的SUMOs 蛋白的去SUMO 化，SENP3、5、6 和7 主要催化SUMO2/3 衍生的苏木化蛋白[23]。苏木化和去苏木化在生理条件下是动态平衡的。苏木化可诱导蛋白质的构象变化，从而调节蛋白质功能，去苏木化可以消除苏木化对蛋白质功能的影响[7]。此外，苏木化可以促进或阻断与SUMOs底物相互作用的分子的结合，在各种分子过程中发挥重要作用[24]。因此，苏木化和去苏木化可协调各种细胞信号通路的调节。

3 苏木化(SUMOylation)在心肌缺血再灌注损伤中的作用及机制

3.1 苏木化在线粒体功能障碍中的作用 线粒体是有氧呼吸产生能量的主要场所，线粒体功能障碍则与多种心血管疾病的发生发展密切相关[25]。据报道，线粒体形态动力学在MI/R损伤中发挥着重要作用[26-27]。动力相关蛋白1(dynamically-associated protein 1，Drp1)是调节线粒体形态和裂变的重要线粒体蛋白，已被确定为心肌缺血损伤期间线粒体形态变化的介质[28]。Drp1的SUMO化可能通过抑制其从细胞质易位到线粒体，维持线粒体形态，抑制线粒体裂变[29]，也可能通过激活线粒体的自噬和抑制活性氧(ROS)的产生[30]，进而保护心脏免受MI/R损伤。所以，Drp1的SUMO化可防止MI/R损伤，这表明了一种针对应激的保护机制。

3.2 苏木化对肌质网膜上Ca2+ATP酶的作用 肌浆网(SR)Ca2+ATP 酶(SERCA2a)是一种重要的ATP 水解酶，在心脏中高度表达，用于控制兴奋-收缩偶联中Ca2+的再摄取和对肌浆网内Ca2+的补充。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+循环的失调是心力衰竭的病理特征，并可能导致其他心功能障碍的发展[31]。然而，很少有关SERCA2a苏木化在MI/R损伤中的作用的研究。最近的一项研究发现，小鼠SERCA2a 可在赖氨酸585、480和571位点进行SUMO化，这些位点的任何赖氨酸突变都可能会影响SERCA2a的ATP酶活性[32-33]。通过SUMO介导SERCA2a的苏木化过程增加了SERCA2a的表达和活性，从而提高了线粒体膜电位，减少体外凋亡细胞，促进心脏功能恢复，减少体内梗死面积[32]。MI/R后SERCA和SUMO1以及苏木化SERCA2a的蛋白质水平降低[34]。SERCA2a 功能的降低因SUMO1敲低而加剧，并因SUMO1 过表达而发生逆转[32]。此外，SUMO1 过表达可减少心肌细胞凋亡、减少梗塞面积并增强心脏功能[32]。总的来说，SUMO1 介导的SERCA2a 苏木化是针对MI/R 损伤的重要心脏保护机制，其中，通过SERCA2a 苏木化减轻了钙超载是保护MI/R损伤中最重要的机制之一[16，32]。

3.3 苏木化对法尼醇X受体(FXR)的作用 法尼醇X 受体(farnesoid-X-receptor，FXR)是一种核激素受体，在肝脏和胃肠道中大量表达，在脂质、胆固醇、胆汁酸和葡萄糖的代谢中起关键作用[35]。先前曾报道FXR也在心脏中表达，并在介导心肌细胞凋亡中起促凋亡作用[36]。FXR 可以在心脏组织中被苏木化，而FXR 的苏木化水平在缺血和再灌注期间均被下调[37]。进一步的机制研究表明，降低的苏木化水平增加了FXR的转录活性，随后上调的FXR靶基因SHP介导了促凋亡作用[37]。同时，观察到线粒体凋亡通路的激活和自噬通路的功能障碍[38]。因此，FXR 的心脏作用可以通过苏木化来调节并且操纵FXR 的SUMO 化水平可能是MI/R损伤的重要保护机制。

3.4 苏木化对过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)的作用 过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxidase increment activates the receptor γ，PPARγ)是核激素受体家族中的配体激活受体，包括3 种亚型：PPAR-α、PPAR-β/δ和PPAR-γ[39]。PPAR-γ的激活可抑制缺血再灌注后心脏组织的炎症反应，并减轻病理性缺血损伤。有研究表明，PPARγ通过抑制NF-κB通路来预防MI/R损伤，而PIAS1介导的PPARγ苏木化对于NF-κB 信号传导的失活是必不可少的[40]。STAT(信号传导及转录激活蛋白)是一种能与DNA 结合的蛋白质独特家族，活化STAT抑制蛋白(PIAS)是一组能与STAT 结合的蛋白质，包括PIAS1、PIAS3、PIASy、PIASxa 和PIASxβ，属于以SP-RING 序列为特征的SUMOE3 连接酶[41]。活化的STAT 蛋白抑制剂1(PIAS1)是心肌中PPAR-γ苏木化的特异性E3连接酶，在心肌缺血再灌注过程中，PIAS1被下调，因此PPAR-γ苏木化相应降低。PPAR-γ苏木化的这种下降导致NF-κB活性的失调和抗凋亡和抗炎活性的抑制，导致缺血再灌注损伤的恶化[40]。总的来说，增加PIAS1介导的PPARγ苏木化在MI/R损伤中起着关键作用。

3.5 苏木化对组蛋白去乙酰化酶4(HDAC4)的作用 组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases，HDACs)构成了一个转录调节因子家族，可催化心血管疾病中一种重要类型的PTM。已经有研究发现，HDAC 在MI/R的再灌注期间与活性氧(ROS)的产生和线粒体损伤有关[42]。HDACs分为四种类型，HDAC4 属于Ⅱ类，Ⅱ类HDAC主要分布在细胞核和细胞质中，它是控制多效应细胞功能基因表达的重要调节因子[42]。先前的研究表明，HDAC4 的苏木化介导了泛素化并促进了HDAC4的降解，导致HDAC4 活性被抑制并中断细胞保护途径[43]。另一项研究表明，HDAC4 的苏木化还可通过减少乳酸脱氢酶(LDH)渗漏、缺氧复氧损伤中Caspase-3 阳性细胞的比例来提高心肌细胞的存活率并减少心肌细胞凋亡[44]。其次，HDAC4 的苏木化还可以减少ROS 的产生和线粒体功能障碍，并在心肌细胞保护中发挥间接作用[45]。鸢尾素作为最近发现的心肌细胞因子，可以通过SUMO 依赖性机制降低HDAC4 的蛋白质水平并减轻MI/R 损伤[46]。因此，促进HDAC4 的SUMO 化可能是对抗MI/R 损伤的有效方法。

3.6 苏木化对沉默信息调节因1(Sirt1)的作用 沉默信息调节因1(silent information regulator 1，Sirt1)是一种烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依赖性去乙酰化酶，通过组蛋白脱乙酰化调节基因表达。最近的研究表明，Sirt1 在氧化应激和炎症方面的病理学、进展和治疗中发挥着复杂的作用[47]。心脏Sirt1 主要在心肌细胞核中表达，苏木化促进了Sirt1的去乙酰化酶活性并增强心肌对缺血的耐受性[48]。Sirt1的这种心脏保护作用主要通过改变Sirt1介导的核红细胞2 相关因子2(Nrf2)乙酰化状态对蛋白质进行翻译后修饰的作用调节[49]，通过抑制Nrf2抗氧化途径来保护心脏免受MI/R损伤的影响。此外，Sirt1 可以在p65 的协同作用下通过去乙酰化直接抑制Nrf2的活性[50]。有人提出，NF-κ B可能与Nrf2 串扰，通过组蛋白去乙酰化酶的去乙酰化酶活性的协同作用来调节氧化应激[50-51]。最近的一项研究表明，Sirt1 通过使p65 去乙酰化以抑制NF-κB依赖性炎症反应，在脑出血后发挥神经保护作用[52]。所以，研究Sirt1的苏木化对Nrf2的乙酰化和NF-κB的去乙酰化过程的调控可能是MI/R损伤诱导的氧化应激的新调控机制。

3.7 苏木化对缺氧诱导因子1α(HIF-1α)的作用 缺氧诱导因子(hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1 α)通过诱导许多缺氧反应基因的表达在细胞和全身氧平衡中发挥重要作用[53]。HIF-1α介导缺氧信号级联以在MI/R 损伤中表现出重要的心脏保护作用[54]。HIF-1α可在缺氧期间被SUMO1、SUMO2/3 苏木化，而SUMO1 介导了HIF-1α在Lys391 和Lys477 残基处苏木化，从而在缺氧期间促进了HIF-1α 的转录活性[55]。细胞核中缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)的稳定表达水平直接影响下游血管内皮生长因子(VEGF)信号通路，在缺氧环境中增强HIF-1α的苏木化可调节血管生成[56]。也有研究表明，治疗性低温是减少缺血再灌注损伤的重要技术[57]，而增加HIF-1α的SUMO化可能是心肌细胞缺氧后低温治疗保护作用的重要分子机制[58]。所以，HIF-1α是一种氧敏感性转录因子，可介导对缺氧的适应性代谢反应，并在MI/R损伤中发挥关键作用。

4 苏木化在心脏保护中的作用

中度低温显著增强SUMO-1 介导的心肌细胞中各种靶蛋白的苏木化而发挥心脏保护作用[57]。这些结果表明，中度低温显著增加了SUMO-1 和Bcl-2 的表达水平，以及线粒体膜电位，但显著降低了Caspase-3和线粒体ROS的表达水平。因此，中度低温可增强苏木化并通过减少氧自由基产生来改善缺血再灌注后的血流动力学[57-58]。与上述结果一致，目前针对苏木化信号通路中的基因操作，如法尼醇X受体靶基因的过表达、核转录因子红系2 相关因子2 敲除、Ca2+ATP酶敲减，已被证实可以通过增加苏木化的水平来抵抗或减轻心脏和心肌细胞的损伤[32，59]。此外，药理干预也可以有效保护SUMO 依赖的心脏保护过程。研究发现，银杏酸(GA)作为SUMO-1 抑制剂，通过降SUMO-1的表达，可以抑制血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)诱导的肌成纤维细胞转化和胶原蛋白生成[60]，可减少缺血再灌注后的致命性心脏损伤(梗死面积)和心肌功能障碍[60]。烟酰胺单核苷酸(NMN)为一种人体细胞能量生成物质，可以减少体外大鼠心脏氧自由基产生并改善缺血再灌注后的血流动学[61]。最近的研究还发现，鸢尾素在缺血性心脏损伤中显示出有益作用[9，46]。因此，苏木化可能是上述心脏疾病的潜在治疗靶点。

5 展望

蛋白质的翻译后修饰对心脏的疾病调节发挥重要作用，SUMO小分子蛋白以及参与SUMO化过程的各种核蛋白和核外蛋白(Drp1、HDAC4、HIF-1α、FXR、PPAR、SERCA2a、Sirtuin 1)在心肌缺血再灌注损伤、心肌梗死、心力衰竭等心血管疾病的发病机制中发挥重要作用。随着进一步的研究，将在心血管发育和维持心脏功能的过程中发现更多的苏木化蛋白。另一方面，苏木化已被证明在心肌缺血再灌注损伤及其他心脏疾病中具有保护作用，针对苏木化信号通路中的基因操作及小分子药物的研发，包括一些物理方法和化合物正在开发中，以针对苏木化途径。但现有的临床疗法并不能完全解决冠心病患者的MI/R 损伤。苏木化的机制在血管介入和药物溶栓等临床治疗中尚未见报道。因此，靶向苏木化被认为可能是治疗这些心脏疾病的一个很好的方向。未来需要更进一步的研究来阐明苏木化的具体作用机制，有利于进一步开发治疗心血管疾病的靶向药物。