生物通
生物通首页 >  中国科学人 > 大连医科大学发表Science子刊文章:β5i在心脏肥大发展过程中的新作用  

导语:
        心脏衰竭是各种心脏病的最后阶段,是全世界发病率和死亡率的一个主要原因。慢性心脏衰竭的两个特征是心脏肥厚和存活心肌收缩力降低。心脏肥厚是心脏对病理刺激(包括高血压、心肌梗死、压力过载和肾素-血管紧张素系统的激活)的一种重要的适应性反应……



大连医科大学发表Science子刊文章:β5i在心脏肥大发展过程中的新作用

研究人员报道的最新发现指出,在血管紧张素II(Ang II)处理过的心肌细胞和肥大心脏中,免疫蛋白酶体催化亚基β5i表达和活性显著增加,而且这种作用在心肌细胞和转基因小鼠中通过β5i过表达加剧…… 详细全文





病理性心脏肥大如果没有得到充分的治疗,最终会导致心力衰竭。一组研究人员报道的最新发现指出,在血管紧张素II(Ang II)处理过的心肌细胞和肥大心脏中,免疫蛋白酶体催化亚基β5i表达和活性显著增加,而且这种作用在心肌细胞和转基因小鼠中通过β5i过表达加剧。这表明了β5i在调节心脏肥大中的新作用,因此抑制β5i的活性也许可以为肥厚性疾病提供一种新的治疗方法。

这一研究成果公布在5月8日的Science Advances杂志上,文章的第一作者是谢鑫,通讯作者是大连医科大学公共卫生学院院长李汇华教授与首都医科大学王红霞,李教授长期从事心血管疾病(包括心脏衰竭、心肌梗死、高血压及心律失常等)发生发展的病理生理机制研究,主要探讨泛素蛋白质修饰、免疫炎症及营养代谢失衡调节心血管疾病的病理生理机制。

心脏衰竭是各种心脏病的最后阶段,是全世界发病率和死亡率的一个主要原因。慢性心脏衰竭的两个特征是心脏肥厚和存活心肌收缩力降低。心脏肥厚是心脏对病理刺激(包括高血压、心肌梗死、压力过载和肾素-血管紧张素系统的激活)的一种重要的适应性反应。

虽然肥厚反应可能会在一段时间内维持心脏功能,但长时间的肥大会变得有害,导致心功能不全和心力衰竭(HF)。心脏肥厚一般可以分为生理性或病理性肥大。初始的肥大反应可用来维持心输出量。在初始阶段的补充后,如果肥厚性增长会导致心脏功能障碍,那么就被认为是病理性肥大。

迄今为止,已证明多种信号通路可正调节蛋白质合成和心肌肥大,包括胰岛素样生长因子1受体(IGF1R)/磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/ AKT,表皮生长因子受体(EGFR)/有丝分裂原-活化蛋白激酶(MAPK),gp130 / Janus激酶(Jak)/信号转导和转录激活因子3(STAT3),以及活化T细胞(NFAT)途径的钙调神经磷酸酶/核因子。因此,调节这些受体和下游介质的表达和活化的治疗策略非常具有潜力。

泛素-蛋白酶体系统(UPS)和溶酶体-自噬途径是蛋白质降解的两种最重要的细胞机制。自噬通常被认为是一种非特异性过程,可以降解长寿命蛋白质和异常蛋白质聚集体。与自噬相反,UPS是真核细胞中蛋白质降解的主要途径。标准20S蛋白酶体包含三个β亚基,即β1(PSMB6),β2(PSMB7)和β5(PSMB5),它们分别代表蛋白酶体的半胱天冬酶样,胰蛋白酶样和胰凝乳蛋白酶样活性。

用细胞因子如干扰素-γ(IFN-γ)刺激后,三种替代β亚基(也称为免疫亚单位):β1i[大多功能肽酶2(LMP2)或PSMB9)],β2i(MECL-1或PSMB10)和β5i (LMP7或PSMB8)被诱导,取代其标准亚基形成20S免疫蛋白酶体。

免疫蛋白酶体的主要功能是改善主要组织相容性复合物-I(MHC-I)抗原呈递。免疫蛋白酶体还具有多种生物学功能,包括促炎细胞因子产生,T细胞分化和存活,氧化应激和肌肉质量。
李教授之前的研究表明,在肥大应激下心脏中免疫亚单位β5i的表达和胰凝乳蛋白酶样活性显著增加。而且他们的数据显示β5i还参与小鼠血管紧张素II(Ang II)诱导的心房颤动的调节。然而,β5i在调节心脏肥大中的功能依然未知。

在这项研究中,研究人员分析了原代心肌细胞,β5i敲除(KO)小鼠和心脏特异性β5i转基因(β5i-Tg)小鼠(由赛业生物提供转基因小鼠服务),结果发现了β5i在心脏肥大发展中的新作用,指出了肥大心脏中免疫蛋白酶体和自噬之间的必要补偿性联系。

肥大心脏和HF患者中β5i表达上调
为了鉴定受损心肌内的蛋白酶体亚基表达谱,研究人员通过Ang II灌注法诱导野生型(WT)小鼠急性心脏肥大,并使用芯片测定法分析蛋白酶体亚基表达。

结果他们发现,在47个蛋白酶体亚基基因中,免疫亚单位β5i(也称为PSMB8或LMP7)在Ang II输注的第1天在心脏中显著上调。之后通过定量聚合酶链反应(qPCR)分析证实β5imRNA的表达增加。

同时,在Ang II处理过的心脏中β2i(也称为PSMB10)的mRNA水平增加,但小于β5i的mRNA水平。不过Ang II处理后的心脏组织中标准亚基(β1,β2和β5)和免疫亚单位β1i的表达没有差异。此外,在Ang II处理的新生大鼠心肌细胞(NRCM)中β5i蛋白水平增加。在Ang II输注和主动脉缩窄(TAC)2周后,β5i的表达在小鼠心脏中也上调了。在Ang II刺激后,新生大鼠心脏成纤维细胞中β5i的表达没有改变(图1)。

 
图1.肥大心脏和HF患者中β5i表达上调

为了检验β5i是否在人类HF中具有相同的重要作用,研究人员又分析了心脏组织中β5i和B型利钠肽(BNP; HF标记物)的表达。免疫组织化学显示衰竭心脏中β5i和BNP的表达显著高于正常对照组。

此外,与对照组相比,HF患者的血清β5i和胰凝乳蛋白酶样活性水平也增加。之后,研究人员通过简单的交叉制表和比值比(ORs)的计算分析了HF患者血清β5i或胰凝乳蛋白酶样活性水平的关系。多变量逻辑回归分析检测了血清β5i或胰凝乳蛋白酶样活性水平对HF的独立贡献。这些结果均表明β5i可能在心脏肥大的调控中起关键作用。

敲除β5i,可以在体外抑制心肌细胞肥大
为了确定β5i在心脏肥大时对功能的影响,研究人员首先检查β5i是否在体外发挥促肥大或抗肥大作用。他们发现与siRNA对照相比,敲低β5i减弱了Ang II诱导的心肌细胞大小的增加,以及心房利钠因子(ANF)和BNP的表达。

为证实这些发现,研究人员进行了进一步的研究,发现与Ang-II处理后的Ad-GFP对照组相比,Ad-β5i对NRCM的感染使β5i水平增加2.3倍,心肌细胞大小增加,ANF和BNP表达增加。此外,与Ang2刺激后的siRNA对照相比,β5i的siRNA敲低降低了AKT和细胞外信号调节激酶1/2(ERK1/2)的磷酸化水平。然而,β5i的敲低或过表达对基础状态下的心肌细胞没有影响。
接下来,他们又分析了β5i对苯肾上腺素处理的心肌细胞的影响。与Ang II处理细胞的数据一致,和siRNA对照相比,β5i的敲低也减少了去氧肾上腺素诱导的心肌细胞肥大和ANF的表达,这些数据表明敲低β5i在体外能抑制心肌细胞肥大。

β5i通过自噬调节心肌细胞大小
为了确定β5i是否通过自噬调节心肌细胞大小,研究人员用siRNAs感染心肌细胞,降低内源性β5i和ATG5的水平。蛋白质印迹分析显示,与siRNA-对照相比,siRNA-β5i和siRNA-ATG5分别实现β5i和ATG5水平的降低。

此外,与siRNA对照相比,β5i的敲低减弱了Ang II诱导的心肌细胞大小,ANF表达以及AKT和ERK1/2磷酸化的增加,这种减少通过敲低ATG5或β5i和ATG5可以完全逆转。

为了进一步证实自噬对心肌细胞大小和相关信号传导途径的影响,研究人员用siRNA-β5i感染心肌细胞,并用氯喹(一种自噬抑制剂)处理。他们发现与siRNA对照相比,β5i的敲低增加了ATG5的表达,并且氯喹处理进一步增强了这种效果。与siRNA-ATG5感染细胞的观察结果一致,β5i敲低介导的Ang II诱导的心肌细胞大小增加,ANF表达和AKT和ERK1/2磷酸化的减弱也是在siRNA-β5i感染的细胞中通过氯喹处理逆转。此外,仅通过氯喹就可以恢复β5i敲低对心肌细胞肥大的抑制作用。

总之,这些结果表明阻断β5i活性可以通过诱导自噬来补偿,并且自噬的抑制逆转了β5i敲低的保护作用。

 
图2.β5i的KO通过自噬抑制心肌细胞大小

压力超负荷后,敲低ATG5能抵消β5i缺陷小鼠的心脏保护作用
为了检测ATG5依赖性自噬是否介导β5i缺失对心脏肥大的抑制作用,研究人员用rAAV9-siRNA注射WT或β5iKO小鼠以敲低内源性ATG5表达。在注射rAAV9-siATG5后3周,再对小鼠TAC 6周。他们发现与rAAV9- sicontrol相比,AAV9-siATG5注射显著降低了心脏中的ATG5蛋白水平。在TAC后6周时,与rAAV9-sicontrol相比,β5iKO小鼠心脏功能改善。

因此,与rAAV9- sicontrol小鼠相比,β5iKO小鼠中ATG5的敲低也降低了LC3-II/I比值,但增加了ERK1/2活化。与TAC后的rAAV9- sicontrol动物相比,WT小鼠中的ATG5敲低具有类似的效果。因此,这些体内数据表明β5iKO通过增加ATG5的水平来减弱心脏肥大。

小结
总之,这项研究发现免疫亚单位β5i具有促进病理性肥厚重塑的关键调节剂的新作用。β5i靶向ATG5降解并抑制自噬的激活,从而导致心脏肥大和功能障碍,这表明在心脏肥厚过程中,免疫蛋白酶体与自噬激活之间存在着重要的补偿关系。

还需要进一步的研究,以确定哪种E3连接酶促进ATG5泛素化,并确定β5i的抑制是否可以作为肥厚性疾病的治疗新策略。

延伸阅读:
华中农业大学NAR发表脂肪生成的表观调控机制
一种自发形成慢性胰腺炎的单基因突变小鼠模型
阿尔茨海默症研究相关动物模型简述
模拟血管化骨再生骨发育微环境的富镁3D培养系统
Nature子刊:如何更有效地遏制致命的儿童癌症?

 
人物简介:

谢鑫,男,1987,助理研究员。2015获哈尔滨医科大学药理学博士学位,2016年进入大连医科大学附属第一医院心血管疾病研究所工作至今。

主要研究方向:
泛素蛋白酶体和自噬在防治心衰中的作用及机制。目前主持国家青年自然科学基金一项:免疫蛋白酶体催化亚型PSMB8通过调节SERCA2a蛋白表达改善心肌收缩力的分子机制,项目编号81600315,参与国家自然科学基金项目3项。发表SCI论文13篇,其中作为第一或通讯作者4篇,包括Science Advances,British Journal of Pharmacology等,并担任British Journal of Pharmacology,Life Science杂志审稿人。

李汇华, 大连医科大学公共卫生学院院长,心血管研究所所长,教育部长江学者特聘教授,“国家杰出青年科学基金”获得者。1998年获得中国协和医科大学博士学位,1998-2005年分别在美国Wake Forest大学病理学系和美国北卡大学心血管生物学研究中心做博士后和研究助理,2005-2010年在北京协和医学院病理学系任教授,2010-2014年在首都医科大学任教授,2015-至今在大连医科大学工作。近些年入选“国家百千万人才工程”并获得“有突出贡献中青年专家”、中国侨界创新人才贡献奖、享受国务院政府特殊津贴、辽宁省攀登学者等荣誉称号。

研究方向:
心血管疾病(包括心脏衰竭、心肌梗死、高血压及心律失常等)发生发展的病理生理机制研究。主要探讨泛素蛋白质修饰、免疫炎症及营养代谢失衡调节心血管疾病的病理生理机制。

 

 


 

版权所有 生物通
Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved