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这篇综述聚焦心力衰竭（HF），探讨泛素 - 蛋白酶体系统（UPS）活性改变机制及相关药物干预。HF 时 UPS 相关酶活性变化影响蛋白降解，涉及心肌肥大、氧化应激等过程。文中还介绍多种调节 UPS 的小分子，为 HF 治疗提供新思路。
引言
心力衰竭（HF）是一种复杂临床综合征，全球超 3770 万人患病，近 50% 患者在确诊 5 年内死亡，死亡率超多种癌症。目前治疗药物虽能减少住院，但未降低整体死亡率，急需新疗法。
正常生理下，心脏蛋白稳态靠蛋白合成与降解平衡维持，心脏工作负荷大、代谢率高，蛋白降解对心肌细胞尤为重要。真核细胞有三大蛋白降解系统，UPS 负责降解多数细胞内约 80%、心肌细胞中约 90% 的蛋白，是主要蛋白降解系统。
UPS 在细胞信号调节中起重要作用，与 HF 关系密切。衰竭心脏中蛋白酶体活性受损，泛素化蛋白和聚集体增多。但调节 UPS 基因和蛋白酶体活性能否缓解 HF 仍有争议，且其相关酶活性在 HF 不同阶段有动态变化。研究 UPS 各组分在 HF 中的表达、调控及作用，有助于开发靶向疗法。
UPS 的作用机制
UPS 通过标记并降解靶蛋白维持细胞内蛋白动态平衡，蛋白降解分泛素标记和蛋白酶体降解两个主要阶段。
泛素标记是蛋白酶体降解蛋白的前提，靶蛋白在泛素激活酶（E1）、泛素结合酶（E2）和泛素蛋白连接酶（E3）协同作用下被共价标记泛素，之后运往蛋白酶体。衰竭心脏中泛素化蛋白积累，促进心肌肥大和纤维化，HF 时多种参与泛素标记的酶活性改变，如肌肉环指蛋白 1（MuRF1）、小鼠双微体 2（MDM2）和 E3 泛素连接酶神经元前体细胞表达发育下调蛋白 4（NEDD4）等。
标记多聚泛素链的蛋白被转运到 26S 蛋白酶体降解，26S 蛋白酶体由 19S 调节帽颗粒和 20S 催化核心组成。19S 帽识别泛素化底物、使其解折叠并转运至蛋白水解腔。此外，还有一些蛋白酶体调节剂，如蛋白酶体激活剂 28α（PA28α）/11S、蛋白酶体激活剂 200（PA200）/ 缺乏线粒体 DNA 的酵母蛋白 10（Blm10）和细胞外突变体 29（ECM29），它们以非 ATP 依赖方式与 19S 调节帽在 a 环激活结合位点竞争。HF 时 19S 调节颗粒与 20S 蛋白酶体结合能力受损，导致 26S 蛋白酶体活性下降。氧化应激是 HF 特征之一，可增加 PA28α/11S 和 PA200/Blm10 的表达和活性，H2O2处理后 PA28α 会立即与 20S 蛋白酶体结合，而 26S 蛋白酶体解体。
蛋白底物的泛素化状态还受去泛素化酶（DUBs）调节，DUBs 水解 Ub - 底物和 Ub - Ub 异肽键。人体约有 100 种 DUBs，分为七个结构不同的超家族。衰竭心脏中多种 DUBs 活性和表达水平升高，抑制 DUBs 是 HF 有前景的治疗靶点。
泛素标记后，处理过的蛋白转移到 20S 核心内部，被蛋白酶体肽酶降解为小肽。20S 蛋白酶体由 14 个 α 亚基和 14 个 β 亚基组成，不同亚基有不同活性，如 β1、β2 和 β5 亚基具有独特的蛋白水解活性。应激条件下会表达一些替代亚基，如氧化或炎症应激时心脏中可观察到 β1i、β2i 和 β5i 这三种诱导型 β 亚基。正常生理条件下，人心脏组织中 83% 的 20S 蛋白酶体含有两个 β1、两个 β2 和两个 β5 亚基，为标准 20S 蛋白酶体；正常心脏组织中免疫蛋白酶体和中间蛋白酶体（含有 β1i、β2i 和 β5i 而非 β1、β2 和 β5）的比例约为 12% 。正常生理下，标准蛋白酶体降解活性最高，免疫蛋白酶体最低，但免疫蛋白酶体和中间蛋白酶体降解氧化蛋白更高效，病理生理条件下标准蛋白酶体表达减少。
HF 病理生理过程与 UPS 活性改变
HF 病理生理特征包括心脏机械功能障碍、心室重构和神经体液系统激活，引发心肌细胞肥大、心肌氧化应激、心肌间质纤维化和心肌炎症等过程，这些过程会引起 UPS 相关酶活性变化，调节蛋白降解。
心肌细胞肥大是 HF 主要病理表型之一，与心脏增大有关。钙异常和基因表达变化在其发展中起关键作用。HF 时钙稳态失衡，Ca2+/ 钙调蛋白依赖性蛋白激酶 II（CaMKII）表达和活性增加，导致细胞内钙超载，加重心肌肥大，CaMKII 还可直接磷酸化 26S 蛋白酶体 19S 亚复合物的调节颗粒三磷酸腺苷酶 6（Rpt6），促进蛋白酶体活性；而钙调蛋白作为 Ca2+结合蛋白，直接结合 26S 蛋白酶体亚基，降低蛋白酶体活性。衰竭心脏中表皮生长因子受体（EGFR）表达增加，通过促进 Na+/H+交换器活性导致心脏肥大，同时激活的 EGFR 降低 26S 蛋白酶体亚基表达。蛋白激酶 A（PKA）在 HF 时可通过激活 Cav1.2 和兰尼碱受体（RyRs）调节钙稳态，PKA 过度磷酸化可通过丝氨酸 14 磷酸化的调节颗粒非 ATP 酶 6（pS14 - Rpn6）激活 26S 蛋白酶体，还能增加 20S 蛋白酶体活性。
基因表达失调也促进心肌细胞肥大进展。心房利钠因子（ANF）在 HF 时增加，可促进心肌细胞肥大，虽无直接证据表明其对 UPS 活性的影响，但在阿霉素（DOX）诱导的心力衰竭中，ANF 表达增加伴随肌肉环指蛋白 - 2（MuRF2）和肌肉环指蛋白 - 3（MuRF3）这两种泛素 E3 连接酶上调。X 盒结合蛋白 1 的剪接形式（Xbp1s）是内质网应激重要标志蛋白，可通过调节微小 RNA 表达诱导心脏肥大，Xbp1s 激活应激诱导磷蛋白 1（STIP1）同源和含 U 盒蛋白 1（STUB1）这个 E3 泛素连接酶，引发泛素化和蛋白酶体降解。
心肌氧化应激由活性氧（ROS）生成增加和抗氧化能力下降引起，ROS 增加影响内质网和线粒体功能，导致氧化和未折叠蛋白积累，影响 UPS 反应。核因子红细胞 2 相关因子 1（Nrf1）是调节蛋白酶体表达的转录因子，正常位于内质网膜，转位到细胞核后结合抗氧化反应元件（AREs），激活靶基因转录，包括许多编码蛋白酶体亚基的基因。HF 时 Nrf1 表达降低，可能损害下游蛋白酶体活性。核因子红细胞 2 相关因子 2（Nrf2）在 HF 时也下调，其下调可诱导圆柱瘤蛋白（CYLD）表达，CYLD 是一种在衰竭心脏中上调的重要 DUB；相反，H2O2诱导的 Nrf2 激活可促进 PSMB1 和 PA28α/PSME1 水平增加，改善 Nrf2 与 PSMB5 基因启动子结合。4 - 羟基 - 2 - 壬烯醛（HNE）是人体 HF 心肌中多不饱和脂肪酸（PUFAs）产生的主要 β - 不饱和醛，可短暂损害糜蛋白酶样 20S 蛋白酶体活性，还可能通过损害 26S 蛋白酶体依赖的细胞内蛋白水解，增强氧化修饰蛋白积累。ROS 生成还可激活 E3 泛素连接酶 MuRF1，减轻氧化应激则降低 MuRF1 表达水平。氧化应激还可诱导 26S 蛋白酶体的 20S 核心颗粒与 19S 调节颗粒解离，导致 26S 蛋白酶体活性丧失和泛素化蛋白积累，最终引起心肌损伤和心脏功能障碍。
炎症也是诱导心肌损伤和功能恶化的病理生理过程，由多种促炎因子如肿瘤坏死因子 - α（TNF - α）、白细胞介素 - 1β（IL - 1β）和干扰素 - γ（IFN - γ）释放引起。缺血后 HF 大鼠中 TNF - α 表达增加，可增加泛素化蛋白水平和 20S 蛋白酶体活性，还能增强 E3 泛素连接酶表达，促进肌原纤维蛋白降解，增加小泛素样修饰蛋白 3（SUMO3）和泛素结合酶 E2I（UBC9）表达，诱导叉头盒 O4（FoxO4）表达，增强蛋白酶体形成。IL - 1β 表达增加可触发 E1 酶 NEDD8 从细胞核转移到细胞质，促进正常蛋白过度泛素化和蛋白降解异常增强，还与肌肉萎缩相关的 E3 连接酶 atrogin - 1 和 MuRF1 上调有关，刺激 HECT 和染色体浓缩调节蛋白 1（RCC1）结构域蛋白（HERC）5 表达。IFN - γ 可诱导 PSME1/PA28α、PSME2/PA28β 和 PSMB8 - 10 基因表达，通过激活 Janus 激酶（JAK）/ 信号转导和转录激活因子（STAT）途径增强免疫蛋白酶体形成，还可上调约 20 种 E3 连接酶和泛素结合酶 E2 L6（UBE2L6）表达。这些促炎因子还可激活核因子 κB（NF - κB），NF - κB 可调节多个基因表达，它可增加 20Sα 亚基、19S 亚基 MSS1 和 p42 以及 E2 连接酶表达，但也会阻碍生理性 26S 组成型蛋白酶体组装。NF - κB 激活也受 UPS 多种机制调节，二者相互作用复杂。
心肌间质纤维化在 HF 进展中起关键作用，此过程中细胞外基质在心脏组织积累，受多种分子信号激活。转化生长因子 β1（TGFβ1）是重要促纤维化信号因子，HF 患者中其表达增加，可增加 SUMO E1 激活酶表达，加速心脏纤维化诱导和心脏功能下降，还可促进多种 E3 连接酶表达，导致心脏蛋白过度泛素化和降解，TGFβ1 处理的成纤维细胞中 MDM2 增加，基因敲除 MDM2 可显著减轻 TGFβ1 诱导的成纤维细胞激活，TGFβ1 还可刺激 PSMD11/Rpn6 和 PA200 表达，降低心脏成纤维细胞中 F - Box 和富含亮氨酸重复蛋白 8（FBXL8）表达，促进肌成纤维细胞分化。纤连蛋白（FN）是关键细胞外基质糖蛋白，可诱导多种泛素和蛋白酶体相关基因表达。
UPS 活性改变对 HF 进展的影响
近期证据表明，UPS 活性改变通过特定信号通路和改变心肌病理生物学调节 HF 进展。
蛋白酶体激活剂 28α（PA28α）在人类充血性 HF 中上调，过表达 PA28α 可稳定 PA28β，增加 11S 蛋白酶体表达，减轻氧化应激。蛋白酶体激活剂 28γ（PA28γ）/REGγ 在横主动脉缩窄（TAC）诱导的衰竭心脏中也显著上调，PA28γ 缺乏可减轻压力过载诱导的心脏肥大，机制是减少磷酸酶 2A 催化亚基 α（PP2Acα）蛋白降解，增加超氧化物歧化酶（SOD）2 水平，降低 ROS 水平。
肌浆 / 内质网 Ca2+ - ATP 酶 2A（SERCA2a）是 USP25 的底物蛋白，衰竭心脏中 USP25 表达降低，通过诱导 SERCA2a 降解促进心肌细胞肥大。HF 患者心脏中 USP4 的 mRNA 和蛋白表达水平下调，过表达 USP4 可通过阻断转化生长因子激活激酶 1（TAK1） - c - Jun N 末端激酶（JNK）1/2/p38 信号通路，减轻心脏肥大和纤维化。压力过载应激后，小鼠心脏组织中 USP10 表达降低，伴随心脏肥大和纤维化，USP10 通过抑制 Akt 信号通路和稳定沉默信息调节因子 6（SIRT6）发挥抗肥大和抗纤维化作用。慢性 HF 模型中 USP2 和 USP19 表达降低，可诱导心肌细胞肥大，过表达这两种 DUBs 可缓解心脏肥大，但具体分子机制有待研究。
相反，一些 DUBs 在 HF 中上调并发挥病理作用。如 TAC 诱导的衰竭心脏中 USP28 表达上调，敲除 USP28 具有心脏保护作用，它可通过去泛素化和稳定三联基序蛋白 21（TRIM21）增加心肌细胞氧化应激，促进心脏肥大。USP22 上调可通过激活 TAK1 信号通路和稳定缺氧诱导因子 - 1α（HIF - 1α）蛋白诱导心肌肥大。USP14 上调可通过激活糖原合酶激酶 - 3β（GSK - 3β）加速心脏肥大发展，恶化心脏功能。USP47 在肥厚心脏中表达增加，通过稳定蛋白质精氨酸甲基转移酶 5（PRMT5）和上调 O - 连接的 N - 乙酰葡糖胺酶（OGA）表达发挥作用。USP7 在 HF 模型中上调，通过其泛素样结构域直接结合 Sma 和 mad 相关蛋白（SMAD）3，导致 SMAD3 去泛素化、下游 SMAD3 磷酸化，加重心脏纤维化。有研究报道 USP10 在肥厚心脏中表达增加，可显著增加 SIRT6 泛素化，最终导致 Akt 信号下调和心肌细胞肥大减轻。
去泛素酶泛素 C 末端水解酶（UCHL）1 在衰竭心脏中显著上调，敲低 UCHL1 可通过促进 EGFR 降解减轻心脏肥大。卵巢肿瘤去泛素酶 1（OTUD1）敲低可通过防止磷酸二酯酶 5A（PDE5A）降解减轻心肌肥大和心脏功能障碍，还可通过使环磷酸鸟苷（cGMP） - 蛋白激酶 G（PKG） - SERCA2a 信号轴失活平衡钙稳态，但 OTUD1 也可通过去除 STAT3 的 K63 连接泛素链稳定该蛋白，促进病理性心肌肥大发展。
HF 中一些泛素酶活性也发生改变，对 HF 进展有不同影响，这给针对泛素酶的药物设计带来挑战。
Atrogin - 1 是肌肉和心脏特异性 F - box E3 连接酶，在 HF 中表达增加，其对 HF 进展的影响受多种因素调节，如 SOD、IL - 1β、钙敏感受体和促纤维化因子 TGFβ1 等。有研究表明 atrogin - 1 可通过稳定 IκB - α 使 NF - κB 失活促进心脏肥大，也有研究报道它可通过降解钙调神经磷酸酶抑制病理性心脏肥大，还可通过降解丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）磷酸酶 - 1 维持 JNK 激活，增强心肌细胞凋亡。此外，atrogin - 1 可促进心肌梗死后炎症过程中调节白细胞和中性粒细胞运动的基因表达，敲除 atrogin - 1 可显著减轻心脏破裂，但它也可通过调节钙调神经磷酸酶的泛素依赖性降解抑制病理性肥大，还可通过泛素化叉头盒 O1（FoxO1）转录因子破坏 Akt 依赖性心脏肥大，其在 HF 中的作用仍有争议。
MuRF1 是在心脏和骨骼肌中表达的 E3 连接酶，在人类 HF 中表达增加。过表达 MuRF1 可导致一系列代谢异常，增加 HF 易感性；敲低 MuRF1 可通过挽救线粒体酶活性减轻 HF 模型中的心脏功能障碍，MuRF1 还可通过降解心肌结构蛋白如肌钙蛋白和肌球蛋白阻碍心肌收缩力，抑制 MuRF1 可保护心脏免受 DOX 诱导的萎缩和收缩功能障碍，MuRF1 基因敲除小鼠也有类似结果。但 MuRF1 也可通过与激活的 C 激酶 1 受体（RACK1）相互作用抑制蛋白激酶 Cε（PKCε）活性，通过降低粘着斑激酶和细胞外信号调节激酶（ERK）1/2 抑制心肌细胞肥大，还可通过抑制 AP - 1 介导的转录抑制线粒体 ROS 产生。
MDM2 是在 p53 降解中起重要作用的泛素连接酶，在 HF 心肌组织中表达增加，HF 时 p53 表达也增加，伴随心肌炎和细胞凋亡，抑制 p53 可通过促进血管生成恢复心脏功能，因此过表达 MDM2 可通过防止 p53 诱导的细胞凋亡发挥心脏保护作用。但也有研究报道抑制 MDM2 对氧化应激有心脏保护作用，MDM2 可降解凋亡抑制蛋白含半胱天冬酶募集结构域的凋亡抑制蛋白（ARC），促进氧化应激和细胞凋亡，还可动态降解 HIF - 1α，减少促血管生成基因表达，可能导致微血管功能障碍和心脏肥大，促进 FoxO1 泛素化和降解，在 HF 诱导的炎症中起重要作用，MDM2 还可使 SIRT1 泛素化降解，在 DOX 诱导的 HF 中，SIRT1 下调会引发氧化损伤和细胞凋亡，敲低 MDM2 可减轻 DOX 诱导的心肌细胞损伤，抑制 MDM2 还可通过恢复 IκB 抑制 NF - κB 激活，抑制衰竭心脏中促炎细胞因子产生，MDM2 泛素化在 β2 - 肾上腺素能受体（AR）降解中起重要作用，抑制 MDM2 与 β2 - AR 相互作用可减轻缺血
