综述：心血管疾病中蛋白质的新型翻译后修饰

《Journal of Cardiovascular Translational Research》：New Types of Post-Translational Modification of Proteins in Cardiovascular Diseases

这篇综述聚焦心血管疾病（CVDs），详细阐述了翻译后修饰（PTMs）在其中的作用机制。介绍了传统和新型 PTMs，探讨其作为生物标志物和治疗靶点的潜力，为心血管疾病研究和治疗提供新思路，值得一读。

　　

心血管疾病与翻译后修饰研究背景

心血管疾病（CVDs）是全球发病率和死亡率的主要原因之一，然而其分子机制尚未完全阐明，当前治疗方式大多只能缓解症状，无法改变疾病进程。因此，揭示 CVDs 的分子机制，寻找新的生物标志物和治疗靶点迫在眉睫。

翻译后修饰（PTMs）是指在蛋白质合成后，通过共价连接功能基团来调节蛋白质结构和功能的过程，它是一种关键的调节机制。PTMs 能够改变蛋白质的构象和理化性质，在不进行从头蛋白质合成的情况下，增强蛋白质组的功能多样性。在心肌细胞中，基于 PTMs 的能量和资源节约对于快速适应各种刺激尤为重要。过去十年间，PTMs 在 CVDs 中的重要作用逐渐被认识，其在疾病发病机制中的调节存在多种改变。深入了解 PTMs 及其在 CVDs 中的作用，对于揭示 CVDs 的分子调节机制至关重要，也为开发新的诊断和治疗策略提供了有前景的途径。

传统 PTMs 类型及其生物学功能

PTMs 与 CVDs 的发生和发展密切相关。传统的 PTMs 类型包括磷酸化、糖基化、甲基化、泛素化和泛素样修饰等，这些修饰已被报道可修饰参与 CVDs 的多种蛋白质。酰化修饰则包括乙酰化、丙酰化、巴豆酰化、丁酰化、琥珀酰化、乳酸化和异烟酰化等，其中乙酰化常被归类为传统修饰，而最近发现的酰化修饰与 CVDs 中的信号通路和代谢相关。

1. 磷酸化：蛋白质磷酸化是指将磷酸基团从三磷酸腺苷（ATP）转移到特定氨基酸残基上，从而调节靶蛋白的活性和功能。研究发现，新生小鼠心肌梗死（MI）后心脏再生过程中，有 136 个差异磷酸化位点和 69 种蛋白质参与，凸显了磷酸化事件在 MI 后恢复过程中的复杂性。丝氨酸 / 苏氨酸激酶 AKT 是心脏肥大的关键调节因子，可通过 PDK1 和 PDK2 分别在 Thr308 和 Ser473 位点磷酸化而激活。激活后的 AKT 可磷酸化众多下游蛋白，调节促进或抑制心脏肥大的信号通路。此外，AMPK 作为另一种丝氨酸 / 苏氨酸激酶，可被 LKB1 在 Thr172 位点磷酸化激活，通过磷酸化多个下游蛋白和信号通路在心脏肥大中发挥作用。然而，磷酸化研究的挑战在于确定具有功能意义的磷酸化位点，以及这些位点的子集是否调节共同功能。
2. 糖基化：糖基化是一种关键的 PTM，其随器官和组织发育而变化，失调往往预示着疾病或组织损伤。研究表明，心外膜和心脏来源的 FSTL1 在促进心肌细胞增殖方面的功能差异，归因于 N180Q 位点的 N - 糖基化差异，突出了糖基化在心脏发育和再生中的重要性。此外，异常糖基化可调节心脏离子通道活性和电信号传导，且心脏糖组在心房和心室组织中存在区域差异，在心室发育过程中经历差异重塑，这种调节的糖基化影响心肌细胞的兴奋性和电压门控钠（Nav）通道的功能。异常糖基化可能参与长 QT 综合征或心力衰竭等疾病的发病机制，强调了理解糖基化在心脏健康和疾病中作用的重要性。
3. 甲基化：组蛋白甲基化在调节细胞周期基因表达中起关键作用。组蛋白甲基化主要发生在精氨酸和赖氨酸残基上，特定的组蛋白和残基决定修饰是激活还是抑制基因转录。例如，组蛋白 3 赖氨酸 4 的三甲基化（H3K4me3）通常表示启动子活性，而组蛋白 3 赖氨酸 9 的三甲基化（H3K9me3）与转录抑制相关。研究发现，组蛋白去甲基化酶 JMJD2A 可促进小鼠心脏肥大，其失活会导致 H3K9me3 增加和肥大表型减弱，而 JMJD2A 过表达则增强对横向主动脉缩窄（TAC）诱导的肥大反应。同时，组蛋白甲基转移酶 G9a 对心脏肥大进展中的表观遗传变化至关重要，凸显了甲基化在心肌细胞稳态和肥大中的重要性。全基因组研究揭示了健康心脏和衰竭心脏中 H3K4me3 和 H3K9me3 等组蛋白 PTMs 的不同分布模式，但这些研究大多基于整体组织标本，明确特定细胞类型中的表观遗传特征对于充分理解甲基化在心脏病理生理学中的作用至关重要。
4. 泛素化：泛素化是指将泛素共价连接到底物蛋白上的过程，由一系列涉及泛素激活酶、泛素结合酶和泛素连接酶的酶促反应介导。在心血管疾病中，泛素化因其参与调节心肌细胞增殖的信号通路而备受关注。例如，E3 泛素连接酶 Cullin7 可通过促进 MST1 的泛素化和降解，激活下游 YAP 通路，从而促进心肌细胞增殖。泛素 - 蛋白酶体系统（UPS）由 E3 连接酶和去泛素化酶（DUBs）组成，在心脏肥大中起关键作用。E3 连接酶 TRIM8 介导的 TAK1 的 K63 连接的多泛素化可引发病理性肥大，而 DUBs 也可通过 TAK1 信号通路调节心脏肥大。此外，UPS 在蛋白质质量控制机制中也起着重要作用，其功能不足与心力衰竭有关，但 UPS 影响心力衰竭的具体机制仍存在争议。

新型酰化修饰及其生物学功能

1. 乙酰化：乙酰化是一种 PTM，涉及将乙酰基转移到靶蛋白的氨基酸上，由乙酰转移酶催化。组蛋白乙酰化在调节染色体结构稳定性和基因转录中起关键作用，组蛋白乙酰转移酶（HATs）和去乙酰化酶（HDACs）是这些过程的关键调节因子。Notch 信号可在胚胎和出生后早期调节心肌细胞增殖，研究表明，Notch1 的细胞内结构域（N1ICD）发生乙酰化，可显著增强新生大鼠心肌细胞在体内和体外的增殖。此外，circRNA HIPK3 可通过乙酰化提高 N1ICD 的稳定性，促进成年小鼠心肌梗死后心肌细胞增殖。HDACs 在 CVDs 中的作用已得到充分证实，HDAC 抑制剂可减轻心肌梗死面积，保护心脏收缩功能。不同类别的 HDACs 通过调节 MEF2 转录因子等元素维持正常心脏功能和大小，I 类 HDAC 抑制剂可减少心脏纤维化，增强心脏功能，这表明 HDAC 抑制剂有望成为治疗心力衰竭的药物。乙酰化在动脉粥样硬化斑块等心血管疾病的发病机制中也起着重要作用，它可通过调节高脂血症条件下的内皮细胞激活，影响斑块的发展或消退。例如，白细胞介素 - 35 可抑制线粒体 ROS 驱动的 H3K14 乙酰化，从而抑制内皮细胞激活和动脉粥样硬化病变进展；衰老小鼠中低水平的组蛋白 H3 赖氨酸 9 乙酰化（AcH3K9）与心肌肌钙蛋白水平降低和舒张功能障碍相关，可被 HDAC3 和 HDAC1 抑制剂逆转；在腹主动脉瘤患者中，观察到翻译后修饰异常，包括赖氨酸乙酰转移酶活性改变和组蛋白 H3K9、H3K18 和 H3K14 位点乙酰化增加；高同型半胱氨酸水平可激活 N - 甲基 - d - 天冬氨酸受体 - 1，抑制 HDAC1，增强 H3K9 乙酰化，而心肌特异性 N - 甲基 - d - 天冬氨酸受体 - 1 缺失可通过乙酰化和染色质重塑减轻同型半胱氨酸诱导的心脏损伤；在高血压大鼠中，丙戊酸（一种 HDAC 抑制剂）治疗可通过增加盐皮质激素受体（MR）靶基因启动子上的组蛋白 3 乙酰化，降低 MR 靶基因表达，从而减轻心脏肥大和纤维化。
2. 巴豆酰化：赖氨酸巴豆酰化是一种高度保守的 PTM，在生理和病理过程中作为重要的调节因子。在肥厚型心肌病（HCM）患者的心肌中，观察到短链烯酰辅酶 A 水合酶（ECHS1）表达降低，组蛋白 H3K18 和 H2BK12 巴豆酰化增加，表明 ECHS1 和组蛋白巴豆酰化在 HCM 发病机制中起作用。进一步研究表明，ECHS1 过表达可抑制血管紧张素 II（Ang II）诱导的心肌细胞肥大，提示 ECHS1 可能通过抑制组蛋白巴豆酰化来预防心肌肥大，因此组蛋白巴豆酰化位点可能成为治疗 ECHS1 相关心肌肥大的潜在治疗靶点。研究还发现，调节线粒体蛋白 IDH3a 在 K199Q 位点、细胞骨架蛋白 TPM1 在 K28/29Q 位点的特异性赖氨酸巴豆酰化（Kcr），或通过提供巴豆酸钠增强总体 Kcr，不仅可通过抑制 BNIP3 介导的线粒体自噬或细胞骨架结构重排保护心肌细胞免于凋亡，还可保护损伤后的心肌功能，表明 Kcr 调节是心肌细胞对缺血 - 再灌注损伤的关键反应。此外，NEDD8 激活酶 E1 调节亚基（NAE1）的 K238 巴豆酰化在心脏肥大中起关键作用，该修饰通过凝溶胶蛋白的 neddylation 介导心脏肥大。sirtuin 家族的蛋白质可去除赖氨酸残基上的巴豆酰化，调节靶蛋白的生物学功能。在 SIRT1 基因敲除小鼠的心肌中，观察到肌浆 / 内质网钙 ATP 酶 2a（SERCA2a）在 Lys 120 位点的显著巴豆酰化，导致 SERCA2a 活性降低和心脏功能受损。
3. 琥珀酰化：蛋白质琥珀酰化是指将琥珀酰基转移到靶蛋白残基上的过程，在心肌细胞代谢和 CVDs 发展中起重要作用。Sirtuin 5（SIRT5）是一种线粒体去琥珀酰酶，调节心脏代谢和功能，赖氨酸琥珀酰化是 SIRT5 的关键功能。在 SIRT5 基因敲除小鼠模型中，氧化代谢蛋白的琥珀酰化水平增加，导致心肌肥大；SIRT5 琥珀酰化还影响缺血 / 再灌注（I/R）损伤的进展，在 SIRT5 基因敲除小鼠中，琥珀酰化蛋白在心脏代谢途径中积累，加重心肌梗死的严重程度；缺乏 SIRT5 的脂肪来源间充质干细胞表现出蛋白质琥珀酰化增加、线粒体呼吸减少和葡萄糖代谢改变，可促进血管增殖。蛋白质组学研究进一步阐明了琥珀酰化在主动脉瘤和夹层（AAD）中的作用，发现琥珀酰化与这些主动脉疾病相关，具有琥珀酰化位点的蛋白质可能作为潜在的标志物和治疗靶点。在心房颤动患者中，琥珀酰化蛋白在能量代谢中高度富集，其琥珀酰化水平在房颤和窦性心律患者之间的变化表明它们参与了该疾病。尽管琥珀酰化修饰目前是研究热点，但其在心血管疾病中的调节机制尚未完全明确，需要进一步研究。
4. S - 亚硝基化：S - 亚硝基化（SNO）是一种新兴的 PTM，其在 CVDs 发病机制和进展中的作用已被多项研究强调。在 TAC 手术小鼠的心脏成纤维细胞中，观察到 SNOHsp90 水平增加，Hsp90 在 Cys589 位点的 SNO 修饰至关重要，其突变抑制可减少心脏纤维化。诱导型一氧化氮合酶（iNOS）是 SNO - Hsp90 形成的关键酶，也是潜在的治疗干预靶点，iNOS 基因敲除可降低 TAC 小鼠的 SNO - Hsp90 水平，减弱 TGFβ/SMAD3 信号通路，从而减轻心脏纤维化。SNO 在主动脉疾病中也具有重要意义，主动脉夹层患者主动脉组织中的 SNO 水平较高。研究发现，plastin - 3 是 S - 亚硝基化在 Cys566 位点的关键靶蛋白，iNOS 诱导的 SNO - PLS3 参与内皮细胞黏附的病理破坏和主动脉夹层的发展。此外，内皮型一氧化氮合酶（eNOS）在 Cys94 和 Cys99 位点的 S - 亚硝基化参与氧化低密度脂蛋白诱导的内皮功能障碍；S - 亚硝基化的鸟嘌呤核苷酸结合蛋白 G (i) 亚基 α - 2（SNO - GNAI2）是糖尿病加速动脉粥样硬化的关键驱动因素，其通过与 CXCR5 相互作用，激活 YAP 依赖的内皮炎症，是动脉粥样硬化的潜在治疗靶点；S - 亚硝基化的 Septin2（SNO - Septin2）与主动脉瘤和夹层的发病机制有关，其与巨噬细胞中的 TIAM1 - RAC1 轴偶联，激活核因子 - κB 信号通路依赖的炎症和细胞外基质降解，也是潜在的治疗靶点。
5. 丙二酰化：丙二酰化是由丙二酰辅酶 A 介导的 PTM，参与多种生理和病理过程。SIRT5 作为 NAD⁺依赖的去丙二酰酶，对心血管稳态至关重要，心脏组织中 SIRT5 减少会导致蛋白质丙二酰化，影响代谢重编程，促进 CVDs 的发展。在血管内皮细胞中，脂肪酸合酶缺乏导致丙二酰辅酶 A 水平升高，使 mTOR 在 K1218 位点发生丙二酰化，损害其激酶活性，导致血管生成缺陷。在免疫细胞中，如 GAPDH 在赖氨酸 213 位点的丙二酰化可促进心血管重塑中的炎症和巨噬细胞激活。最近的研究揭示了赖氨酸丙二酰化与心脏肥大之间的联系，肥厚型心肌细胞中丙二酰化减少，而丙二酰化酶活性在心脏结构和代谢中显著富集。
6. S - 棕榈酰化：S - 棕榈酰化由锌指天冬氨酸 - 组氨酸 - 组氨酸 - 半胱氨酸（zDHHC）家族的酶催化，是一种关键的脂质修饰，影响蛋白质在细胞内的定位，与癌症、炎症和心血管疾病等多种疾病相关。高尔基体定位的酶 zDHHC3 和 zDHHC7 是心脏肥大的调节因子，zDHHC3 与 Rac1 的棕榈酰化和心脏病理相关，尽管这些酶缺失初期可减轻肥大，但其他途径会随时间补偿，凸显了心脏重塑的复杂性。zDHHC5 对 Phospholemman 等蛋白的棕榈酰化对心肌梗死病理具有重要意义，其缺失可改善缺氧 - 再灌注后的恢复，表明其在膜动力学中的关键作用。此外，eNOS 的棕榈酰化对其在内皮细胞中的功能至关重要，去棕榈酰化酶 APT1 缺失对血管重塑的影响强调了蛋白质棕榈酰化在内皮功能和血管健康中的重要性。
7. β - 羟基丁酰化：组蛋白赖氨酸 β - 羟基丁酰化（Kbhb），尤其是 H3K9bhb，在活性基因启动子中富集，在饥饿或糖尿病酮症等条件下增加。β - 羟基丁酸是哺乳动物中主要的酮体，在 CVDs 中具有潜在的治疗作用，可影响基因转录、炎症、氧化应激和心脏重塑。β - 羟基丁酸转化为 β - 羟基丁酰辅酶 A 有助于 β - 羟基丁酰化，其抑制氧化应激和炎症的能力可能对射血分数保留的心力衰竭（HFpEF）具有保护作用。β - 羟基丁酸还参与出生后心脏发育，促进心肌细胞线粒体成熟和代谢重编程。作为 I 类 HDACs 的天然抑制剂，β - 羟基丁酸可上调 Foxo3a 和 MT2 等基因以减少氧化应激，还可能影响心肌细胞自噬，但其确切机制尚未完全明确。总体而言，β - 羟基丁酸及其相关的 β - 羟基丁酰化对心脏发育和疾病预防至关重要，凸显了其作为心脏保护剂的重要性。
8. 乳酸化：乳酸曾被认为只是糖酵解的副产物，如今其在生理过程中的多方面作用逐渐被认识。乳酸可通过直接或间接进入线粒体基质参与细胞能量代谢，为能量生产提供燃料；还具有免疫调节作用，通过多种信号通路发挥作用，并能直接影响蛋白质功能，控制细胞增殖。最重要的是，乳酸可作为表观遗传修饰底物，诱导组蛋白和非组蛋白蛋白质的赖氨酸残基发生乳酸化，该修饰在基因转录和蛋白质功能调节中起作用。
   • 乳酸化与缺血性心脏病：在急性心肌梗死（AMI）中，血液乳酸水平升高与死亡率增加和患者预后不良相关，这表明了解乳酸代谢和信号传导可能有助于发现治疗 AMI 的新靶点。乳酸化的表观遗传影响建立了葡萄糖代谢与基因表达之间的联系，虽然心肌梗死后组蛋白乳酸化在启动修复基因转录中的具体作用尚未完全阐明，但它作为疾病发展中的关键表观遗传调节剂的重要性是显而易见的。例如，研究发现巨噬细胞中 H3K18la 修饰的基因对调节 LRG1、VEGF 和白细胞介素 - 10 等修复基因至关重要；热休克蛋白 A12A 可通过增加 H3 组蛋白乳酸化减轻缺血 / 再灌注诱导的心肌损伤，促进糖酵解；而 MI 后血管内皮细胞中 Snail1 转录因子的乳酸化可通过刺激 TGF - β 基因表达和诱导内皮 - 间充质转化（EndoMT）损害心脏修复，可能导致 MI 后心脏纤维化。缺血条件下，乳酸积累和缺氧诱导因子（HIF）信号激活是特征性事件。研究表明，缺氧诱导的线粒体 ROS 抑制 HIF - 1α 羟基化，通过上调 HIF - 1α/PDK1 - PDK2/PDH - E1α 轴触发肺动脉平滑肌细胞糖酵解转换，促进乳酸积累和