窖蛋白与心血管系统疾病关系的研究进展

摘要：胞膜窖（Caveolae）是细胞膜上的特异性囊状小凹结构，在维持细胞正常功能及信号传递方面有着重要的作用，其主要由醇类、鞘磷脂及蛋白质组成。窖蛋白（Caveolin）是Caveolae的重要结构蛋白和标记蛋白，通过脚手架区域将特异性信号受体募集在Caveolae上，将胞外信号分子转移到细胞内。其参与的细胞过程有小泡运输、胆固醇平衡、信号转导、抑制肿瘤等。目前已发现的Caveolin家族成员有3类，Cav-1，Cav-2，Cav-3，这三类蛋白质在心血管系统广泛存在。细胞类型特异性研究表明Caveolae蛋白主要存在于内皮细胞、平滑肌细胞成纤维细胞和心肌细胞。Caveolin的变化与心血管疾病之间有着密切的关系。

关键词：动脉粥样硬化； 心肌肥大； 缺血/再灌注损伤；窖蛋白

中图分类号：R54 R256.2 文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1672-1349.2014.09.047 文章编号：1672-1349（2014）09-1124-03

心血管疾病是目前全世界都极为关注的导致人类高发病率、高死亡率的一项疾病。心脏保护策略的主要关注点集中于如何减少动脉粥样硬化、心律失常、心肌肥大、心衰以及心肌缺血/再灌注的损伤等方面。研究发现，胞膜窖（Caveolae）在心血管系统疾病方面有着重要的作用，窖蛋白（Caveolin）缺失后，会引起严重的心肌病变。Caveolin基因突变会改变Caveolin的表达，并且与遗传性心律失常有关。心脏病理性病变时，Caveolin水平及相关下游信号分子发生改变等都证实了Caveolin完整性对维持心脏正常生理功能有重要的作用，因此充分认识Caveolin在心血管病理生理方面的作用，为临床治疗心血管系统疾病提供新的目标。但因其在心血管中作用的具体机制还尚未完全阐明，仍是目前亟待解决的问题。

1 Caveolae及Caveolin概述

1.1 Caveolae/Caveolins Caveolae在20世纪50年代被发现，是位于细胞膜上的一种特异性囊状小凹结构，其直径（50～100）nm[1]。在维持细胞正常功能及信号传递方面有着重要的作用，主要由醇类、鞘磷脂及蛋白质组成[2]。Caveolin是Caveolae的重要蛋白，通过脚手架区域可以将脂质（胆固醇、鞘糖脂），信号转导蛋白（G蛋白、原癌基因、表皮生长因子受体、蛋白激酶、Src激酶）及结构蛋白（蛋白聚糖、磷酸果糖激酶、蛋白抗体）聚集在Caveolae上，参与大分子转运，维持细胞质膜的完整性，囊泡物质交换，信号转导和力学信号传导[3-5]。目前已发现的Caveolin家族成员有3类，Cav-1，Cav-2，Cav-3，这三类蛋白质在心血管系统广泛存在。细胞类型特异性研究表明Caveolae蛋白主要存在于内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞和心肌细胞[6-9]。三种Caveolin基因敲除以后，都会出现心血管疾病表型，证实Caveolins是调节和维持心血管系统的重要信号分子。

1.2 Cav-1 存在两种细胞亚型，Cav-1α和Cav-1β。Cav-1是由178个氨基酸残基组成的包膜蛋白。其中性区域包含33个疏水氨基酸，其功能是膜锚着点，使得Cav-1形成发卡样结构，N端和C端朝向细胞质。Cav-1不仅存在于内皮细胞、纤维细胞上，而且在心肌细胞上也有所表达[10-12]。敲除Cav-1基因鼠的心肌细胞呈现出类似人心肌细胞肥大样表型[13]。在Cav-1敲除鼠，血管、心肌以及肺脏完整性都受到了损伤，但是恢复内皮细胞Cav-1的表达后，能减轻以上损伤[14]。说明Cav-1在维持机体多种器官的正常功能方面有着重要的作用。

1.3 Cav-2 有α、β和γ三种亚型，其组织、细胞分布与Cav-1大体一致。Cav-2一般与Cav-1形成低聚体化合物发挥作用。在Cav-1缺失的情况下，Cav-2以单聚体或二聚体的形式存在于高尔基体内。研究发现，在内皮细胞[15]、成纤维细胞以及心肌细胞[16]中检测到Cav-2mRNA以及Cav-2蛋白。Capozza等研究显示，Cav-2与Cav-3形成异聚体化合物，说明Cav-2可能影响Cav-3在横纹肌细胞、心肌细胞的生物合成。免疫化学染色显示，Cav-2与Cav-3位于心肌细胞的不同区域，说明Cav-2有尚未认识到的其他功能。

1.4 Cave-3 1996年Tang首次鉴定了Cav-3[17]，并发现仅在骨骼肌和心肌的Caveolae和T管上发现高水平的Cav-3，暗示其在心肌细胞有重要的作用。Cav-3是由151个氨基酸组成的胞膜蛋白质，由位于中央的33个氨基酸构成跨膜部分，N端和C端均游离于胞浆面，N端的41个氨基酸（61～101）形成了Cav-3的脚手架区，它可以与多种信号蛋白上存在的共同特异序列结合。所以，Cav-3成为目前心肌保护作用研究的新靶点。

2 Caveolins与心血管疾病之间的关系

2.1 与动脉粥样硬化的关系 在动脉粥样硬化病变的内皮细胞中，观察到Caveolae的数量有显著性降低[18]，暗示细胞膜Caveolae结构的改变可能是动脉粥样硬化内皮功能紊乱的基础。心血管危险因子能够改变Caveolae的结构区域。低密脂蛋白（LDL）水平增高引起Cav-1增加，从而导致NO水平下降。随后，又发现被氧化的LDL也可以抑制血管NO的产生，但是与LDL不一样，它是通过特异性的去除Caveolae胆固醇，而破坏Caveolae结构发挥作用[19]。在Cav-1/载脂蛋白E双敲除的老鼠上研究发现，载脂蛋白E敲除后Cav-1的缺失有效降低动脉粥样硬化的发展[20]。近期研究发现，Cav-1通过调节早期生长应答因子，促进单核细胞向巨噬细胞的转化，引起动脉粥样硬化[21]。针对Caveolin系统可以为血管紊乱提供新的靶向治疗，但Caveolins参与动脉粥样硬化的具体机制仍然有待于研究。

2.2 与心律失常的关系 在心肌细胞上，Caveolae包含多种离子通道（电压门控Na通道，电压依赖性Ca通道，电压依赖性K通道，ATP酶以及Na/Ca交换体）[22]。Cav-3突变与人的室性心律失常和突发性心脏猝死有关[23]。Vaidyanathan等[24]研究证实，Cav-3基因突变，会导致心肌内向整流钾电流降低，进而引起QT间期延长综合征。婴儿猝死综合征，是由于Cav-3突变扰乱正常的钠离子通道所致[25]。心肌梗死和心肌肥大等心脏疾病，引起Caveolae形态改变以及Cav-3蛋白表达的变化，会继发性的出现心律失常。以上研究说明，Caveolae和Caveolin的改变引起Caveolae区域的离子通道改变，最终导致心律失常的风险性增加。

2.3 与心肌肥大的关系 心肌肥大的本质是心肌细胞的体积增大，它分为适应性的生理性肥大和压力、体积超负荷的病理性肥大。心肌肥大在心脏重塑和心衰的发展过程中起关键的作用。心肌肥大最初仅仅是少量细胞体积的改变，但到后期，由于长期遭受血流动力学的刺激，心室心肌细胞发生形态及生化改变时，就标志着心肌肥大的形成[26-30]。研究表明，Cav-1和Cav-3参与了心肌肥大的形成。

在Cav-1基因敲除鼠中出现了心脏收缩功能紊乱，并发现了以心肌细胞体积增大和心肌间质纤维化为特征的心肌肥大现象[31]。将Cav-1基因敲除后，出现左室内径增大、室壁变薄、扩张性心脏病及心脏收缩、舒张功能障碍等心功能受损表现[32]。Cav-3基因敲除心肌的组织形态学显示细胞内渗透压增加并伴随有血管周围/间质纤维化。Cav-1/Cav-3双基因敲除鼠，Caveolae形态学完全不可辨认，并发生严重的左室肥大性、扩张性心肌病表型[33]。这种以心室扩张、心肌肥大、收缩功能降低为特征的心肌病在Cav-3单基因敲除鼠中也可以观察到[34]。患有主动脉狭窄的小鼠，用腺病毒转染致Cav-3表达增高后，不仅减轻了心肌肥大现象，而且维持了心脏功能。同时，发现心房钠尿肽和脑啡肽水平与原先相比增高（3～7）倍，而心房钠尿肽是治疗心肌肥大和心衰的重要方法。这些实验结果都说明，Cav-3的表达在调节心肌肥大方面有着重要的作用。因此，探讨Caveolins在心肌肥大和心衰的重要作用，为研究心肌病的病理机制提供了重要依据，而且为心衰患者的治疗提供了新的目标。

2.4 与心肌缺血/再灌注损伤的关系 心肌梗死是冠状动脉血流阻断引起的心肌细胞凋亡损伤。一般是由于冠状动脉粥样硬化引起的阻塞。1986年，Murry等[35]发现在持续缺血损伤之前，多次短暂的缺血，不会引起缺血损伤，而会增加对抗缺血损伤的耐受程度。目前，缺血预处理是对抗心肌缺血/再灌注损伤（I/R）的有效手段。

缺血预处理通过再灌注损伤补救激酶（RISK）信号级联反应发挥作用[36]。在IPC保护信号RISK途径中，PI3K-Akt以及PI3K-Erk起着重要的作用。这两种促存活激酶激活后，对心肌缺血及灌注损伤都有保护作用[37，38]。值得注意的是，RISK信号通路的众多模信号分子G蛋白偶联受体（GPCRs），酪氨酸激酶（RTKs）、Src激酶、G蛋白、H-Ras、一氧化氮合酶、蛋白激酶C、PI3K以及MEK/ERK激酶都与Caveolae和Caveolins有关[5]。Cav-3过表达的转基因鼠，对I/R损伤的耐受力增加；不仅改善了I/R后心脏功能的恢复，而且Akt以及GSK3β磷酸化基础值也有所增加[39]，说明在Cav-3表达增高鼠中，RISK信号通路增强。PI3K抑制剂渥曼青霉素能够消除Cav-3表达增高的心肌保护效应。另外，缺血预处理的心肌保护效应在Cav-3基因敲除鼠中也得不到发挥。

缺血预处理可以通过调节Caveolae的微环境及Caveolin相关蛋白之间的相互作用，增加NO的生成而发挥心肌保护效应[40]。与此一致的是，Koneru等[41]发现缺血预处理后，eNOS和葡萄糖转运蛋白-4位置发生改变，都转移到了Caveolae上。

在缺血预处理以及阿片类物质预处理介导的心肌缺血/再灌损伤保护中，也与Caveolae与Caveolin有关。用甲基-β-环糊精（MBCD）处理心肌细胞，损害膜表面的胆固醇，Caveolae结构发生改变，使得缺血预处理以及阿片类物质不能发挥心肌保护效应。然而，在MBCD处理后，重新恢复膜表面胆固醇，使得Caveolin-3正常表达，仍可以对抗缺血/再灌引起的细胞死亡。同样，用MBCD和秋水仙素处理破坏Caveolae后，异氟醚预处理也不能发挥心肌保护效应[42]。心脏经异氟醚处理或其他对抗I/R的保护因素刺激后，Caveolae的表达提高，Src磷酸化水平增加，抑制Src的C末端Src激酶增高。而Cav-1基因敲除后，异氟醚的这种心肌保护作用机制，也被损害了[39]。Cav-3基因敲除后，抑制七氟醚预处理对I/R损伤的保护作用，并且发现Cav-3调节的这种保护作用与COX-2表达有关。

3 结 语

Caveolins是心肌保护的重要调节器，也为心肌及其他系统的保护提供了临床治疗靶向。心脏保护策略的主要关注点集中于如何减少动脉粥样硬化、心律失常、心肌肥大以及心肌缺血/再灌注的损伤。虽然在正常以及病理模型中，已经证明了Caveolin家族表达的变化，但是Caveolin在心血管疾病保护中的具体机制尚不清楚。动物实验已经证明了Caveolin的心脏保护效应，也证实了Caveolin协调细胞信号分子的重要调节作用。因此，未来需要针对患有心血管疾病的患者，通过基础以及随机临床试验研究，探索Caveolin的心肌保护作用机制，从而为临床治疗提供重要的目标。

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作者简介：李静静，现为山西医科大学研究生（邮编：030001）；赵建力（通讯作者），工作于山西医科大学第一医院（邮编：030001）。

（收稿日期：2014-01-02）