O-糖基化与心血管疾病关系的研究进展论文

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基金项目：国家自然科学基金（８１３７０２８８） 作者单位：３３０００６南昌大学第二附属医院心内科 通信作者：洪葵，Ｅｍｍｌ：ｈｏｔＩｇｋｕｉ８８＠１６３．ｃｏｎ
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生堡！坚血笪痘苤查！！！！生！旦筮竺鲞箜！塑￡！也』堡！旦ｉ！！：坠！丝！垫！！：∑！！：坐塑！：！ 效改善心功能，减少炎症反应和增加存活率Ｈ”…。 炎症是心血管疾病重要的发病机制之一，越来越多的资 料表明Ｏ一糖基化修饰可以有效减少炎症。动脉粥样硬化是 临床常见的慢性炎症性疾病，炎症在其发生、发展和演变过 程中发挥着重要作用。研究证实血管内膜损伤与Ｏ一糖基化 修饰之间存在直接联系，在体动物颈动脉损伤模型中，增加 Ｏ一糖基化水平可显著减少白细胞渗出、减少急性炎症介质释 放和抑制内膜新生。３…。目前，动脉粥样硬化的发病机制仍 不清楚，临床并无治疗该疾病的特效药。不过，糖基化可能 是治疗动脉粥样硬化的重要靶点。 四、Ｏ一糖基化修饰在心血管疾病中的损伤效应 在糖尿病和高血压等疾病的病理生理过程中心肌组织 内蛋白质Ｏ．糖基化水平持续升高，通过抑制糖基化水平可 以减缓疾病进展。在血管内皮的研究中发现，糖基化水平升 高可引起内皮细胞功能紊乱。Ｏ．糖基化修饰在心血管疾病 中也存在着损伤效应。 １．糖尿病性心肌病：近年来，伴随着糖尿病的发病率逐 年升高，继发于糖尿病的心肌病已成为糖尿病患者死亡的主 要原因。目前糖尿病心肌病确切的发病机制尚不清楚，可能 过高０一糖基化水平导致心功能不全，降低细胞内Ｏ一糖基化 水平可以改善钙循环和心功能旧…。之后，进一步研究证 实，高糖（３０ ｍｍｏｌ／Ｌ）处理的心肌细胞线粒体蛋白的Ｏ一糖基 化水平升高，导致氧化呼吸链功能障碍和三磷酸腺苷（ＡＴＰ） 合成减少‘３ ３Ｉ。也有研究发现控制血糖可以恢复胰岛素对犬 的缺血再灌注心脏保护效应，并且体外实验证实ＤＯＮ抑制 减低Ｏ一糖基化水平可以改善心肌细胞缺氧复氧损伤’３４。此 外，异常的心肌肌丝蛋白（肌动蛋白、肌球蛋白和肌钙蛋 白Ｉ）存在Ｏ一糖基化，并且过高的Ｏ一糖基化水平可减少钙敏 感性，提示糖基化水平增加可引起心脏收缩功能降低口５｜。 并且发现糖尿病患者和小鼠模型中，高血糖可导致０一糖基 化修饰的钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ（ＣａＭＫｌｌ）增多，最终 引起心律失常一…。在小鼠糖尿病模型中发现，抑制ＣａＭＫＩＩ 的Ｏ一糖基化修饰可有效发挥抗心律失常作用。 目前已有研究表明长期的高血糖可提升蛋白糖基化水 平，引起线粒体功能障碍、心脏收缩功能不全和离子通道功 能异常，最终发展成为糖尿病心肌病。因此，糖基化为阻断 糖尿病心肌病产生和发展提供了一个新的靶点，为优化临床 治疗措施提供了理论依据。 ２．高血压和心肌肥厚：临床上糖尿病合并高血压的患 者很普遍，其心血管疾病发生率高，预后不良。长期持久的 高血糖会刺激血管，持续改变血管和内皮活性，增加血管收 缩敏感性，最终导致微循环障碍而出现高血压。近年来，随 着糖基化研究的深入，发现高血压鼠模型中蛋白的Ｏ一糖基 化水平升高可通过抑制内皮型一氧化氮合酶（ｅＮＯＳ）的激活 损伤血管舒张功能。３“，而且内皮素一１（ｅｎｄｏｔｈｅｌｉｎ一１，ＥＴ一１）可 以通过抑制ＯＧＡ表达和增加Ｏ一糖基化水平，促进血管收 缩，并通过一系列转录因子诱导产生炎症、氧化应激最终导 致组织坏死ｐ“。通过抑制ＯＧＴ活性减少Ｏ一糖基化水平，可
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．综述．
ｏ－糖基化与心血管疾病关系的研究进展
过Ｏ．糖苷键连接 丝／苏氨酸羟基而形成糖蛋白。过去一直认为Ｏ一糖基化修 饰只发生在膜蛋白上，近３０年研究已证实Ｏ一糖基化修饰广 泛存在于细胞质、细胞核和线粒体内等１ ０００余种蛋白 质‘１。２。，与磷酸化修饰相类似，是一种重要的蛋白质翻译后修 饰方式，通过调节基因转录、信号转导和蛋白质之间的相互 作用，在调控细胞增殖、分化、迁移、粘附、凋亡及自噬中均发 挥着重要的作用¨…。 目前有关Ｏ一糖基化修饰在心血管疾病中的研究主要包 括两方面，一方面认为Ｏ一糖基化水平的慢性升高对心肌组 织产生不利影响，其与心肌代谢疾病，如糖尿病的发生密切 相关，另一方面，Ｏ一糖基化水平升高对心肌和血管具有保护 作用。由于Ｏ一糖基化修饰在心血管疾病中存在着损伤和保 护的双重效应，因此越来越受到关注。因此，本文主要阐述 Ｏ．糖基化修饰如何影响心血管疾病的病理生理进程，并证实 其在维持心血管系统正常功能中的关键作用。 一、Ｏ－糖基化修饰过程及其关键调节酶 参与调节Ｏ．糖基化合成和更新的主要成分及已糖胺生 物合成过程（ＨＢＰ）中关键酶包括６一磷酸果糖氨基转移酶 （ＧＦＡＴ）、Ｏ一糖基化糖基转移酶（ＯＧＴ）和Ｏ一糖基化糖苷酶 （ＯＧＡ）。首先，ＧＦＡＴ将果糖一６一磷酸转换为葡萄糖胺＿６一磷 酸。接下来，葡萄糖胺－６－磷酸在乙酰转移酶（Ｅｍｅ９３２）的作 用下，利用乙酰辅酶Ａ转换成Ｎ一乙酰葡萄糖胺毛一磷酸。然 后，利用葡萄糖磷酸变位酶（ｍｕｔａｓｅ）使其转变为Ｎ一乙酰葡 萄糖胺．１一磷酸。最终，焦磷酸化酶催化尿苷酸核苷酸结合 至ＵＤＰ—ＧｌｃＮＡｃ上，形成Ｏ－糖基化供体二磷酸尿苷一Ｎ一乙酰 葡萄糖胺（ＵＤＰ—ＧｌｃＮＡｃ）。葡萄糖、谷氨酸盐和乙酰ＣｏＡ等 是已糖胺生物合成途径中的原料，与氨基酸代谢、脂肪酸代 谢和核苷酸代谢相关。１９９４年，美国学者发现ＨＢＰ过程中 的限速酶为ＧＦＡＴ，其在真核细胞中高度保守，存在２种不同 亚型，即ＧＦＡＴｌ和ＧＦＡＴ２，ＧＦＡＴ２主要表达于心脏和神经系 统．通过增加ＵＤＰ—ＧｌｃＮＡｃ的合成促进蛋白的Ｏ－糖基化修 饰‘５ Ｊ。ＭｃＣｌａｉｎ等ｍ ｏ运用谷胺酰胺氨基转移酶抑制剂 （ＤＯＮ）抑制ＧＦＡＴ活性，降低Ｏ一糖基化水平，改善胰岛素 抵抗。 单糖的Ｂ—Ｎ．乙酰葡萄糖胺在ＯＧＴ的催化下，由Ｏ一糖苷
应底物等使心肌细胞内的Ｏ一糖基化水平升高可以减轻心肌 缺血再灌注损伤所致的钙超载、氧化应激和内质网应激，稳 定线粒体跨膜电位，促进线粒体抗凋亡蛋白表达，从而减少 心肌细胞凋亡一“”。。通过增加ＯＧＡ或抑制ＯＧＴ下调Ｏ一糖 基化水平，则可以取消上述保护作用。最新研究发现，缺血 预处理及远端缺血预处理可以通过增加Ｏ一糖基化水平发挥 抵抗缺血再灌注损伤的作用。１“”。。然而，心肌在缺血或缺 血预适应中Ｏ—ＧｌｃＮＡ修饰水平升高发挥保护效应的明确机 制仍不明确。２０１４年，Ｗａｎｇ等四。报道未折叠蛋白反应促进 拼接ｘ盒结合蛋白１（ＸＢＰｌ）激活和糖基化水平升高。在心 肌缺血再灌注的小鼠模型中，ＸＢＰｌ蛋白通过转录激活 ＧＦＡＴＩ，增加ＨＢＰ的合成，促进蛋白的Ｏ一糖基化修饰，并且 通过转基因技术增加ＸＢＰｌ蛋白表达，可以增强Ｏ一糖基化依 赖的抗心肌缺血再灌注损伤的作用。 ２．心力衰竭：通过野生型小鼠心肌梗死后心力衰竭模 型发现Ｏ一糖基化水平和ＯＧＴ表达升高，ＯＧＡ表达明显下 降。通过转基因技术特异性敲除小鼠心肌中ＯＧＴ的基因 后，ＯＧＴ缺乏引起的低水平Ｏ．糖基化明显加重了梗死后心 肌细胞凋亡，心肌细胞存活率降低，心脏收缩功能明显下降， 死亡明显增多，提示ＯＧＴ敲除所致Ｏ一糖基化水平下降可加 重梗死后心力衰竭、增加病死率旧“。此外，通过小鼠心肌梗 死模型也证实，增加小鼠心肌线粒体蛋白质的Ｏ—Ｇ｜ｃＮＡ修 饰可以有效抵抗钙离子导致的线粒体肿胀，减少心肌损伤， 改善小鼠心功能。２“。最新基础研究显示，小鼠心力衰竭模 型中微小ＲＮＡ－５３９上调抑制ＯＧＡ表达而增加Ｏ一糖基化水 平，提示微小ＲＮＡ６３９可能在心力衰竭代偿中发挥重要作 用。２…。最新临床研究发现，在急性失代偿的心力衰竭患者 中Ｂ型利钠肽前体（ｐｒｏＢＮＰ）糖基化水平下降，然而Ｎ末端 Ｂ型利钠肽（ＮＴ—ＢＮＰ）明显升高，进一步说明糖基化可能在 心力衰竭代偿阶段发挥着重要的保护作用。２“。 ３．心律失常：心肌细胞内的离子通道蛋白被高度糖基 化，多种离子通道蛋白中多糖结构高达３０％。糖基化可以 通过修饰电压门控型钠和钾通道蛋白影响通道功能，进一步 发现唾液酸协助Ｏ一糖基化修饰从而调节钾离子通道的开 放。２’”４。ＫＣＮＱｌ一ＫＣＮＥｌ（Ｋｖ７）钾离子通道的Ｏ一糖基化修饰 在调节心脏Ｉ。通道电流和动作电位持续时间中发挥着重要 作用。２ ７。２０１ １年，美国学者首次提出０一糖基化修饰参与调 控心肌细胞代谢和生物昼夜节律，而生物昼夜节律可以通过 神经和内分泌等因素调控心律失常的易感性、２“。目前已有 研究表明，心血管恶性心律失常事件的发生具有昼夜节律 性，这很可能与通道蛋白０－糖基化修饰的快速改变有关。 ４．其他心血管保护效应：严重的损伤如创伤失血性休 克等常会增加应激激素表达，外周葡萄糖吸收增多从而引起 体内高糖血症。目前，应激性高糖血症在创伤中作用还存在 争议。应激诱导高糖血症可为重要器官能量代谢提供必需 的葡萄糖供应。２９ Ｊ。而有研究证实创伤失血性休克的小鼠模 型中０一糖基化水平下降，进一步研究发现增加葡萄糖的摄 取和抑制ＯＧＡ活性从而提升蛋白的Ｏ一糖基化水平，可以有
ＤＯＩ：１０．３７６０／ｃｍａ．ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－３７５８．２０１６．０３．０１７
１．心肌缺血再灌注损伤：２００７年，有研究显示通过葡萄 糖胺直接增加乳鼠心肌细胞ＨＢＰ，上调蛋白质的Ｏ一糖基化 水平，可以有效减轻心肌缺血再灌注损伤。１“。随后通过在 体和离体研究发现，通过抑制ＯＧＡ或增加Ｏ—ＧｌｃＮＡ修饰反
键从底物ＵＤＰ—ＧｌｃＮＡｃ供体转移并连接至蛋白质丝／苏氨酸 残基的羟基上，从而增加Ｏ－糖基化水平。Ｇｒｏｓｓ等＂ｏ通过高 通量筛选出ＯＧＴ抑制剂ｒＩｒｒ０４、ＴＹ４０和Ａｌｌｏｘａｎ，但由于３３４０ 水溶性极低限制了其应用。其他研究小组发现ｒＩｒｒ０４和 Ａｌｌｏｘａｎ可抑制ＯＧＴ活性，降低Ｏ一糖基化水平＂…。除了直 接催化Ｏ一糖基化修饰的酶ＯＧＴ，还有一种水解Ｏ一糖苷键的 ＯＧＡ。ＯＧＡ将Ｏ一糖基化从蛋白质丝／苏氨酸残基的羟基上 去除，水解ＧｌｃＮＡｃ使蛋白质的Ｏ一糖基化水平降低。１…。ＯＧＴ 和ＯＧＡ本身也可作为Ｏ一糖基化修饰的底物，提示Ｏ．糖基化 修饰的过程可能存在反馈机制。１“。 二、Ｏ一糖基化修饰的生物学效应 生理或化学刺激常激发信号转导事件，产生信号分子和 调控蛋白，以抵消有害信号通路的激活。蛋白质的磷酸化参 与这种应激引起的信号转导通路。２００４年有研究第一次被 提出０一糖基化修饰可能参与了应激介导的信号通路¨“，该 研究发现当细胞受到不同刺激（高温、化学、紫外线、缺氧以 及氧化应激等）时，０．糖基化水平迅速增加，并且０一糖基化 修饰与这些应激呈剂量依赖关系。蛋白质的０．糖基化修饰 与磷酸化修饰都属于蛋白质翻译后修饰，通过改变被修饰蛋 白的功能发挥促进细胞增殖、分化、迁移和调节凋亡等作用。 已有很多研究证实这两种修饰可发生在蛋白质的同一丝／苏 氨基酸残基位点，因此二者存在空间结构上的竞争抑制。这 两种修饰还表现出协同作用０１３］。０一糖基化修饰常被认为是 蛋白的最终修饰，但是在大鼠脑组织中还发现了磷酸化修饰 的０一糖基化蛋白（０一糖基化一Ｐ）。１“。因此，０一糖基化修饰与 磷酸化修饰问的关系十分复杂，二者间相互调节，共同介导 多种细胞内信号转导通路，调控细胞的生物学功能。 三、０一糖基化修饰在心血管疾病中的保护效应 糖基化是目前心血管领域的研究热点，尤其是有关 ０．糖基化修饰在急慢性心血管疾病发生、发展中的作用及其 分子机制的研究。近年来，一系列的研究证实０・糖基化修 饰在急性应激（缺氧、缺血、氧化应激）所致的心血管损伤中 发挥着保护作用。从压力负荷所致心肌肥厚和心肌梗死后 心力衰竭的患者及动物模型中发现，０－糖基化水平的升高可 能起了重要的代偿作用。０一糖基化修饰在心肌缺血再灌注 损伤、心律失常、心力衰竭和动脉粥样硬化的病理生理过程 中具有重要的保护效应。