凝溶胶蛋白与心血管疾病

【关键词】凝溶胶蛋白;肌动蛋白;血小板活化;心血管疾病;

【摘要】凝溶胶蛋白是一种钙依赖性的肌动蛋白结合蛋白,对肌动蛋白进行切割、加帽、成核以调节细胞骨架结构和细胞的运动及代谢过程,还参与对细胞信号转导和细胞凋亡的调控。大量研究表明凝溶胶蛋白与临床多种疾病的病理过程密切相关,本文重点介绍了凝溶胶蛋白做为潜在的疾病分子标志物或治疗靶点与血小板活化、冠心病、心力衰竭及心律失常等心血管疾病相关性的研究进展。

Gelsolin and Cardiovascular Diseases

LIU Yue, JIANG Yue-rong,YIN Hui-jun ,CHEN Ke-ji

(Laboratory of Cardiovascular Medicine, Xiyuan Hospital, China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100091, China)

【Abstract】Gelsolin is a Ca2+-regulated actin filament severing, capping and nucleating protein found in many cell types which involved in various cellular processes, including regulation of actin dynamics, cell motility, control of apoptosis and celluar signal transduction. More recent data show that gelsolin is closely bound up with many diseases and pathological processes. Here we review the functions of gelsolin, and their manifold impacts on cardiovascular diseases, such as platelet activation, coronary heart diseases, cardiac failure, and atrial fibrillation, which may as a new potential biomarker and/or therapeutic target.

【Key words】Gelsolin, Actin, Platelet activation, Cardiovascular disease.

   

 

凝溶胶蛋白 ( Gelsolin,GSN)属于凝溶胶蛋白超家族(Gelsolin Superfamily)的成员之一,最早在兔肺巨噬细胞[1]中发现,后来在血小板和血清中也发现了该蛋白。凝溶胶蛋白是一种多功能的肌动蛋白结合蛋白(Actin-binding protein,ABP),其活性受到 Ca2 +浓度、细胞内pH值、磷脂酰肌醇二磷酸(PIP2)和酪氨酸磷酸化等因素的调节,对肌动蛋白的聚合及解聚具有重要的调控作用。在哺乳动物体内凝溶胶蛋白以两种形式存在:血浆型凝溶胶蛋白(plasma GSN,pGSN)和胞质型凝溶胶蛋白(cytoplasmic GSN,cGSN)。血浆型凝溶胶蛋白还是血浆肌动蛋白清除系统(Extracellular Actin Scavenging System,EASS)的重要成员之一,联同Gc-球蛋白(又名维生素D结合蛋白)在病理条件下可以清除循环中大量的肌动蛋白,肌动蛋白在循环中以两种形式存在,即单体(G-actin)和聚合微丝体(Actin filament,F-actin),凝溶胶蛋白通过对肌动蛋白微丝(Actin filament)的切割、加帽和成核作用,来实现对细胞骨架的动态调节,减少血液中因大量肌动蛋白集聚所形成的微血栓及其对血管内皮细胞的损伤效应,有助于疏通血液循环,从而减缓疾病及损伤的发展过程,对维持内环境的稳定发挥重要作用。此外,凝溶胶蛋白还参与细胞信号传导及细胞凋亡的调控。本文重点介绍凝溶胶蛋白与心血管疾病的研究进展。

凝溶胶蛋白与血小板活化、冠心病

血小板在正常血液循环中处于静息状态。当血管内皮损伤或在某些生理病理刺激因子作用下, 血小板发生粘附、 变形、 聚集和释放等活化反应。血小板活化与体内生理性止血及血栓性疾病密切相关,参与了冠心病、心律失常、血脂异常等多种心血管疾病的形成过程。

血小板是由经历了增值、分化、细胞核多倍体化及凋亡过程的巨核细胞分裂所形成的,其形成和活化过程均涉及到肌动蛋白细胞骨架的重组[2]。幼巨核细胞可以表达Gelsolin,但不能表达同属于Gelsolin超家族的微丝切割蛋白(Adseverin)和加帽蛋白G(capG),若强制表达adseverin可诱导幼巨核细胞成熟形成血小板,同时会下调Gelsolin的表达[3],Gelsolin蛋白敲除小鼠损伤后出血时间较正常延长[4],这说明Gelsolin有可能会抑制幼巨核细胞分化形成血小板的过程。静止期血小板内肌动蛋白的稳定依靠VASP(一种细胞骨架黏着斑蛋白,属于肌动蛋白结合蛋白的一种)的维持,VASP可以阻断Gelsolin对F-actin的切割作用,但不能阻断Gelsolin与其结合[5]。血小板在活化的初始阶段,涉及到细胞形态的变化,其过程也依赖于肌动蛋白细胞骨架的重组,活化后的血小板其形态需要从圆盘状转变为长而细的丝状伪足[6-7],这种丝状伪足中包含有大量的F-actin,Gelsolin切割F-actin并封闭倒刺末端,阻止G-actin聚合为F-actin。如果不去除Gelsolin对F-actin的加帽封端作用,G-actin就无法聚合,无法形成F-actin,无法形成丝状伪足,因此,循环中的Gelsolin可能会抑制血小板的活化过程。

有研究将大量的actin[8]由静脉输入小鼠体内,发现血管内有微丝、微血栓形成,血管内皮细胞出现了损伤情况,大量的Actin最终导致小鼠死亡。体外实验[9]显示F-actin直接刺激血小板可引起其聚集,而再加入Gc-球蛋白后并不会影响其聚集效果,但若用Gelsolin和Gc-球蛋白联合预培养F-actin,则可以明显抑制随后F-actin引起血小板聚集及活化的效应。临床研究[10]显示急性心肌梗死患者血浆中Gelsolin含量较正常人显著降低,并且血浆Gelsolin含量与患者肌酸激酶(CK)水平呈现负相关。严重创伤及疾病时血浆中的Actin之所以对组织器官产生毒性效应,关键是此时释放入血的Actin数量大大超过了Gelsolin的数量,Gelsolin被大量耗竭,无法将所有的Actin清除,导致Actin大量积聚导致。

血小板是无核细胞,是蛋白质组学理想的研究对象。有研究[11]采用蛋白组学的研究方法,将51例临床诊断为慢性稳定性缺血性心脏病患者分为阿司匹林抵抗组26例和阿司匹林敏感组25例,探查两组患者血小板差异蛋白的表达,结果发现同阿司匹林敏感组患者相比,阿司匹林抵抗组患者血小板凝溶胶蛋白含量明显下降。同时有学者[12]对上述两类患者进行了血浆蛋白组学研究,发现做为肌动蛋白清除系统组成之一的Gc-球蛋白表达在阿司匹林抵抗组患者血浆中显著升高,用Gc-球蛋白体外预孵育富血小板血浆可明显减弱阿司匹林对血栓烷素B2(TxB2)的抑制作用。既往采用病证结合的研究方法发现冠心病中医血瘀证与血小板活化程度密切相关[13],因此采取血小板差异蛋白质组学研究方法,探查冠心病血瘀证患者、冠心病非血瘀证患者以及正常健康人群血小板差异蛋白的表达,发现冠心病血瘀证患者较正常人及冠心病非血瘀证患者血小板Gelsolin含量明显增高[14]。该研究结果提示血小板凝溶胶蛋白与冠心病血瘀证的形成密切相关,其可能是活血化瘀中药抗血小板活化及血栓形成的潜在分子靶标之一。

凝溶胶蛋白与心力衰竭

心室重构是心力衰竭患者亟待解决的重要临床问题之一,衰竭心脏的细胞骨架和肌原纤维组织发生改变,信号转导不良,蛋白转换和能量代谢异常引起心肌细胞凋亡的产生,心衰时有多种基因、蛋白表达的改变。既往研究表明凝溶胶蛋白有抗细胞凋亡和促细胞凋亡的双重作用[15-16]。凝溶胶蛋白不仅可以作为半胱天冬酶(caspase)的底物,亦可作为细胞凋亡过程的抑制物[17]。一方面它可通过降低caspase-3的活性抑制细胞凋亡,或者干扰线粒体途径抑制细胞凋亡的进程,另一方面还可能通过影响肌动蛋白与脱氧核糖核酸酶Ⅰ的相互作用而使该酶激活,从而有可能促进细胞凋亡。Caspase-3是细胞凋亡过程中关键的执行分子之一,可将凝溶胶蛋白剪切成39 kD (N端片段)和41 kD(C端片段)的2个片段,使之失去钙依赖切割活性及与肌动蛋白单体结合的能力。凝溶胶蛋白N 端片段能够阻止肌动蛋白和脱氧核糖核酸酶Ⅰ(DNase I)的相互作用,后者在细胞凋亡过程中可导致DNA 水解,促使细胞凋亡,此酶活性因其与胞质肌动蛋白结合而被抑制,阻止其向核内转运,而结合后复合物的解体可使脱氧核糖核酸酶Ⅰ活化[18]

有研究[19]采用高密度寡核苷酸方阵技术分别检测了正常人心脏和衰竭心脏的差异基因及不同基因编码的蛋白表达,发现与正常人的心脏相比,衰竭心脏凝溶胶蛋白的表达明显增加,且蛋白表达的改变与微方阵分析所检测的转录物改变相一致,并在相应的心力衰竭动物模型上也得到了同样结果。研究提示Gelsolin可能在心力衰竭心室重构形成过程中担任重要角色。为研究Gelsolin与梗死后心室重构及细胞凋亡的相关性,有学者[20]选取Gelsolin敲除小鼠(GSN-/-)为研究对象,观察到 GSN-/-小鼠与正常小鼠相比,梗死后死亡率明显降低、心功能显著提高,且发现DNase I表达明显降低,表明Gelsolin的缺失可以抑制梗死后由DNase I引起的心肌细胞凋亡,而Gelsolin和缺氧诱导因子α(HIF-1α)的共同作用可以激活DNase I导致心肌细胞的凋亡引起心室重构最终导致心力衰竭的发生,以上研究提示Gelsolin可能是心力衰竭药物治疗的潜在分子靶点。

3 凝溶胶蛋白与心律失常

房颤动(atrial fibrillation,Af)简称房颤,是最常见的心律失常之一,是由心房主导折返环引起许多小折返环导致的房律紊乱。它几乎见于所有的器质性心脏病,在非器质性心脏病也可发生。房颤过程中胞浆Ca2+超载是心房电生理重构、心房机械功能下降的重要因素[21]。心肌细胞膜的L型钙通道的C a2+ 电流作为触发肌质网释放的始动因素, 在房颤钙超载的过程中起着重要作用。在房颤的早期, 由于快速的心房激动使L型C a2+通道开放时间增加, C a2+内流时间延长, 细胞内C a2+浓度增高。最初细胞表现出钙超载的组织学结构特征是细胞器肿胀,肌浆网破裂,细胞骨架受损[22]

有学者发现在野生型乳鼠心肌细胞中加入肌动蛋白微丝稳定剂鬼笔环肽亦可增强L型钙通道电流强度,并比较了野生型和GSN-/-乳鼠心肌细胞L型钙通道电流强度的差异,发现后者明显增强是前者的3倍多,且后者心肌细胞骨架结构受损程度较前者轻,但若在GSN-/-乳鼠心肌细胞中灌注外源性Gelsolin则发现这种增强效应可被明显抑制,并且可导致细胞骨架受损程度加重[23]。以上研究结果提示心肌细胞L型钙离子通道的调节与肌动蛋白骨架结构是否完整密切相关,而Gelsolin的增多可能导致心肌细胞L型钙离子通道的失活。进一步为了探讨Gelsolin在心房颤动形成中作用,有研究[24]采用以经静脉导管插入电极快速刺激心房制造的房颤动物模型作为观察对象,比较7只野生型和8只GSN-/-小鼠体表心电图以及标准心电参数的差异,发现与野生型小鼠相比,GSN-/-房颤小鼠P-Q间期缩短(37.8 ± 4.6 versus 42.9± 2.7 ms; P = 0.02),QRS波(16.5±1.8 versus 13.9±1.2 ms; P = 0.005)和QT间歇(38.5 ± 2.2 versus 35.6 ±2.4 ms, P = 0.03)明显延长,8只GSN-/-房颤小鼠中有6只持续房颤时间大于或等于60秒,并且有超过半数的GSN-/-房颤小鼠持续房颤时间大于10s,同时发现GSN-/-房颤小鼠L型钙离子通道的电流强度明显增加。以上研究结论提示Gelsolin的缺失可能更容易诱发持续性房颤,其效应可能与增强的L型钙离子电流强度有关。

展望

凝溶胶蛋白做为凝溶胶蛋白超家族的成员之一通过与肌动蛋白的相互作用,使细胞骨架发生重排,从而参与了多种细胞的生命活动进程,并与血小板活化、炎症、细胞凋亡及细胞信号转导等许多重要病理生理过程密切相关。研究表明,当肌动蛋白释放到细胞外环境后会对多个组织器官的功能产生不良影响,而血浆凝溶胶蛋白可以减轻肌动蛋白的损伤效应。基于以上的认识,研究者推测血浆凝溶胶蛋白水平或许可以与多种损伤的严重程度及预后发生联系,在各种创伤后向机体灌输凝溶胶蛋白可能会阻止病情发展,促进损伤尽快修复。目前美国已有相关临床专利文件[25]表明应用血浆凝溶胶蛋白或其活性片段,能有效治疗及预防由细菌内毒素、细菌细胞壁脂多糖(LPS)和脂胞壁酸质(LTA)所导致的感染性休克,并可有效控制感染性休克患者的病情发展。同时血浆凝溶胶蛋白可用来对抗或预防脓毒症、严重炎症或其他危重情况。以上研究结果表明凝溶胶蛋白对严重创伤患者不仅是一个很有潜力的诊断及早期预后生物标志物,而且作为一种肌动蛋白清除蛋白,在延缓组织损伤,促进组织恢复方面也有着巨大的研究潜力,未来或许可以尝试将凝溶胶蛋白应用到临床作为某些治疗方法的替代疗法[26]

凝溶胶蛋白能够显著抑制体外血小板活化因子介导的血小板和中性粒细胞炎症反应,并可通过干扰体外血小板活化因子和溶血性磷脂酸诱导细胞激活作用,为其体内细胞保护效应提供了有效的新途径[27]。临床及动物实验研究都发现在心力衰竭心脏上发现了凝溶胶蛋白含量升高,而凝溶胶蛋白的缺失可以明显降低梗死后小鼠的死亡率、改善心功能,纠正心力衰竭后心室重构的发生。同时发现冠心病患者活化的血小板上凝溶胶蛋白的含量也较正常人群升高,基于以上结果推测凝溶胶蛋白未来可以做为抑制心室重构及抗血小板药物治疗的潜在的分子靶点进行深入研究。进一步对凝溶胶蛋白及其超家族的其它蛋白成员的表达和作用在心血管疾病发生发展中的作用进行深入探究,将为心血管以及相关疾病的临床防治提供新策略。

参考文献

1  Yin HL, Stossel TP. Control of cytop lasmic actin gelsol transformation by gelsolin, a calcium dependent regulatory protein. Nature, 1979, 281: 583-586.

2  Leven R. M. Differential regulation of integrin-mediated proplatelet formation and megakaryocyte spreading. J.Cell.Physiol. 1995, 163(3): 597–607.

3  Zunino R, Li Q, Rose SD,et al. Expression of scinderin in megakaryoblastic leukemia cells induces differentiation, maturation and apoptosis with release of  plateletlike particles and inhibits proliferation and tumorigenesis. Blood, 2001, 98(7):2210–2219.

4  Witke W, Sharpe AH, Hartwig JH,et al. Hemostatic, inflammatory and fibroblast responses are blunted in mice lacking gelsolin. Cell, 1995, 81(1): 41–51.

5  Bearer EL, Prakash JM, Manchester RD, Allen PG.VASP protects actin filaments from gelsolin: an in vitro study with implications for platelet actin reorganizations. Cell Motil Cytoskeleton, 2000, 47(4): 351–364.

6  Casella JF, Flanagan MD, Lin S. Cytochalasin D inhibits actin polymerization and induces depolymerization of actin filaments formed during platelet shape change. Nature, 1981, 293(5830): 302–305.

7  Barkalow KL, Falet H, Italiano JE Jr, et a1. Role phosphoin-ositide 3-kinase in Fc gamma RIIA-induced platelet shape change. Am J Physiol Cell Physiol, 2003, 285(4): C797-805.

8  Haddad JG,Harper KD,Guoth M,et al.Angiopathic consequences of saturating the plasma scavenger system for actin.Proc Natl Acad Sci USA, 1990,87(4):1381-1385.

9  Carol A. Vasconcellos, Stuart E. Lind.Coordinated Inhibition of Actin-Induced Platelet Aggregation by Plasma Gelsolin and Vitamin D-Binding Protein. Blood, 1997, 82(12): 3648-3657.

10  Suhler E, Lin W, Yin HL, Lee WM. Decreased plasma gelsolin concentrations in acute liver failure, myocardial infarction, septic shock, and myonecrosis. Crit Care Med.1997, 25(4): 594-598.

11  Petra J. Mateos-Cáceres, Carlos Macaya, Luis Azcona, et al.Different expression of proteins in platelets from aspirin-resistant and aspirin-sensitive patients. Thrombosis and Haemostasis, 2010, 103:160-170.

12  López-Farré AJ, Mateos-Cáceres PJ, Sacristán D,et al. Relationship between

Vitamin D Binding Protein and Aspirin Resistance in Coronary Ischemic

Patients: A Proteomic Study. J Proteome Res, 2007, 6(7):2481-2487.

13  Xue mei, Chen keji, Yin huijun. Relationship between platelet activation related factors and polymorphism of related genes in patients with coronary heart disease of blood-stasis syndrome. Chin J Integr Med, 2008, 14(4): 267-273.

14  李雪峰, 蒋跃绒, 吴彩凤, 陈可冀,殷惠军. 冠心病血小板功能蛋白与证侯相

   关性研究. 中国分子心脏病学杂志,2009, 09(6):326-331

15  Kwiatkowski DJ. Functions of gelsolin: motility, signaling, apoptosis, cancer. Curr Opin Cell Biol,1999, 11(1):103–108.

16  Silacci P, Mazzolai L, Gauci C, et al. Gelsolin superfamily proteins: key regulators of cellular functions. Cell Mol Life Sci,2004, 61:2614-2623.

17  Philchenkov AA. Caspases as regulators of apoptosis and other cell functions. Biochemistry(Mosc), 2003, 68(4):365-376.

18  Chhabra D, Nosworthy NJ, dos Remedios CG.The N-terminal fragment of gelsolin inhibits the interaction of DNase I with isolated actin, but not with the cofilin-actin comples. Proteomics, 2005, 5(12):3131-3136.

19  Yang J, Moravec CS, Sussman MA, et al. Decreased SLIM1 expression and increased gelsolin expression in failing human hearts measured by high-density oligonucleotide arrays. Circulation, 2000, 102:3046–3052.

20  Li GH, Shi Y, Chen Y, et al. Gelsolin regulates cardiac remodeling after myocardial infarction through DNase I-mediated apoptosis. Circ Res, 2009, 104:896–904.

21  Yue L,Feng J,Gaspo R,et al.Ionic remodeling underlying action potential changes in a canine model of atrial fibrillation.Circ Res, 1997,81(4):512-515.

22  Morillo CA, Klein GJ, JonesDL, et al.Chronic rapid atrialpacing Structural, functional, and electrophysiological characteristics of a new model of sustained atrial fibrillation.Circulation, 1995, 91(5):1588-1595.

23  Lader AS, Kwiatkowski DJ, Cantiello HF. Role of gelsolin in the actin filament regulation of cardiac L-type calcium channels. Am J Physiol, 1999, 277:C1277-C1283.

24  Schrickel JW, Fink K, Meyer R, et al. Lack of gelsolin promotes perpetuation of

atrial fibrillation in the mouse heart. J Interv Card Electrophysiol, 2009,

26(1):3–10.

25  Janmey PA,Bucki R.Methods of using gelsolin to treat or prevent bacterial sepsis:USPA·20070238668.2006-03-28.

26  王佳,赵卫国,闵锐.凝溶胶蛋白的生物学功能及临床意义.中国危重病急救医学,2009, 21(4):253-255.

27  Osborn TM,Dahlgren C,Hartwig JH,et al.Modifications of cellular responses to lysophosphatidic acid and platelet-activating factor by plasma gelsolin.Am J Physiol Cell Physiol, 2007, 292(4):C1323-C1330.

 


    2011/7/26 23:07:35     访问数:1199
    转载请注明:内容转载自365医学网

大家都在说       发表留言

2011/7/31 8:39:30
吴奇志:拜读了
2011/7/28 18:39:09
梁治中:very good
客服中心 4000680365  service@365yixue.com
编辑部   editor@365yixue.com

365医学网 版权所有 © 365heart All Rights Reserved.

京ICP备12009013号-1
京卫网审[2013]第0056号
京公网安备110106006462号
京ICP证041347号
互联网药品信息服务资格证书(京)-经营性-2018-0016  
搜专家
搜医院
搜会议
搜资源
 
先点击
再选择添加到主屏