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        心臟衰竭是各種心臟病的最后階段,是全世界發病率和死亡率的一個主要原因。慢性心臟衰竭的兩個特征是心臟肥厚和存活心肌收縮力降低。心臟肥厚是心臟對病理刺激(包括高血壓、心肌梗死、壓力過載和腎素-血管緊張素系統的激活)的一種重要的適應性反應……



大連醫科大學發表Science子刊文章:β5i在心臟肥大發展過程中的新作用

研究人員報道的最新發現指出,在血管緊張素II(Ang II)處理過的心肌細胞和肥大心臟中,免疫蛋白酶體催化亞基β5i表達和活性顯著增加,而且這種作用在心肌細胞和轉基因小鼠中通過β5i過表達加劇…… 詳細全文





病理性心臟肥大如果沒有得到充分的治療,最終會導致心力衰竭。一組研究人員報道的最新發現指出,在血管緊張素II(Ang II)處理過的心肌細胞和肥大心臟中,免疫蛋白酶體催化亞基β5i表達和活性顯著增加,而且這種作用在心肌細胞和轉基因小鼠中通過β5i過表達加劇。這表明了β5i在調節心臟肥大中的新作用,因此抑制β5i的活性也許可以為肥厚性疾病提供一種新的治療方法。

這一研究成果公布在5月8日的Science Advances雜志上,文章的第一作者是謝鑫,通訊作者是大連醫科大學公共衛生學院院長李匯華教授與首都醫科大學王紅霞,李教授長期從事心血管疾?。òㄐ腦嗨ソ?、心肌梗死、高血壓及心律失常等)發生發展的病理生理機制研究,主要探討泛素蛋白質修飾、免疫炎癥及營養代謝失衡調節心血管疾病的病理生理機制。

心臟衰竭是各種心臟病的最后階段,是全世界發病率和死亡率的一個主要原因。慢性心臟衰竭的兩個特征是心臟肥厚和存活心肌收縮力降低。心臟肥厚是心臟對病理刺激(包括高血壓、心肌梗死、壓力過載和腎素-血管緊張素系統的激活)的一種重要的適應性反應。

雖然肥厚反應可能會在一段時間內維持心臟功能,但長時間的肥大會變得有害,導致心功能不全和心力衰竭(HF)。心臟肥厚一般可以分為生理性或病理性肥大。初始的肥大反應可用來維持心輸出量。在初始階段的補充后,如果肥厚性增長會導致心臟功能障礙,那么就被認為是病理性肥大。

迄今為止,已證明多種信號通路可正調節蛋白質合成和心肌肥大,包括胰島素樣生長因子1受體(IGF1R)/磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/ AKT,表皮生長因子受體(EGFR)/有絲分裂原-活化蛋白激酶(MAPK),gp130 / Janus激酶(Jak)/信號轉導和轉錄激活因子3(STAT3),以及活化T細胞(NFAT)途徑的鈣調神經磷酸酶/核因子。因此,調節這些受體和下游介質的表達和活化的治療策略非常具有潛力。

泛素-蛋白酶體系統(UPS)和溶酶體-自噬途徑是蛋白質降解的兩種最重要的細胞機制。自噬通常被認為是一種非特異性過程,可以降解長壽命蛋白質和異常蛋白質聚集體。與自噬相反,UPS是真核細胞中蛋白質降解的主要途徑。標準20S蛋白酶體包含三個β亞基,即β1(PSMB6),β2(PSMB7)和β5(PSMB5),它們分別代表蛋白酶體的半胱天冬酶樣,胰蛋白酶樣和胰凝乳蛋白酶樣活性。

用細胞因子如干擾素-γ(IFN-γ)刺激后,三種替代β亞基(也稱為免疫亞單位):β1i[大多功能肽酶2(LMP2)或PSMB9)],β2i(MECL-1或PSMB10)和β5i (LMP7或PSMB8)被誘導,取代其標準亞基形成20S免疫蛋白酶體。

免疫蛋白酶體的主要功能是改善主要組織相容性復合物-I(MHC-I)抗原呈遞。免疫蛋白酶體還具有多種生物學功能,包括促炎細胞因子產生,T細胞分化和存活,氧化應激和肌肉質量。
李教授之前的研究表明,在肥大應激下心臟中免疫亞單位β5i的表達和胰凝乳蛋白酶樣活性顯著增加。而且他們的數據顯示β5i還參與小鼠血管緊張素II(Ang II)誘導的心房顫動的調節。然而,β5i在調節心臟肥大中的功能依然未知。

在這項研究中,研究人員分析了原代心肌細胞,β5i敲除(KO)小鼠和心臟特異性β5i轉基因(β5i-Tg)小鼠(由賽業生物提供轉基因小鼠服務),結果發現了β5i在心臟肥大發展中的新作用,指出了肥大心臟中免疫蛋白酶體和自噬之間的必要補償性聯系。

肥大心臟和HF患者中β5i表達上調
為了鑒定受損心肌內的蛋白酶體亞基表達譜,研究人員通過Ang II灌注法誘導野生型(WT)小鼠急性心臟肥大,并使用芯片測定法分析蛋白酶體亞基表達。

結果他們發現,在47個蛋白酶體亞基基因中,免疫亞單位β5i(也稱為PSMB8或LMP7)在Ang II輸注的第1天在心臟中顯著上調。之后通過定量聚合酶鏈反應(qPCR)分析證實β5imRNA的表達增加。

同時,在Ang II處理過的心臟中β2i(也稱為PSMB10)的mRNA水平增加,但小于β5i的mRNA水平。不過Ang II處理后的心臟組織中標準亞基(β1,β2和β5)和免疫亞單位β1i的表達沒有差異。此外,在Ang II處理的新生大鼠心肌細胞(NRCM)中β5i蛋白水平增加。在Ang II輸注和主動脈縮窄(TAC)2周后,β5i的表達在小鼠心臟中也上調了。在Ang II刺激后,新生大鼠心臟成纖維細胞中β5i的表達沒有改變(圖1)。

 
圖1.肥大心臟和HF患者中β5i表達上調

為了檢驗β5i是否在人類HF中具有相同的重要作用,研究人員又分析了心臟組織中β5i和B型利鈉肽(BNP; HF標記物)的表達。免疫組織化學顯示衰竭心臟中β5i和BNP的表達顯著高于正常對照組。

此外,與對照組相比,HF患者的血清β5i和胰凝乳蛋白酶樣活性水平也增加。之后,研究人員通過簡單的交叉制表和比值比(ORs)的計算分析了HF患者血清β5i或胰凝乳蛋白酶樣活性水平的關系。多變量邏輯回歸分析檢測了血清β5i或胰凝乳蛋白酶樣活性水平對HF的獨立貢獻。這些結果均表明β5i可能在心臟肥大的調控中起關鍵作用。

敲除β5i,可以在體外抑制心肌細胞肥大
為了確定β5i在心臟肥大時對功能的影響,研究人員首先檢查β5i是否在體外發揮促肥大或抗肥大作用。他們發現與siRNA對照相比,敲低β5i減弱了Ang II誘導的心肌細胞大小的增加,以及心房利鈉因子(ANF)和BNP的表達。

為證實這些發現,研究人員進行了進一步的研究,發現與Ang-II處理后的Ad-GFP對照組相比,Ad-β5i對NRCM的感染使β5i水平增加2.3倍,心肌細胞大小增加,ANF和BNP表達增加。此外,與Ang2刺激后的siRNA對照相比,β5i的siRNA敲低降低了AKT和細胞外信號調節激酶1/2(ERK1/2)的磷酸化水平。然而,β5i的敲低或過表達對基礎狀態下的心肌細胞沒有影響。
接下來,他們又分析了β5i對苯腎上腺素處理的心肌細胞的影響。與Ang II處理細胞的數據一致,和siRNA對照相比,β5i的敲低也減少了去氧腎上腺素誘導的心肌細胞肥大和ANF的表達,這些數據表明敲低β5i在體外能抑制心肌細胞肥大。

β5i通過自噬調節心肌細胞大小
為了確定β5i是否通過自噬調節心肌細胞大小,研究人員用siRNAs感染心肌細胞,降低內源性β5i和ATG5的水平。蛋白質印跡分析顯示,與siRNA-對照相比,siRNA-β5i和siRNA-ATG5分別實現β5i和ATG5水平的降低。

此外,與siRNA對照相比,β5i的敲低減弱了Ang II誘導的心肌細胞大小,ANF表達以及AKT和ERK1/2磷酸化的增加,這種減少通過敲低ATG5或β5i和ATG5可以完全逆轉。

為了進一步證實自噬對心肌細胞大小和相關信號傳導途徑的影響,研究人員用siRNA-β5i感染心肌細胞,并用氯喹(一種自噬抑制劑)處理。他們發現與siRNA對照相比,β5i的敲低增加了ATG5的表達,并且氯喹處理進一步增強了這種效果。與siRNA-ATG5感染細胞的觀察結果一致,β5i敲低介導的Ang II誘導的心肌細胞大小增加,ANF表達和AKT和ERK1/2磷酸化的減弱也是在siRNA-β5i感染的細胞中通過氯喹處理逆轉。此外,僅通過氯喹就可以恢復β5i敲低對心肌細胞肥大的抑制作用。

總之,這些結果表明阻斷β5i活性可以通過誘導自噬來補償,并且自噬的抑制逆轉了β5i敲低的?;ぷ饔?。

 
圖2.β5i的KO通過自噬抑制心肌細胞大小

壓力超負荷后,敲低ATG5能抵消β5i缺陷小鼠的心臟?;ぷ饔?/strong>
為了檢測ATG5依賴性自噬是否介導β5i缺失對心臟肥大的抑制作用,研究人員用rAAV9-siRNA注射WT或β5iKO小鼠以敲低內源性ATG5表達。在注射rAAV9-siATG5后3周,再對小鼠TAC 6周。他們發現與rAAV9- sicontrol相比,AAV9-siATG5注射顯著降低了心臟中的ATG5蛋白水平。在TAC后6周時,與rAAV9-sicontrol相比,β5iKO小鼠心臟功能改善。

因此,與rAAV9- sicontrol小鼠相比,β5iKO小鼠中ATG5的敲低也降低了LC3-II/I比值,但增加了ERK1/2活化。與TAC后的rAAV9- sicontrol動物相比,WT小鼠中的ATG5敲低具有類似的效果。因此,這些體內數據表明β5iKO通過增加ATG5的水平來減弱心臟肥大。

小結
總之,這項研究發現免疫亞單位β5i具有促進病理性肥厚重塑的關鍵調節劑的新作用。β5i靶向ATG5降解并抑制自噬的激活,從而導致心臟肥大和功能障礙,這表明在心臟肥厚過程中,免疫蛋白酶體與自噬激活之間存在著重要的補償關系。

還需要進一步的研究,以確定哪種E3連接酶促進ATG5泛素化,并確定β5i的抑制是否可以作為肥厚性疾病的治療新策略。

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人物簡介:

謝鑫,男,1987,助理研究員。2015獲哈爾濱醫科大學藥理學博士學位,2016年進入大連醫科大學附屬第一醫院心血管疾病研究所工作至今。

主要研究方向:
泛素蛋白酶體和自噬在防治心衰中的作用及機制。目前主持國家青年自然科學基金一項:免疫蛋白酶體催化亞型PSMB8通過調節SERCA2a蛋白表達改善心肌收縮力的分子機制,項目編號81600315,參與國家自然科學基金項目3項。發表SCI論文13篇,其中作為第一或通訊作者4篇,包括Science Advances,British Journal of Pharmacology等,并擔任British Journal of Pharmacology,Life Science雜志審稿人。

李匯華, 大連醫科大學公共衛生學院院長,心血管研究所所長,教育部長江學者特聘教授,“國家杰出青年科學基金”獲得者。1998年獲得中國協和醫科大學博士學位,1998-2005年分別在美國Wake Forest大學病理學系和美國北卡大學心血管生物學研究中心做博士后和研究助理,2005-2010年在北京協和醫學院病理學系任教授,2010-2014年在首都醫科大學任教授,2015-至今在大連醫科大學工作。近些年入選“國家百千萬人才工程”并獲得“有突出貢獻中青年專家”、中國僑界創新人才貢獻獎、享受國務院政府特殊津貼、遼寧省攀登學者等榮譽稱號。

研究方向:
心血管疾?。òㄐ腦嗨ソ?、心肌梗死、高血壓及心律失常等)發生發展的病理生理機制研究。主要探討泛素蛋白質修飾、免疫炎癥及營養代謝失衡調節心血管疾病的病理生理機制。

 

 


 

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