Caveolae对心血管系统调控作用的研究进展

Caveol ae /caveolin 及其对心血管系统调控作用的研究进展

刘丽媚(综述),林吉进,李玉光(审校)

(汕头大学医学院第一附属医院心内科,广东汕头515041)

中图分类号:R541;R543 文献标识码:A 文章编号:100622084(2008)0720973204

基金项目:国家自然科学基金资助项目(30470731) 摘要:Caveolae 是细胞膜表面特异性内陷微区,caveolin 是caveolae 的结构蛋白,维持caveolae 的结构和功能。Caveolae /caveolin 参与细胞的多种生命活动,包括胆固醇的转运、信号转导和细胞的胞吞、胞饮作用。Caveolae /caveolin 参与了心血管系统多种调控作用,包括对内皮细胞的一氧化氮合酶、平滑肌细胞的增殖、心肌收缩、心肌肥厚以及动脉粥样硬化等均存在调控作用。

关键词:Caveolae;Caveolins;平滑肌增殖;心肌肥厚;动脉粥样硬化

Recen t Stud i es on Caveol ae /Caveoli n and its Regul a ti on Roles i n Card i ova scul ar Syste m L IU L i 2

m ei,L IN J i 2jin,L I Yu 2guang .(Cardiovascular M edicine,the F irst A ffiliated Hospital of M edical College,

Shantou U niversity,Shantou 515041,China )Abstract:Caveolae is a kind of s pecific invaginati on on the surface of cyt ome mbrane,and caveolin is

a constitutive p r otein of caveolae,which sustains structure and functi on of caveolae .Caveolae /Caveolin are i m p licated in many cellular p r ocesses,including cholester ol trans port,signal transducti on,and transcy 2

t osis of macr omolecules .Many studies showed that the caveolae /caveolin was involved in the regulati ons

of endothelial nitric oxide synthase,vascular s mooth muscle p r oliferati on,myocardial contracti on,cardiac hypertr ophy and ather oscler osis,et al .This paper revie wed the recent studies about the caveolae /caveolin

involving the modulati on of cardi ovascular syste m.

Key words:Caveolae;Caveolins;Vascular s mooth muscle p r oliferati on;Cardiac hypertr ophy;A th 2er oscler osis

Caveolae 是细胞表面大小50～100n m 的向细胞膜内凹陷的微区域,在人体的脂肪细胞、内皮细胞、血管平滑肌细胞、成纤维细胞和肺Ⅰ型上皮细胞等多种组织细胞中存在[1]

。Caveolae /caveolin 参与细胞的多种生命活动,包括胆固醇的转运,信号转导和细胞的胞吞、胞饮作用。Caveolae 中存在大量的膜结合蛋白,大多是脂类修饰的信号分子,包括内皮细胞一氧化氮合酶(endothelial nitricoxide synthase,e NOS )、p42/44丝裂原活化蛋白激酶(m it ogen activa 2ted p r otein kinases,MAPK )和Src 酪氨酸激酶家族等。具有从细胞外受体到细胞内效应的完整的信号转导复合物,参与了心血管系统多种信号通路的调控。1　Caveol ae 和caveoli n 的结构特点1953年,Palade [2]

在电子显微镜下发现了caveo 2lae,它是一种细颈瓶状的细胞膜内陷结构,目前被定

义为一种细胞器。Caveolae 以线性排列的方式有序

地分布在整个细胞表面,在细胞膜上以形成分离的

小泡。管状或平铺的方式存在,并且可以融合成葡

萄状结构,提示caveolae 可能与细胞骨架作用相

关[3]

。Caveolae 是去垢剂不溶性的膜区域,主要由

胆固醇、鞘磷脂和糖基鞘磷脂组成,最重要的是

caveolae 以caveolins 的存在为特征。目前研究表明,

caveolins 主要包括caveolin 21、caveolin 22和caveolin 23。已证实的caveolins 家族成员包括caveolin 21

α、caveolin 21β、caveolin 22α、caveolin 22β、caveolin 22γ、

caveolin 23[4]

。它们的功能是作为维持脂质稳定,修饰信号转导分子,caveolae 的内支架蛋

白和组织浓缩胆固醇、鞘糖脂

等特异脂质。从蠕虫到人类,该家族的基因在序列结构上

较为保守,与caveolae 在细胞信号转导过程中的关键作用是一致的,表明caveolin 在调节生命活动方面有重要作用。Caveolin 21和caveolin 22在成纤维细胞、内皮细胞和脂肪细胞中含量最丰富[5]

。其中,caveolin 21作为cave 2

olae 的标记蛋白,是caveolae 的主要蛋白成分[6]

。其编码基因定位于人染色体7q31.1,caveolin 21全长

2704bp s,有3个外显子,编码的蛋白质共178个氨

基酸,相对分子质量为22×103

。Caveolin 21具有较为奇特的拓扑结构,N 端区域与C 端区域均面对细胞质,中间疏水区域在膜内形成发夹结构。因Caveolin 21修饰于caveolae 的内表面,其在维持cave 2olae 结构、形态、功能中起重要作用,为caveolae 形成颈瓶状结构所必需。Caveolin 21在信号转导,细胞的恶性转化、恶性增殖、侵袭以及转移等方面的作用逐渐受到关注。Caveolin 22的编码基因也定位于7q31.1,位于caveolin 21基因上游17kb 处,全长3301bp s,有3个外显子,编码蛋白质含162个氨基酸。目前研究提

示,大多数细胞同时表达caveolin 21和caveolin 22,二

者能够形成稳定的异源寡聚体复合物,并且严格地

定位在一起。因此,caveolin 22极有可能是作为cave 2

olin 21的辅助蛋白与caveolin 21结合来发挥作用。Caveolin 23的编码基因定位于3p25,全长1347

bp s,共2个外显子,编码蛋白质含150个氨基酸。

Caveolin 23特异表达于肌细胞(如平滑肌细胞、心肌细

胞、横纹肌细胞及骨骼肌细胞)[5]

。其中,在成体骨骼

肌中,仅局限表达于肌肉的细胞膜,且与肌细胞的合

成密切相关。研究表明,caveolin 23与肌营养不良蛋白

能相互结合,提示与肢带肌营养不良的发病有关[7]

。

2　Caveol ae/caveoli n对心血管系统的重要调控作用Caveolae/caveolin对许多细胞的生命活动发挥着重要的调控作用,被认为是重要的信号转导平台。Caveolae/caveolin在心血管系统含量较为丰富,存在于心肌细胞、平滑肌细胞、内皮细胞、巨噬细胞和成纤维细胞等。越来越多的研究表明,心脏多种信号转导事件的发生需通过定位于caveolae的细胞膜受体。利用Caveolin表达缺陷(caveolin2/2)小鼠动物模型,caveolae/caveolin对心血管系统调控作用方面的研究有了重要进展。

2.1　内皮细胞功能的调控　利用与caveolin21脚手架区结合的细胞渗透性肽的体外实验证明, caveolin21与内皮细胞的e NOS存在着直接的相互作用,caveolin21抑制e NOS的活化和NO的释放[8]。caveolin212/2小鼠的离体大动脉在血管收缩因子作用下无明显的收缩反应;反之,在内皮依赖性血管舒张剂乙酰胆碱的作用下,血管的舒张反应增强。经L2NAME(L2硝基精氨酸甲酯NG2nitr o2L2arginine methyl ester)(NOS的抑制剂)处理后,caveolin212/2小鼠的离体大动脉对收缩或舒张因子的反应均可恢复正常,说明内皮细胞中caveolin21与caveolae的缺失导致e NOS活性增加,增加NO的释放而使血管壁紧张度下降[9]。Caveolin212/2小鼠e NOS活性的增强使白蛋白外渗增多,经非特异性NOS抑制剂———L2硝基精氨酸甲酯处理后,白蛋白的渗出能恢复正常[10]。上述以caveolin212/2小鼠为模型所进行的实验研究表明,caveolin21遗传性缺失导致NO高于基础水平的释放,而NO释放将促进白蛋白的渗漏;

e NOS抑制剂可降低血管的渗透性。

内皮细胞与血管生成的调节过程是密切相关的,caveolin21也参与其中。在新的血管形成时,内皮细胞不断地增殖和分化,caveolin21呈现过表达,提示caveolin21可能是内皮细胞增殖的负性调节蛋白,同时促进细胞的分化。腺病毒介导的caveolin21过表达能够明显增强内皮细胞在管腔结构中的分化。相反,利用反义寡核苷酸使caveolin21的水平下调,能够降低内皮细胞的分化[11]。血管源性生长因子,如血管内皮生长因子(vascular endothelial gr owth fac2 t or,VEFG)可以诱导caveolin21下调,这对内皮细胞生长因子的促有丝分裂效应非常重要[12]。Caveolin2 12/2的小鼠脉管系统发育正常,表明caveolin21不是胚胎血管生成或重塑的必要条件。但是,用生长因子埋入基质胶的方法处理的caveolin212/2小鼠,出生后的血管形成减少。类似地,在caveolin212/2小鼠中植入B

16

黑色素瘤细胞后,肿瘤的血管形成也减少[13]。这些研究结果表明,内皮细胞caveolin21/caveolae对于新的毛细血管网的形成是非常重要的。最近的研究提示,e NOS活性的抑制剂,细胞渗透性肽与caveo2 lin21的脚手架区结合后降低肿瘤血管的渗透性,减慢肿瘤的生长。因此,caveolin21介导e NOS活性的抑制可作为肿瘤治疗潜在的方向。

上述对caveolin212/2小鼠模型的研究说明,caveo2 lin21对e NOS功能的调节具有重要作用,它是血管生成的激动剂和抑制剂作用的共同靶点,也是血管生成调节的关键。但是,在模型中血管缺失的诱导因素非常复杂,不能仅仅依靠e NOS活性的增加来合理解释,有待于进一步深入的研究。

2.2　血管平滑肌增殖　Caveolin21与caveolin23存在于血管平滑肌细胞,caveolin21在动、静脉均表达,而caveolin23仅在动脉表达,静脉未曾发现。实验测得Caveolin212/2小鼠模型自发短暂的外向电流减弱,提示在血管平滑肌细胞中,有效的Ca2+电流必须要有结构完整的caveolae[14]。研究表明,在血管紧张素Ⅱ1型受体(angi otensinⅡtype1recep t or,AT1R)介导下,血管紧张素Ⅱ能够促进血管平滑肌细胞增殖,该过程必须依赖caveolin。血管紧张素Ⅱ与AT1R结合后,AT1R进入富含caveolin21的区域。Caveolin21在AT1R靶向作用于caveolae的过程中发挥着重要作用[15]。与此同时,表皮生长因子受体被激活。在促进血管增殖的许多影响因素中,表皮生长因子受体的激活被认为是关键。表皮生长因子受体与caveolin21相连,存在于caveolae区域。最近的研究表明,caveolin23可能是AT1R的伴侣蛋白,使其通过细胞外的旁路传导,定位于细胞膜上[16]。它们之间的相互作用由caveolin21脚手架区介导,防止AT1R错误定位于脂质体或者高尔基体。

因此,在结构完整的caveolae中,caveolin21、caveolin23能有效地与表皮生长因子受体、AT1R相互作用,介导细胞内的信号转导,从而调节血管平滑肌细胞的增殖。

2.3　心肌收缩　心肌细胞上含有数种G2蛋白耦联受体,通过G2蛋白与效应分子相互作用,产生第二信使,调节心脏功能,这类受体包括乙酰胆碱、内皮素、缓激肽、前列腺素类受体和β2肾上腺素能受体。G2蛋白耦联受体定位于新生心肌细胞的caveolae;进一步研究发现,其效应器也定位于此。在富含caveo2 lae/caveolin的细胞膜上,发现了数个位于下游的换能器。存在于caveolae中的与配体结合或尚未与配体结合的G2蛋白耦联受体数量的增加,都被认为是介导细胞内信号转导事件的重要启动步骤。通过亲和提纯方法,现已证明特定的G2蛋白(Gq,而非Gi, Gs)富集于离体内皮细胞的caveolae内[17]。心肌细

胞主要的G2蛋白耦联受体是β2肾上腺素能受体,如果其与Gs耦联,需由儿茶酚胺类物质激活。在此条件下,腺苷酸环化酶(adenylyl cyclase,AC)被激活并产生环2磷酸腺苷,继而激活蛋白激酶A,并通过磷酸化钙通道、肌钙蛋白I和受磷蛋白,来调节细胞内Ca2+的水平,当水平升高时能增强心肌收缩力,从而增强心脏功能。

β2肾上腺素能受体2存在于caveolae中,心肌细胞表达的AC亚型5(AC5)和亚型6(AC6)也都定位在caveolae。因此,信号转导过程中激活AC的关键是信号分子在caveolae处的共区域化。相关实验表明,β2肾上腺素能受体与Gs耦联所介导的对AC活性的调节,能被β环糊精抑制,其机制可能是β2环糊精破坏小鼠心肌细胞的caveolae,并把AC6和e NOS 分离,β2肾上腺素能受体、AC和e NOS之间的相互作用消失;caveolin对e NOS活性的抑制作用也被消除,导致NO的水平增加,进而抑制AC6的活性。所以,β2肾上腺素能受体介导的心肌收缩被抑制,加重心力衰竭时收缩功能障碍。

2.4　心肌肥厚　心肌肥厚与caveolae富含的组分有关。在心肌细胞,caveolin23是caveolae的主要组成成分。小鼠caveolin23过度表达不引起心肌肥厚。但是,caveolin23基因的剔除却导致心肌明显肥厚。许多研究表明,这是因为MAPK级联反应过度活跃,促进了心肌细胞的肥大。Caveolin23是p42/44 MAPK的负性调节蛋白,因此,caveolin23的缺乏可促使心肌肥厚疾病的发生。Caveolin21的缺乏同样引起心肌肥厚或者是心肌疾病,虽然caveolin21表达在心脏成纤维细胞和内皮细胞,而不在心肌细胞[18]。此时,心肌肥大的生化指标,例如心房利钠肽,其水平明显上调[19]。Caveolin212/2小鼠出现严重的右心室扩大和向心性左心室肥厚,与人类肥厚性心肌病相似,caveolin212/2与caveolin232/2小鼠所患的心肌疾病有许多相似点,都伴随着局灶的间质性炎症、严重的纤维化损害和肌细胞坏死。在间质纤维化的区域,同样有p42/44MAPK活动亢进。现已证实, p42/44MAPK活动的增强进一步促进内皮素1和转化生长因子β等生长因子的分泌,从而使心肌细胞变肥厚。

2.5　动脉粥样硬化　对caveolae功能的早期研究就揭示其是参与胆固醇逆转运的重要结构,在血管内皮细胞膜上维持胆固醇进出平衡,并参与细胞内胆固醇的调节。Caveolin21调节细胞内胆固醇平衡是通过磷酸化2去磷酸化及在高尔基体2Caveolae之间穿梭进行的。

近年来的研究不断证实,caveolae与动脉粥样硬化病变过程紧密相关,而caveolin21在此过程中发挥

的作用尤为令人瞩目。目前取得的研究进展表明, caveolin21的缺失可能抑制粥样斑块的形成。监测caveolin212/2小鼠的血浆胆固醇水平和三酰甘油水平,发现前者处于正常水平,后者有增高的趋势。载脂蛋白E表达缺陷(ApoE2/2)小鼠具有动脉粥样硬化病变的倾向,当这类小鼠与caveolin212/2小鼠杂交繁殖后,可监测到胆固醇水平明显升高,虽然可能导致高胆固醇血症,但是粥样斑块的形成明显抑制[20,21]。

Caveolae/caveolin对动脉粥样硬化病变过程的影响可能通过参与血管壁低密度脂蛋白(l ow2density li pop r otein,LDL)的氧化、e NOS活性的抑制、调节CD36的功能等途径来实现的。首先,caveolin缺失时caveolae参与血管壁LDL的氧化,由于NO的水平增加,氧化应激减弱,致使炎性反应减轻,泡沫细胞的形成也减少。因此,caveolin的缺失可能阻止LDL的氧化。其次,抑制e NOS的活性会影响动脉粥样硬化病变过程。现已认可,在动脉粥样硬化的病变过程,氧化型LDL有着非常重要的作用,它使caveolae胆固醇含量减低,直至caveolae消失,caveolin21也随着从细胞膜上移位至细胞内,eNOS的活性减弱。这在动脉粥样硬化的发病机制中有着重要的作用。最后,caveolae通过调节CD

36

的功能影响动脉粥样硬化

的形成。CD

36

是一种致动脉粥样化分子,在巨噬细胞上大量表达。它能与caveolin21结合,继而定位在caveolae,是LDL和氧化型LDL的清道夫受体。Caveolin21使CD36定位至细胞膜,促进LDL和氧化

型LDL的跨细胞转运。如果caveolin21缺失,CD

36

的表达可能因此受损,稳定性减低,导致巨噬细胞对氧化型LDL的摄取减少,泡沫细胞的形成也随之减少,脂质的转运因而大受影响。

3　结　语

Caveolae/caveolin在心血管系统中起着重要的调控作用。例如caveolin21的缺失导致e NOS活性的改变,同时也说明了这二者之间存在着相互作用;而caveolin23的缺失影响NOS及MAPK的活性。但是,调节caveolin的表达和定位、干扰caveolae形成等方面的问题,在预防和治疗心血管疾病中仍待解决。新药研发,尤其是以caveolae/caveolin为重要靶点的研究也需要不断深入探索。Caveolae/caveolin通过多种信号转导途径影响心肌肥厚、平滑肌增殖和动脉粥样硬化等疾病的过程,其中还有许多细节问题尚未明了,仍需开展大量的工作。

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收稿日期:2007210226　修回日期:2008201223

改善严重创伤后免疫功能紊乱的研究进展

刘　星(综述),王毅鑫,苏文利(审校)

(上海中医药大学附属普陀医院创伤外科,上海200062)

中图分类号:R641 文献标识码:A 文章编号:100622084(2008)0720976203

摘要:严重创伤后免疫功能紊乱,对患者预后及社会带来极大的负面影响。如何提高严重创伤患者术后免疫功能以及抑制其机体过度的炎性反应是目前医学界的研究热点。现对近年来严重创伤后免疫功能紊乱治疗及实验研究进展进行较为全面的概括。

关键词:创伤;免疫;中药;西药;治疗

Progress i n Im provem en t of D isordered Im m une Functi on after Severe Trau ma　L I U X ing, WAN G Yi2xin,SU W en2li.(First2aid Center,Putuo Hospital of Shanghai U niversity of Traditional Chinese M edicine,Shanghai200062,China)

Abstract:Excessive inflammati on and restrained i m mune functi on are t w o sides of the organis m re2 s ponding t o the trauma,which can result in seri ous comp licati on(for exa mp le,syste m ic infla mmat ory re2 s ponse syndr ome,multi organ dysfuncti on syndr ome,and s o on),even cause die.So it is i m portant f or us t o overvie w the devel opment of i m p r ove ment of dis ordered i m mune functi on after severe trauma in clinic or experi m ent.Until now,there are many researches fr om different as pects or different methods on this point.

Because of the comp licated mechanis m of the trauma,many puzzle points are still t o be s olved.

Key words:Trauma;I m munity;Traditi onal Chinese medicine;W estern medicine;Therapy

随着社会的发展,创伤所引起的负面影响不断扩大,从而

被称之为“发达社会疾病”。20世纪以来,对创伤及术后免疫

功能的研究不断取得新的进展。20世纪初,大部分学者认为创伤后机体的主要反应是免疫功能下降。根据统计,严重创伤患者在治疗后期发生感染,脓毒症直接或间接导致的病死率高达70%～80%,从而成为创伤治疗后期患者死亡的主要原因[1]。到20世纪90年代,人们发现创伤后免疫功能应为紊乱,并非单纯的免疫功能下降。机体一方面表现为过度的炎性反应状态,容易引起全身炎性反应综合征,造成组织损伤,成为细菌入侵的门户;另一方面表现为抗感染免疫

防御能力下降,容易发生细菌的感染,从而导致脓毒症,最终导致预后不良。过度的炎性反应与受抑制的免疫功能最终可以导致多器官功能障碍综合征,而引起患者的死亡。针对这