热休克蛋白70在心血管疾病中的研究进展.pdf

心电与循环 2024 年第 43 卷第 2 期心血管疾病是全球死亡的主要原因。2019 年世界卫生组织统计全球由非传染性疾病导致的死亡中，32%是由心血管疾病造成的1。对心血管疾病发生机制及发展的研究，不仅可为国家减少大量医疗投入，而且有助于患者对心血管疾病预防和治疗，甚至可能显著改善患者的预后。60 年前，Ritossa 在果蝇幼虫的唾液腺中发现热诱导染色体膨化；50 年前，Tissieres 从果蝇中纯化并分析了膨化的编码基因和蛋白质，掀起了热休克反应的研究热潮，这种由应激而形成的蛋白质也被命名为热休克蛋白（heat shock protein，Hsp）2。30 余年前，Delcayre 等3在长时间容量超负荷的心脏中观察到 Hsp2、Hsp4和 Hsp70 表达和合成增加。随后的研究显示，Hsp70是生物细胞中含量最高的一种 Hsp，并且作为分子伴侣细胞网络的核心组成部分,其可诱导性强，具有多种生物学功能4。本文对 Hsp70 在 2 型长 QT 综合征（long QT syndrome 2，LQT2）、心肌缺血再灌注损伤（myocardial ischemia reperfusion injury，MIRI）、扩张型心肌病（dilated cardiomyopathy，DCM）等疾病中的作用机制作一综述，探讨后续可进一步研究的方向。1Hsp70目前已知人类细胞产生的 Hsp70 具有多种亚型，这些亚型与心血管疾病、癌症、炎症和阿尔茨海默病等疾病有关，表明 Hsp70 家族可能是多种疾病的治疗靶点5。1.1Hsp70 的结构与功能Hsp70 以一种保守的柔性连接子连接一个位于 N 端的核苷酸结合域（N-terminal nucleotide-binding domain，NBD），一个底物结合域（substrate binding domain，SBD）和一个长度可变的无序的 C-末端尾巴。NBD 被裂隙分隔为两个叶（和）。SBD 具有 琢 和 茁 两个结构域，SBD茁形似三明治，包含多肽结合腔及中心疏水口袋。SBD琢 是一个 琢 螺旋盖结构域，可对接到 SBD茁 上使多肽结合腔完全封闭。无序的 C-末端尾巴常以保守带电基序结束，可负责底物结合和折叠6。在三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）与NBD 结合状态下，NBD 小叶会相对旋转，打开 NBD底部裂隙，连接子与 SBD茁 结合，SBD茁 夹住 NBD 小叶，打开多肽结合腔，让底物从 SBD 释放。在与底物结合时，底物的单个残基插入 SBD茁 的疏水口袋中，触发 SBD茁 和 SBD琢 从 NBD 释放。SBD茁 的释放允许 茁 叶向后旋转，解离的 SBD琢 对接到 SBD茁 的多肽结合腔，防止底物解离，见图 17。以结构为基石，Hsp70 成为蛋白质质量控制网络的中心枢纽，通过多种结构域相互作用，帮助新合成多肽链的正确折叠，降解错误折叠的多肽，防止蛋白质聚集。1.2Hsp70 与共分子伴侣Hsp70 自身水解 ATP速度缓慢，需借助共分子伴侣加速 ATP 水解7。共分子伴侣可分为 3 大类：（1）J 结构域蛋白（J domainprotein，JDP），作用于 NBD，提升 ATP 酶活性，更好DOI：10.12124/j.issn.2095-3933.2024.2.2023-2272基金项目：宁波市自然科学基金项目（2019A610343）作者单位：315040宁波大学附属李惠利医院心内科通信作者：王英，E-mail：热休克蛋白 70 在心血管疾病中的研究进展谢汝银王英荫综述摘要热休克蛋白 70（Hsp70）是进化上高度保守的一种蛋白质，具有多种生物学功能，并在维持细胞稳态中发挥重要作用。病理条件下，Hsp70 异常表达会影响心血管疾病的发生与进展。因此，本文对 Hsp70 结构、功能及其在 2 型长 QT 综合征、心肌缺血再灌注损伤、扩张型心肌病等疾病中的作用机制作一综述，并探讨可进一步深化研究的方向。关键词热休克蛋白 70；心血管疾病；分子伴侣蛋白201心电与循环 2024 年第 43 卷第 2 期注：NBD 为 N 端的核苷酸结合域；SBD 为底物结合域；ATP 为三磷酸腺苷；Hsp 为热休克蛋白图 1Hsp70 结构示意图地水解 ATP；（2）核苷酸交换因子（nucleotide exchangefactor，NEF），结合 NBD，打开多肽结合腔，加速三磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）/ATP 交换，协助底物更快从 SBD 中释放；（3）肽重复结构域，其Hsp70末端相互作用蛋白（carboxyl terminus of Hsp70-interacting protein，CHIP），具有 E3 泛素连接酶活性，是热休克反应与泛素-蛋白酶体系之间的关键物质，可降低 JDP 所致的 ATP 酶活性发挥作用8-9。2Hsp70 与疾病2.1Hsp70 与 LQT2长 QT 综合征（long QT syndrome，LQT）是一种心电图上表现为 QT 间期延长、T波和（或）U 波异常，期前收缩后的代偿间歇及心率减慢时易发生尖端扭转型室性心动过速为特点的疾病，具有潜在致命性，患者常表现为反复晕厥，甚至猝死10。随着对 LQT 认识的增加，发现 LQT2 在我国最为常见，与人类 ether-a-go-go相关基因（humanether-a-go-go-related gene，hERG）突变相关，hERG编码快速激活延迟整流钾电流通道（rapidly activat-ing delayed rectifier potassium current，Ikr），hERG 突变致 hERG 蛋白成熟和（或）运输障碍，引起心肌细胞膜上快速延迟整流钾电流减少甚至消失，使控制心肌细胞的动作电位时程发生障碍，从而导致LQT211-12。因此 hERG 蛋白是最常见药物诱导 LQT2的靶点13。Hsp70 参与 hERG 蛋白合成，影响未成熟和成熟形式的 hERG 蛋白，改变 LQT2 病程的发生、发展14。进一步研究明确了 Hsp70 影响 hERG 蛋白的机制受多种共分子伴侣调控。JDP 家族的共伴侣通过与 Hsp70 的 NBD 小叶转动，激活 ATP 水解酶，来稳定新生的 hERG 蛋白15。NEF 中的 Bcl-2 相关异基因（Bcl2-associated athanogene，BAG）1 与 Hsp70的相互作用，解离含有 Hsp70 和 CHIP 的 hERG 复合体，促进 hERG 蛋白降解，从而调节 hERG 水平和通道活动，见图 216。目前通过针对 Hsp70 去影响 hERG，进而改善或（和）治愈 LQT2 的药物研发是一个极具潜力的新方向。除此之外，某些药物对 Hsp70 作用也值得引起注意，如瑞舒伐他汀类药物作为高脂血症的常用治疗药物，但其降低了 Hsp70 与 hERG 蛋白相互作用，从而影响 hERG 蛋白折叠,有效阻断 hERG 电流，延长心脏复极化，导致动作电位时程和校正的QT 间期延长，所以当瑞舒伐他汀类药物与可延长QT 间期的药物联合使用时，应谨慎17。2.2Hsp70 与心肌缺血再灌注损伤MIRI 常发生于向心肌供血的冠状动脉,其部分或完全阻塞导致缺血缺氧性损伤，此时即便血管阻塞很快得到解决，缺血心肌重获血液供应，再灌注也可能进一步加重组织损伤，出现急性心力衰竭、全身炎症反应综合征和多器官功能障碍综合征18。MIRI 所涉及的机制很复杂，主要包括细胞内钙超载、炎症反应和活性氧（reactive oxygen species，ROS）等19。因此 Hsp70 对 MIRI 的干预也主要通过上述 3 个方面。其中钙超载在缺血再灌注损伤中起关键作用。三磷酸肌醇受体（inositol 1，4，5-triphatereceptor，IP3R）和内质网跨膜蛋白基质相互作用分子 1（stromal interaction molecules 1，STIM1）都是重要的细胞内钙通道，介导细胞内钙离子的变化20。近SBD底物注：Hsp 为热休克蛋白；LQT2 为 2 型长 QT 综合征；hERG 为人类 ether-a-go-go 相关基因；JDP 为 J 结构域蛋白；ATP 为三磷酸腺苷；Bag1 为 Bcl2 相关异基因 1；CHIP 为 Hsp70 末端相互作用蛋白图 2Hsp70 在 LQT2 中的作用示意图135 kDahERG155 kDahERGhERGHsp70JDPATP未成熟 hERG核糖体Bag1CHIPHsp70成熟 hERG202心电与循环 2024 年第 43 卷第 2 期来，研究发现 Hsp70 可能通过抑制 STIM1/IP3R 表达的上调来消除细胞内钙超载，从而增加细胞活力，在心肌细胞中起保护作用21-24。此外，他们发现Hsp70 通过靶向不同的内源性和外源性凋亡途径发挥抗凋亡作用，如通过下调凋亡相关 Bcl-2 相关 X蛋白（Bcl-2 associated X protein，Bax）的表达，增加共伴侣 Bcl-2，减少细胞凋亡，也可增强心肌对 MIRI的应激适应25。炎症反应贯穿 MIRI 病理生理的全程，Hsp70 可以通过刺激 Toll 样受体 4（Toll-like re-ceptor 4，TLR4）信号传导，激活细胞外调节蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）1/2和 p38 丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated pro-tein kinase，MAPK）信号通路，然后磷酸化 Hsp27 以保护心脏26-27。针对活性氧积聚问题，可通过 Hsp70诱导的锰依赖超氧化物歧化酶（manganese superoxidedismutase，Mn-SOD）的保存而减少，从而减轻氧化应激，抑制 ROS 诱导的 MIRI 心脏线粒体功能障碍,见图 328-29。MIRI 涉及多种信号通路和分子机制，目前尚无有效的防治措施。不过，有实验发现中药小檗碱成分可下调 Hsp70 表达，抑制心肌梗死后心力衰竭时的 ERS 反应和 ERS 诱导的凋亡信号通路来抑制心肌细胞凋亡，可能为后期防治 MIRI 药物研发提供新的思路30。2.3Hsp70 与 DCMDCM 是一类异质性心肌病，其特征是心室扩大伴收缩功能障碍，伴或不伴心力衰竭症状。大多数情况下，DCM 是进行性的，心室持续扩大导致心室功能下降，随后出现传导系统异常、血栓栓塞和心力衰竭甚至心源性猝死31。部分 DCM 患者有家族遗传性。一项涉及一个 4代大家族的人类遗传研究发现，造成 DCM 的一个明确原因共分子伴侣 BAG3 分子序列中的第455 个位置上的谷氨酸被赖氨酸替换32。该基因突变使 Hsp70 与 BAG3 相互作用发生障碍，无法形成伴侣辅助选择自噬复合体，影响特异性识别错误折叠或受损蛋白质进入溶酶体降解，影响细胞凋亡，破坏心肌细胞蛋白稳态，从而发生 DCM33。此外，围生期心肌病作为遗传性 DCM 备受关注的一部分，有研究发现 Hsp70 在其中扮演着不可忽视的角色，Hsp70 通过与 CHIP 合作，靶向泛素化无法修复的错误折叠蛋白质至蛋白酶体降解，维持蛋白稳态并减轻心脏毒性34-35。注：Hsp 为热休克蛋白；MIRI 为心肌缺血再灌注损伤；IP3 为三磷酸肌醇；IP3R 为受体三磷酸肌醇受体；STIM1 为基质相互作用分子 1；Mn-SOD 为锰依赖超氧化物歧化酶；ROS 为活性氧；Bcl-2 为 B 淋巴细胞瘤-2；Bax 为 Bcl-2 相关 X 蛋白；TLR4 为 Toll样受体 4；ERK 为细胞外调节蛋白激酶；MAPK 为丝裂原活化蛋白激酶图 3Hsp70 在 MIRI 中的作用示意图激活磷脂酶 C酌1IP3IP3RHsp70TLR4ERK1Bcl-2Mn-SOD钙离子调节分子 1STIM1细胞外Ca2+内流减少ROSBaxp38MAPKHsp27保护心肌外泌体203心电与循环 2024 年第 43 卷第 2 期但大多数患者却没有明显的因果遗传变异，使其发病的分子机制难以捉摸。近来有研究发现结构域及甲基化酶结合区 4（jumonji domain containing4，JMJD4）通过降解羟基化丙酮酸激酶 M2，从而维持人心肌细胞的代谢平衡。进一步研究验证了 JMJD4 通过 Hsp70 介导的自噬途径影响丙酮酸激酶 M2的降解，且证明了通过此途径的调节，可对 JMJD4缺乏引起的 DCM 有显着的治疗效果36。2.4Hsp70 与其他心脏疾病Hsp70 还参与其他心血管疾病的发生、发展过程，如动脉粥样硬化等。在动脉粥样硬化方面，有研究对内皮细胞抵抗各种形式的物理压力进行分析，明确关键机制是 Hsp70 表达的增加和应激纤维的形成37。Hsp70 不仅促进应激纤维形成来对抗伸应力，应激纤维负责维持细胞或上皮的完整，还刺激诱导一氧化氮酶和一氧化氮的产生，对抗动脉粥样硬化。而槲皮素可通过抑制Hsp70 从而抑制动脉粥样硬化，为治疗动脉粥样硬化提供新思路37-38。3小结与展望Hsp70 在帮助错误折叠蛋白重折叠、防止蛋白聚集以及溶解聚集蛋白发挥重要作用，对生物体的生存作用极其重要。本综述讨论了 Hsp70 的基本结构、功能、共分子伴侣与多种心血管疾病关系，对Hsp70 伴侣网络有初步了解，但 Hsp70 的保守性很高，拥有不同生物学差异的 Hsp70，可能仅存在少数碱基的不同，故能精准调控 Hsp70 的靶向药物研发极具潜力与挑战。目前以竞争性核苷酸类似物抑制ATP 酶活性，靶向 SBD 及共分子伴侣为三大方向的药物研发，却多以癌症，感染疾病研究为主。因此，未来需要更多的基础及临床试验进一步明确靶向Hsp70 药物在心血管发展中的具体作用机制及相关通路。此外，通过影响 Hsp70 结构及 STIM1/IP3R、ERK1/2、Bcl-2 等信号通路调节 Hsp70，中药也将逐步走上舞台，如小檗碱对心肌细胞抗凋亡作用。总之，Hsp70 为个性化、精准化的心血管疾病治疗提供新机遇。参考文献1Di Cesare M,Perel P,Taylor S,et al.The heart of the worldJ.Glob Heart,2024,19(1):11.DOI:10.5334/gh.1288.2Jee B,Dhar R,Singh S,et al.Heat shock proteins and their role inpregnancy:redefining the function of old rum in a new bottleJ.Front Cell Dev Biol,2021,9:648463.DOI:10.3389/fcell.2021.648463.3Delcayre C,Samuel JL,Marotte F,et al.Synthesis of stress proteinsin rat cardiac myocytes 2-4 days after imposition of hemodynamicoverloadJ.J Clin Invest,1988,82(2):460-468.DOI:10.1172/jci113619.4Fern佗ndez-Fern佗ndez MR,Valpuesta JM.Hsp70 chaperone:a mas-ter player in protein homeostasis J.F1000Res,2018,7:F1000.DOI:10.12688/f1000research.15528.1.5Wang L,Bergkvist L,Kumar R,et al.Targeting chaperone/co-chaperone interactions with small molecules:a novel approach totackle neurodegenerative diseasesJ.Cells,2021,10(10):2596.DOI:10.3390/cells10102596.6Rosenzweig R,Nillegoda N,Mayer M,et al.The Hsp70 chaperonenetworkJ.2019,20(11):665-680.DOI:10.1038/s41580-019-0133-3.7Chakafana G,Zininga T and Shonhai A.The link that binds:thelinker of Hsp70 as a helm of the proteins functionJ.Biomolecules,2019,9(10):543.DOI:10.3390/biom9100543.8Mayer MP and Gierasch LM.Recent advances in the structural andmechanistic aspects of Hsp70 molecular chaperonesJ.J Biol Chem,2019,294(6):2085-2097.DOI:10.1074/jbc.REV118.002810.9Mylvaganam S,Earnshaw R,Heymann G,et al.C-terminus ofHsp70 interacting protein(CHIP)and neurodegeneration:lessonsfrom the bench and bedsideJ.Curr Neuropharmacol,2021,19(7):1038-1068.DOI:10.2174/1570159x18666201116145507.10傅银,廉姜芳.新型冠状病毒肺炎药物引起获得性长 QT 综合征的研究进展J.心电与循环,2022,41(4):311-315,330.DOI:10.12124/j.issn.2095-3933.2022.4.2022-5042.11Veldhuizen J,Mann HF,Karamanova N,et al.Modeling long QTsyndrome type 2 on-a-chip via in-depth assessment of isogenicgene-edited 3D cardiac tissuesJ.Sci Adv,2022,8(50):eabq-6720.DOI:10.1126/sciadv.abq6720.12Wu JC,Garg P,Yoshida Y,et al.Towards precision medicinewith human ipscs for cardiac channelopathiesJ.Circ Res,2019,125(6):653-658.DOI:10.1161/circresaha.119.315209.13Wu Y,Huang X,Zheng Z,et 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