心肌细胞磷脂酰肌醇3-激酶作用的研究进展.doc

心肌细胞磷脂酰肌醇3-激酶作用的研究进展478第l2卷3期2006年9月天津医科大学学报journaloftianjinmedicaluniversityvoi.12.no.3sep.2006心肌细胞磷脂酰肌醇3一激酶作用的研究进展郑梅综述,于公元审校(天津医科大学生物化学教研室,天津300070)关键词磷脂酰肌醇3一激酶;信号转导;心肌细胞中图分类号q7+r54文献标识码a文章编号1o068147(2006)030478-03随着肥胖人口比例的不断上升,心血管系统疾病成为威胁人类健康的一大因素.如今,心血管疾病的研究已趋向于分子水平,已发现有许多种细胞因子在心血管疾病的发生,发展与恢复过程中起重要作用.磷脂酰肌醇一3激酶(phosphoinositide3一ki.nase,pi3k)是十几年前发现的一种与细胞内信号传导有关的脂类第二信使.近来,越来越多的研究表明pi3k是心肌细胞内一个重要分子,能抑制多种急性细胞应答,它与多种生物学事件有关,如囊泡运输,细胞骨架重组,细胞存活,细胞凋亡等.在心肌中,pi3k通过信号转导间接调节钙通道,心肌收缩力以及心肌肥大等方面调节心肌功能,本文就这几方面对pi3k展开综述.1pi3k的结构和分类1.1pi3k的结构pi3k主要由1个催化亚基pllo(110kd)和1个调节亚基p85(85kd)组成.pllo具有磷脂酰肌醇激酶活性,可以磷酸化质膜中的磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol,pi),另外还具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性,可催化自身和其他接头蛋白磷酸化;p85亚单位含有src同源结构域(srchomologydomain2,sh2),并借此结构域与磷酸化的受体酪氨酸激酶(receptortyrosinekinase,rtk)结合,因此具有调节功能.1.2pi3k的分类根据pi3k的结构特点和底物分子的不同可将其分为3大类:第1类pi3k均含有pllo亚基,根据pllo所结合的亚基不同,又分为a和b两个亚型.所有i类pi3k均可催化pi,pi一4一p和pi一4,5一p2的肌醇环第3位发生磷酸化;第类pi3k是含有pi3k域,ser/thr蛋白激酶域和c2结构域.而不含调节亚基结合域和ras结合域的基金项目:天津市高等学校科技发展基金(051200009)作者简介郑梅(1981一),女,硕士在读,研究方向:生物化学与分子生物学;于公元(1950一),男,教授,博士,硕士生导师,研究方向:生物化学与分子生物学.pi3k,其只能以pi和pi一4一p为底物;第类pi3k只能磷酸化pi,不能磷酸化pi一4一p和pi一4,5一p2,在结构上与第类相似,但不含c2结构域.目前,对i型pi3k研究较多,离体实验时其可以磷酸化多种pis,在体时则选择性磷酸化pi一4,5一p2,产生pip3.2pi3k的作用机制作为胞内磷脂酰肌醇激酶,pi3k可以使肌醇环上的3位羟基磷酸化,其产物包括pi一3,4一p2(pip2)和pi一3,4,5一p3(pip3)等.这些产物都是位于质膜上的第二信使.脂质pip3是一种全新的磷酸酶作用的靶分子,位于细胞膜上,是一种细胞生长调控途径中的关键成分,主要作用是刺激细胞生长和阻断凋亡.pi3k通过多种途径进行与细胞生长及存活有关的信号转导,通过一些生长因子1如血小板源性生长因子(pdgf),胰岛素样生长因子(igf),上皮生长因子(egf)的刺激,激活含有sh2区的pi3k,pi3k的活化底物pip3与含有ph的同源结构域的ser/thr激酶akt(即蛋白激酶b,亦称pkb)结合,此时akt的构型发生改变,使thr308及ser473被磷酸化而激活,可以促进细胞进入到细胞分裂周期,并阻止发生凋亡.3pi3k在心肌中的作用3.1pi3k对心肌细胞钙流动的影响pi3k通过3型磷酸二脂酶的正性调节控制l型钙流通,心肌细胞l型钙通道的调节主要是因为各种调节子通过激活g蛋白偶联受体(gproteincoupledreceptor,gpcr)和不同的蛋白激酶而产生的,而这些蛋白激酶中,pi3k近来被发现在心肌收缩性和b肾上腺素信号转导的调节中起重要作用.近来有报道显示,在心脏中,不同亚型的b肾上腺素受体与gi和(或)gs蛋白相偶联.然而b受体只与gs蛋白相偶联并激发强烈的钙流,b可活化gs,gi两种蛋白且只触发有限的钙流.实验中pi3k缺乏型心室肌特征性的具第3期郑梅,等.心肌细胞磷脂酰肌醇3一激酶作用的研究进展479有较高密度的基础性钙流,在基础条件下和b肾上腺素受体刺激之后.3型磷酸二酯酶的活性均依赖于pi3k;在pi3k缺乏型心肌细胞中,b:受体的特异性刺激之后会带来钙流的强烈增加.综上,在pi3k缺乏jl生心室肌中的基础条件和b受体刺激条件下所观察到的高值钙流动主要原因是pi3k激发的磷酸二酯酶活性的正性调节闭.观察pi3k缺乏的新生心肌对b受体刺激更加敏感,而且camp堆积增加.在心肌正性肌力调节中利用膜片钳技术可见pi3k缺乏性心肌病中l型钙离子流动大大增强.此外.钙离子浓度升高会改变某些转录因子的活性,启动细胞凋亡,参与心肌缺血再灌注损伤i3l.研究显示.血管中血管紧张素需pi3k的协同作用,且pi3k对电压依赖型钙通道有全面激活作用.pi3k的表达不仅在血管中,而且在心肌内也有表达,表达量较低.另外,细胞内注射特异性抗pi3k抗体调整了gpcr的反应,对于atp依赖的磷脂酶c对钙离子流动有监控功能,所有这些结果均来自离体组织的研究中.磷脂酶c可使l型钙通道磷酸化,增强跨膜型的钙内流,激活肌钙蛋白c及收缩的相关结构.同时,pka抑制受磷酸蛋白,引导肌浆网钙atp酶激活并重摄取钙到细胞内.3.2pi3k对心肌收缩力的影响3.2.1gpcr通过pi3k机制对心肌收缩力的影响心脏功能多由gpcr引发的信号传导通路控制.包括pi3k的活化.gpcr活化的pi3k在心脏中的表达量较低.事实上,pi3k的减少并不影响心率和血压,而是增强了心肌收缩力.尤其在受到刺激时对心肌收缩力的影响更为明显,如儿茶酚胺.一般使用b肾上腺素受体激动剂治疗心肌细胞突变体.会导致camp的异常性增加;此外,pi3k可能在gpcr激动剂的作用下起到降低收缩压的作用.如血小板激活因子(paf)在局部缺血等病理条件下释放.paf受体与gi偶联并活化pi3k,对于akt磷酸化至关重要.此时,一氧化氮合酶活化,进而一氧化氮合成增加,而一氧化氮是一种强心镇静剂i5l.总体上,pi3k可以从负面通过信号转导调节心肌收缩性,以此可能成为一个药物治疗效应器,可治疗致命性心脏疾病,如心肌梗死或心力衰竭等.3.2.2pten通过pi3k机制对心肌收缩力的影响磷酸酯酶fphosphataseandtensinhomologuedeletedonchromosometen,pten)在胚胎发育,细胞生长,分化,凋亡和迁移的调控中发挥重要的作用.它具有磷脂酰肌醇一3一磷酸酶活性,能拮抗pi3k的作用.催化pip3的3位脱磷酸,从而下调pip3水平.2001年,schwartzbauer等61首次报道pten能调节心肌细胞的肥大及存活,增加无活性的pten,蛋白的表达可导致细胞肥大,并同时伴有akt活性的增强.本实验整体研究结果显示压力超负荷心肌肥厚中左心室肌ptenmrna表达减少,提示ptenmrna表达减少可能与压力超负荷心肌肥厚中pi3k信号途径的活化有关.pi3k缺乏的鼠在清醒时有正常的平均动脉血压,但超声心动图分析心功能与对照组相比收缩力有明显增加.这表明了pi3k是心肌肥大反应的起始驱动剂.pten在病变心肌中的定向灭活对抗了pi3k的活性.从而导致心肌肥大,而这种变异也能导致异常的收缩力减少,甚至于在形态学改变之前即发生收缩力改变.有些转基因和基因敲除模型证实了pi3k信号转导在心肌收缩性和肥大方面的调节中起到根本作用同.但是,若心肌组织同时缺乏pten和pi3k则表现为心肌肥大和收缩力增加.可见pten在心肌肥大和收缩力下降方面有作用,pi3k家族参与控制心肌尺寸和抑制心肌收缩性8l.心肌细胞内pi3k的作用原理在分子水平尚未清楚,但pi3k缺乏心肌内已发现有导致收缩性变化的基本信号改变.这个过程,被看作是心肌变力性的调节,包括gpcr的激活,camp合成物的诱导及蛋白激酶a的活化.3.2.3b肾上腺素激动剂通过pi3k机制对心肌收缩力的影响amal等在实验中发现.异丙肾上腺素可增强细胞内camp水平,然而,camp调节因子并未影响蛋白合成.由gpcr诱导活化的pi3k通过减少camp集中调节炎症反应负性控制心肌收缩性.在此报道中将鼠的pi3k基因靶向突变使其失去激酶活性.结果炎症反应有所减弱.而心肌收缩性不会改变.实验证明,pi3k存在的心肌细胞中camp水平正常,而pi3k缺乏的心肌中人工诱导主动脉收缩造成慢性压力负荷以后心肌被明显破坏,pi3k是磷酸二脂酶调节过程中破坏camp的重要物质11.由此可见,心肌pi3k参与两条信号通路,一条是激酶活性依赖途径,它控制akt/pkb的磷酸化,并促进其他细胞因子诱导的心肌重建:另一条是非激酶活性依赖途径,即依赖蛋白相互作用调节磷酸二酯酶活性和负性心肌收缩性的调节fl21.在p肾上腺素激动剂刺激后,camp的增加原480天津医科大学学报第12卷因之一可能是pi3k的缺乏使得b肾上腺素能受体活化的数量异常地增加,而pi3k可能参与b肾上腺素能受体的内化【”.该受体暴露于配体中容易失敏化,而长期的活体内b肾上腺素能受体激动剂刺激并不能改变pi3k缺失型心肌内b肾上腺素能受体的脱敏和内化作用【.在pi3k缺失型心肌病中,b肾上腺素能受体特异性的刺激导致camp的增加,不诱导正性肌力作用,而pi3k活性是维持b肾上腺素能受体解偶联状态所必需的【.因此,使用pi3k抑制剂如渥漫青霉素可增强b肾上腺素能依赖的l型钙流动和心肌细胞的肥大【垌.3.3其他缺血再灌注的心肌有多个因子释放来调节应激反应,如paf,该因子是gpcr的促动剂,并有强心作用,而最近研究表明paf发挥作用需要pi3k的协同l17l.此过程使得pi3k活化和pi3k依赖的akt/pkb活化,而后者使得一氧化氮合酶磷酸化而活化,并诱导一氧化氮生成【.尽管研究显示出pi3k抑制剂在缺血性心肌症中的应用.但还是需要更多的活体内的研究.4问题与展望pi3k介导的信号转导系统与细胞代谢,生长,凋亡,恶变等密切相关,且与g蛋白,pkb等有复杂的相互作用.但是关于pi3k分子水平的作用机制还未曾研究清楚,且多数限于体外研究,今后将需要更多关注活体内的研究;另外,pi3k与其他细胞因子间的相互作用机制还有待于进一步研究.信号转导的异常与病变心肌的功能恢复有着密切的联系,因此,pi3k在病变心肌中的异常表达可为疾病的诊断,开发新药物和寻找新的靶基因治疗提供新的思路.参考文献:1kimch,choys,chunys,eta1.earlyexpressionofmyocardialhif一1inresponsetomechanicalstressesj.circres,2002,90(2):252bonyc,roches,shuichicu,eta1.aspecificroleofphosphatidylinositol3一kinase:aregulationofautonomicca2oscillationsincardiaccellsj.cellbiol,2001,152(4):7173caoz,liul,vanwinkledm,eta1.met5一enkephalininducedcar-dioprotectionoccursviatransactivationofegfrandactivationofpi3kj.physiolheartcircphysiol,2005,288(4):19554dimmelers,aichera,vasam,eta1.hmgcoareductaseinhibitors(statins)increaseendothelialprogenitorcellsviathepi3-kinase/aktpathwayj.clininvest,2001,108(3):3915tsanga,hausenloydj,mocanum,eta1.postconditioning:aformof“modifiedreperfusion”protectsthemyocardiumbyactivatingthephosphatidylinositol3-kinaseaktpathwayj.circres,2004,95(3):2306schwartzbauerg,robbinsj.thetumorsuppressorgeneptencanregulatecardiachypertrophyandsurvivalj.biolchem,2001,276(38):357867ouditgy,sunh,kerfantbg,eta1.theroleofph0sph0in0sitide一3kinaseandptenincardiovascularphysiologyanddiseasej.molcellcardiol,2004,37(2):4498mcmullenjr,shioit,zhangl,eta1.phosphoinositide3-kinase(pll0)playsacriticalrolefortheinductionofphysiological,butnotpathological,cardiachypertrophyj.pnas,2003,100(21):123559tongh,rockmanha,kochwj,eta1.gprotein-coupledreceptorinternalizationsignalingisrequiredforcardioprotectioninischemicpreconditioningj.circres,2004,94(8):113310boseak,mocanumm,cartrd,eta1.glucagonlikepeptide1candirectlyprotecttheheartagainstischemia/reperfusioninjuryj.diabetes,2005,54(1):14611takaday,hashimotom,kasaharaj,eta1.cytoprotectiveeffectofsodiumorthovanadateonischemia/reperfusioninducedinjuryintheratheartinvolvesaktactivationandinhibitionoffodrinbreakdownandapoptosisj.pharmacolexpther,2004,311(3):124912patruccoe,nottea,barberisl,eta1.pi3kgammamodulatesthecardiacresponsetochronicpressureoverloadbydistinctkinase-dependentandindependenteffectsj.cell,2004,118(3):37513colombof,noelj,mayersp,eta1.betaadrenergicstimulationofratcardiacfibroblastspromotesproteinsynthesisviatheactivation0fph0sphatidylin0sit0l3-kinasej.molcellcardiol,2001,33(6):109114ouditgy,crackowerma,efikssonu,eta1.phosphoinositide3一kinase-deficientmiceareprotectedfromisoproterenol-inducedheartfailurej.circulation,2003,108(17):214715j0sh,leblaisv,wangph,eta1.phosphatidylinositol3-kinasefunctionallycompartme