Profilin-1的综述.doc

Profilin-1与心血管疾病的研究进展牛欢欢1，钟久昌1,2【摘要】前纤维蛋白-1（Profilin-1）是最早发现的肌动蛋白结合蛋白之一，其表达异常涉及高血压病等心血管疾病的发病。本文就Profilin-1基因的生物学特性、结构与功能及其与信号转导、心血管疾病相关性的最新进展作一综述。【关键词】Profilin-1; 肌动蛋白; 信号转导; 高血压中图分类号：R544.1 文献标志码：AResearch Progress on the Relationship between Profilin-1 and Cardiovascular DiseasesNiu Huanhuan1, ZHONG Jiuchang1,2（1. Molecule Hypertension Research Laboratory, School of Medicine Ningbo University, Ningbo 315211；2. Hypertension Institute, Ruijin Hospital, Shanghai Jiaotong University School of Medicine, Shanghai 200025, China）Abstract Profilin-1 is one of the first-discovered actin-binding proteins, in which abnormalities are associated with cardiovascular diseases such as hypertension. This review focuses on the biological features, structure and function of Profilin-1 and its relationship with signaling transduction as well as cardiovascular diseases.Key words Pofilin-1; actin; signal transduction; hypertension近年来，血管增殖与重塑一直是高血压及动脉粥样硬化性疾病基础研究发展最快的亮点之一。研究表明肌动蛋白的聚合-解聚动态平衡在血管增殖、重塑中起着极为重要的作用。前纤维蛋白-1（Profilin-1）是一种低分子量的肌动蛋白结合蛋白，参与调控肌动蛋白的聚合解聚动态平衡, 其表达及活性异常与高血压病等心血管疾病的发生、发展密切相关1-3。本文就Profilin-1基因的生物学特性、结构与功能及其与信号转导、心血管疾病相关性的最新进展作一综述。1. 前纤维蛋白（Profilin）概述 Profilin是一类肌动蛋白结合蛋白，广泛存在于真核细胞中。在哺乳动物中，已经分离鉴定出四种Profilin，包括普遍存在的Profilin-1和脑特异性Profilin-2及最近发现的睾丸特异性Profilin-3和Profilin-4 1,2。其中，Profilin-1在整个胚胎时期表达，存在于成年小鼠除骨骼肌之外的几乎所有类型的细胞和组织中3-5。收稿日期：2010-01基金项目：国家自然科学基金（30973522&30700328）；浙江省科技计划面上科研项目（2009C33080）.作者单位：1. 宁波大学医学院分子高血压病研究室，浙江 宁波315211；2. 上海交通大学医学院附属瑞金医院高血压研究所，上海 200025；通讯作者：钟久昌, E-mail: Profilin在进化中相当保守，其分子量约15 kDa，主要由3个螺旋和7个折叠构成2。Profilin由3个结构域组成，分别为肌动蛋白结合结构域、磷脂酰肌醇结合结构域以及多聚L-脯氨酸（PLP）结合结构域3-5。Profilin与配体的结合完全由其3 个结合结构域决定, 后者成为其行使生物学功能及进行修饰调控的结构基础。富含脯氨酸的血管舒张剂刺激磷蛋白(vasodilator stimulated phosphor- protein, VASP) 是被鉴定出的Profilin第一个配体4,6。VASP能够促进肌动蛋白在微丝生长端聚合, 并能防止帽蛋白的加帽作用, 而Profilin与其结合能够增强VASP 对生长端的保护作用6。新近鉴定的配体Palladin，能够直接将Profilin与肌动蛋白聚合相连5。此外, 很多核输出受体、内吞调节因子、Rac、Rho 因子及转录因子也结合到Profilin上2,4-6。Profilin与许多蛋白质配体的相互作用，是调控心血管系统信号分子相互作用复杂网络的一个重要枢纽。2. Profilin-1的功能和作用机制 2.1参与肌动蛋白动态平衡及血压调控 作为一种低分子量的肌动蛋白结合蛋白，Profilin主要功能是参与肌动蛋白的聚合-解聚动态平衡调节以及血压水平调控1,4,6-8。肌动蛋白的聚合解聚动态在血管平滑肌细胞(Vascular Smaoth Muscle Cells , VSMC)增殖、迁移以及血管阻力调节中起着极为重要的作用。研究显示，Profilin-1参与肌动蛋白单体在肌动蛋白纤维聚合和解离。Profilin-1可促进与肌动蛋白单体结合的腺嘌呤核苷酸之间的交换，同时有效降低肌动蛋白单体聚合为肌动蛋白的临界浓度7。Profilin-1还可通过使肌动蛋白单体与核苷酸结合的亲和力降低(1000倍)来促进肌动蛋白单体上核苷酸的交换1。另外，Profilin还可加速肌动蛋白单体上的核苷酸转化，随着加帽蛋白的分离，Profilin能促进肌动蛋白单纤维的自由末端延伸，形成Profilin-肌动蛋白复合体，由此Profilin结合的肌动蛋白被释放并且被加到单体纤维上。通过这种机制，Profilin-1能聚集肌动蛋白单体到不断生长的纤维，并且促进肌动蛋白聚合7,8。Profilin-1除了与肌动蛋白相结合外，还可与其配体如VASP及磷脂酰肌醇2（phosphoinositides-4,5-trisphosphate, PIP2）结合，后者作为细胞内第二信使在肌动蛋白的聚合解聚动态中起关键性的调控作用。新近研究证实Profilin-1过表达有助于促进肌动蛋白纤维重塑与VSMC增殖、迁移，促使血管阻力增加, 导致血压上升1。2.2参与血管内皮功能调控研究提示Profilin-1可通过调控血管内皮细胞功能与毛细血管生成能力，促进血管内皮细胞的增殖、迁移，从而参与血管内皮功能调控7,9-12。研究发现，人的血管内皮细胞中内源性Profilin-1的沉默表达导致细胞随机迁移变慢，降低膜突出的速度并减少由基底膜诱导的索状组织形成的内皮损害7,9,12。进一步研究表明，通过RNA干扰技术抑制Profilin-1表达可改善血管内皮细胞3-D毛细血管形态、降低基质金属蛋白酶2分泌及细胞外基质的形成，从而改善血管内皮细胞功能9,12。当Profilin-1与肌动蛋白和聚脯氨酸的相互作用被破坏时，血管内皮细胞中细胞外基质的形成也被抑制9-11。通过RNA干扰抑制Profilin-1在人脐静脉内皮细胞中的表达，可导致肌动蛋白丝和粘着斑的形成显着减少。Profilin-1表达下调也与细胞-细胞粘附动力的减少相关，Profilin-1表达受到抑制时血管内皮细胞迁移能力也随之受到抑制9,12。研究表明同型半胱氨酸、血流动力学条件改变以及动脉粥样硬化促进因子等均可促进Profilin-1基因在内皮细胞中的表达，促使血管内皮细胞的增殖、迁移，从而导致血管内皮功能紊乱的发生13。由此推测，Profilin-1可通过调节血管内皮细胞的迁移及毛细血管形态形成，促进血管内皮细胞增殖、重塑，从而破坏血管内皮功能，加重高血压、动脉粥样硬化等血管功能紊乱形成。2.3 Profilin-1与细胞信号转导 2.3.1 PIP2信号途径 Profilin-1结合许多配体的能力表明Profilin与信号转导有关，提示跨膜信号与微丝系统的操纵装置密切相关14。Profilin可以与磷脂酰肌醇相互作用，尤其是与PIP22,4,14。一方面，Profilin通过结合内皮素-1（endothelin-1，ET-1）来抑制PIP2水解，并由此可能干扰其它细胞信号级联反应2。PIP2是ET-1信号传导途径的一个关键下游基质，在膜骨架接口处起着调节蛋白功能的作用。ET-1可促进Profilin-1与 PIP2结合, 而Profilin-1与 PIP2结合后可能在膜骨架交叉接口处对维持由ET-1调节的细胞骨架的完整性发挥重要功效2,14。另一方面，由于结合位点重叠，Profilin-1 与PIP2结合后就不能与肌动蛋白形成复合物， 这是一个潜在的细胞外信号诱导的细胞骨架重排机制2,14。Profilin-1与肌动蛋白单体以1:1的比例结合形成复合物，当血管细胞接受刺激时PIP2浓度升高, Profilin-1释放肌动蛋白2,4。研究表明，PIP2与肌动蛋白和部分与Profilin-1结合的聚脯氨酸存在竞争，提示PIP2可能在体内充当profilin-1的负调节因子14。2.3.2 MAPK信号途径 研究表明Profilin-1可通过激活丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activatedproteinkinases，MAPK）信号通路，参与高血压血管增殖重塑的形成1。MAPK是细胞内的一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，在多种致血管增殖重塑的反应中起重要作用。其一方面可能参与了VSMC肥大信号的传导, 另一方面可参与细胞外基质特别是胶原合成的调节。业已证实, 许多血管收缩因子如血管紧张素 (angiotensin , Ang ) 、ET-1、加压素及各种生长因子均可诱导VSMC 的肥大, 且都伴有MAPK活性的改变1,14-16。血管内皮细胞与VSMC 的完整性及局部Ang 、ET-1 及一氧化氮(nitri oxide, NO)的交互作用对于维持血管结构及血管张力起着重要作用，而其发生的分子机制则与MAPK信号通路密切相关1,16。Profilin-1可通过促进VSMC细胞外信号调节激酶1/2（extracellular regulated kinase, ERK1/2）、Jun 氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase, JNK)以及p38- MAPK的磷酸化水平增加而促使血管炎症、增殖及重塑形成，最终促成血压升高1。相反，通过基因敲除技术使血管Profilin-1表达下调后，血管中JNK、p38- MAPK的磷酸化水平随之下降，血管炎症和重塑现象得到减轻，同时伴有血压水平下降1。2.3.3 JAK-STAT信号途径酪氨酸激酶(jauns kinase, JAK)/信号转导子和转录活化子(signal transducer and activators of transcription, STAT)途径是目前高血压等心血管病血管增殖重塑研究的热点。新近研究报道，通过激活JAK2-STAT3通路，Profilin-1在介导血管功能以及糖尿病、高血压病等血管性疾病的发病中起重要功效1,17,18。通过主动脉的染色体免疫共沉淀实验发现Profilin-1在糖尿病血管病变中呈STAT3依赖性调节17。研究表明在高血压、糖尿病主动脉中的STAT3激活可能涉及Ang 和ET-1信号途径以及各炎症介质生成1,16-18。有趣的是，作为一种新的炎症因子，Profilin-1在介导血管功能异常及血管炎症损伤中起关键作用，其发生机制与JAK2-STAT3通路密切相关18。3. Profilin-1与心血管疾病 3.1 Profilin-1与高血压 Profilin-1参与调控肌动蛋白的聚合解聚动态平衡，而该平衡在血管增殖、重塑中起着关键作用，是高血压病等血管重塑性疾病发病的重要因素之一1,16,18。血管增殖、重塑被公认是血管血流动力学的慢性变化和血管病变的适应过程。Profilin-1通过激活JNK、p38-MAPK等MAPK磷酸化信号及JAK2-STAT3信号通路，促进了肌动蛋白聚合及其细胞骨架动力学的改变，加重了血管增殖、重塑，导致血管壁结构易受到改变，包括血管壁增厚、横截面积的增加以及腔直径的减少，最终导致了血压升高1。由此推测Profilin-1可能是一种新的高血压预测因子。3.2 Profilin-1与动脉粥样硬化性疾病 动脉粥样硬化相关疾病是目前危害人类健康的主要心血管疾病之一，但其机制尚未完全阐明。新近研究发现，Profilin-1降低了内皮对动脉粥样硬化损伤的反应，且认为Profilin-1的促动脉粥样硬化作用可能与改变氧化型血脂组成而引发的炎症应激反应有关3。内皮功能障碍，表现为对NO生物利用度的降低以及炎症因子表达增加，是在动脉粥样硬化发展的早期病理特征之一3,7,16。Profilin-1基因敲除小鼠体内表现为主动脉中内皮型NO合酶活性和NO依赖性信号增加，而血管细胞粘附分子-1等炎症因子表达减少3。另外，Profilin-1基因缺失可以降低氧化低密度脂蛋白诱导的炎症介质水平以及改善内皮功能，从而对动脉粥样硬化的发生、发展发挥一定的保护功效 3,7。因此，作为一种新型炎症因子，Profilin-1还可能为一种新的促动脉粥样硬化因子，而通过各种措施干预Profilin-1可能为抗动脉粥样硬化的一种新途径。3.3 Profilin-1与其它心血管疾病 Profilin家族中只有Profilin-1在心血管组织中表达，且Profilin-1具有动态结合PIP2的独特能力。PIP2的缺失能增加心肌细胞凋亡，促使心力衰竭的发生。当ET-1促进Profilin-1过多的结合PIP2，促使心血管组织PIP2量的减少，最终导致了仓鼠严重心肌病和充血性心力衰竭的发生、发展2,14。Profilin-1可能为一种新的高血压预测因子，同时还可能是一种促动脉粥样硬化因子。目前Profilin-1在心血管系统中的调控功效，认识还很局限，如其作用机制及其信号转导网络尚待进一步研究。通过各种途径干预Profilin-1表达及活性，可望成为高血压病等心血管疾病防治的新思路。参考文献1 Moustafa-Bayoumi M, Alhaj MA, El-Sayed O, et al. Vascular hypertrophy and hypertension caused by transgenic overexpression of profilin 1 J. J Biol Chem, 2007, 282(52): 37632-37639.2 Behnen M, Murk K, Kursula P, et al.Testis-expressed profilins 3 and 4 show distinct functional characteristics and localize in the acroplaxome-manchette complex in spermatidsJ. BMC Cell Biol, 2009, 10:34-50.3 Romeo GR, Moulton KS, Kazlauskas A. Attenuated Expression of Profilin-1 Confers Protection From Atherosclerosis in the LDL ReceptorNull Mouse J. Circ Res, 2007, 101(4): 357-367.4 徐江涛, 张耀洲. 前纤维蛋白的研究进展J. 细胞生物学杂志, 2007, 29(3): 325-330.5 Boukhelifa M, Moza M, Johansson T, et al. The proline-rich protein palladin is a binding partner for profilin J. FEBS J, 2006, 273(1): 26-33. 6 Barzik M, Kotova TI, Higgs HN, et al. Ena/VASP Proteins Enhance Actin Polymerization in the Presence of Barbed End Capping Proteins J. J Biol Chem, 2005; 280(31): 28653-28662.7 Horrevoets AJ. 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