端粒-p53的調(diào)節(jié)作用在冠心病中的研究進展

趙海靜 劉琪 劉昱圻 程龍 陳韻岱

100853 北京，解放軍醫(yī)學院(趙海靜、劉琪)；100853 北京，中國人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學中心心血管內(nèi)科(劉昱圻、陳韻岱)；100071 北京，中國人民解放軍軍事科學院軍事醫(yī)學研究院生物工程研究所(程龍)

Fundprogram： Beijing Nova Program(Z191100001119020)

心血管疾病是危害人類生命健康的頭號殺手。端粒磨損與炎癥、氧化損傷相關(guān)，介導細胞復制性衰老。轉(zhuǎn)錄因子p53能夠調(diào)節(jié)包括細胞衰老、DNA修復等廣泛的細胞過程。近年來發(fā)現(xiàn)，端粒功能及p53的表達與冠心病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。本文旨在對端粒及p53在冠心病中的功能和作用機制展開綜述。

1 端粒功能及作用

1.1 端粒

端粒是線性染色體末端的特殊保護結(jié)構(gòu)，由5’-TTAGGG-3’ DNA重復序列構(gòu)成。人類端粒DNA長度為10～15 kb，小鼠端粒DNA長度略長于人類，為25～50 kb[1]。端粒重復序列與shelterin蛋白復合體結(jié)合，促進了端粒中套索樣結(jié)構(gòu)t-環(huán)的形成[2]，防止端粒功能障礙引起DNA損傷反應及雙鏈斷裂修復通路[3]，在端粒長度調(diào)節(jié)、掩蓋染色體末端使其免受損傷影響上意義重大。哺乳動物一生中，因存在末端復制問題[4]，DNA聚合酶無法完全合成染色體的3’末端，導致端粒長度隨細胞分裂、個體年齡增長而不斷縮短。端粒磨損介導細胞復制性衰老[5]。當端粒長度達到臨界值，通常觸發(fā)DNA損傷反應，引起細胞生長停滯，趨向衰老。

1.2 端粒磨損與冠心病

端粒磨損是分子衰老標志之一，是包括冠心病在內(nèi)的年齡相關(guān)疾病的危險因素[6]。除了復制性磨損外，端?？s短與炎癥、氧化損傷相關(guān)[7]。心肌細胞端粒較短導致嚴重的心室功能障礙和病理性心臟重構(gòu)，并且與老年人較易罹患心臟病相關(guān)[8]。流行病學研究表明，白細胞端粒縮短與心血管疾病發(fā)生和心血管死亡呈正相關(guān)。一項前瞻性隊列研究報道，端粒長度是組織特異性氧化應激的生物標志，較短的外周血端粒長度是急性心肌梗死(acute myocardial infarction，AMI)后全因死亡和心血管死亡的獨立預測因素[9]。短端粒與缺血性心血管疾病之間可能存在的因果關(guān)系尚未完全闡明，但可以肯定，在動脈粥樣硬化的病理過程中，短端粒與粥樣斑塊的快速形成呈正相關(guān)[10]。

1.3 端粒酶

端粒酶是將端粒DNA重復序列添加到染色體末端的核糖核蛋白酶，由端粒逆轉(zhuǎn)錄酶(telomerase reverse transcriptase，TERT)和端粒酶RNA(telomerase RNA component，TERC)構(gòu)成。端粒酶以自身攜帶的RNA序列為模板，通過逆轉(zhuǎn)錄合成端粒重復序列，彌補端粒磨損[3]。

1.4 端粒酶與冠心病

端粒酶的激活對AMI后的心臟起保護作用。在AMI小鼠心臟外源性表達TERT后，端粒延長，且小鼠心肌梗死面積減小，心室功能改善，小鼠存活率提高17%[11]。Richardson等[12]研究發(fā)現(xiàn)，小鼠心臟在受到冷凍損傷后，表達端粒酶的細胞數(shù)量增加了約6.45倍。除了維持端粒長度之外，端粒酶可能具有其他非端粒功能，包括調(diào)節(jié)細胞分化、基因表達、細胞凋亡和增殖[13]。

2 p53蛋白

轉(zhuǎn)錄因子p53是一種特殊的DNA結(jié)合蛋白。據(jù)報道其能夠靶向調(diào)節(jié)近500個目標基因的轉(zhuǎn)錄[14]，參與廣泛的細胞過程，包括細胞衰老、細胞周期調(diào)控、DNA損傷修復、代謝適應和細胞死亡。正常情況下，E3泛素蛋白連接酶MDM2(mouse double minute 2)等通過與p53結(jié)合促進它的降解，將p53蛋白維持在較低水平。當細胞出現(xiàn)DNA損傷等應激反應時，阻斷MDM2介導p53蛋白的降解[15]，p53蛋白激活，促進受損細胞清除或修復，降低細胞增殖突變的風險。

p53蛋白與心血管疾病密切相關(guān)。Si等[16]發(fā)現(xiàn)，p53蛋白的過度表達與2型糖尿病患者冠狀動脈微血管病變相關(guān)，下調(diào)或抑制p53蛋白的表達可改善糖尿病患者冠狀動脈血流速度儲備和心功能；Liu等[17]發(fā)現(xiàn)，阻斷p53蛋白介導心肌素的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)心肌細胞自噬，減輕AMI后缺血再灌注損傷。

3 端粒及p53蛋白在冠心病中的作用機制

3.1 端粒-p53蛋白-線粒體機制

細胞如何識別端?？s短是目前研究的熱點問題。端粒縮短通過激活p53蛋白[18]，抑制過氧化物酶體增殖活化受體γ輔助激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1 alpha，PGC-1α)，導致線粒體生理功能和生物合成受損[19]。

PGC-1α是線粒體生理和代謝的主要調(diào)節(jié)劑，屬于轉(zhuǎn)錄輔激活因子家族，具有抗炎抗氧化功能[20]。PGC-1α通過結(jié)合下游NRF-1、NRF-2、ERRα和PPARα等編碼線粒體功能相關(guān)的核轉(zhuǎn)錄因子，反式激活靶基因的轉(zhuǎn)錄，調(diào)控氧化呼吸鏈復合體亞基、脂肪酸氧化酶類、參與線粒體DNA(mitochondrial DNA， mtDNA)復制與轉(zhuǎn)錄等相關(guān)核基因的轉(zhuǎn)錄，是血管衰老的中樞負調(diào)控因子。

線粒體基因表達和形態(tài)學的改變引起的細胞功能障礙可能是端粒功能障礙的結(jié)果[21]。端粒功能障礙引起線粒體功能受損、氧化呼吸鏈復合體損傷，導致氧化呼吸效率下降，活性氧自由基(reactive oxygen species，ROS)產(chǎn)量增加[22]，推動細胞趨向衰老。

端?？s短達臨界值，觸發(fā)DNA損傷，經(jīng)兩種蛋白激酶毛細血管擴張共濟失調(diào)突變蛋白(ataxia telangiectasia mutated，ATM)及共濟失調(diào)毛細血管擴張RAD3相關(guān)蛋白(ataxia telangiectasia and rad3-related protein，ATR)識別。ATM/ATR識別DNA損傷，抑制MDM2，并介導p53蛋白激活，PGC-1α表達水平降低，下調(diào)其下游編碼線粒體功能的核基因轉(zhuǎn)錄因子NRF-1、NRF-2、ERRα和PPARα水平[19]，使得編碼線粒體生理功能的核基因轉(zhuǎn)錄受抑制，線粒體功能受損，ROS產(chǎn)量增加，進一步加速端粒磨損。此外，p53蛋白的激活提高細胞內(nèi)促凋亡蛋白BAX、BAK和BID水平，抑制抗凋亡蛋白BCL-2和BCL-XL，促進線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔的開放，加速細胞色素C(cytochrome c， Cyt C)從線粒體膜間隙向細胞質(zhì)中釋放[23]，結(jié)合并激活凋亡蛋白酶激活因子1(apoptosis protease activating factor-1，Apaf-1)及半胱氨酸天冬氨酸特異性蛋白酶9前體(procaspase 9)，進而激活caspase 9、caspase 3、caspase 7，介導細胞凋亡[24](圖1)。

Amano等[25]發(fā)現(xiàn)，線粒體關(guān)鍵抗衰老分子sirtuins蛋白受到PGC-1α、PGC-1β的調(diào)節(jié)，端粒較短時PGC-1α、PGC-1β蛋白的表達被p53蛋白抑制。此外，PGC-1α能夠抑制氧化型低密度脂蛋白在細胞內(nèi)的積聚，減少泡沫細胞生成，起到動脈粥樣硬化保護作用。Xiong等[26]研究顯示，在PGC-1α+/-ApoE-/-小鼠中，敲低PGC-1α基因引起小鼠血管產(chǎn)生衰老表型，抗氧化劑過氧化氫酶和乙?；窼IRT1的表達減少，主動脈p53蛋白表達水平提高，PCG-1α表達減少與小鼠體內(nèi)氧化應激增加、線粒體異常和端粒酶活性降低有關(guān)。Sahin等[19]研究發(fā)現(xiàn)，在第4代TERT-/-小鼠中，PGC-1α和PGC-1β水平下降，心臟和肝臟mtDNA含量下降，線粒體密度降低，電子傳遞鏈的活性存在缺陷，且小鼠左心室壁變薄、直徑增長。PGC-1α-/-ApoE-/-小鼠中，PGC-1α的缺失使主動脈TERT表達降低，p53蛋白水平上升；而PGC-1α的表達協(xié)同激活TERT的轉(zhuǎn)錄，逆轉(zhuǎn)端粒功能障礙[27]。細胞通過端粒-p53蛋白-線粒體軸感知端粒磨損及功能障礙，導致器官組織和代謝的衰竭，加速了冠心病的發(fā)生與發(fā)展。

3.2 端粒-p53-細胞周期停滯機制

血管內(nèi)皮細胞屏障受損是冠心病發(fā)生的病理基礎(chǔ)。骨髓及外周血中存在內(nèi)皮祖細胞(endothelial progenitor cells，EPCs)，能夠修復受損的內(nèi)皮細胞，維持內(nèi)皮屏障的完整性，減少脂質(zhì)的沉積。EPCs中DNA氧化損傷加劇、端粒磨損，可能與冠狀動脈疾病發(fā)生、粥樣斑塊的形成密切相關(guān)。P53蛋白抑制多種干細胞自我更新，端粒功能障礙、DNA損傷、基因組不穩(wěn)定可通過p53/p21通路觸發(fā)細胞衰老[28]。

增殖活躍的細胞中，端粒功能障礙通過激活細胞周期檢查點激酶1/2(cell cycle checkpoint kinase 1/2，CHK1/CHK2)，抑制MDM2的活性[14]，激活了p53蛋白依賴的DNA損傷檢查點，使其下游p21蛋白轉(zhuǎn)錄增加，p21蛋白結(jié)合并抑制細胞周期蛋白依賴性激酶2(cyclin dependent kinase 2，CDK2)的活性；此外，CHK1/CHK2介導細胞周期分裂因子25A(the cell division cycle 25A，CDC25A)降解[29]，使得CDC25A促進CDK2功能減弱，細胞周期停滯在G1/S期。端粒磨損通過激活p53蛋白引起細胞周期停滯、衰老和凋亡，導致干細胞功能障礙，使其自我更新及活化修復組織損傷的能力受損[1](圖2)。

端粒功能障礙激活p53蛋白，抑制PGC-1α功能，引起線粒體功能受損，氧化呼吸效率下降，ROS產(chǎn)量增加，并觸發(fā)細胞凋亡機制，導致組織器官代謝衰竭，參與冠心病發(fā)生發(fā)展圖1 端粒-p53蛋白-線粒體假說機制圖

增殖活躍的細胞內(nèi)，端粒磨損通過激活p53依賴的DNA損傷檢查點，促進p21等蛋白轉(zhuǎn)錄增加，引起細胞周期停滯、衰老和凋亡，導致干細胞自我更新及修復能力受損，加速動脈粥樣硬化的發(fā)生圖2 端粒-p53-細胞周期阻滯假說機制圖

4 展望

動脈粥樣硬化被認為是一種血管慢性炎癥性疾病，現(xiàn)有研究證明端粒縮短與包括心血管疾病在內(nèi)的年齡相關(guān)性疾病的發(fā)病和死亡相關(guān)[30]，并已建立起端粒與冠心病密切聯(lián)系的橋梁。WOSCOPS研究首次報道了他汀類藥物與端粒長度在冠心病治療中的作用，證明他汀可降低端粒較短的高?；颊哳净脊谛牟〉娘L險[31]，延緩患者端粒酶活性的下降及端粒磨損。他汀類藥物治療增強骨髓來源EPCs的動員，可使端粒shelterin蛋白復合體的TRF2蛋白表達量增加。

然而，目前多為橫斷面研究，不足以論證端粒磨損與動脈粥樣硬化的因果關(guān)系。當前仍未形成細胞感知端粒磨損的完整信號機制，但證實端粒縮短通過激活p53蛋白牽動下游一系列分子表達水平的變化，引起機體復雜的病理生理過程，參與冠心病發(fā)生、發(fā)展和預后的多個階段。p53蛋白已成為細胞識別過短端粒的重要信號靶點，調(diào)控細胞周期進程及線粒體生物發(fā)生和代謝功能，是端粒功能障礙分子信號通路的樞紐?；诙肆＜岸肆Ｃ傅膭?chuàng)新性基因治療方式和治療靶點正在不斷的研究和探索中，端粒酶基因療法期盼能夠通過彌補端粒磨損對冠心病提供預防與治療，改善患者預后情況。

雖然證實端粒長度是心血管疾病的獨立危險因素，端粒功能障礙與冠狀動脈疾病相關(guān)，然而端粒長度能否成為臨床上可行的風險評估因子，進一步指導臨床策略制訂仍需要未來大規(guī)模、多中心的前瞻性研究，以及長期的隨訪評估其應用效能。

利益沖突：無