心肌細胞磷脂酰肌醇3-激酶作用的研究進展

1、心肌細胞磷脂酰肌醇3-激酶作用的研究進展478第l2卷3期2006年9月天津醫(yī)科大學學報JOURNALOFTIANJINMEDICALUNIVERSITYVoI.12.No.3Sep.2006心肌細胞磷脂酰肌醇3一激酶作用的研究進展鄭梅綜述,于公元審校(天津醫(yī)科大學生物化學教研室,天津300070)關鍵詞磷脂酰肌醇3一激酶;信號轉導;心肌細胞中圖分類號Q7+R54文獻標識碼A文章編號1o068147(2006)030478-03隨著肥胖人口比例的不斷上升,心血管系統(tǒng)疾病成為威脅人類健康的一大因素.如今,心血管疾病的研究已趨向于分子水平,已發(fā)現有許多種細胞因子在心血管疾病的發(fā)生,發(fā)展與恢復過程中

2、起重要作用.磷脂酰肌醇一3激酶(phosphoinositide3一ki.nase,PI3K)是十幾年前發(fā)現的一種與細胞內信號傳導有關的脂類第二信使.近來,越來越多的研究表明PI3K是心肌細胞內一個重要分子,能抑制多種急性細胞應答,它與多種生物學事件有關,如囊泡運輸,細胞骨架重組,細胞存活,細胞凋亡等.在心肌中,PI3K通過信號轉導間接調節(jié)鈣通道,心肌收縮力以及心肌肥大等方面調節(jié)心肌功能,本文就這幾方面對PI3K展開綜述.1PI3K的結構和分類1.1PI3K的結構PI3K主要由1個催化亞基PllO(110kD)和1個調節(jié)亞基P85(85kD)組成.PllO具有磷脂酰肌醇激酶活性,可以磷酸化質膜

3、中的磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol,PI),另外還具有絲氨酸/蘇氨酸激酶活性,可催化自身和其他接頭蛋白磷酸化;P85亞單位含有Src同源結構域(srchomologydomain2,SH2),并借此結構域與磷酸化的受體酪氨酸激酶(receptortyrosinekinase,RTK)結合,因此具有調節(jié)功能.1.2PI3K的分類根據PI3K的結構特點和底物分子的不同可將其分為3大類:第1類PI3K均含有PllO亞基,根據PllO所結合的亞基不同,又分為A和B兩個亞型.所有I類PI3K均可催化PI,PI一4一P和PI一4,5一P2的肌醇環(huán)第3位發(fā)生磷酸化;第類PI3K是含有P

4、I3K域,Ser/Thr蛋白激酶域和C2結構域.而不含調節(jié)亞基結合域和Ras結合域的基金項目:天津市高等學?？萍及l(fā)展基金(051200009)作者簡介鄭梅(1981一),女,碩士在讀,研究方向:生物化學與分子生物學;于公元(1950一),男,教授,博士,碩士生導師,研究方向:生物化學與分子生物學.PI3K,其只能以PI和PI一4一P為底物;第類PI3K只能磷酸化PI,不能磷酸化PI一4一P和PI一4,5一P2,在結構上與第類相似,但不含C2結構域.目前,對I型PI3K研究較多,離體實驗時其可以磷酸化多種PIs,在體時則選擇性磷酸化PI一4,5一P2,產生PIP3.2PI3K的作用機制作為胞內磷

5、脂酰肌醇激酶,PI3K可以使肌醇環(huán)上的3位羥基磷酸化,其產物包括PI一3,4一P2(PIP2)和PI一3,4,5一P3(PIP3)等.這些產物都是位于質膜上的第二信使.脂質PIP3是一種全新的磷酸酶作用的靶分子,位于細胞膜上,是一種細胞生長調控途徑中的關鍵成分,主要作用是刺激細胞生長和阻斷凋亡.PI3K通過多種途徑進行與細胞生長及存活有關的信號轉導,通過一些生長因子1如血小板源性生長因子(PDGF),胰島素樣生長因子(IGF),上皮生長因子(EGF)的刺激,激活含有SH2區(qū)的PI3K,PI3K的活化底物PIP3與含有PH的同源結構域的Ser/Thr激酶AKT(即蛋白激酶B,亦稱PKB)結合,此

6、時AKT的構型發(fā)生改變,使Thr308及Ser473被磷酸化而激活,可以促進細胞進入到細胞分裂周期,并阻止發(fā)生凋亡.3PI3K在心肌中的作用3.1PI3K對心肌細胞鈣流動的影響PI3K通過3型磷酸二脂酶的正性調節(jié)控制L型鈣流通,心肌細胞L型鈣通道的調節(jié)主要是因為各種調節(jié)子通過激活G蛋白偶聯受體(Gproteincoupledreceptor,GPCR)和不同的蛋白激酶而產生的,而這些蛋白激酶中,PI3K近來被發(fā)現在心肌收縮性和B腎上腺素信號轉導的調節(jié)中起重要作用.近來有報道顯示,在心臟中,不同亞型的B腎上腺素受體與Gi和(或)Gs蛋白相偶聯.然而B受體只與Gs蛋白相偶聯并激發(fā)強烈的鈣流,B可活

7、化Gs,Gi兩種蛋白且只觸發(fā)有限的鈣流.實驗中PI3K缺乏型心室肌特征性的具第3期鄭梅,等.心肌細胞磷脂酰肌醇3一激酶作用的研究進展479有較高密度的基礎性鈣流,在基礎條件下和B腎上腺素受體刺激之后.3型磷酸二酯酶的活性均依賴于PI3K;在PI3K缺乏型心肌細胞中,B:受體的特異性刺激之后會帶來鈣流的強烈增加.綜上,在PI3K缺乏Jl生心室肌中的基礎條件和B受體刺激條件下所觀察到的高值鈣流動主要原因是PI3K激發(fā)的磷酸二酯酶活性的正性調節(jié)閉.觀察PI3K缺乏的新生心肌對B受體刺激更加敏感,而且cAMP堆積增加.在心肌正性肌力調節(jié)中利用膜片鉗技術可見PI3K缺乏性心肌病中L型鈣離子流動大大增強.

8、此外.鈣離子濃度升高會改變某些轉錄因子的活性,啟動細胞凋亡,參與心肌缺血再灌注損傷I3l.研究顯示.血管中血管緊張素需PI3K的協同作用,且PI3K對電壓依賴型鈣通道有全面激活作用.PI3K的表達不僅在血管中,而且在心肌內也有表達,表達量較低.另外,細胞內注射特異性抗PI3K抗體調整了GPCR的反應,對于ATP依賴的磷脂酶c對鈣離子流動有監(jiān)控功能,所有這些結果均來自離體組織的研究中.磷脂酶c可使L型鈣通道磷酸化,增強跨膜型的鈣內流,激活肌鈣蛋白c及收縮的相關結構.同時,PKA抑制受磷酸蛋白,引導肌漿網鈣ATP酶激活并重攝取鈣到細胞內.3.2PI3K對心肌收縮力的影響3.2.1GPCR通過PI3

9、K機制對心肌收縮力的影響心臟功能多由GPCR引發(fā)的信號傳導通路控制.包括PI3K的活化.GPCR活化的PI3K在心臟中的表達量較低.事實上,PI3K的減少并不影響心率和血壓,而是增強了心肌收縮力.尤其在受到刺激時對心肌收縮力的影響更為明顯,如兒茶酚胺.一般使用B腎上腺素受體激動劑治療心肌細胞突變體.會導致cAMP的異常性增加;此外,PI3K可能在GPCR激動劑的作用下起到降低收縮壓的作用.如血小板激活因子(PAF)在局部缺血等病理條件下釋放.PAF受體與Gi偶聯并活化PI3K,對于AKT磷酸化至關重要.此時,一氧化氮合酶活化,進而一氧化氮合成增加,而一氧化氮是一種強心鎮(zhèn)靜劑I5l.總體上,PI

10、3K可以從負面通過信號轉導調節(jié)心肌收縮性,以此可能成為一個藥物治療效應器,可治療致命性心臟疾病,如心肌梗死或心力衰竭等.3.2.2PTEN通過PI3K機制對心肌收縮力的影響磷酸酯酶fphosphataseandtensinhomologuedeletedonchromosometen,PTEN)在胚胎發(fā)育,細胞生長,分化,凋亡和遷移的調控中發(fā)揮重要的作用.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位脫磷酸,從而下調PIP3水平.2001年,Schwartzbauer等61首次報道PTEN能調節(jié)心肌細胞的肥大及存活,增加無活性的PTEN,蛋白的表達可導致細胞肥大,并

11、同時伴有AKT活性的增強.本實驗整體研究結果顯示壓力超負荷心肌肥厚中左心室肌PTENmRNA表達減少,提示PTENmRNA表達減少可能與壓力超負荷心肌肥厚中PI3K信號途徑的活化有關.PI3K缺乏的鼠在清醒時有正常的平均動脈血壓,但超聲心動圖分析心功能與對照組相比收縮力有明顯增加.這表明了PI3K是心肌肥大反應的起始驅動劑.PTEN在病變心肌中的定向滅活對抗了PI3K的活性.從而導致心肌肥大,而這種變異也能導致異常的收縮力減少,甚至于在形態(tài)學改變之前即發(fā)生收縮力改變.有些轉基因和基因敲除模型證實了PI3K信號轉導在心肌收縮性和肥大方面的調節(jié)中起到根本作用同.但是,若心肌組織同時缺乏PTEN和P

12、I3K則表現為心肌肥大和收縮力增加.可見PTEN在心肌肥大和收縮力下降方面有作用,PI3K家族參與控制心肌尺寸和抑制心肌收縮性8l.心肌細胞內PI3K的作用原理在分子水平尚未清楚,但PI3K缺乏心肌內已發(fā)現有導致收縮性變化的基本信號改變.這個過程,被看作是心肌變力性的調節(jié),包括GPCR的激活,cAMP合成物的誘導及蛋白激酶A的活化.3.2.3B腎上腺素激動劑通過PI3K機制對心肌收縮力的影響Amal等在實驗中發(fā)現.異丙腎上腺素可增強細胞內cAMP水平,然而,cAMP調節(jié)因子并未影響蛋白合成.由GPCR誘導活化的PI3K通過減少cAMP集中調節(jié)炎癥反應負性控制心肌收縮性.在此報道中將鼠的PI3K

13、基因靶向突變使其失去激酶活性.結果炎癥反應有所減弱.而心肌收縮性不會改變.實驗證明,PI3K存在的心肌細胞中cAMP水平正常,而PI3K缺乏的心肌中人工誘導主動脈收縮造成慢性壓力負荷以后心肌被明顯破壞,PI3K是磷酸二脂酶調節(jié)過程中破壞cAMP的重要物質11.由此可見,心肌PI3K參與兩條信號通路,一條是激酶活性依賴途徑,它控制AKT/PKB的磷酸化,并促進其他細胞因子誘導的心肌重建:另一條是非激酶活性依賴途徑,即依賴蛋白相互作用調節(jié)磷酸二酯酶活性和負性心肌收縮性的調節(jié)fl21.在p腎上腺素激動劑刺激后,cAMP的增加原480天津醫(yī)科大學學報第12卷因之一可能是PI3K的缺乏使得B腎上腺素能受

14、體活化的數量異常地增加,而PI3K可能參與B腎上腺素能受體的內化【”.該受體暴露于配體中容易失敏化,而長期的活體內B腎上腺素能受體激動劑刺激并不能改變PI3K缺失型心肌內B腎上腺素能受體的脫敏和內化作用【.在PI3K缺失型心肌病中,B腎上腺素能受體特異性的刺激導致cAMP的增加,不誘導正性肌力作用,而PI3K活性是維持B腎上腺素能受體解偶聯狀態(tài)所必需的【.因此,使用PI3K抑制劑如渥漫青霉素可增強B腎上腺素能依賴的L型鈣流動和心肌細胞的肥大【垌.3.3其他缺血再灌注的心肌有多個因子釋放來調節(jié)應激反應,如PAF,該因子是GPCR的促動劑,并有強心作用,而最近研究表明PAF發(fā)揮作用需要PI3K的協

15、同l17l.此過程使得PI3K活化和PI3K依賴的AKT/PKB活化,而后者使得一氧化氮合酶磷酸化而活化,并誘導一氧化氮生成【.盡管研究顯示出PI3K抑制劑在缺血性心肌癥中的應用.但還是需要更多的活體內的研究.4問題與展望PI3K介導的信號轉導系統(tǒng)與細胞代謝,生長,凋亡,惡變等密切相關,且與G蛋白,PKB等有復雜的相互作用.但是關于PI3K分子水平的作用機制還未曾研究清楚,且多數限于體外研究,今后將需要更多關注活體內的研究;另外,PI3K與其他細胞因子間的相互作用機制還有待于進一步研究.信號轉導的異常與病變心肌的功能恢復有著密切的聯系,因此,PI3K在病變心肌中的異常表達可為疾病的診斷,開發(fā)新

16、藥物和尋找新的靶基因治療提供新的思路.參考文獻: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,VanWi

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