2. 江苏省中药药效与安全性评价重点实验室, 江苏 南京 210046
2. Jiangsu Key Laboratory for Pharmacology and Safety Evaluation of Chinese Materia Medicine, Nanjing 210046, China
热休克蛋白(HSPs)是一组在正常生理状态下低表达,当机体面对代谢和病理性刺激时被选择性上调的蛋白,据分子质量可以分为7个家族:HSP100、HSP90、HSP70、HSP60、HSP40、小分子热休克蛋白家族(sHSPs)、HSP10[1]。其中HSP27属于sHSPs家族,广泛分布于各种细胞和组织,与细胞的生存有关。研究[2, 3]发现,雌激素可以通过3种雌激素受体(雌激素受体α(ERα)、雌激素受体β(ERβ)以及G蛋白偶联的雌激素受体(GPER)调控HSP27的表达及磷酸化。而HSP27在动脉粥样硬化(AS)中作为一个保护性蛋白,能有效抵抗♀小鼠AS的发生和发展,包括抵抗AS早期阶段的内膜损伤,抑制泡沫细胞形成及血管平滑肌细胞(VSMCs)增殖和迁移[4, 5]。因此,HSP27在AS中活性和表达水平的上调受到雌激素调控,并且参与雌激素在AS中内皮损伤、泡沫细胞形成以及VSMCs增殖和迁移3个阶段的保护效应。本文就雌激素如何通过基因型调节途径和非基因型调节途径介导HSP27在以上3个阶段发挥作用进行综述,阐明雌激素介导HSP27在AS中发挥作用的内在机制,为临床防治更年期女性AS提供新的思路和方向。
1 雌激素介导的HSP27在内皮损伤阶段的作用动脉内膜损伤是AS发生和发展的始动环节[6]。雌激素在AS早期可以通过抑制血管内皮细胞(VECs)的氧化应激性损伤、调节内皮功能障碍及促进VECs增殖等途径来抵抗VECs凋亡。雌激素抵抗凋亡有两条不同途径,一是诱导PI3K/Akt信号通路活化后,使Bad磷酸化;二是保护线粒体的完整性[7]。而诱导HSP27磷酸化的重要途径便是PI3K/Akt信号通路的激活[8]。其中,雌二醇通过激活PI3K/Akt信号通路诱导HSP27磷酸化[9]。HSP27磷酸化后发挥重要的抗凋亡作用:①抗氧化:呈递氧化的蛋白进入蛋白酶体进行降解,同时抑制线粒体内的NADPH氧化酶,降低活性氧(ROS)的水平[10]。②调控凋亡通路:caspase-3是不同信号通路引发凋亡的最终汇聚点,HSP27可以与caspase-3相互作用,抑制其活性[11]。③抑制细胞色素C(cyt-C):HSP27通过抑制Bax来保护线粒体的完整性,进而抑制线粒体中cyt-C的释放。④抵抗坏死:上调谷胱甘肽还原酶(GSH),降低细胞乳酸脱氢酶(LDH)的释放[12],产生抗坏死作用。因此,雌激素在AS早期抗氧化、抑制内皮细胞凋亡与激活HSP27磷酸化密切相关。此外,Vasconsuelo等[14]研究发现,HSP27可以与线粒体中ERβ相互作用,促进ERβ的稳定,使其介导的雌激素信号更有效,即雌激素与HSP27在延缓AS的发展中具有协同效应。
体外实验发现,雌激素可明显诱导HSP27表达以发挥抗凋亡效应。如周琴等[13]研究证实,浓度为10-7 mol·L-1雌激素可明显诱导脐静脉内皮细胞(HUVECs)中HSP27的表达。Vasconsuelo等[14]发现使用HSP抑制剂槲皮素或者采取RNA干扰技术降低HSP27的表达后,雌二醇抵抗细胞凋亡的作用明显降低。
综上,雌激素可以在蛋白表达和磷酸化水平上对HSP27进行调节,进而在AS早期发挥抵抗内膜损伤,调节内皮功能障碍的作用,控制早期病变,延缓AS的进程。
2 雌激素介导的HSP27对泡沫细胞形成的影响HSP27为ERβ相关蛋白,在♀ apoE-/-小鼠血清中表达水平比♂高出10倍,且过表达HSP27的♀ apoE-/-小鼠主动脉斑块区面积比♂和正常表达HSP27的apoE-/-小鼠减少31%[5, 15]。人类AS斑块研究[16, 17]揭示HSP27在斑块区及坏死中心表达下降,提示斑块区HSP27水平的下降可能加速VSMCs的生长和斑块形成。因此,有学者提出HSP27血清水平有潜力作为AS的一个生物学指标。
在AS进程中,血管中积聚的低密度脂蛋白(LDL)被氧化修饰成氧化低密度脂蛋白(ox-LDL)或乙酰低密度脂蛋白(acLDL)后,由巨噬细胞表面的清道夫受体(SR)识别、内吞入胞内,最终引起胆固醇过度蓄积而形成泡沫细胞。研究表明[5, 16]雌激素对血脂的调节需要HSP27的参与,它通过刺激ERβ诱导巨噬细胞表达和释放HSP27,后者则与巨噬细胞表面的SR-A结合,阻止脂质的摄取和促炎因子的释放,进而抑制泡沫细胞形成和炎症反应。HSP27作为已知的IKK调节剂可以激活NF-κB,促进p65入核,增加白介素-10(IL-10)的分泌,降低白介素-1β(IL-1β)的分泌和SR-A的表达,进而调节脂质、抑制炎症[18, 19, 20]。Voegeli等[21]采用RNA干扰技术沉默HSP27的表达后,发现血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)诱导的促炎效应明显增加。
研究发现,雌二醇通过激活PI3K/Akt信号通路和p38MAPK信号通路诱导HSP27磷酸化,而磷酸化的HSP27会增强雌激素和ERβ的相互作用,使HSP27表达上调,最终HSP27过表达会抑制ERβ介导的雌激素信号[22]。研究证实男性主动脉血管损伤后,ERβ的mRNA和蛋白表达被上调[9]。另外,ERβ在主动脉内膜、中层和外膜中占主导,表达与钙化程度有关,是重度AS的标志物[23],故HSP27过表达可能降低由于ERβ高度表达导致AS的风险。
3 雌激素介导的HSP27在平滑肌细胞增殖和迁移阶段的作用动脉VECs损伤、凋亡后,暴露的VSMCs在多种因子刺激下,迁移入内膜进行大量增殖,导致血管内膜增厚。研究表明,雌激素可以通过增加HSP27的表达和降低其磷酸化来抑制VSMCs增殖和迁移。HSP27磷酸化状态的改变会影响其构象和功能。研究发现未磷酸化的HSP27作为肌动蛋白的一个加帽蛋白存在,可抑制肌动蛋白重聚,而HSP27磷酸化后会与肌动蛋白相互作用以阻止其降解,增强纤维状肌动蛋白(F-actin)重聚并促进黏附稳定,进而促进增殖和迁移[10, 24],生理状态下HSP27在磷酸化和去磷酸化之间保持动态平衡。Chen等[25]发现,血管紧张素Ⅱ主要通过激活p38MAPK信号通路诱导HSP27磷酸化,致使VSMCs增殖和迁移。Huang等[26]实验表明沉默HSP27的表达后,血小板源生长因子-BB(PDGF-BB)刺激的肌动蛋白重塑被阻断,VSMCs迁移率明显下降。以上表明HSP27磷酸化是生长因子和其他刺激诱导VSMCs增殖和迁移所必须的调控因素。之前研究认为[27]雌激素抑制VSMCs增殖和迁移主要通过经典的基因型调节途径。近期Ueda等[28]研究发现雌激素可以通过快速的非基因型调节途径抑制VSMCs增殖,并且与调节HSP27的磷酸化有关。他们实验证实雌激素抑制VSMCs增殖和迁移需要ERα与一个支架蛋白striatin结合,激活快速非基因型信号通路,诱导ERα和蛋白磷酸酶2(PP2A)形成复合物,增强 PP2A的活性,引起Akt、ERK以及下游的HSP27 脱磷酸,最终达到抑制VSMCs增殖、迁移的作用。
因此,HSP27可能是调节肌动蛋白重塑、细胞增殖和迁移的唯一效应器,VSMCs增殖和迁移作为AS过程中的重要环节,雌激素在此发挥的保护效应可能部分通过非基因型调节途径来降低HSP27磷酸化水平,产生抑制VSMCs增殖、迁移的作用。抑制HSP27磷酸化或者诱导HSP27脱磷酸可以阻断肌动蛋白重塑,从而作为抑制VSMCs增殖、迁移的最终调控点。
4 展望大量研究已经证实雌激素在AS不同阶段具有保护作用,HSP27作为一个分子伴侣早已被发现,而近几年研究发现它在AS中作为一个保护性蛋白,表达和活性受到雌激素的调控,雌激素可以通过激活PI3K/Akt通路诱导HSP27磷酸化,也能通过非基因型途径增强PP2A活性,使其脱磷酸,从而在AS不同阶段产生保护作用。雌激素刺激HSP27的表达增加,则是通过ERβ介导,同时HSP27可以与ERβ结合,作为一个辅抑因子,抑制ERβ介导的信号转导。在AS中雌激素调控的HSP27的作用总结如Fig 1。因此,HSP27在AS中发挥的保护效应受雌激素调控,这种保护效应也可能是雌激素抵抗AS效应的一部分,他们之间形成了相互调控的信号通路,共同抑制AS的进程。
绝经女性心血管疾病的发生率、死亡率增加,使得雌激素替代疗法(MHT)被发现和应用于临床来防治更年期心血管疾病。然而到20世纪90年代末,MHT防治绝经女性心血管疾病的作用受到质疑,临床调查研究[29]发现 MHT在临近绝经期或绝经后立即开始使用可以缓解更年期症状,延迟心血管疾病的发生,然而对已患AS的女性不能改善其血管病变,甚至会加重AS斑块的不稳定。MHT用于心血管疾病一级和二级预防的随机临床调查数据也显示,此疗法使病人患心血管系统肿瘤和产生不良反应的风险增加[3],表明MHT用于绝经后女性心血管疾病预防和治疗产生的弊大于利。因此,寻找新的治疗策略替换MHT显得尤为重要。HSP27在AS中的保护效应为临床防治心血管疾病提供了新思路,在未来制备外源性重组HSP27有望作为一个新策略替换MHT应用于临床预防和治疗更年期女性心血管疾病。
[1] | Jolly C, Morimoto R I. Role of the heat shock response and molecular chaperones in oncogenesis and cell death[J]. J Natl Cancer Inst, 2000, 92(19):1564-72. |
[2] | Meyer M R, Haas E, Prossnitz E R, et al. Non-genomic regulation of vascular cell function and growth by estrogen[J]. Mol Cell Endocrinol, 2009, 308(1-2):9-16. |
[3] | Kostenko S, Moens U. Heat shock protein 27 phosphorylation:kinases, phosphatases, functions and pathology[J]. Cell Mol Life Sci, 2009, 66(20):3289-307. |
[4] | Miller H, Poon S, Hibbert B, et al. Modulation of estrogen signaling by the novel interaction of heat shock protein 27, a biomarker for atherosclerosis, and estrogen receptor beta:mechanistic insight into the vascular effects of estrogens[J]. Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2005, 25(3):e10-4. |
[5] | Rayner K, Chen Y X, McNulty M, et al. Extracellular release of the atheroprotective heat shock protein 27 is mediated by estrogen and competitively inhibits acLDL binding to scavenger receptor-A[J]. Circ Res, 2008, 103(2):133-41. |
[6] | 殷秋忆, 郭 静, 孟庆海, 等. 六味地黄方含药血清对 H2O2 致 HUVECs 损伤的保护作用[J]. 中国药理学通报, 2013, 29(12):1753-7.Yin Q Y, Guo J, Meng Q H, et al. Effects of Liuweidihuang Formula mediated serum on H2O2-injured human umbilical vascular endothelial cells[J]. Chin Pharmacol Bull, 2013,29(12):1753-7. |
[7] | Vasconsuelo A, Milanesi L, Boland R. 17β-Estradiol abrogates apoptosis in murine skeletal muscle cells through estrogen receptors:role of the phosphatidylinositol 3-kinase/Akt pathway[J]. J Endocrinol, 2008, 196(2):385-97. |
[8] | Havasi A, Li Z, Wang Z, et al. Hsp27 inhibits Bax activation and apoptosis via a phosphatidylinositol 3-kinase-dependent mechanism[J]. J Biol Chem, 2008, 283(18):12305-13. |
[9] | Hogg M E, Vavra A K, Banerjee M N, et al. The role of estrogen receptor α and β in regulating vascular smooth muscle cell proliferation is based on sex[J]. J Surg Res, 2012, 173(1):e1-10. |
[10] | Arrigo A P. The cellular "networking" of mammalian Hsp27 and its functions in the control of protein folding, redox state and apoptosis[M]//Molecular Aspects of the Stress Response:Chaperones, Membranes and Networks. Springer New York, 2007:14-26. |
[11] | Acunzo J, Andrieu C, Baylot V, et al. Hsp27 as a therapeutic target in cancers[J]. Curr Drug Targets, 2014, 15(4):423-31. |
[12] | Salinthone S, Ba M, Hanson L, et al. Overexpression of human Hsp27 inhibits serum-induced proliferation in airway smooth muscle myocytes and confers resistance to hydrogen peroxide cytotoxicity[J]. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, 2007, 293(5):L1194-207. |
[13] | 周 琴, 张青海, 邓华菲, 等. 雌激素对人脐静脉内皮细胞 HSP27 表达的影响[J]. 临床与病理杂志, 2014, 34(5):520-4.Zhou Q, Zhang Q H, Deng H F, et al. Effects of estrogen on the expression of HSP27 in human umbilical vein endothelial cells[J]. Chin Pathol Res,2014,34(5):520-4. |
[14] | Vasconsuelo A, Milanesi L, Boland R. Participation of HSP27 in the antiapoptotic action of 17β-estradiol in skeletal muscle cells[J]. Cell Stress Chaperones, 2010, 15(2):183-92. |
[15] | Rayner K, Sun J, Chen Y X, et al. Heat shock protein 27 protects against atherogenesis via an estrogen-dependent mechanism role of selective estrogen receptor beta modulation[J]. Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2009, 29(11):1751-6. |
[16] | Shields A M, Panayi G S, Corrigall V M. Resolution-associated molecular patterns (RAMP):RAMParts defending immunological homeostasis[J]? Clin Exp Immunol, 2011, 165(3):292-300. |
[17] | Cuerrier C M, Chen Y X, Tremblay D, et al. Chronic over-expression of heat shock protein 27 attenuates atherogenesis and enhances plaque remodeling:a combined histological and mechanical assessment of aortic lesions[J]. PloS One, 2013, 8(2):e55867. |
[18] | Wann A K, Chapple J P, Knight M M. The primary cilium influences interleukin-1β-induced NFκB signalling by regulating IKK activity[J]. Cell Signal, 2014, 26(8):1735-42. |
[19] | Raizman J E, Chen Y X, Seibert T, et al. Heat shock protein-27 attenuates foam cell formation and atherogenesis by down-regulating scavenger receptor-A expression via NF-κB signaling[J]. Biochim Biophys Acta, 2013, 1831(12):1721-8. |
[20] | Chen H, Hewison M, Adams J S. Control of estradiol-directed gene transactivation by an intracellular estrogen-binding protein and an estrogen response element-binding protein[J]. Mol Endocrinol, 2008, 22(3):559-69. |
[21] | Voegeli T S, Currie R W. siRNA knocks down Hsp27 and increases angiotensin II-induced phosphorylated NF-κB p65 levels in aortic smooth muscle cells[J]. Inflamm Res, 2009, 58(6):336-43. |
[22] | Al-Madhoun A S, Chen Y X, Haidari L, et al. The interaction and cellular localization of HSP27 and ERβ are modulated by 17β-estradiol and HSP27 phosphorylation[J]. Mol Cell Endocrinol, 2007, 270(1):33-42. |
[23] | Krom Y D, Pires N M, Jukema J W, et al. Inhibition of neointima formation by local delivery of estrogen receptor alpha and beta specific agonists[J]. Cardiovasc Res, 2007, 73(1):217-26. |
[24] | García-Arguinzonis M, Padró T, Lugano R, et al. Low-density lipoproteins induce heat shock protein 27 dephosphorylation, oligomerization, and subcellular relocalization in human vascular smooth muscle cells[J]. Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2010, 30(6):1212-9. |
[25] | Chen H F, Xie L D, Xu C S. The signal transduction pathways of heat shock protein 27 phosphorylation in vascular smooth muscle cells[J]. Mol Cell Biochem, 2010, 333(1-2):49-56. |
[26] | Huang J, Luo L, Zheng S, et al. Silencing heat shock protein 27 (HSP27) inhibits the proliferation and migration of vascular smooth muscle cells in vitro[J]. Mol Cell Biochem, 2014, 390(1-2):115-21. |
[27] | Mendelsohn M E, Karas R H. Rapid progress for non-nuclear estrogen receptor signaling[J].J Clin Invest, 2010, 120(7):2277-9. |
[28] | Ueda K, Lu Q, Baur W, et al. Rapid estrogen receptor signaling mediates estrogen-induced inhibition of vascular smooth muscle cell proliferation[J]. Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2013, 33(8):1837-43. |
[29] | Shlipak M G, Angeja B G, Go A S, et al. Hormone therapy and in-hospital survival after myocardial infarction in postmenopausal women[J]. Circulation, 2001, 104(19):2300-4. |