一、SERCA2a的病理生理学作用与翻译后修饰（post-translational modification, PTM）

心脏收缩是由肌动蛋白与肌球蛋白相互作用引起的，而这种相互作用则是由胞浆中的Ca2+所引发[3]。在生理情况下，动作电位引发心肌细胞膜去极化，L-型Ca2+通道开放，细胞膜外Ca2+迅速进入胞浆内，使肌浆网与L型Ca2+通道之间的微区内Ca2+浓度迅速升高，从而诱发肌浆网中大量Ca2+通过RyR2 Ca2+通道释放入胞浆，胞浆内Ca2+浓度瞬时升高（即钙瞬变），进而激活心肌细胞的收缩系统，引发心肌收缩；而舒张期间，胞质内的Ca2+清除主要依赖位于肌浆网上的SERCA2a回摄进入肌浆网，部分依赖于Na+-Ca2+交换体的作用而从细胞内排出[4]。因此，SERCA2a在心肌细胞的兴奋收缩耦联中发挥重要的作用。心肌细胞中肌浆网内Ca2+含量，随着SERCA2a功能的丧失会降低，这就降低了心肌细胞中可释放的Ca2+的量，从而引起心脏收缩功能障碍和心律失常。研究显示通过抑制成年小鼠的SERCA2a的钙转运活性，可以影响心肌细胞肌浆网中的Ca2+再摄取，引发心脏的形态和功能改变，最终导致小鼠心力衰竭[5]。而恢复SERCA2a的活性，心肌收缩力得到显著提高，并可改善心脏功能[6]。使用经皮循环系统递送腺相关病毒介导的SERCA2a基因疗法也被证明可改善左心室功能[7]。SERCA2a活性降低是导致心脏功能障碍并最终导致心力衰竭的重要原因之一。

PTM是把化学小分子基团共价结到蛋白质的氨基酸侧链上，从而增加蛋白质的复杂性和多样性。目前已知的PTM种类超过400种，几乎所有的蛋白质均可发生PTM。并且，同一个蛋白质还可同时具有多种PTM[8]。更重要的是，当蛋白质发生PTM时，蛋白质的物理化学特性和构象发生了重大变化，直接影响到蛋白质与其他分子或功能性蛋白的结合能力。因此，即使蛋白质的表达水平不变，如果PTM发生变化，蛋白质的功能也可能发生重大变化。

多项研究证明SERCA2a能够发生PTM，并且可在不同位点发生不同类型的PTM，从而影响SERCA2a的活性及功能。通过对心力衰竭患者的研究显示，SERCA2a的PTM发生了改变，如类泛素（small ubiquitin-related modifier, SUMO）化程度降低[9]，乙酰化程度升高[10]等。SERCA2a的PTM状态有望成为心力衰竭的评价指标。此外，硝酰基（nitroxyl, HNO）供体药物已进入Ⅲ期临床试验，初步的研究显示HNO增强了射血分数降低性心力衰竭患者的心肌收缩力[11]。这可能是由于改善了SERCA2a的硝基化而产生了正性肌力效应。PTM是一个比较复杂的过程，至今为止，真核生物中存在20种以上的修饰类型，比较常见的有乙酰化、磷酸化、甲基化以及近年发现的SUMO化。

二、SERCA2a的主要PTM类型

1．磷酸化修饰：

蛋白质磷酸化是指在蛋白激酶的作用下，将磷酸基团转移至靶蛋白，从而改变靶蛋白的构象，在蛋白质PTM中扮演重要角色，参与多种重要分子活性、功能的调节。在钙调蛋白激酶（calcium calmodulin protein kinase, CaMK）的作用下，SERCA2a的丝氨酸/苏氨酸位点被磷酸化，从而调控SERCA2a的ATP酶活性。

磷酸化修饰对SERCA2a的ATP酶活性发挥重要作用，Quan等[12]采用蛋白质组学研究发现SERCA2a与横纹肌特异性表达的蛋白激酶（striated muscle preferentially expressed protein kinase, SPEG）存在相互作用，SPEG的第二个激酶结构域可将SERCA2a的Thr484位点直接磷酸化，进而增强了SERCA2a的寡聚化，最终提高了SERCA2a的Ca2+转运能力。研究显示，SPEG敲除小鼠的心脏中SERCA2a的Thr484位点的磷酸化水平以及SERCA2a的寡聚化水平显著降低，这抑制了SERCA2a的Ca2+转运活性，进而阻碍心肌细胞肌浆网中的Ca2+摄取，表现为小鼠心功能受损，且随时间推移不断恶化，最终死亡[12]。此外，由蛋白激酶A和钙离子-钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ介导的SERCA2a的磷酸化也对SERCA2a的活性和Ca2+摄取能力产生了不可忽视的影响。

2．HNO化修饰：

HNO作为一氧化氮的单电子还原产物，可与蛋白硫基快速反应，通过改变蛋白质的构象或通过硫基修饰的功能而发挥PTM作用。HNO通过与SERCA2a中半胱氨酸残基作用，改变SERCA2a的氧化还原状态，从而发挥HNO化修饰作用。Li等[13]研究发现，由铁剂诱导小鼠心肌细胞肥大并导致SERCA2a的硝基化水平增加，从而导致糖尿病大鼠的心肌Ca2+稳态异常。体外研究发现SERCA2a的酪氨酸硝化对SERCA2a发挥活性具有重要影响，其可降低SERCA2a摄取Ca2+的能力，抑制SERCA2a的活性，SERCA2a的过度酪氨酸硝化修饰最终导致心肌细胞功能缺陷。Sivakumaran等[14]用含有HNO的溶液刺激野生型和受磷蛋白敲除型小鼠的心肌细胞，结果显示HNO可显著增强野生型小鼠肌浆网的Ca2+摄取，而对受磷蛋白敲除小鼠无影响；进一步研究发现，在受磷蛋白存在时，HNO可显著增强SERCA2a的构象灵活性，从而增加SERCA2a的Ca2+转运活性。另外，Lancel等[15]阐明了HNO在心肌细胞中通过激活SERCA2a发挥正性肌力作用的分子机制，HNO在SERCA2a的半胱氨酸674位点通过S-谷胱甘肽化增加SERCA2a的活性，从而增强SERCA2a的Ca2+调节功能。这些研究说明SERCA2a的PTM由多种小分子基团共同参与，从而调控SERCA2a的活性。

3．SUMO化修饰：

SUMO广泛参与多种细胞活动，如调节蛋白质结构稳定、胞核移位和转录活性等。SUMO主要包括SUMO1、SUMO2和SUMO3，因SUMO2和SUMO3有高度相似的氨基酸序列，也被称为SUMO2/3[16]。SUMO化修饰是一个动态的、可逆的过程，SUMO通过与底物蛋白的赖氨酸侧链结合，发挥PTM作用[17]，之后在SUMO蛋白酶的酶切作用下，SUMO与受体蛋白连接的异肽键被剪切，从受体蛋白上解离，重新进入SUMO化循环。

SUMO化可起到调节SERCA2a活性和稳定性的作用，增加SERCA2a摄取Ca2+能力并降低SERCA2a降解。Yao等[18]通过饮食诱导构建大鼠肥胖模型，在实验过程中，大鼠出现了心功能不全，并且SERCA2a蛋白表达水平减少以及SERCA2a的SUMO化程度下降，这可能是由于结合酶E2（泛素载体蛋白9）的表达降低引起的。SERCA2a的活性受到SUMO化的调节，Kho等[9]在动物及人类体内发现SERCA2a发生SUMO化修饰，修饰位点分别在赖氨酸480和585位点，这种修饰对SERCA2a的ATP酶活性和稳定性的维持发挥重要作用。SUMO1表达水平降低与SERCA2a的SUMO化程度降低密切相关。有研究发现，敲除正常小鼠的SUMO1基因后，心肌细胞中SERCA2a的表达减少、SRCA2a的ATP酶活性降低，且小鼠最终出现了心力衰竭[19]。而SUMO1的过表达可增加SERCA2a的SUMO化水平，在由压力超负荷诱导的小鼠中避免了心功能障碍的发生，并且改善了心脏形态学、血流动力学、Ca2+循环中的多项指标[9]。Kho等[20]进一步研究发现，使用含有小分子化合物N106的溶液处理小鼠心肌细胞，可提高小鼠心肌细胞的收缩能力并且改善心力衰竭小鼠的心脏功能，其机制为小分子N106通过直接激活异二聚体激活酶E1，从而触发SERCA2a的内源性SUMO化。另有研究发现，在心力衰竭小鼠模型和心力衰竭患者的心肌细胞中均观察到微小RNA-146a（miR-146a）与SUMO1有强相关性，miR-146a水平升高可降低SUMO1的表达，从而降低了SERCA2a的SUMO化水平，对SUMO1-SERCA2a轴产生负调控作用[21]。Du等[22]在心脏缺血再灌注小鼠模型中观察到心肌细胞中SERCA2a的SUMO化以及SUMO1水平降低，SUMO化受体位点为SERCA2a的K585、K480和K571位，使用木犀草素治疗可改善小鼠心功能并减少心脏梗死面积，证明了木犀草素是通过SERCA2a的K585位SUMO化调节SERCA2a的ATP酶活性以减轻心肌缺血再灌注损伤。这些研究表明SERCA2a的活性受到SUMO化修饰的调控，SUMO化水平的提高可增强SERCA2a摄取Ca2+的能力。SUMO1对心肌收缩力及心脏功能发挥正性作用，研究SUMO1靶向药物可能为治疗心力衰竭提供新的策略。

4．乙酰化修饰：

乙酰化修饰是通过酶促或自发的反应将供体的乙酰基团转移至靶标蛋白质的氨基酸残基上，对蛋白质构象、活性以及稳定性等发挥重要的调控作用[23]。乙酰化修饰主要分为两类，一类是发生在受体蛋白链末端的氨基酸残基上的乙酰化修饰，另一类为发生在受体蛋白链中赖氨酸上的乙酰化修饰。前者属于共价修饰，多发生于真核生物的新生蛋白上，主要调控新生蛋白的成熟和细胞定位；而后者主要通过赖氨酸乙酰转移酶将乙酰-辅酶A的乙酰基转移到赖氨酸的ε-氨基侧链从而发挥修饰调节作用，这一过程可由赖氨酸去乙酰化酶的作用逆转[24]。

SERCA2a的活性可受到乙酰化的调控。Meraviglia等[25]采用组蛋白脱乙酰酶抑制剂伏立诺他处理正常大鼠心肌细胞，发现SERCA2a的乙酰化水平及活性升高，伴随着钙瞬变及心肌细胞收缩能力的改善；进一步使SERCA2a的乙酰化位点K464发生突变，发现SERCA2a的ATP酶活性及钙瞬变的改善。然而，Gorski等[10]发现SERCA2a的乙酰化水平在心力衰竭小鼠和人心脏中显著升高，这与去乙酰化酶1（sirtuin 1，SIRT1）水平降低有关。SIRT1是第Ⅲ类组蛋白脱乙酰酶Sirtuins家族成员之一，SIRT1的下调显著增加SERCA2a的乙酰化水平，这导致了SERCA2a活性受限，从而诱发心功能障碍。然而SIRT1的活化降低了SERCA2a的乙酰化，SERCA2a功能恢复，心功能改善。通过对SERCA2a的乙酰化位点进一步分析显示，发生于SERCA2a的赖氨酸492位点的乙酰化对SERCA2a的活性调节至关重要，并且在衰竭的心脏中此位点乙酰化显著升高，这依赖于组蛋白乙酰转移酶p300的参与。这种矛盾性的结果可能是由于乙酰化位点不同，对SERCA2a活性调节作用亦不同。

三、小结与展望

SERCA2a对心肌细胞的收缩、舒张及心功能起到重要作用，是心肌细胞内Ca2+循环的必要调节蛋白。心力衰竭的重要机制之一是SERCA2a的活性下降，若干研究表明SERCA2a上有许多可进行PTM的位点，PTM可对SERCA2a的活性进行调节，不同的PTM以及同一种PTM作用于SERCA2a的不同位点都可对SERCA2a的活性产生不同的调控作用。赖氨酸580及585位点的SUMO化和半胱氨酸674位点的谷胱甘肽化可增强SERCA2a活性，而发生于赖氨酸492位点的乙酰化则降低了SERCA2a的活性及功能。然而，通过增强SERCA2a活性以改善心脏功能会增加心脏的能量消耗。然而，心力衰竭患者的心肌细胞内ATP产生降低，这就越发加重了心脏能量供应不足。因此，需要对SERCA2a的PTM作用进行更深入的研究，运用SERCA2a不同的修饰方式和修饰位点，为延缓或挽救心力衰竭患者心功能恶化提供新的思路和策略。返回搜狐，查看更多