张文慧 高丽 黄惠丽 谢铭 陈可塑 刘福明 陈龙 王荣荣

摘 要：蛋白磷酸酶1和2A是机体细胞内两种重要的蛋白酶，参与基因表达、神经传递、肌肉收缩、细胞周期等生理过程。目前研究发现两者尤其是PP1在调节心脏生理功能中发挥着重要的作用，心肌细胞中众多蛋白质磷酸化水平失调是诱发心律失常的重要因素。因此，调节蛋白磷酸酶也许可成为心肌病治疗的潜在靶点。

关键词：蛋白磷酸酶；抑制剂；心脏；潜在靶点

中图分类号：R96 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2018.15.009

文章编号：1006-1959（2018）15-0020-05

Progress in the Research of Protein Phosphatase 1 and 2A

ZHANG Wen-hui1，GAO Li1，HUANG Hui-li1，XIE Ming1，CHEN Ke-su2，LIU Fu-ming3，CHEN Long1，4，

WANG Rong-rong5

（1.Institute of Pharmacy，Nanjing University of Traditional Chinese Medicine/National Institute of Science and Technology Standardized Traditional Chinese Medicine Pharmacology Laboratory，Nanjing 210023，Jiangsu，China；

2.Department of Respiration，Cadre Ward of General Hospital of Nanjing Military Region，Nanjing 210002，Jiangsu，China；

3.Affiliated Hospital of Nanjing University of Traditional Chinese Medicine，Department of Cardiology，Jiangsu Provincial Hospital of Traditional Chinese Medicine，Nanjing 210029，Jiangsu，China；

4.Taizhou China Medical City Research Institute of Traditional Chinese Medicine，Taizhou 225300，Jiangsu，China；

5.Dalian Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences-China Medical City Biomedical Innovation Institute，Taizhou 225300，Jiangsu，China）

Abstract：Protein phosphatase 1 and 2A are two important proteases involved in gene expression，nerve transmission，muscle contraction，cell cycle and other physiological processes.It has been found that both of them，especially PP1，plays an important role in regulating cardiac physiological function.The imbalance of protein phosphorylation in cardiomyocytes is an important factor to induce arrhythmia.Therefore，the regulation of protein phosphatase is also a potential target for the treatment of cardiomyopathy.

Key words：Protein phosphatase；Inhibitor；Heart；Potential target

蛋白磷酸酶（protein phosphatase，PP）是存在于人體的一种和蛋白激酶（protein kinase，PK）相对应存在的酶分子，能够催化已磷酸化的蛋白质发生去磷酸化反应，PP和PK可以像开关一样控制蛋白质的磷酸化和去磷酸化反应。其中蛋白磷酸酶1和2A（Protein phosphatase 1 and 2A，PP1，PP2A）不仅具有相似的空间结构，催化亚基序列和底物识别位点也完全相同，因此功能具有一致性。但由于两者调节亚基的多样性，使它们在细胞中的定位以及调节功能等方面又各具有特异性。本文主要综述PP1和PP2A的研究以及两者在心脏功能中的调节作用。

1 PP1，PP2A的结构组成与构效关系

1.1 PP1的亚基组成与构效关系 PP1是由一个固定的催化亚基和多种不同的调节亚基共同组成的异二聚体。固定不变的催化亚基保证了PP1是保守的真核生物蛋白之一。不同的调节亚基将催化亚基定位到细胞的不同部位， 从而催化不同的细胞生物学反应过程[1]。其三级结构紧密折叠成球状，C端和N端暴露在球形外面。球形中央由固定不变的残基组成，为二价金属离子的结合位点。1995年Goldberg等证实二价金属离子与该位点结合后会使PP1亲水性提高。PP1的催化亚基从催化活性中心延伸出三条凹槽，分别为疏水凹槽（hydrophobic groove）、酸性凹槽（acidic groove）和C末端凹槽（C-terminal groove）。这三个凹槽在空间结构上呈Y 字型排列，Y 字的V形臂中间夹着一个Ser/Thr蛋白磷酸酶共有的结构β12～β13 Loop环（由12个氨基酸组成）。Gibbons[2]等证实β12～β13 Loop环在与蛋白磷酸酶的活性调节及与抑制剂的结合等方面均有重要作用。PP1的调节亚基也称为PPP1R10，其在分子结构中含有一段CX8CX5CX3H锌指结构和N端转录延长因子S-Ⅱ。其中CX8CX5CX3H锌指结构参与细胞增殖与凋亡过程；N端转录延长因子S-Ⅱ的功能与启动基因转录、RNApolⅡ的延长有关[3]。PPP1R10 C端含有一段排列密集的组氨酸和甘氨酸RGG序列，该序列同样也存在于RNA结合蛋白中，实验证明PPP1R10与A、G具有较高的结合力[4]，因此有学者推测PP1调节基因的转录过程可能与RGG序列与RNA结合蛋白的A、G结合相关。此外，研究证明PP1是通过一个称为“RVXF”的序列与多数靶向亚单位的结合。如PP1与HIV-1反式激活因子结合后能使PP1更容易进入细胞核，进而激活 HIV-1 基因的转录[5]。

1.2 PP2A的亚基组成与构效关系 PP2A在细胞中的存在形式通常是二聚体或三聚体。二聚体又称核心酶，由催化亚基C和结构亚基A（PR65/A）构成，二聚体再与多种特异性功能的调节亚基B结合称为三聚体。PR65/A作为支架连接调节亚基B和催化亚基C，调节亚基B决定了PP2A在细胞中的分布及特异性[6]，催化亚基C为PP2A催化活性所在。

1.2.1结构亚基PR65/A PR65/A的二级结构类似于食指和拇指组成的钩形体，由两个反向平行的α螺旋组成，这样的结构为其与催化亚基C和调结亚基B之间的结合提供了一个高度疏水的内表面[7]。分子结构序列分析表明PR65/A由15个富含有亮氨酸的重复子串联组成，每一个重复子称为一个HEAT模体[4]。第11～15个HEAT模体与催化亚基C结合，C亚基羧基端的一些位点再与PR65/A结合，进而在多种分子间作用力作用下使核心酶自我折叠形成马靴型结构。

1.2.2催化亚基C 催化亚基C与PP1空间结构相似，催化亚基C从活性中心向外也有酸性凹槽、疏水凹槽和C端凹槽。且β12～β13 loop 环的结构和与溶剂接触的分子表面的不同决定了PP2A功能的多样性。催化亚基C的催化活性及与调节亚基B的结合依靠羧基末端的两个磷酸化位点（Thr304， Tyr307）和一个甲基化位点（Leu309）的调节。实验结果证明Thr304或Tyr307位点去除后将直接导致C亚基与B亞基的解离。且Thr304的磷酸化还与PP2A的灭活相关[8]。Leu309的甲基化是一个可逆过程，Leu309甲基化后能够提高催化亚基C的活性，去甲基化通过一种磷酸甲酯酶与C亚基羧基末端结合成口袋状导致PP2A的失活[9]。

1.2.3调节亚基B 调节亚基B可分B、B'、B''、B'''四个蛋白质家族。B家族蛋白决定了PP2A全酶在细胞组织中的分布及发育阶段的存在形式[10]。其在结构上含有5个退化的WD重复子（WD-repeat），WD重复子能与HEAT结构相协调调节蛋白质间的相互作用，这也是PP2A在细胞内特异性分布的分子基础。B'家族结构上都含有一个高度保守的中心区域和一个多样性的氨基、羧基末端。保守区域可能参与了与PR65/A及催化亚基C的结合。氨基和羧基末端与B'家族的功能相关[10]。B''家族主要参与细胞周期中G1到S期的过渡和S期DNA的复制。B''家族分子结构中含有一个依赖Ca2+浓度来调控其与核心酶的连接部位称为EFX域[4]，EFX域与Ca2+结合后能够导致蛋白质的构象变化进而调节磷酸酶的活性。B'''家族包括PR110和PR93两种蛋白质。PR110由小窝蛋白连接基序、螺旋式盘旋结构、钙调素连接区域以及WD重复区域构成。Moreno[11]等根据PR110、PR93和调节亚基C的共沉淀实验提出假说：PP2A能与钙调素依赖性激酶Ⅱ（CaMⅡ）形成复合物，从而调节神经细胞和平滑肌细胞中钙激活的各类离子通道。而PR110和PR93都能作为钙调节素连接蛋白与调节亚基C结合介导Ca2+依赖的信号传导途径。

2 PP1，PP2A在哺乳动物中的分布

2.1 PP1的分布研究 PP1包括三种亚型，分别为PP1α，PP1β/δ和PP1γ。从细胞水平上看，PP1α、PP1γ主要分布于细胞质和细胞核，但前者主要聚集于核小体中，后者位于核仁中；而PP1β/δ在细胞中分布并无特异性。PP1 在不同的部位表达量不同，具有明显的组织特异性和细胞特异性[12]。从组织水平上看，PP1α在心脏和骨骼肌中分布较少，PP1γ广泛分布于脑、肺和小肠中，PP1β/δ在心脏表达相对较高。因此有人推测 PP1β/δ与心肌疾病的发生有关。Aoyama H[13]等就证实了在心衰心脏中只有 PP1β/δ表达明显升高，而PP1α 和PP1γ表达极低，其调控心脏功能主要通过调控肌浆网中受磷蛋白PLN的磷酸化水平从而调节Ca2+的浓度来实现。

2.2 PP2A的分布研究 PP2A的调节亚基B决定了PP2A在细胞与组织中的定位，而PR65/A和催化亚基C的分布都无特异性。B家族蛋白的PR55亚基具有四个异构体，其中PR55/α主要集中于细胞核，PR55/β分布在核外，而PR55/γ主要在细胞骨架中表达。在组织中，PR55/α和δ在各组织中均有分布，PR55/β和γ在大脑组织高度表达且与脑的发育相关并具有时间特异性。出生前PR55/β表达较高，出生后则PR55/γ显著升高[14]。B'家族5种个异构体的表达也具有细胞和组织特异性。PR61α、PR61β和PR61ε主要位于胞质，PR61γ位于核内。从组织定位看，R61α和PR61γ在心和骨骼肌中含量丰富，PR61β和PR61δ主要位于脑部与脑组织的发育相关。B''家族各亚基分布无细胞特异性，但PR59除肌肉组织外均有分布，包括脑、心。肝、肺、肾以及睾丸等，而PR72只在心肌和骨骼肌中表达。B'''家族PR110主要集中在神经树突的突触后致密区，PR93则分布于大脑和肌肉。但有实验发现在小鼠脑中PR110和PR93一般位于同一神经细胞中，且都集中于胞体和树突，提示它们具有相似的分布类型和功能[4]。

3 PP1，PP2A的药理作用研究

3.1 PP1的药理作用 PP1是机体细胞内主要的蛋白磷酸酶，涉及了许多生命活动的调控，包括基因的转录、细胞的凋亡、信号的转导以及抑制肿瘤细胞的转移等。如RNA聚合酶Ⅱ的C端位点CTD的可逆磷酸化能够调控调节基因的表达，而PP1能够使CTD发生去磷酸化反应，用PP1的抑制剂抑制PP1会诱导动物晶体上皮细胞凋亡；PP1也能通过调节AKT信号通路调节晶体上皮细胞和视网膜色素细胞的生长、分化及凋亡。孙达欣[8]等采用Western blot免疫组化等方法研究非转移性恶性黑色素瘤和转移性恶性黑色素瘤中PP1的表达，结果显示非转移性恶性黑色素瘤中PP1表达量明显高于对照组，揭示PP1能够抑制肿瘤细胞的转移。此外，PP1可与PKA一起作用于磷酸化酶、磷酸激酶和糖原合成酶，构成糖原代谢的调节网络，加速糖原的合成、抑制糖原分解。Pax-6是一种磷酸化蛋白，其磷酸化和脱磷酸化作用对胰岛细胞的产生、分化和正常你形态结构的形成至关重要。Hou[15]研究发现哺乳动物高血糖素原基因的启动子中都含有Pax-6结合位点，PP1α/β和β催化Pax-6发生脱磷酸化从而使细胞内多数Pax-6蛋白处于失活状态。

3.2 PP2A的药理作用 PP2A由于结构的复杂性导致其功能的广泛性，目前研究发现PP2A主要参与DNA的复制、信号的转导、肿瘤细胞的转移以及调节细胞的周期进程等。1989年开始 Virshup 在无细胞体系的SV40复制系统中加入纯化的催化亚基C，发现亚基C可造成大T抗原多个抑制性丝氨酸位点的去磷酸化，促使DNA的复制。细胞周期过程中的许多蛋白， 例如Cdc25、Wee1、Cdc6、DNA引物酶、TAU和Cyclin G2都受到PP2A-B亚基的调控，B亚基与细胞周期调控息息相关[16]。Garcia[17]发现转录因子Sp1是人类多种病毒转录的调节因子，主要由PP2A调节。PP2A二聚体和三聚体都能使Sp1去磷酸化从而抑制病毒的转录。Arroyo[18]在以老鼠为模型的实验中发现，PP2A抑制剂可激活下游的MAPK通路和ERK通路而有效的促进肿瘤的发生，提示PP2A和其他磷酸酶具有抑癌功能。PP2A不同亚基表达调控与人群肿瘤易感性相关[19]。此外PP2A还能通过抑制周期素依赖性激酶（cyclin-dependentkinase，Cdk）的活性从而阻止细胞进入有丝分裂期以及通过caspase-3，Bcl-2以及腺病毒E4orF4这3个途径发挥促进细胞凋亡等作用[20]。

4 心脏离子通道磷酸化与心律失常的关系

心律失常的發生机制一般可以简单的归纳为K+、Na+、Ca2+ 3种离子流的异常改变。PKA和PP介导的通道结合位点的可逆性磷酸化反应调控着这些离子通道的正常功能。一旦这些通道的磷酸化水平失调，将诱发心脏功能发生紊乱导致心律失常。

4.1钾通道磷酸化 IKr是由HERG基因编码的心肌快速延迟整流钾电流，其位点突变易引发QT综合征（Long QT Syndrome，LQTS）。目前临床上Ikr/HERG通道是Ⅲ类抗心律失常药物的主要作用靶点。当血液中儿茶酚胺的含量异常升高时，cAMP含量随之增加高。cAMP能直接结合到HERG通道的核苷结合位点上，也能通过激活PKA使HERG通道上4个磷酸化位点-Ser280、Ser887、Thr892、Ser1134发生磷酸化，从而影响HERG通道功能，诱发心律失常。IKs是心肌慢钾电流，参与心肌细胞动作电位平台期的离子交换，而PKA、PP、Ca2+等都是IKs的调控因子。且IKs通道由KCNQ1基因编码，当KCNQ1的N端Ser27残基多度磷酸化将导致通道调控功能敏感性下降，增加猝死的危险。

4.2钠通道磷酸化 心肌钠通道α亚基的突变是家族型心律失常的主要诱因，易引发LQT-3和进行性心脏传导阻滞综合征等。体内对于钠电流的调节有PKA依赖和非PKA依赖两种机制。PKA依赖机制是指PKA的激活能使钠通道Ⅰ-Ⅱ结构域连接部位Ser526和Ser529残基磷酸化，从而在细胞膜上形成新的钠通道小池。非PKA依赖机制则是配体结合到细胞膜的β受体，激活G蛋白A亚基介导的信号通路，从而调节Na+离子流的变化。

4.3钙通道的磷酸化 Ca2+是细胞内重要的第二信使，参与多种生理功能的调节。尤其是介导了心肌细胞的兴奋-收缩耦联。有实验表明，在持续性房颤的心脏中，PP1、PP2A的活性变化能够影响L-型钙通道离子流发生相应改变[21]。L型钙通道的α1亚基C端有5个位点：Ser1575、Ser1627、Ser1700、Ser1848、Ser1928，但只有Ser1928才是α1C亚基的磷酸化位点。抑制PP1和PP2A的活性能够明显增加心肌细胞L-型钙通道活性，改善心衰患者功能。

5 结论与展望

心脏心动周期的开始是由横管中L通道的少量钙内流而引起雷诺受体RyR2（Ryanodine receptortype 2）释放大量的钙进入胞浆使心肌收缩。RyR2是一个由FK-506结合蛋白（FKBP12.6）、PKA催化单位、PP1和PP2A组成的四聚体。FKBP12.6与RyR2结合使钙通道处于抑制状态。心肌细胞收缩时，RyR2上的磷酸化位点Ser2809被PKA磷酸化，导致FKBP12.6与RyR2解离，RyR2激活使大量Ca2+释放，心肌收缩。释放至胞内的钙由肌浆网钙泵2a（calcium adenodinetrip hosphatase 2a，SERCA2a）与受磷蛋白（phospholamban， PLB）相互作用重新摄回肌浆网使心肌舒张，完成一次心跳。而SERCA2a的活化状态也受到磷酸化蛋白PLB的控制。因此，RyR2与PLB去磷酸化状态将直接影响心肌收缩与舒张耦联过程中Ca2+离子流的变化。所以理论上抑制蛋白磷酸酶、增强蛋白激酶作用可以增强心肌细胞收缩性，改善舒张功能。抑制蛋白磷酸酶可显著增加房颤大鼠肌浆网的Ca2+离子浓度，抑制心肌肥厚和心衰的发生。早期有研究发现，在心衰的心肌细胞中，磷酸酶活性测定实验显示PP1和PP2A数量减少、相对应的RyR2活性增加[22]。但Grote-Wessel S等[23]随后报道了过度表达磷酸酶抑制剂并没有使心肌肥厚的小鼠心功能改善，反而加速了心功能恶化，目前对于此观点颇有争议。且值得一提的是，与RyR2磷酸化增加相反，心衰时PLB磷酸化反而降低，SERCA2a表达和功能下调。心衰的心肌细胞中RyR2磷酸化程度的增加与PLB磷酸化的减少两方面的自相矛盾可能反映了蛋白激酶与磷酸酶在体内的平衡整合调控作用，以及PP1和PP2A对心脏功能调节的复杂性。早前Kiss E[24]等就认为PLB对SERCA2a调节可能存在两种方式：一种为快速短暂效应；另一种为缓慢而长久的作用，这中间可能涉及体内复杂的反馈调节等，也就是PLB/SERCA2a比率发生变化。

综上所述，PP1、P2A对于心肌细胞的调控可能涉及复杂的神经-体液调节过程。某种程度上抑制PP1和PP2A的确可以有效的改善心功能，但过度抑制可能激发机体负反馈调节加重心衰。这一程度到底是怎样的仍需进一步实验研究。

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收稿日期：2018-5-27；修回日期：2018-6-7

編辑/李桦