北三心文 | cAMP/PKA通路新发现:或对心血管系统以及癌症发生发展具有重要意义(北医三院心内科团队)

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作者简介

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北京大学第三医院心内科血管医学研究所研究员, 博士研究生导师。中国病理生理学会副秘书长,中国病理生理学会受体信号转导专业委员会副主任委员,青年委员会主任委员,中国病理生理学会血管医学专业委员会秘书长,北京市药理学会心脑血管专业委员会副主任委员。Molecular Pharmacology,Cardiology Plus等国内外杂志编委。主持国家各级课题18项,包括:国家自然科学基金血管重大研究计划集成项目首席科学家、国家自然科学基金重大研究计划、自然科学基金重点国际合作项目、面上项目共8项、国家“973”项目、“重大新药创制”科技重大专项目子课题等。在Trends Pharmacol Sci., Cell research, Eur Heart J, The FASEB Journal,JBC,Br J Pharmacol.等杂志发表SCI论文100余篇。获国家发明专利授权6项,省部级科技进步一等奖3项。主要研究方向为心血管受体与心血管疾病。


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北京大学第三医院心内科医师,医学博士,毕业于北京协和医学院阜外医院,师从我国著名心血管代谢病学专家唐熠达教授,主要研究领域为心血管疾病临床辅助决策工具开发及应用、心血管疾病与代谢性疾病临床与机制研究。作为主要参与者参与国家科技支撑计划、公益性行业科研专项等课题的设计及实施。目前已发表SCI论著及核心期刊中文论著近20篇,获得授权专利1项,目前为American College of Cardiology Fellow-in-Training学员,研究成果在AHA、ACC亚太会、东北心血管病会议等学术会议中进行展示,发明的心肌梗死WAMI评分有极大的临床应用价值已在临床实践中进行推广。


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直博生在读,2019年本科毕业于南方医科大学临床医学专业,同年进入北京大学第三医院心内科攻读博士学位。


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住院医师,目前在北京大学第三医院进行住院医师规范化培训,目前主要从事冠心病与脂质相关临床研究工作,目前发表文章2篇。

研究亮点:

  • PKA RIα响应cAMP动力学而发生液-液相分离

  • RIα凝析物能动态隔绝cAMP并保持高PKA活性

  • RIα相分离是有效的cAMP区室所必需的

  • PKA癌蛋白干扰RIα小体,导致异常信号和生长

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cAMP/PKA信号通路在生物系统中普遍存在,cAMP(3’,5’-环磷酸腺苷)能够响应数百个GPCR的激活产生多样化信号,产生不同的细胞反应。已有研究表明cAMP信号的特异性可以通过cAMP的区室来实现,而区室调控的机制对各种生物系统具有重要的生理意义,例如心血管系统、癌症的发生发展等。

2020年9月生命科学顶级期刊《Cell》的一项研究发现了调控cAMP区室的新机制,即蛋白激酶A的I型调节亚基(PKA RIα)的相分离可调控cAMP区室,这也是首次从相分离的角度认识cAMP区室。

那么什么是cAMP区室呢?

cAMP区室(cAMP compartmentation)大约在35年前被提出,是指不同细胞区域之间的cAMP浓度是不同的,可以防止不同的信号通路之间的干扰,由此用来解释cAMP信号的特异性

事实上,cAMP梯度和cAMP微区现象已经在实验中被证明了,并且磷酸二酯酶(PDE)被认为是限制局部cAMP扩散的主要屏障。但多项计算研究证明PDE不能单独发挥形成cAMP梯度的作用,因为PDE的分解活性无法满足cAMP的快速扩散。值得注意的是,最近的研究报道了较低的胞质cAMP扩散速率,这比最初的估计更有利于cAMP区室。然而,这其中具体的cAMP限制机制有待阐明。

目前公认,cAMP信号主要由cAMP依赖性蛋白激酶A(PKA)转导。PKA是一种四聚体全酶,由一个调节亚基二聚体和一对催化亚基组成。cAMP与PKA调节亚基的结合可激活PKA催化亚基的活性,从而磷酸化细胞中的多种分子。

该研究首先发现,PKA的I型调节亚基(RIα)在内源性水平上经历液-液相分离(liquid-liquid phase separation,LLPS)。LLPS是指生物大分子(例如蛋白质和核酸)可以通过液-液相分离(LLPS)凝聚成类似液体的无膜凝析物,是近几年来国际生命科学领域的一个新兴热点。该研究表明,RIα在体外和体内都能发生液-液相分离

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A(体外)
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B(乳大鼠心肌细胞)

图1. PKA调节亚基Ria在体内和体外发生相分离
既然RIα在体内可发生LLPS,那这一过程受什么调控呢?接着,研究发现cAMP与RIα的结合可促进RIα发生LLPS,cAMP动力学决定了RIα相分离体的形成和溶解。
例如,在293-RIa细胞中,用腺苷酸环化酶激活剂Fsk刺激提高cAMP可诱导内源性RIα斑点蛋白的急性增加。此外,通过β-肾上腺素受体激动剂异丙肾上腺素增加cAMP水平会短暂地增加每个细胞内源性RIα斑点的数量,这与GPCR激动剂诱导的cAMP动力学一致。
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A(Fsk增加RIα斑点)
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B(异丙肾上腺素增加RIα斑点)
图2. cAMP对RIα相分离的调控
再者,RIα经历LLPS可以发挥什么作用呢?该研究利用荧光共振能量转移技术(FRET)发现RIα凝析物可以招募并保持高cAMP水平及PKA活性。
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图3. RIα保持高cAMP水平及PKA活性
尽管PDE降解cAMP有助于在细胞中形成cAMP区室,但根据目前对cAMP扩散特性的理解,单凭PDE活性似乎不足以限制cAMP。既然在RIα凝析物中观察到的高水平cAMP,那么可以推测这些RIα小体通过作为动态缓冲系统帮助限制cAMP。
接下来,研究表明破坏RIα凝析物会导致cAMP缓冲减少,并失去有效的cAMP区室。此外,RIα的 LLPS降低了PDE4D2周围的基础cAMP水平。
由此,这些结果突出了cAMP区室的关键机制,即RIα凝析物使PDE得以降解局部低水平的cAMP,从而驱动cAMP信号的特异性。
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图4. RIα凝析物介导的cAMP动态缓冲驱动cAMP区室
在机制上,RIα经历LLPS可以促进cAMP区室,那么该过程缺陷会导致何种病理生理过程呢?该研究以一种无法发生LLPS的PKA变异体为工具,发现缺失RIα相分离会破坏cAMP区室,促进细胞增殖和转化,导致纤维板层型肝癌的发生。
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图5. RIα相分离缺陷促进细胞增殖和转化
至此,该研究发现了一种参与PKA信号通路的无膜细胞器——RIα小体,其作为调控cAMP区室的关键成分,使得我们在理解cAMP/PKA通路如何动态组织方面有了一个概念上的飞跃。
鉴于cAMP/PKA信号的普遍性质和RIα的普遍表达,该发现对各种生物系统具有深远的生理意义,如上述乳大鼠心肌细胞代表的心血管系统等。此外,该研究发现了空间失调的cAMP/PKA信号与癌症之间的联系。
综上,该研究展示了信号活动结构的复杂性以及生物分子凝聚物在其构建中的重要性。
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