心肌肌漿網(wǎng)鈣泵2a與心力衰竭

史孟松，曲輔政（綜述），劉志華（審校）

（1．濱州醫(yī)學(xué)院附屬煙臺(tái)市牟平人民醫(yī)院心內(nèi)科，山東煙臺(tái) 264100;2．蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院心內(nèi)科，江蘇蘇州， 215006）

慢性心力衰竭是各種心臟結(jié)構(gòu)或功能性疾病導(dǎo)致心室充盈和（或）射血能力受損而引起的一組綜合征;因致死率、致殘率高，一直是臨床研究的重點(diǎn)［1］。從分子生物角度研究認(rèn)為心力衰竭的本質(zhì)是心肌組織細(xì)胞中某些相關(guān)基因表達(dá)與調(diào)控異常而引起的超負(fù)荷心臟病。當(dāng)今國(guó)內(nèi)外對(duì)慢性心力衰竭病理生理的研究更多集中于心肌興奮收縮的鈣循環(huán)環(huán)節(jié)。鈣循環(huán)過程主要包括心肌肌漿網(wǎng)鈣釋放、鈣回?cái)z、鈣儲(chǔ)存3個(gè)過程。在這些過程中心肌肌漿網(wǎng)鈣泵2a（sarcoplasmic reticuluMcalciuMadenodine triphosphatase 2a，SERCA2a）起主要作用，它的活性和功能直接影響心肌舒縮功能［2］。

1 SERCA2a的結(jié)構(gòu)和分布

SERCA2是一個(gè)跨膜蛋白，屬肌漿網(wǎng)SERCA家族，分為SERCA2a和SERCA2b兩個(gè)亞型。SERCA2a蛋白主要在心肌和慢速收縮骨骼肌中表達(dá)，是心肌肌漿網(wǎng)中含量最豐富的蛋白，占肌漿網(wǎng)總蛋白的40%;SERCA2b分布廣泛，是平滑肌和非肌性組織中主要表達(dá)的蛋白［3］。

SERCA2a表達(dá)水平隨年齡及體內(nèi)甲狀腺素水平變化而變化，甲狀腺素水平升高的大鼠和小鼠心臟中SERCA2a表達(dá)增加，并且心肌收縮力明顯增加，而甲狀腺素水平低下者則相反［4］。動(dòng)物在發(fā)育過程中，心室心肌細(xì)胞的SERCA2a表達(dá)水平逐漸增高，但在成年個(gè)體中SERCA2a表達(dá)水平不穩(wěn)定，在老年實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和老人心肌細(xì)胞中，SERCA2a的水平和活性下降，這種下降與延長(zhǎng)的心室收縮期和下降的心肌功能有關(guān)。

2 SERCA2a的功能

SERCA2a在心肌舒縮中起重要作用。在收縮期，動(dòng)作電位促使少量Ca2+通過肌纖維膜L型Ca2+通道進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，繼而導(dǎo)致大量Ca2+通過Ca2+釋放通道從肌漿網(wǎng)中釋放出來，Ca2+和肌鈣蛋白C結(jié)合，引起心肌細(xì)胞收縮;游離的細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度決定了心肌細(xì)胞興奮程度，進(jìn)而調(diào)節(jié)心肌收縮力。舒張期，SERCA2a將Ca2+攝入肌漿網(wǎng)，同時(shí)細(xì)胞膜上的Na+/Ca2+交換體和Ca2+泵將Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞外，細(xì)胞漿中Ca2+濃度顯著下降，導(dǎo)致心肌細(xì)胞舒張;肌漿中Ca2+濃度的快速下降是心肌細(xì)胞舒張的決定因素［5］。在心肌細(xì)胞肌漿網(wǎng)中，Ca2+主要結(jié)合在Ca2+儲(chǔ)存蛋白。在多數(shù)哺乳動(dòng)物的心臟舒張期，70%以上的Ca2+通過SERCA2a轉(zhuǎn)運(yùn)至肌漿網(wǎng)，導(dǎo)致心肌舒張，并為下一次收縮儲(chǔ)備 Ca2+［6］。

3 SERCA2a功能的調(diào)節(jié)

目前研究認(rèn)為機(jī)體具有兩種調(diào)節(jié)SERCA2a功能的機(jī)制，包括直接和間接調(diào)節(jié)，間接調(diào)節(jié)發(fā)揮主要的調(diào)節(jié)作用:鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ（calcium/calmodulin-dependent protein kinase-Ⅱ，CaMKⅡ）發(fā)揮直接調(diào)節(jié)作用，受磷蛋白（phospholamban，PLB）發(fā)揮間接作用［7］。

3．1 CaMKⅡ的結(jié)構(gòu)及功能 CaMKⅡ家族是絲/蘇氨酸蛋白酶，受鈣調(diào)蛋白（Calmodulin，CaM）調(diào)節(jié)。哺乳動(dòng)物中CaMKⅡ由4種不同基因別編碼α、β、γ、δ4種亞基，其中δ亞基是CaMKⅡ在心肌中的主要成分［8］。CaMKⅡ亞基包含3個(gè)結(jié)構(gòu)域:氨基端的催化結(jié)構(gòu)域、羧基端耦聯(lián)區(qū)及亞基中央?yún)^(qū)的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域。其中調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域又包括部分相互重疊的自身抑制區(qū)和鈣調(diào)蛋白結(jié)合區(qū)。當(dāng)Ca2+缺乏時(shí)，自身抑制區(qū)和催化結(jié)構(gòu)域結(jié)合，維持激酶構(gòu)象處于無(wú)活性狀態(tài)，阻止底物蛋白和Mg2+/ATP結(jié)合到酶催化中心;當(dāng)胞內(nèi)Ca2+水平升高時(shí)，促進(jìn)Ca2+與鈣調(diào)蛋白的結(jié)合，兩者進(jìn)一步結(jié)合到鈣調(diào)蛋白結(jié)合區(qū)，引起激酶構(gòu)象改變，自身抑制區(qū)失活，Mg2+/ATP可結(jié)合到酶催化結(jié)構(gòu)域，從而激活CaMKⅡ而起催化作用。CaMKⅡ活化時(shí)δ亞基自身調(diào)節(jié)域中的自身磷酸化位點(diǎn)是Thr287、Thr306/Thr307;與 Ca2+/CaM結(jié)合后，Thr287自身磷酸化，并產(chǎn)生CaMKⅡ的自主活性，繼之CaMKⅡ與Ca2+/CaM解離，Thr306/Thr307再磷酸化，阻止與Ca2+/CaM再次結(jié)合，防止酶的進(jìn)一步活化。

每個(gè)CaMKⅡ亞基又各自存在多種剪接體。在心臟中δ亞基的不同剪接體主要包括δB和δC，其中δB主要分布于細(xì)胞核中，可能與病理狀態(tài)下調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄密切相關(guān);δc則主要定位于細(xì)胞質(zhì)中，集中在心肌細(xì)胞Z帶T小管的胞質(zhì)面，與RyR、L-型鈣通道相鄰，參與Ca2+依賴的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，同時(shí)可磷酸化調(diào)控胞質(zhì)中的Ca2+調(diào)節(jié)蛋白，影響胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)，從而在心律失常、心肌肥厚、心力衰竭發(fā)生中起著重要的作用［9］。

CaMKⅡ作用于肌漿網(wǎng)上的底物主要是通過錨定蛋白完成的，錨定蛋白N端和CaMKⅡ的C端結(jié)合，使其直接固定在肌漿網(wǎng)膜上。CaMKⅡ?qū)ERCA2a蛋白進(jìn)行磷酸化，位點(diǎn)誘變研究確定CaMKⅡ磷酸化SERCA2a的位點(diǎn)在38-絲氨酸位點(diǎn)。CaMKⅡ介導(dǎo)的SERCA2a磷酸化能夠增加肌漿網(wǎng)的Ca2+回收速度并增加心肌舒張速率［10］。

3．2 PLB對(duì)SERCA2a的調(diào)節(jié) PLB是單基因產(chǎn)物，由52個(gè)氨基酸構(gòu)成，主要在心肌細(xì)胞中表達(dá)。PLB發(fā)揮功能時(shí)是以5個(gè)相同受磷蛋白組成寡聚體的形式來實(shí)現(xiàn)的。PLB是一個(gè)跨膜蛋白，分為兩個(gè)主要區(qū)域:一個(gè)區(qū)域?yàn)橛H水性的，含有胞質(zhì)部分和3個(gè)磷酸化位點(diǎn);而另一個(gè)區(qū)域?yàn)槭杷畢^(qū)域，此區(qū)域嵌入心肌肌漿網(wǎng)膜內(nèi)。PLB主要通過親水區(qū)域?qū)ERCA2a發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，親水區(qū)含有3個(gè)磷酸化位點(diǎn):①絲氨酸16（Ser-16），可被cAMP依賴的蛋白激酶A磷酸化。②蘇氨酸17（Thr-17），可被CaMKⅡ磷酸化。③絲氨酸10（Ser-10），可被Ca2+磷脂依賴的蛋白激酶磷酸化［11］。

研究表明，PLB的Ser-16和潛在的Thr-17對(duì)調(diào)節(jié)SERCA2a功能起到主要作用，但Ser-16的磷酸化似乎更重要。而Ser-10如果起作用，也是僅僅起到可忽視的調(diào)節(jié)肌漿網(wǎng)鈣轉(zhuǎn)運(yùn)的功能。Kiss等［12］認(rèn)為PLB調(diào)節(jié)SERCA2a可能存在兩種方式:一種為快速短效作用，包括PLB磷酸化和SERCA2a活動(dòng)的抑制;另一種為緩慢而長(zhǎng)期的作用，通過控制PLB的表達(dá)來調(diào)節(jié)PLB/SERCA2a比率的變化。

磷酸化的PLB與SERCA2a解離，減輕對(duì)SERCA2a的抑制，導(dǎo)致SERCA2a對(duì)Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)速率增加。去磷酸化的PLB與SERCA2a結(jié)合，通過蛋白-蛋白之間的相互作用，抑制SERCA2a與Ca2+的親和力，降低SERCA2a的活性。PLB的去磷酸化由蛋白磷酸酶1（protein phosphatase，PP1）和 PP2A。

4 SERCA2a與心力衰竭

心力衰竭時(shí)鈣泵功能受損降低，Ca2+攝取下降，SERCA2amRNA、蛋白水平降低［13］。目前已在不同的心力衰竭動(dòng)物模型中研究SERCA2a，最常用的模型是患遺傳性心肌病的敘利亞倉(cāng)鼠。擴(kuò)張型心肌病的敘利亞倉(cāng)鼠肌漿網(wǎng)鈣泵的蛋白表達(dá)和活性下降［14］。在左側(cè)冠狀動(dòng)脈狹窄的4、8和16周形成心肌梗死的大鼠模型中，隨著心力衰竭程度的加重，肌漿網(wǎng)鈣泵mRNA和蛋白水平也下降，肌漿網(wǎng)鈣泵的活性比蛋白水平下降更明顯［15］。在犬快速起搏誘導(dǎo)的心力衰竭模型、超容量負(fù)荷及壓力負(fù)荷制作的家兔心力衰竭模型以及人類終末期心力衰竭的心肌中都發(fā)現(xiàn)，SERCA2a表達(dá)下降，且SERCA2a mRNA的水平與心功能指數(shù)呈正相關(guān)［16］。

主動(dòng)脈結(jié)扎后產(chǎn)生壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)力衰竭的研究發(fā)現(xiàn)，鼠和豚鼠的PLB mRNA和蛋白質(zhì)水平降低。在人類終末期心力衰竭的心肌中也發(fā)現(xiàn)PLB表達(dá)下降。另外，心力衰竭時(shí)交感腎上腺素能神經(jīng)系統(tǒng)興奮，高濃度兒茶酚胺長(zhǎng)期慢性刺激引起心肌β腎上腺能受體密度降低，cAMP水平降低，PKA活性下降。β腎上腺能受體密度下調(diào)引起PP1抑制劑活性降低，從而導(dǎo)致PP1α的表達(dá)和活性增高。蛋白激酶A表達(dá)降低和PP1α表達(dá)增高引起PLB去磷酸化程度增加，進(jìn)一步引起SERCA2a活性降低。

CaMKⅡ在心肌肥厚和心力衰竭過程中發(fā)揮重要作用。一些實(shí)驗(yàn)表明細(xì)胞核中的CaMKⅡδB、細(xì)胞質(zhì)的CaMKⅡδC能夠誘導(dǎo)心肌肥厚形成及心力衰竭的發(fā)生。在體研究表明擴(kuò)張性心肌病患者心肌組織CaMKⅡ的活性升高，且與心功能變化呈負(fù)相關(guān)［17］。

心肌細(xì)胞凋亡是心力衰竭的機(jī)制之一，CaMKⅡ能夠傳導(dǎo)凋亡信號(hào)，如選擇性抑制CaMKⅡ，能夠明顯抑制腫瘤壞死因子α導(dǎo)致的凋亡。β腎上腺素可通過CaMKⅡ傳導(dǎo)的通路導(dǎo)致成年心肌凋亡，胞質(zhì)δC過度表達(dá)能放大β腎上腺素的凋亡效果。δC轉(zhuǎn)基因大鼠發(fā)生心力衰竭伴有明顯心室變薄，也提示在CaMKⅡ的參與下發(fā)生凋亡。

5 SERCA2a與治療

目前糾正心力衰竭時(shí)，主要采取基因治療的辦法增加肌漿網(wǎng)對(duì)Ca2+的攝取，包括:促進(jìn)SERCA2a蛋白表達(dá)，提高SERCA2a功能;增加磷酸化的PLB蛋白表達(dá)和其功能。促進(jìn)SERCA2a蛋白表達(dá)主要采取導(dǎo)入能夠促進(jìn)其蛋白表達(dá)的基因方法［18］。有研究［19］使用腺病毒載體，促進(jìn)大鼠心肌表達(dá)SERCA2a蛋白，使主動(dòng)脈狹窄心力衰竭模型的心功能正?；?，且經(jīng)過1個(gè)月的病情觀察，生存率也得以改善。將表達(dá)SERCA2a的基因轉(zhuǎn)入分離的心力衰竭末期人心肌細(xì)胞中，心肌細(xì)胞收縮與舒張速度明顯加快，達(dá)到了正常心肌細(xì)胞的水平，且強(qiáng)烈表達(dá)SERCA2a的衰竭心肌細(xì)胞對(duì)刺激反應(yīng)頻率也增加了［20］。國(guó)內(nèi)郭豫濤等［21］用SERCA2a修飾的骨髓干細(xì)胞移植治療力衰竭大鼠，發(fā)現(xiàn)力衰竭大鼠室腔縮小，室壁增厚顯著改善，大鼠收縮和舒張功能明顯提高。

Li等［22］使用將近似于第16位 Ser磷酸化狀態(tài)的PLB的變異體（S16EPLB）嵌入副腺病毒（AAv2）載體，將基因?qū)隑IO14．6心肌病倉(cāng)鼠及大鼠心肌梗死后心力衰竭模型，心功能得到長(zhǎng)期改善，心肌間質(zhì)纖維化減少，左心室重構(gòu)受到抑制。

作為具有直接糾正這些肌漿網(wǎng)鈣調(diào)蛋白異常作用的藥物，有報(bào)道指出藥物MCC-135可以使SERCA2a的泵功能亢進(jìn)，并提高Na+-Ca2+交換泵的作用，但其詳細(xì)的分子機(jī)制仍不清楚，目前還處于臨床實(shí)驗(yàn)階段［23］。PP1是心肌細(xì)胞內(nèi)負(fù)責(zé)去磷酸化的主要磷酸激酶之一，心力衰竭時(shí)其活性升高，降低靶蛋白的磷酸化，成為心肌收縮力下降的原因。有研究指出，導(dǎo)入抑制PP1活性升高的內(nèi)源性蛋白基因后，可以抑制心力衰竭模型的心功能惡化。在倉(cāng)鼠心力衰竭模型的心臟導(dǎo)入內(nèi)源性PP1阻斷蛋白——抑制蛋白2后，取得了長(zhǎng)期心功能改善效果和改善預(yù)后效果，支持心力衰竭時(shí)PP1活性亢進(jìn)是促進(jìn)心功能惡化的想法［24］。但是，PP1是一種在全身組織普遍存在的蛋白，并且現(xiàn)在的PP1阻斷劑可以同時(shí)阻斷PP2A，誘導(dǎo)細(xì)胞死亡，不能直接作為心力衰竭的治療藥物使用。

6 結(jié)語(yǔ)

慢性心力衰竭是21世紀(jì)心血管醫(yī)師面臨的重大挑戰(zhàn)之一。對(duì)心力衰竭機(jī)制的了解日益深入，也給心力衰竭治療帶來新的方向。心肌肌漿網(wǎng)鈣泵及其相關(guān)蛋白的異常是心力衰竭的機(jī)制之一，以此作為研究靶點(diǎn)，將為人類征服心力衰竭開辟一條光明的新途徑。

［1］Lloyd-jones DM，Larson MG，Leip EP，etal．FraminghaMheart study．Lifetime risk for developing congestive heart failure:the FraminghaMHeart Study ［J］．Circulation，2002，106（24）:3068-3072．

［2］InesiG，Prasad AM，Pilankatta R．The Ca2+ATPase of cardiac sarcoplasmic reticulum:hysiological role and relevance to diseases［J］．BiocheMBiophys Res Commun，2008，369（1）:182-187．

［3］John LM，Lechleiter JD，Camacho P，etal．Differentialmodulation of SERCA2 isoforms by calreticulin［J］．J Cell Biol，1998，142（4）:963-973．

［4］Cain BS，MeldruMDR，Joo KS，etal．Human SERCA2a levels correlate inverselywith age in senescenthumanmyocardium［J］．JAMColl Cardiol，1998，32（2）:458-467．

［5］Periasamy M，KalyanasundaraMA．SERCA pump isoforms:their role in calciuMtransport and disease［J］．Muscle Nerve，2007，35（4）:430-442．

［6］Frank KF，B?lck B，Erdmann E，etal．Sarcoplasmic reticuluMCa2+-ATPase modulates cardiac contraction and relaxation［J］．Cardiovasc Res，2003，57（1）:20-27．

［7］Terracciano CM，Macleod KT．Overexpression of the Na/Ca exchanger and reduced SERCa function ［J］．Cardiovasc Res，2001，50（1）:167-169．

［8］Bers DM，Guo T．CalciuMsignaling in cardiac ventricularmyocytes［J］．Ann N Y Acad Sci，2005（1047）:86-98．

［9］Mckinsey TA．Derepression of pathological cardiac genes by members of the CaMkinase superfamily［J］．Cardiovasc Res，2007，73（4）:667-677．

［10］Tombes RM，F(xiàn)aison MO，Turbeville JM．Organization and evolution ofmultifunctional Ca（2+）/CaM-dependent protein kinase genes［J］．Gene，2003（322）:17-31．

［11］Mueller B，KariMCB，Negrashov IV，etal．Direct detection of phospholamban and sarcoplasmic reticuluMCa-ATPase interaction in membranes using fluorescence resonance energy transfer［J］．Biochemistry，2004，43（27）:8754-8765．

［12］Kiss E，Jakab G，Kranias EG，etal．Thyroid hormone-induced alterations in phospholamban protein expression．Regulatory effects on sarcoplasmic reticuluMCa2+transport and myocardial relaxation［J］．Circ Res，1994，75（2）:245-251．

［13］XuYJ，Chapman D，Dixon IM，etal．Differential gene expression in infarct scar and viable myocardiuMfroMrat heart following coronary ligation ［J］．JCell Mol Med，2004，8（1）:85-92．

［14］Plank DM，Yatani A，Ritsu H，etal．CalciuMdynamics in the failing heart:restoration by beta-adrenergic receptor blockade ［J］．AMJPhysiol Heart Circ Physiol，2003，285（1）:H305-H315．

［15］Yue P，Long CS，Austin R，etal．Post-infarction heart failure in the rat is associated with distinct alterations in cardiacmyocytemolecular phenotype［J］．JMol Cell Cardiol，1998，30（8）:1615-1630．

［16］Munch G，Bolck B，Brixius K，etal．SERCA2a activity correlates with the force-frequency relationship in human myocardium［J］．AMJPhysiol Heart Circ Physiol，2000，278（6）:H1924-H1932．

［17］W right SC，Schellebberger U，Ji L，etal．Calmodulin-dependent protein kinase IImediates signal transduction in apoptosis［J］．FASEB J，1997，11（11）:843-849．

［18］Muller OJ，Lange M，Rattunde H，etal．Transgenic rat hearts overexpressing SERCA2a show improved contractility under baseline conditions and pressure overload［J］．Cardiovasc Res，2003，59（2）:380-389．

［19］del Monte F，Hajjar RJ，Harding SE．Overwhelming evidence of the beneficial effects of SERCA gene transfer in heart failure［J］．Circ Res，2001，88（11）:E66-E67．

［20］Baartscheer A．Adenovirus gene transfer of SERCA in heart failure．A promising therapeutic approach?［J］．Cardiovasc Res，2001，49（2）:249-252．

［21］郭豫濤，李小鷹，魯小春，等．鈣離子ATP酶2a基因修飾的骨髓干細(xì)胞移植治療大鼠慢性心力衰竭［J］．中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù)，2007，11（7）:1267-1270．

［22］Li J，Wang D，Qian S，etal．Efficient and long-terMintracardiac gene transfer in delta-sarcoglycan-deficiency hamster by adeno-associated virus-2 vectors ［J］．Gene Ther，2003，10（21）:1807-1813．

［23］Jang IK，Weissman NJ，Picard MH，etal．A randomized，doubleblind，placebo-controlled study of the safety and efficacy of intravenous MCC-135 as an adjunct to primary percutaneous coronary intervention in patients with acute myocardial infarction:evaluation of MCC-135 for left ventricular salvage in acutemyocardial infarction（EVOLVE）［J］．AMHeart J，2008，155（1）:1-8．

［24］Yamada M，Ikeda Y，Yano M，etal．Inhibition of protein phosphatase 1 by inhibitor-2 gene delivery ameliorates heart failure progression in genetic cardiomyopathy［J］．FASEB J，2006，20（8）:1197-1199．