CaMKⅡ在細胞代謝中作用的研究進展

齊 超，王珺楠，宋顯晶，楊東輝，武軍鐸

(吉林大學第二醫(yī)院 心內(nèi)科，吉林 長春130041)

CaMKⅡ(鈣調(diào)蛋白激酶Ⅱ)是一種功能多樣的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，在體內(nèi)廣泛存在，可以介導多種具有重要生理功能蛋白質(zhì)的磷酸化。CaMKⅡ具有五種亞型，分別為CaMKⅡα,CaMKⅡβ,CaMKⅡγ,CaMKⅡδ，其中CaMKⅡγ和 δ是存在于心肌細胞中的主要亞型[1]。現(xiàn)有研究表明，CaMKⅡ在拮抗Fas/FasL(Fas/Fas配體)介導的細胞凋亡通路及影響肌細胞興奮收縮偶聯(lián)等生理過程中發(fā)揮重要作用。改變靶細胞內(nèi)CaMKⅡ的表達或活性可能達到抑制心肌重塑過程，抑制腫瘤生長，增強記憶等作用。

1 CaMKⅡ的結(jié)構(gòu)及活化方式

CaMKⅡ是由多個(通常是十二個)低聚物組成的多個Ca2+敏感蛋白結(jié)構(gòu)域圍繞一個核心區(qū)域構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。Kemp[2]等人首先證明：Ca2+敏感蛋白結(jié)構(gòu)域有羧基末端自抑制區(qū)，它在某些方面類似于酶的底物，但缺乏典型的磷酸化位點。因為這些羧基末端自抑制區(qū)相對于活性位點局部濃度較高，它們結(jié)合到活性位點，并阻止底物與活性位點結(jié)合，所以CaMKⅡ單體是不具有催化活性的。相鄰羧基末端自抑制區(qū)或者跨過它的位點，是Ca2+/CaM(鈣/鈣調(diào)蛋白)或旁系同源物的識別位點，當Ca2+水平升高，Ca2+/CaM復合物與CaMKⅡ羧基末端自抑制區(qū)結(jié)合并置換它，從而激活CaMKⅡ。Gary A.Wayman[3]等認為，由鈣/鈣調(diào)素介導的CaMKⅡ分子內(nèi)自磷酸化位點包括Thr286，Thr305和Thr306。CaMKⅡ分子內(nèi)Thr286的自身磷酸化使CaMKⅡ獲得與Ca2+無關(guān)的自發(fā)活性，即與鈣/鈣調(diào)素解離后CaMKⅡ仍然存在催化活性。這允許即使是短暫的Ca2+升高也能促進持久的CaMKⅡ的活化。

2 CaMKⅡ?qū)〖毎麅?nèi)Ca2+循環(huán)的作用

CaMKⅡ可以調(diào)節(jié)多種調(diào)控鈣離子的蛋白質(zhì)，例如RyR(2型蘭尼堿受體)、PLB(肌漿網(wǎng)磷酸受納蛋白)及L-型鈣通道[4]。以心肌細胞為例，細胞內(nèi)Ca2+與CaM結(jié)合，形成Ca2+/CaM復合物，該復合物可以與CaMKⅡ的活化區(qū)域結(jié)合，使CaMKⅡ活化。CaMKⅡ活化后，一方面可以使肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+ATP酶活化，引起Ca2+從細胞質(zhì)內(nèi)流入肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)[5]，導致心肌舒張；另一方面使RyR2磷酸化[6]，促進肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)Ca2+外流至細胞質(zhì)，Ca2+與肌鈣蛋白結(jié)合，導致心肌收縮。CaMKⅡ通過調(diào)節(jié)Ca2+的細胞內(nèi)濃度參與心臟的興奮-收縮偶聯(lián)。另外，Wright[7]等人的研究表明，CaMKⅡ介導的細胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度升高，可以激活肌細胞葡萄糖轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，進而增加細胞收縮力。因此，CaMKⅡ可能是治療心力衰竭，增強心肌收縮力的重要藥物作用靶點。但是，Maier[8]等人使小鼠心肌過度表達CaMKⅡ后發(fā)現(xiàn)，小鼠出現(xiàn)心力衰竭。這可能是過度表達CaMKⅡ使正常心肌細胞內(nèi)Ca2+超載所致。

3 CaMKⅡ?qū)毎蛲鲞^程的影響

目前眾多研究表明，F(xiàn)as與FasL或sFas(游離型Fas)結(jié)合后可以調(diào)控細胞凋亡過程。Fas是I型跨膜蛋白，具有在細胞外結(jié)構(gòu)域的多個富含半胱氨酸的重復序列和胞內(nèi)的基序稱為死亡結(jié)構(gòu)域(DD)。Fas的細胞外結(jié)構(gòu)域與FasL蛋白結(jié)合后，F(xiàn)as的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域發(fā)生三聚化，F(xiàn)as細胞內(nèi)的三聚化結(jié)構(gòu)域可以募集FADD(Fas相關(guān)的死亡結(jié)構(gòu)域)[9-10]。 FADD具有羧基末端DD和氨基端死亡效應域(DED)。通過DED，F(xiàn)ADD募集含DED的蛋白，激動caspase-8[11-12]和caspase-10[13-14]，從而執(zhí)行細胞凋亡。研究認為哺乳動物細胞中的c-FLIP(細胞型Fas相關(guān)的死亡結(jié)構(gòu)域樣抑制蛋白)，可以被募集到Fas介導的DISC(死亡誘導信號受體)來抑制半胱天冬酶-8裂解，從而抑制細胞凋亡[15-16]。Yang等[17]的研究表明CaMKⅡ能夠促進c-FLIP的表達和磷酸化，進而影響細胞凋亡過程。

另外，Peng[18]等的研究亦表明CaMKⅡ可以通過介導熱休克因子1(HSF1)磷酸化和誘導熱休克蛋白70(HSP70)表達調(diào)節(jié)細胞凋亡過程。在培養(yǎng)的乳鼠心肌細胞中，CaMKⅡδB的表達升高誘導HSF1的磷酸化，進而調(diào)節(jié)HSP70家族成員的表達，包括誘導型HSP70及其同源物(Hst70) ，由此引起抗凋亡信號傳導。保護心肌細胞免受氧化應激，缺氧和血管緊張素II誘導的細胞凋亡。而CaMKⅡδC的過量表達促進細胞凋亡。

因此，CaMKⅡ被認為是抑制細胞凋亡通路的重要因子。抑制腫瘤細胞CaMKⅡ的作用可能成為新的抗腫瘤藥物作用的靶點。

4 CaMKⅡ的其他作用

4.1在膠原合成方面CaMKⅡ作為重要的 PDGF(血小板源性生長因子)細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導分子，促進Ⅰ型膠原的合成與分泌，并通過抑制 MMP-2，促進 TIMP-1 (Ⅰ型金屬蛋白酶抑制因子)的表達而抑制膠原的降解，在肝纖維化過程中發(fā)揮著重要的作用[19]。

4.2對神經(jīng)細胞的影響Ca2+-CaM- CaMKⅡα信號途徑對維持神經(jīng)細胞內(nèi)環(huán)磷酸腺苷/環(huán)磷酸鳥苷的平衡有重要的作用[20]。當CaMKⅡ缺乏時可引起環(huán)磷酸腺苷/環(huán)磷酸鳥苷平衡失調(diào)，造成海馬神經(jīng)元損傷，影響長時程增強效應(LTP效應)，從而影響學習及記憶功能。所以，CaMKⅡ是神經(jīng)細胞的保護因子，并在學習及記憶功能方面發(fā)揮重要作用。

4.3對胰腺β細胞的影響Rochlitz[21]初步證明CaMKⅡβ在胰腺β細胞中高表達，并參與葡萄糖的氧化，調(diào)節(jié)丙酮酸脫氫酶的活性。CaMKⅡβ在人糖尿病發(fā)生機制中可能發(fā)揮重要作用。

5 展望

CaMKⅡ是細胞內(nèi)重要的細胞信號轉(zhuǎn)導分子及調(diào)節(jié)蛋白。CaMKⅡ?qū)毎鸆a2+循環(huán)、膠原合成、葡萄糖攝取及細胞凋亡等方面的有著重要影響，但機制尚不明確。這可能是研究心力衰竭、糖尿病、腫瘤等疾病發(fā)生機制及治療的重要方向。

參考文獻：

[1]Tobimatsu T,Fujisawa H.Tissue-specific expression of four types of rat calmodulin-dependent protein kinase II mRNAs[J].J Biol Chem,1989,264:17907.

[2]Kemp BE,Parker MW,Hu S,et al.Substrate and pseudosubstrate interactions with protein kinases:determinants of specificity[J].Trends Biochem Sci.1994;19:440.

[3]Wayman GA,Tokumitsu H,Davare MA,Soderling TR.Analysis of CaM-kinase Signaling in Cells[J].Cell Calcium,2011,50(1):1.

[4]Maier LS,Bers DM.Role of Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase (CaMK) in excitation-contraction coupling in the heart[J].Cardiovasc Res,2007,73(4):631．

[5]Bers DM.Cardiac excitation-contraction coupling[J].Nature,2002,415:198.

[6]Neef S,Dybkova N,Sossalla S,et al..CaMKII-Dependent Diastolic SR Ca2+Leak and Elevated Diastolic Ca2+Levels in Right Atrial Myocardium of Patients [J].Circ Res,2010,106:1134.

[7]Wright DC,Hucker KA,Holloszy Jo,et al.Ca2+and AMPK Both Mediate Stimulation of Glucose Transport by Muscle Contractions[J].Diabetes,2004,53(2):330.

[8]Maier LS,Zhang T,Chen L,et al.Transgenic CaMKIIδC Overexpression Uniquely Alters Cardiac Myocyte Ca2+Handling：Reduced SR Ca2+Load and Activated SR Ca2+Release[J].Circ Res,2003,92(8):904.

[9]Arul MC,Karen O'Rourke,Muneesh Tewari,et al.FADD,a novel death domain-containing protein,interacts with the death domain of fas and initiates apoptosis[J].Cell,1995,81:505.

[10]Arul MC,Clifford GT,Michael FS,et al.FADD/MORT1 Is a Common Mediator of CD95 (Fas/APO-1) and Tumor Necrosis Factor Receptor-induced Apoptosis [J].Biol Chem,1996,271:4961.

[11]Boldim MP，Goncharov TM,Goltsev YV,et al..Involvement of MACH,a Novel MORT1/FADD-Interacting Protease,in Fas/APO-1- and TNF Receptor-Induced Cell Death [J].Cell,1996,85:803.

[12]Muzio M,Chinnaiyan AM,Kischkel FC,et al.FLICE,A Novel FADD-Homologous ICE/CED-3-like Protease,Is Recruited to the CD95 (Fas/APO-1) Death-Inducing Signaling Complex[J].Cell,1996,85:817.

[13]Vincenz C,Dixit VM.Fas-associated Death Domain Protein Interleukin-1β-converting Enzyme 2 (FLICE2),an ICE/Ced-3 Homologue,Is Proximally Involved in CD95- and p55-mediated Death Signaling [J].Biol Chem,1997,272:6578.

[14]Kischkel F C,Lawrence DA,Tinel A,et al.Death Receptor Recruitment of Endogenous Caspase-10 and Apoptosis Initiation in the Absence of Caspase-8.[J].Biol Chem,2001,276:46639.

[15]Scaffidi C,Schmitz I,Krammer P H,et al.The Role of c-FLIP in Modulation of CD95-induced Apoptosis [J].Biol Chem,1999,274:1541.

[16]Krueger A,Schmitz I,Baumann S,et al.Cellular FLICE-inhibitory Protein Splice Variants Inhibit Different Steps of Caspase-8 Activation at the CD95 Death-inducing Signaling Complex [J].Biol Chem,2001,276:20633.

[17]Yang BF,Xiao C,Roa WH,et al.Calcium/calmodulin-dependent protein kinase II regulation of c-FLIP expression and phosphorylation in modulation of Fas-mediated signaling in malignant glioma cells[J].J Biol Chem,2003,278(9):7043.

[18]Peng W,Zhang Y，Zheng M,et al.Cardioprotection by CaMKII-δB Is Mediated by Phosphorylation of HSF1 and Subsequent Expression of Inducible HSP70[J].Circ Res,2010,106(1):102.

[19]安 萍,劉亞玲,全曉靜,等.Ca2+/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ在 PDGF 誘導肝星狀細胞膠原合成中的作用[J].胃腸病學和肝病學雜志,2012,1:10.

[20]Antonietta CasuM，Pisu C，Sanna A，et al.Effect of delta9 - tetrahydrocannab inolon phosphorylated CREB in rat cerebellum：An immunohistochemical study [J].Brain Res ，2005，1048(1-2)：41.

[21]Rochlitz H.Cloning and quantitative determination of the human Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMK II) isoforms in human beta cells[J].Diabetologia,2000,43(4):465.