鉀離子通道基因多態(tài)性與心房顫動易感性研究進展

劉 莎綜述，唐惠芳審校（南華大學(xué)附屬第一醫(yī)院，湖南衡陽421001）

心房顫動（房顫）是指心房快速無序激動和無效收縮，是臨床上最常見的心律失常之一?；颊吣挲g、性別、高血壓、肥胖、缺血性心臟疾病、心肌梗死、心臟瓣膜疾病及甲狀腺功能亢進等是房顫發(fā)生的重要危險因素[1-2]。房顫的危害不僅在于其本身，更在于其可導(dǎo)致嚴重的并發(fā)癥（如室性心律失常、心動過速性心肌病、心力衰竭和血栓栓塞等）而危及生命。相關(guān)文獻指出，房顫可使缺血性腦卒中發(fā)生的風(fēng)險增加5 倍[3]。因此，認識房顫的發(fā)生機制在房顫的發(fā)生與防治中顯得尤為重要。房顫的發(fā)生機制主要表現(xiàn)在心房結(jié)構(gòu)重構(gòu)、電重構(gòu)和炎癥等方面，先后有學(xué)者提出了局灶驅(qū)動、多環(huán)折返和自旋波理論等學(xué)說，但其具體機制仍然尚未明確。國內(nèi)外眾多研究發(fā)現(xiàn)，心肌細胞膜上廣泛分布的鉀離子通道相關(guān)基因單核苷酸多態(tài)性與房顫的發(fā)生關(guān)系密切?，F(xiàn)將鉀離子通道基因單核苷酸多態(tài)性與房顫的相關(guān)性研究進展綜述如下。

心肌細胞上至少存在7 種不同鉀離子通道，大體可分為電壓依賴性鉀離子通道和受體啟動性鉀通道兩大類型，其中，電壓依賴性鉀離子通道包括瞬時外向整流鉀離子通道（Ito）、延遲整流鉀離子通道[分為緩慢延遲整流鉀離子通道（Iks）和快速激活鉀離子通道（Ikr）及超快激活鉀離子通道（IKur）]和內(nèi)向整流鉀離子通道3 種。

1 Ito 基因（KCNE2 基因）與房顫

瞬時外向電流是心肌細胞動作電位的快速復(fù)極初期（即1 相期）的主要電流，并通過調(diào)節(jié)鈣離子和其他鉀離子電流在整個復(fù)極過程及興奮-收縮偶聯(lián)中起主要作用[4-5]。KCNE2 基因定位于染色體21q22.1 上，為Ito 編碼基因，其編碼產(chǎn)物是由123 個氨基酸組成的單跨膜通道蛋白。KCNE2/V65M 基因突變及I57T 突變通過增強及減弱Ito 的電流密度引發(fā)房顫。Yang 等[6]在研究家族性房顫家系時通過對KCNE2 外顯子測序發(fā)現(xiàn)，KCNE2 的第79 位胞嘧啶核苷酸變?yōu)樾叵汆奏ず塑账?，相?yīng)的其所編碼的離子通道產(chǎn)物的第27 位精氨酸被半胱氨酸所代替（R27C），同期，在健康人群中對KCNE2 測序未發(fā)現(xiàn)R27C 突變，這與Ackerman 等[7]對不同人種健康人群進行的測序結(jié)果一致，進一步證實了KCNE2 R27C 基因變異可能是與家族性房顫密切相關(guān)的突變。 由此可見，KCNE2 R27C 基因突變可促進房顫的發(fā)生和發(fā)展。

2 延遲整流鉀離子通道基因

2.1 Iks 基因

2.1.1 KCNQ1 基因多態(tài)性與房顫 KCNQ1 基因是2003 年由Chen 等[8]在一個四代房顫家系中首次發(fā)現(xiàn)的家族性房顫致病基因，定位于染色體11p15.5 上，編碼心肌緩慢激活延遲整流鉀離子通道α 亞基。該基因第418 位腺嘌呤突變?yōu)轼B嘌呤（A418G），相應(yīng)的導(dǎo)致其編碼的第140 位絲氨酸被甘氨酸所替換（S140G），引起緩慢激活延遲整流鉀離子通道的改變，增大了鉀離子通道外向電流，導(dǎo)致有效不應(yīng)期和動作電位時程縮短，誘發(fā)并維持房顫。有研究表明，KCNQ1 基因上存在Q147R 突變，但其因所共同作用的亞基不同而致不同的心律失常。Q147R 突變在心房導(dǎo)致電流增強可致房顫，而在心室則產(chǎn)生電流減弱效應(yīng)致QT 間期延長。2009年Das 等[9]在房顫家系中發(fā)現(xiàn)KCNQ1 基因上還存在房顫相關(guān)性突變位點，即S3 結(jié)構(gòu)域第209 位絲氨酸突變?yōu)楦彼幔⊿209P），繼而引起Iks 的加速激活和延遲失活，對鉀電流起增強作用。2011 年Bartos 等[10]證實，KCNQ1 上R231C 突變使中和正電荷的精氨酸被半胱氨酸所替代，從而使通道電壓敏感性降低，導(dǎo)致家族性房顫的發(fā)生。該基因位點的突變導(dǎo)致Iks 通道的改變依賴于KCNEβ亞基的共同作用。Hancox 等[11]對KCNQ1 基因的研究發(fā)現(xiàn)，KCNQ1基因非編碼區(qū)rs59233444 突變與孤立性房顫密切相關(guān)。

2.1.2 KCNE1 基因多態(tài)性與房顫 人類KCNE1 基因定位于染色體21q22.1-22.2 上，全長65 586 bp，具有3 個外顯子和2 個內(nèi)含子，其編碼蛋白Mink 由129 個氨基酸組成Iks 蛋白的β 亞單位，與編碼α 亞基的KCNQ1 基因共同組成緩慢激活延遲整流鉀離子通道，產(chǎn)生緩慢激活的延遲整流電流。Chevillard 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)濕性瓣膜病永久性房顫患者心房組織中，Mink 基因mRNA 表達較竇性心律者明顯增加。Chen 等[8]進一步發(fā)現(xiàn)，Mink 蛋白通過其他蛋白的相互作用而形成致心律失常的基質(zhì)，從而在房顫的起始和維持中起重要作用。Ackerman 等[7]和Iwasa 等[13]分別在亞洲人及日本人中發(fā)現(xiàn)了2 個KCNE1 多態(tài)性位點——G38S 和D85N。在有危險因素的房顫患者中，KCNE1 基因38G 突變致房顫的機制主要是可減少KCNQ1 在細胞膜上的表達，降低慢激活鉀離子通道電流，繼而誘發(fā)房顫[14]。但在一些學(xué)者的相關(guān)研究中該基因多態(tài)性與房顫的相關(guān)性并未得到證實[15]，這也進一步說明該基因位點多態(tài)性與人群種類、健康狀況相關(guān)聯(lián)。2011 年Yao 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，KCNE1 基因rs1805127 突變與房顫的發(fā)生密切相關(guān)。

2.1.3 KCNE4 基因多態(tài)性與房顫 KCNE4 定位于染色體2q35-36上，是KCNQ1 通道的一個抑制性亞單位，細胞電生理實驗表明，mKCNE4 與KCNQ1 聯(lián)合表達可降低KCNQ1 電流密度，不影響KCNQ1 在細胞膜上的定位。KCNE4 在心臟、骨骼肌及腎臟組織中高表達。Zeng 等[15]對KCNE4 基因進行了單核苷酸多態(tài)性（SNP）研究，首次報道了中國漢族人群KCNE4 基因的SNP 位點。經(jīng)對KCNE4基因進行測序，共發(fā)現(xiàn)8 個SNP，并進一步發(fā)現(xiàn)KCNE4（E145D）在中國漢族人群中的等位基因頻率較高，提示KCNE4（E145D）與房顫有關(guān)。Mao 等[17]對漢族及維吾爾族人口的研究進一步證實KCNE4（E145D）與房顫相關(guān)。

2.2 Ikr 基因

2.2.1 KCNE3 基因多態(tài)性與房顫 KCNE3 基因定位于染色體11q13-q14 上，編碼MiRP2 蛋白，由103 個氨基酸殘基組成，該基因主要在腎臟、骨骼肌和小腸組織中表達，在心臟表達甚微，2005年Zhang 等[18]在1 例家族性房顫家系中發(fā)現(xiàn)了KCNE3 基因R53H突變，即位于KCNE3 跨膜段的第158 位堿基腺嘌呤核苷酸被鳥嘌呤核苷酸所代替而導(dǎo)致其所編碼的MiRP2 鉀離子通道位于第53 位的精氨酸突變成組氨酸，將wKCNQ1-KCNE3 和KCNQ1-KCNE3（R53H）表達于中國倉鼠卵巢細胞，二者間鉀離子通道電流并未發(fā)現(xiàn)明顯差異。據(jù)此推斷，KCNE3（R53H）可能不是房顫的直接致病基因，而是房顫易感性的一個遺傳學(xué)標記物。

2.2.2 KCNH2 基因多態(tài)性與房顫 KCNH2 基因定位于染色體7q35-7q36 上，編碼Ikr 的α 亞單位（HERG）由1 159 個氨基酸組成，KCNH2 參與編碼的Ikr 介導(dǎo)的外向鉀電流是心肌動作電位3期快速復(fù)極的主要電流。2005 年，Hong 等[19]對短QT 綜合征家系的研究發(fā)現(xiàn)，家族內(nèi)短QT 患者發(fā)生陣發(fā)性房顫的頻率較高。進一步通過程控電刺激發(fā)現(xiàn)，家族中所有患者的心房及心室的不應(yīng)期明顯縮短，并能誘導(dǎo)出房顫和室顫。通過基因分析發(fā)現(xiàn)，KCNH2 基因第1 764 位胞嘧啶核苷酸被鳥嘌呤核苷酸替代（C1764G），其相應(yīng)所編碼的第588 位天冬氨酸變?yōu)橘嚢彼幔∟588K），提示KCNH2基因N588K 突變與房顫的發(fā)生相關(guān)。2009 年，Wang 等[20]對KCNH2基 因SNP rs1805120、rs1036145、rs3807375 及rs2968857 進 行 研究發(fā)現(xiàn)，KCNH2 基因SNP rs1805120 突變可增加房顫發(fā)生的風(fēng)險。從KCNH2 基因系統(tǒng)的候選分析發(fā)現(xiàn)，KCNH2 基因K897T 突變與房顫的發(fā)生密切相關(guān)。Glinka 等[21]對KCNH2 基因野生型及K897T 突變型心肌細胞的電生理變化進行了進一步研究，發(fā)現(xiàn)K897T 突變型的平均動作電位時程較野生型縮短，從而推測K897T突變可能增加房顫發(fā)生的風(fēng)險。

2.3 IKur 基因（KCNA5 基因）與房顫 IKur 電流由于是心房特有的最大復(fù)極化電流而作為房顫發(fā)生的一個檢測指標。在房顫患者中IKur 表達下調(diào)，其功能的缺失可增加房顫的易感性。KCNA5基因定位于染色體13p13 上，編碼IKur 的成孔α 亞基Kv1.5 通道，主要在心房中表達。2006 年，Olson 等[22]運用變性高效液相色譜雜合雙鏈分析及測序?qū)?54 例特發(fā)性房顫患者KCNA5 基因進行篩選時，發(fā)現(xiàn)在1 例患者中存在KCNA5 基因E375X 雜合突變，即第375 位谷氨酸被提前出現(xiàn)的終止密碼子取代。該突變也存在于家族中的其他患者，但在家族中的健康人及無血緣關(guān)系的正常對照個體均未發(fā)現(xiàn)這一突變。進一步細胞電生理研究證實，E375X 突變使KCNA5 基因功能喪失，不能形成IKur，導(dǎo)致動作電位延長和早期后除極，提高了應(yīng)激觸發(fā)電活動的易感性。Yang 等[23]運用膜片鉗和激光共聚焦顯微鏡對KCNA5 基因突變的電生理特性及亞細胞定位對心肌離子通道的影響進行了研究，發(fā)現(xiàn)KCNA5 基因T527M 突變，即第527 位的蘇氨酸被蛋氨酸所替代，減弱超快激活電壓門控鉀離子通道電流，但并未發(fā)現(xiàn)對亞細胞結(jié)構(gòu)有影響，提示T527M 突變可能是房顫發(fā)生的分子機制之一。最近，Christophersen 等[24]對KCNA5 基因的新突變位點E48G、A305T、D322H、Y166C、D469E和P488S 進行研究時發(fā)現(xiàn)，前三者可增強鉀離子電流密度，后三者則減弱鉀離子電流密度，但無論是增強（E48G、A305T、D322H）還是減弱（Y166C、D469E、P488S）鉀離子電流密度作用，均可提高房顫的易感性。

3 內(nèi)向整流鉀離子通道基因

3.1 KCNJ2 基因多態(tài)性與房顫 KCNJ2 基因位于染色體17q23區(qū)域內(nèi)，編碼經(jīng)典內(nèi)向整流鉀離子通道。2005 年，Xia 等[25]對30個家族性房顫家系先證者的房顫候選基因的研究發(fā)現(xiàn)了染色體17q23 上的致病基因KCNJ2，該基因第277 位鳥嘌呤核苷酸變?yōu)橄汆堰屎塑账幔℅277A），相應(yīng)的其所編碼的內(nèi)向整流鉀離子通道Kir2.1α 亞基的第93 位纈氨酸變?yōu)楫惲涟彼幔╒93I），該突變通過增加內(nèi)向整流鉀離子通道活動，縮短動作電位的復(fù)極相，使心房的有效不應(yīng)期縮短，為房顫的發(fā)生和維持提供了電生理基礎(chǔ)。Deo等[26]對孤立性房顫患者的研究結(jié)果提示，E299V 在KCNJ2 基因發(fā)生突變，通過基因篩選確定了在KCNJ2 基因一個高度保守的區(qū)域進行A896T 堿基替換，可導(dǎo)致E299V 改變。全細胞膜片鉗實驗表明，由于缺乏內(nèi)向整流電流，E299V 突變可增強外向電流，從而增加房顫易感性。

3.2 KCNJ5 基因多態(tài)性與房顫 相對于KCNJ5 基因編碼乙酰膽堿誘導(dǎo)的內(nèi)向整流鉀離子通道Kir3.4 亞基，乙酰膽堿敏感鉀離子通道是參與心房動作電位復(fù)極末期的特異性鉀離子通道，在心房有效不應(yīng)期和動作電位時程中起重要作用。Calloe 等[27]對158例房顫人群進行了基因分析，在房顫患者中發(fā)現(xiàn)KCNJ5 基因雜合子突變，使位于第739 位的鳥嘌呤核苷酸被腺嘌呤核苷酸所代替（G247R），導(dǎo)致相應(yīng)的所編碼的乙酰膽堿敏感鉀離子通道亞基第247 位甘氨酸變?yōu)榫彼幔℅247R）。將突變及野生型的Kir3.4 鉀離子通道表達于中國倉鼠卵巢細胞，運用膜片鉗技術(shù)發(fā)現(xiàn)Kir3.4（G247R）基礎(chǔ)電流較野生型電流顯著減少，由此推斷該突變導(dǎo)致房顫發(fā)生的機制可能是減弱Kir3.4 鉀離子通道電流，進而引發(fā)房顫。近年來，Jabbari 等[28]通過基因測序?qū)Ω呒铀魅说难芯孔C實了rs65900357 及rs7118824 突變與孤立性房顫的相關(guān)性。

4 其他（KCNN3 基因多態(tài)性）

KCNN3 基因?qū)儆阝涬x子通道KCNN 家族，編碼一個完整的鉀離子通道膜蛋白，參與心房復(fù)極，KCNN3 基因13376333 位點突變通過改變鈣激活鉀離子通道離子電流，導(dǎo)致心房電重構(gòu)，進而誘發(fā)房顫[29]。國外學(xué)者通過測序發(fā)現(xiàn)，KCNN3 基因rs1131820 同義突變與孤立性房顫顯著相關(guān)[17]。

5 結(jié) 語

隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類基因組研究的深入，基因多態(tài)性與房顫的相關(guān)性研究已取得很大進展[30-31]。較多學(xué)者熱衷于對離子通道基因多態(tài)性的研究，尤其是鉀離子通道的研究。但房顫發(fā)生和維持的機制尚未完全明確，對基因多態(tài)性與房顫的研究仍然有待進一步發(fā)展，以發(fā)現(xiàn)更多可能存在的SNP 點，從而為房顫提供更多的電生理機制。同樣，由于離子通道自身的復(fù)雜性和多樣性，增加了對離子通道認識研究的局限性。因此，今后對闡明房顫發(fā)生的病理生理機制仍然任重道遠。

[1] Arowolaju A，Gillum RF.A new decline in hospitalization with atrial fibrillation among the elderly[J].Am J Med，2013，126（5）：455-457.

[2] Go AS，Hylek EM，Phillips KA，et al.Prevalence of diagnosed atrial fibrillation in adults：national implications for rhythm management and stroke prevention：the AnTicoagulation and Risk Factors in Atrial Fibrillation（ATRIA） Study[J]. JAMA，2001，285（18）：2370-2375.

[3] Howard PA.New oral anticoagulants for stroke prevention in atrial fibrillation：more choices bring more challenges[J].Hosp Pharm，2013，48（5）：366-371.

[4] Kurokawa J，Bankston JR，Kaihara A，et al.KCNE variants reveal a critical role of the beta subunit carboxyl terminus in PKA-dependent regulation of the IKs potassium channel[J].Channels （Austin），2009，3（1）：16-24.

[5] McCrossan ZA，Roepke TK，Lewis A，et al. Regulation of the Kv2.1 potassium channel by MinK and MiRP1[J].J Membr Biol，2009，228（1）：1-14.

[6] Yang Y，Xia M，Jin Q，et al. Identification of a KCNE2 gain-offunction mutation in patients with familial atrial fibrillation[J].Am J Hum Genet，2004，75（5）：899-905.

[7] Ackerman MJ，Tester DJ，Jones GS，et al. Ethnic differences in cardiac potassium channel variants：implications for genetic susceptibility to sudden cardiac death and genetic testing for congenital long QT syndrome[J]. Mayo Clin Proc，2003，78（12）：1479-1487.

[8] Chen YH，Xu SJ，Bendahhou S，et al. KCNQ1 gain-of-function mutation in familial atrial fibrillation[J].Science，2003，299（5604）：251-254.

[9] Das S，Makino S，Melman YF，et al.Mutation in the S3 segment of KCNQ1 results in familial lone atrial fibrillation[J]. Heart rhythm，2009，6（8）：1146-1153.

[10] Bartos DC，Duchatelet S，Burgess DE，et al. R231C mutation in KCNQ1 causes long QT syndrome type 1 and familial atrial fibrillation[J].Heart rhythm，2011，8（1）：48-55.

[11] Hancox JC，Kharche S，El Harchi A，et al. In silico investigation of a KCNQ1 mutation associated with familial atrial fibrillation[J/OL].J Electrocardiol，2013-12-10[2013-11-06]. http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=Hancox+JC%2C+Kharche+S%2C+El+Harchi+A%2C+Stott+J%2C+Law+P%2C+Zhang+H.+In+silico+investigation+of+a+KCNQ1+mutation+associated+with+familial+atrial+fibrillation.

[12] Chevillard C，Attali B，Lesage F，et al.Localization of a potassium channel gene（KCNE1）to 21q22.1-q22.2 by in situ hybridization and somatic cell hybridization[J].Genomics，1993，15（1）：243-245.

[13] Iwasa H，Itoh T，Nagai R，et al.Twenty single nucleotide polymorphisms（SNPs）and their allelic frequencies in four genes that are responsible for familial long QT syndrome in the Japanese population[J].J Hum Genet，2000，45（3）：182-183.

[14] Ehrlich JR，Zicha S，Coutu P，et al. Atrial fibrillation-associated minK38G/S polymorphism modulates delayed rectifier current and membrane localization[J]. Cardiovasc Res，2005，67 （3）：520-528.

[15] Zeng Z，Tan C，Teng S，et al.The single nucleotide polymorphisms of I（Ks）potassium channel genes and their association with atrial fibrillation in a Chinese population[J]. Cardiology，2007，108（2）：97-103.

[16] Yao J，Ma YT，Xie X，et al.Association of rs1805127 polymorphism of KCNE1 gene with atrial fibrillation in Uigur population of Xinjiang[J].Zhonghua Yi Xue Yi Chuan Xue Za Zhi，2011，28（4）：436-440.

[17] Mao T，Miao HJ，Xu GJ，et al. Association of single nucleotide polymorphism of KCNE1 and KCNE4 gene with atrial fibrillation in Xinjiang Uygur and Han population[J]. Zhonghua Xin Xue Guan Bing Za Zhi，2013，41（11）：916-921.

[18] Zhang DF，Liang B，Lin J，et al.KCNE3 R53H substitution in familial atrial fibrillation[J]. Chin Med J（Engl），2005，118（20）：1735-1738.

[19] Hong K，Bjerregaard P，Gussak I，et al. Short QT syndrome and atrial fibrillation caused by mutation in KCNH2[J]. J Cardiovasc Electrophysiol，2005，16（4）：394-396.

[20] Wang QS，Wang XF，Chen XD，et al. Genetic polymorphism of KCNH2 confers predisposition of acquired atrial fibrillation in Chinese[J].J Cardiovasc Electrophysiol，2009，20（10）：1158-1162.

[21] Glinka A，Polak S. Wild type and K897T polymorphisms of the hERG gene：modeling the APD in Caucasians[J]. Bioinformation，2012，8（22）：1062-1065.

[22] Olson TM，Alekseev AE，Liu XK，et al.Kv1.5 channelopathy due to KCNA5 loss-of-function mutation causes human atrial fibrillation[J].Hum Mol Genet，2006，15（14）：2185-2191.

[23] Yang YQ，Lin XP，Li J，et al.Identification and functional analysis of a KCNA5 mutation responsible for idiopathic atrial fibrillation[J].Zhonghua Yi Xue Za Zhi，2010，90（16）：1100-1104.

[24] Christophersen IE，Olesen MS，Liang B，et al. Genetic variation in KCNA5：impact on the atrial-specific potassium current IKur in patients with lone atrial fibrillation[J]. Eur Heart J，2013，34（20）：1517-1525.

[25] Xia M，Jin Q，Bendahhou S，et al. A Kir2.1 gain-of-function mutation underlies familial atrial fibrillation[J]. Biochem Biophys Res Commun，2005，332（4）：1012-1019.

[26] Deo M，Ruan Y，Pandit SV，et al. KCNJ2 mutation in short QT syndrome 3 results in atrial fibrillation and ventricular proarrhythmia [J]. Proc Natl Acad Sci USA，2013，110（11）：4291-4296.

[27] Calloe K，Ravn LS，Schmitt N，et al. Characterizations of a lossof-function mutation in the Kir3.4 channel subunit[J]. Biochem Biophys Res Commun，2007，364（4）：889-895.

[28] Jabbari J，Olesen MS，Holst AG，et al. Common polymorphisms in KCNJ5 [corrected] are associated with early-onset lone atrial fibrillation in Caucasians[J].Cardiology，2011，118（2）：116-120.

[29] Chang SH，Chang SN，Hwang JJ，et al.Significant association of rs13376333 in KCNN3 on chromosome 1q21 with atrial fibrillation in a Taiwanese population[J].Circ J，2012，76（1）：184-188.

[30] Zheng W，Yan C，Wang X，et al.TheTGFB1 Functional Polymorphism rs1800469 and Susceptibility to Atrial Fibrillation in Two Chinese Han Populations[J].PLoS One，2013，8（12）：e83033.

[31] Li H，Hu Z，Tan Z，et al.Association of T393C single nucleotide polymorphism of GNAS1 gene with non-valvular atrial fibrillation[J]. Nan Fang Yi Ke Da Xue Xue Bao，2013，33（10）：1508-1511.