縫隙連接與心臟疾病的研究進展

林國偉(綜述)，張　俊(審校)

(川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院心內(nèi)科，四川 南充 637000)

縫隙連接與心臟疾病的研究進展

林國偉△(綜述)，張俊※(審校)

(川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院心內(nèi)科，四川 南充 637000)

摘要：縫隙連接是存在于相鄰細胞間特殊的膜結(jié)構(gòu)通道，它連接相鄰細胞間的細胞質(zhì)，介導(dǎo)細胞間的電化學(xué)信號。越來越多的研究顯示，縫隙連接與各種心臟疾病的發(fā)生、發(fā)展及治療均有密切聯(lián)系。深入研究縫隙連接蛋白的靶向治療，可能為各種心臟疾病的治療提供一種新思路。該文就縫隙連接與心臟疾病關(guān)系的研究進展予以綜述。

關(guān)鍵詞：冠心?。豢p隙連接；縫隙連接蛋白；心律失常

縫隙連接作為相鄰細胞間一種特殊膜通道結(jié)構(gòu)，具有親水性、低選擇性和低電阻等特點，介導(dǎo)細胞間的電化學(xué)信號?？p隙連接與各種心臟疾病的發(fā)生、發(fā)展均有密切聯(lián)系，深入分析縫隙連接的微觀構(gòu)成和功能，進一步認識某些心臟疾病的發(fā)生機制，具有非常重要的臨床價值。心肌缺血發(fā)生時，縫隙連接蛋白(conne-xin，Cx)43的開放可以增加心肌梗死的面積，而Cx43的缺失會導(dǎo)致心律失常的發(fā)生，表明縫隙連接的數(shù)量、結(jié)構(gòu)、分布和功能的變化均可影響心肌細胞間的信息轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而導(dǎo)致心臟疾病的發(fā)生，或者影響各種心臟疾病的發(fā)展[1-2]。目前對于心臟縫隙連接的研究還處于初級階段，相信隨著對縫隙連接更深入的認識，針對Cx的靶向治療將可能成為治療某些心臟疾病的一種新途徑?，F(xiàn)就Cx與心臟疾病的研究進展予以綜述。

1心臟中縫隙連接的結(jié)構(gòu)、功能與分布

縫隙連接，又稱間隙連接、通訊連接，是存在于相鄰組織細胞間的特殊膜通道結(jié)構(gòu)，由兩個對稱的半通道(或者連接子)端-端連接而成。每個半通道由6個同型或者異型的Cx組成，為六聚體結(jié)構(gòu)。同型連接子由一種Cx組成，異型連接子由不同的Cx組成。由同型連接子構(gòu)成的縫隙連接稱為同型縫隙連接通道，由異型連接子構(gòu)成的縫隙連接成為異型縫隙連接通道；一側(cè)為同型連接子，另一側(cè)為異型連接子構(gòu)成的縫隙連接通道稱為單側(cè)異型縫隙連接通道；雙側(cè)均為異型連接子構(gòu)成的縫隙連接通道稱為雙側(cè)異型縫隙連接通道[3]。縫隙連接通道連接著兩個相鄰細胞，除加強機械連接的作用外，更重要的是具有電偶聯(lián)和代謝偶聯(lián)的功能，是目前發(fā)現(xiàn)的唯一一種允許相鄰細胞間直接進行物質(zhì)交換的細胞膜通道；縫隙連接只允許相對分子質(zhì)量較小的物質(zhì)自由通過，如無機離子、小分子物質(zhì)(氨基酸、葡萄糖等)和第二信使(環(huán)磷酸腺苷、環(huán)磷酸鳥苷、鈣離子)等[4]。Cx有磷酸化和非磷酸化兩種狀態(tài)，由Cx羧基末端絲/蘇氨酸及酪氨酸殘基的磷酸化和去磷酸化水平調(diào)節(jié)Cx的形成和功能狀態(tài)。有實驗顯示，通過增加心臟中Cx43羧基末端在Ser368位置上的磷酸化會引起小鼠心電圖表現(xiàn)出延長的、振幅增高的QRS波群[5]。Liao等[6]的實驗證實，溶血磷脂酰膽堿能誘導(dǎo)心肌細胞內(nèi)蛋白激酶ε的激活，導(dǎo)致Cx43的磷酸化，引起Cx43在空間上的重新分布，導(dǎo)致心肌細胞收縮節(jié)律的紊亂和收縮頻率的減少，而予以一種特殊的蛋白激酶ε抑制劑eV1-2可以阻止這一效應(yīng)的發(fā)生。在哺乳動物的心臟中至少存在5種類型的Cx，即Cx37、Cx40、Cx43、Cx45和Cx46，其中被認為較重要且目前研究較多的是Cx40、Cx43和Cx45。Cx40主要在心房肌、竇房結(jié)、房室結(jié)、希氏浦肯野纖維中表達；Cx43幾乎表達于所有成熟的哺乳動物，是Cx中含量最多的，其主要在心房肌和心室肌及傳導(dǎo)系統(tǒng)遠端表達；Cx45在整個心臟均有少量表達，但在心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)的表達顯著高于其他區(qū)域，特別是在竇房結(jié)中，Cx45的表達相對于其他Cx占優(yōu)勢[7]。

2縫隙連接與冠心病

心臟縫隙連接的重構(gòu)與冠心病的發(fā)生、發(fā)展以及心肌梗死后心律失常的發(fā)生有密切的相關(guān)性。Beardslee等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在心肌組織急性缺血時，細胞間出現(xiàn)解偶聯(lián)作用，Cx43的數(shù)量在總量上并無明顯減少，但是去磷酸化狀態(tài)的Cx43增加，同時在分布上出現(xiàn)不均一性，端-端分布減少，部分Cx43向胞質(zhì)側(cè)移位；他們認為心肌缺血導(dǎo)致心肌細胞之間的解偶聯(lián)作用是由去磷酸化Cx43積累和Cx43移位共同導(dǎo)致的。研究表明，在心肌缺血區(qū)域內(nèi)，縫隙連接表達的改變導(dǎo)致其電活動傳導(dǎo)減慢以及心律失常的發(fā)生，定向地改變Cx43蛋白的表達水平可以提高局部電活動的傳導(dǎo)速度，并可減少心律失常的發(fā)生[9-11]。Greener等[9]通過心肌缺血/再灌注模型，獲得可誘導(dǎo)持續(xù)的單型室性心動過速豬心臟模型，通過轉(zhuǎn)染Cx43基因提高了缺血區(qū)域內(nèi)Cx43的表達，使其電活動傳導(dǎo)速度較對照組明顯增快，而其可誘導(dǎo)的室性心律失常也大幅度降低。王德國[10]將經(jīng)Cx43基因修飾后的骨髓間充質(zhì)干細胞移植入大鼠心肌梗死區(qū)域，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，提高骨髓間充質(zhì)干細胞Cx43蛋白表達有助于促進細胞移植對梗死心功能的保護作用，并且有助于降低Ⅰ型膠原在心肌中的沉積，減少心肌纖維化，從而減少梗死后心肌重構(gòu)。Zhao等[11]的實驗也證明，提高心肌梗死部位Cx43的表達可以減少心肌梗死后心律失常的發(fā)生。研究顯示，心肌細胞膜上的Cx43存在兩種形式，一種即傳統(tǒng)的連接相鄰細胞間的縫隙連接，另一種為未配對的Cx43Hc，它們并不連接在細胞之間，而是存在于肌纖維膜上，主要介導(dǎo)細胞與細胞外液之間離子和其他一些小分子代謝物質(zhì),在正常情況下，Cx43Hc處于關(guān)閉狀態(tài)，而在缺血狀態(tài)或其他一些外部刺激下，Cx43Hc會大量開放[12]。Decrock等[1]的研究顯示，Cx43和Cx43Hc在細胞凋亡的信息傳遞過程中具有非常重要的作用，他們利用細胞色素C誘導(dǎo)經(jīng)轉(zhuǎn)染并穩(wěn)定表達Cx43的膠質(zhì)瘤細胞凋亡，結(jié)果凋亡信號通過Cx43和Cx43Hc傳遞至周圍細胞，導(dǎo)致細胞凋亡面積擴大，而抑制Cx43和Cx43Hc的開放可以顯著減少周圍細胞的死亡數(shù)量。Johansen等[13]通過構(gòu)建小鼠心臟和心肌培養(yǎng)細胞缺血/再灌注模型證實,在心肌缺血/再灌注損傷過程中Cx43Hc大量開放，而抑制其開放可以顯著減小小鼠心肌梗死面積。類似的實驗，Hawat等[14]使用一種可以特異性抑制Cx43Hc開放而不影響Cx43合成的仿生肽——Gap26，通過Gap26對Cx43Hc抑制作用可以使形態(tài)完整的心臟具有更強的抗缺血能力；在心肌缺血前予Gap26處理可以顯著減小心肌梗死的面積，在心肌缺血發(fā)生以后予Gap26處理亦可明顯改善缺血后的心肌功能。顧國萍[15]的研究顯示，在急性心肌梗死后結(jié)區(qū)組織中Cx30.2和Cx45表達增加，且分布紊亂；左心室心肌梗死后心肌組織中Cx43降解，分布紊亂，Cx45的表達相應(yīng)增高，分布出現(xiàn)紊亂；鹽酸阿羅洛爾對于心肌梗死后結(jié)區(qū)組織中和左心室心室肌組織中縫隙連接的重構(gòu)均有影響，其可以減少結(jié)區(qū)組織中Cx30.2和Cx45的表達，抑制左心室組織中Cx43的降解和重新分布，減輕缺血性損傷。

3縫隙連接與心律失常

縫隙連接通道是維持心肌電活動的同步性及沖動在心肌細胞內(nèi)快速傳導(dǎo)的主要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。縫隙連接通道結(jié)構(gòu)和分布異?？蓪?dǎo)致心肌局部電活動的不平衡、改變動作電位傳布的方向和速度等，可形成傳導(dǎo)阻滯或者折返傳導(dǎo)，導(dǎo)致心律失常的發(fā)生和維持。Cx43對于心臟正常心律的維持是必不可少的，Cx43的缺失或表達減少均會導(dǎo)致心律失常的發(fā)生?？p隙連接的解偶聯(lián)與離子通道重構(gòu)密切相關(guān)，細胞間電偶聯(lián)改變導(dǎo)致局部離子通道電流改變，可加速折返性心律失常的發(fā)生[16]。有實驗通過研究Cx43基因剔除小鼠發(fā)現(xiàn)，小鼠均由于致死性的心律失常而死亡，其心臟橫向及縱向傳導(dǎo)速度均明顯降低，且橫向傳導(dǎo)速度較縱向傳導(dǎo)速度降低更加明顯[2]。Lubkemeier等[17]通過基因突變制造Cx43最末5-C端氨基酸殘基缺陷的Cx43D378stop小鼠，新生和成年的Cx43D378stop小鼠表現(xiàn)出多樣的電活動功能變化，且均由于嚴重的室性心律失常而死亡，其表現(xiàn)與Cx43缺陷小鼠的表現(xiàn)相似；通過膜片鉗技術(shù)分析Cx43D378stop小鼠心肌細胞發(fā)現(xiàn)，鈉和鉀電流密度顯著降低；另外，還觀察到在Cx43D378stop心臟閏盤上的Na1.5蛋白顯著減少，由此認為小鼠心律失常的發(fā)生及死亡可能是由于鈉鉀電流的影響所致。除Cx43外，Cx40與Cx45的改變同樣會導(dǎo)致相應(yīng)的心律失常發(fā)生。有研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠心臟，Cx40的缺乏會導(dǎo)致左右束支傳導(dǎo)速度減慢[18]；含有無效Cx40等位基因的小鼠心房的傳導(dǎo)速度變慢，而對于心室則無影響[19]。另有研究顯示，在剔除了Cx40基因的小鼠心電圖中出現(xiàn)了延長的P波和延長的PR間期及增寬的QRS波群，這些均表明，Cx40在維持正常心律方面的重要性[20-22]。Paul等[23]的研究發(fā)現(xiàn)，在致心律失常性右心室心肌病患者心肌中Cx40和Cx45的表達顯著減少，而Cx43的表達無明顯變化。Betsuyaku等[24]通過研究轉(zhuǎn)染Cx45基因的小鼠發(fā)現(xiàn)，心室肌過表達Cx45會改變心肌細胞間的電偶聯(lián)而增加室性心律失常的發(fā)生，但并不導(dǎo)致心臟其他功能和結(jié)構(gòu)的改變。Yamada等[25]的研究表明，心力衰竭心臟各種致死性心律失常的發(fā)生與Cx43的下調(diào)和Cx45的表達上調(diào)有密切關(guān)系。

4縫隙連接與生物起搏

各種原因?qū)е碌木徛孕穆墒СＴ谂R床上非常常見，包括病態(tài)竇房結(jié)綜合征和房室傳導(dǎo)阻滯，均嚴重影響心臟的射血功能，威脅患者的生命安全。目前對于緩慢性心律失常的治療主要是植入電子起搏器，而電子起搏器仍存在許多缺點，如出血、感染、穿孔、電池壽命有限，不能隨著人的情緒波動自行調(diào)節(jié)等。因此，利用細胞生物學(xué)技術(shù)構(gòu)建生物起搏越來越成為該領(lǐng)域的研究熱點。已有許多實驗成功地在體外將胚胎干細胞、骨髓干細胞或心肌干細胞定向誘導(dǎo)分化為具有起搏功能的起搏細胞[26-29]。Tong等[30]通過在大鼠間充質(zhì)干細胞中過表達Cx45構(gòu)建生物起搏器的模型中發(fā)現(xiàn)，所獲得的心臟生物起搏器自律性明顯提高。推測這可能是由于Cx45和Cx43之間形成了異型縫隙連接通道造成的。Fahrenbach等[31]研究由胚胎干細胞衍變而來的心肌起搏樣細胞發(fā)現(xiàn)，下調(diào)Cx43的表達可增加生物起搏器自發(fā)搏動的頻率。

5小結(jié)

隨著人口老齡化的快速發(fā)展，心腦血管疾病的發(fā)病率呈逐年上升趨勢，嚴重地威脅著人們的健康和生命，深入對心腦血管疾病的研究已刻不容緩。隨著對縫隙連接的深入研究，人們在一定程度上逐步認識了縫隙連接與冠心病、心律失常等心臟疾病的關(guān)系，為探討心臟各種疾病的發(fā)生、發(fā)展以及治療對策提供了新的理論依據(jù)。對于縫隙連接與心臟疾病的具體機制還需要更多的基礎(chǔ)及臨床研究進一步證實。

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The Research Progress of Gap Junctions and Heart DiseasesLINGuo-wei，ZHANGJun.(DepartmentofCardiology,NorthSichuanMedicalCollegeAffiliatedHospital，Nanchong637000，China)

Abstract：Gap junction is a special membrane channel between adjacent cells,which connects cytoplasm,mediates electrochemical signals between the adjacent cells.More and more studies have shown that gap junctions is closely associated with the occurrence,development and treatment of all kinds of heart disease.In-depth understanding of targeted therapy for gap junction protein,may provide a new train of thoughts for the treatment of various heart disease.Here is to make a review of the research progress of the correlation between gap junction and heart diseases in recent years.

Key words:Coronary heart disease; Gap junction; Gap junction protein; Arrhythmia

收稿日期：2014-10-27修回日期：2015-02-06編輯：鄭雪

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.17.015

中圖分類號：R543.3； R331.38

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)17-3110-04