CaMKII在氧化應(yīng)激中對心房重構(gòu)的影響*

韓 璐， 李菊香

(南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院心內(nèi)科，江西 南昌 330006)

·綜 述·

CaMKII在氧化應(yīng)激中對心房重構(gòu)的影響*

韓 璐， 李菊香△

(南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院心內(nèi)科，江西 南昌 330006)

心房顫動(dòng)(atrial fibrillation，AF)簡稱房顫，是臨床上最常見的快速性心律失常之一，心房結(jié)構(gòu)重構(gòu)和電重構(gòu)是房顫發(fā)生發(fā)展的癥結(jié)所在。雖然房顫時(shí)心房發(fā)生重構(gòu)的機(jī)制尚不清楚，但氧化應(yīng)激對于引起心房肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+負(fù)載、調(diào)控離子通道從而縮短心房有效不應(yīng)期(atrial effective refractory period，AERP)和動(dòng)作電位時(shí)程(action potential duration，APD)起著十分重要的作用。當(dāng)機(jī)體處于氧化應(yīng)激狀態(tài)下，鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶II(calcium/calmodulin-dependent protein kinase II，CaMKII)作為調(diào)控鈣信號(hào)通路的重要靶點(diǎn)，將氧化應(yīng)激與CaMKII誘發(fā)延時(shí)后除極(delayed afterdepolarization, DAD)引起心房肌重構(gòu)的過程聯(lián)系起來，為提供房顫有效的治療方案奠定基石，本文就此作一綜述。

1 氧化應(yīng)激對CaMKII的影響

活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)與氧化應(yīng)激密切相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，小鼠NADPH氧化酶(NAPDH oxidase， NOX)是房顫ROS的主要來源，增加心肌NOX4的表達(dá)會(huì)造成線粒體損傷和凋亡[1]。還有研究顯示，對敲除NOX基因的小鼠(P472/2)后期給予血管緊張素II，NOX功能的喪失可保護(hù)機(jī)體免受房顫的影響[2]。另外，給予NOX4抑制劑(加拿大麻素)同樣可以緩解電重構(gòu)，避免兔模型誘發(fā)房顫[3]。然而，隨著房顫的進(jìn)展，ROS的來源不局限于NOX，還包括線粒體氧化酶(黃嘌呤氧化酶)、單胺氧化酶和解偶聯(lián)的內(nèi)皮型一氧化氮合酶 (endothelial nitric oxide synthase，eNOS)。因此，抑制NOX只能控制急性房顫，而對于其它來源的ROS卻毫無抑制作用[8]。近期發(fā)現(xiàn)，CaMKII作為Ca2+/CaM調(diào)節(jié)蛋白家族中的一個(gè)主要成員，被認(rèn)為是氧化應(yīng)激致心肌重構(gòu)引起折返的關(guān)鍵信號(hào)之一。氧化CaMKII調(diào)節(jié)多數(shù)電壓門控離子通道，如心肌細(xì)胞L型鈣通道、K+通道、Na+通道、蘭尼丁受體2(ryanodine receptor 2，RyR2)、受磷蛋白(phospholamban，PLN)等，協(xié)同影響心肌細(xì)胞膜的興奮性，從而使細(xì)胞膜發(fā)生早期后除極(early afterdepolarization，EAD)和DAD，最終誘發(fā)房顫[5]。因而，阻斷CaMKII與ROS之間聯(lián)通的橋梁，或許能保護(hù)機(jī)體免于發(fā)生房顫;今后的抗氧化治療新興治療手段，不再局限于對ROS來源進(jìn)行抑制，而重點(diǎn)針對ROS如何介導(dǎo)CaMKII誘發(fā)房顫的機(jī)制[6]。

2 CaMKII與心房重構(gòu)

心房重構(gòu)涉及到許多房性結(jié)構(gòu)和功能的改變，但心肌電重構(gòu)究竟是作為房顫的結(jié)果還是起因，其機(jī)制仍未研究徹底。重構(gòu)涉及多條信號(hào)通路，而CaMKII是上述信號(hào)通路的關(guān)鍵一環(huán)，我們將重點(diǎn)討論氧化CaMKII對房顫重構(gòu)的影響機(jī)制。

2.1 CaMKII的激活 當(dāng)CaMKII處于基態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)域與催化域形成立體空間構(gòu)象阻礙ATP與催化基團(tuán)結(jié)合，而隨著胞內(nèi)鈣離子增加，并與CaM結(jié)合，使C’末端的結(jié)構(gòu)域引起構(gòu)象改變，讓ATP結(jié)合于催化基團(tuán)，從而磷酸化CaMKII。有研究發(fā)現(xiàn)，氧化甲硫氨酸殘基281/282位點(diǎn)所產(chǎn)生的效應(yīng)與Ca2+/CaM激活CaMKII效果一致；蘇氨酸306/307位點(diǎn)的磷酸化，由于抑制Ca/CaM復(fù)合物的形成，未能引起構(gòu)象的改變，使CaMKII始終處于基態(tài)[7]。最近發(fā)現(xiàn)未修飾的絲氨酸273位點(diǎn)，作為抑制調(diào)控基團(tuán)，誘導(dǎo) CaMKII失活[8]。因此，CaMKII的激活過程可能與翻譯后修飾有關(guān)，但細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度增加或氧化應(yīng)激ROS形成后，即使在鈣離子穩(wěn)定的情況下，Ca2+/CaM復(fù)合物活性同樣持續(xù)增加，并且抑制其翻譯后修飾的過程對CaMKII仍有激活作用[9]。因此，對于CaMKII始動(dòng)因素，目前尚未研究清楚。

2.2 電重構(gòu) 房顫時(shí)心房電重構(gòu)表現(xiàn)為內(nèi)向性L型鈣電流(L-type calcium current，ICa-L)減小而超速延遲整流鉀通道(KV1.5)開放增加，從而促發(fā)外向性鉀電流(ultrarapid delayed rectifier K+current，IKur)，引起AERP和APD的縮短及傳導(dǎo)速度減慢。這些電生理特性的改變通過縮短心房內(nèi)折返環(huán)路的波長使其折返的數(shù)量增加，從而提高房顫的穩(wěn)定性并得以維持。

APD的縮短主要是由于CaV1.2 (產(chǎn)生ICa-L)mRNA和蛋白量表達(dá)減少，Ca2+負(fù)載可能是引起ICa-L減少的首發(fā)因素，并通過鈣離子依賴磷酸酶和活化T細(xì)胞核因子(nuclear factor of activated T-cells,NFAT)轉(zhuǎn)錄異位的負(fù)反饋?zhàn)饔茫斐蒀aV1.2基因表達(dá)的下調(diào)，從而縮短APD。有研究表明，通過去甲腎上腺素等激動(dòng)劑引起的心房顫動(dòng)相比于竇性心律，其ICa-L的表達(dá)顯著下降[10]。另有研究證實(shí)[11]：CaMKII抑制劑KN-93可以減少竇性心律患者的ICa-L水平，而對于慢性永久性房顫則無效，可能由于慢性房顫磷酸酶活性增加所引起。由此表明，慢性房顫患者磷酸酶活性升高，對ICa-L通道進(jìn)行磷酸化修飾，使其表達(dá)量下降，從而誘發(fā)房顫。心房傳導(dǎo)速度的降低可直接通過抑制快鈉或縫隙連接通道，促使折返和維持房顫[12]。氧化的CaMKII可以減慢心室肌梗死邊緣的傳導(dǎo)速度，但目前CaMKII對于心房肌傳導(dǎo)速度的影響尚不清楚[13]。

2.3 結(jié)構(gòu)重構(gòu) 心房結(jié)構(gòu)重構(gòu)表現(xiàn)為心房間質(zhì)纖維化，尤其是老齡心房細(xì)胞之間相互偶聯(lián)程度減少，更易導(dǎo)致局部傳導(dǎo)阻滯和心房內(nèi)折返，從而為AF維持提供病理解剖基礎(chǔ)[14]。房顫時(shí)心房肌纖維通過多種離子通道介導(dǎo)鈣超載。其中，瞬時(shí)受體電位(transient-receptor potential，TRP)通道是人心房成纖維細(xì)胞上的最主要鈣通道，能影響成纖維細(xì)胞的分化增殖 ，尤其是TRPM7型和TRPC3型[15]，而CaMKII是介導(dǎo)TRP通道的下游信號(hào)[16]。房顫患者TRPM7的表達(dá)量增多，敲出TRPM7后可以緩解慢性房顫患者心房成纖維細(xì)胞的分化，從而不發(fā)生重構(gòu)。盡管有研究顯示[17]，CaMKII可以抑制肝細(xì)胞TRPM7通道，但鈣負(fù)載通過canonical-3通道會(huì)激活CaMKII和ROS的形成，同樣，給予CaMKII抑制劑可以減少心室肌細(xì)胞的纖維化。心房擴(kuò)大是心房重構(gòu)的又一發(fā)病機(jī)制，鈣紊亂和心房擴(kuò)大將誘發(fā)心肌發(fā)生結(jié)構(gòu)重構(gòu)，基因敲除RyR2的絲氨酸2 814位點(diǎn)，將可以保護(hù)機(jī)體免發(fā)鈣紊亂、心房肥大、異常電活動(dòng)。因此，CaMKII引起RyR2高度磷酸化是觸發(fā)異常電活動(dòng)、心房肥大和誘發(fā)房顫的重要基石。靶向治療CaMKII或者針對引起Ca2+泄露的RyR2通道，將成為今后治療房顫的潛在藥物。

3 氧化激活CaMKII與心房顫動(dòng)

房顫時(shí)CaMKII蛋白含量顯著增加，并且隨著房顫時(shí)間的延長CaMKII蛋白含量也逐漸增多。目前，對于陣發(fā)性房顫到持續(xù)性房顫的過渡機(jī)制了解甚少，而CaMKII卻占據(jù)十分重要的地位，它被認(rèn)為是氧化應(yīng)激過程中ROS介導(dǎo)鈣紊亂的中間載體，直接參與心房肌重構(gòu)[6]。

3.1 CaMKII與線粒體能量代謝 CaMKII通過介導(dǎo)ROS的形成和鈣泄露使線粒體內(nèi)鈣離子蓄積，誘發(fā)線粒體滲透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeability transition pore， mPTP)的開放，造成膜電位下降和抑制ATP合成，最終引起細(xì)胞凋亡。當(dāng)轉(zhuǎn)基因抑制CaMKII蛋白，發(fā)現(xiàn)mPTP并未開放，從而使機(jī)體免于缺血/再灌注、心肌梗死、腎上腺素能等刺激的損傷[18]。因此，線粒體中CaMKII作為前饋機(jī)制，通過鈣負(fù)載觸發(fā)mPTP開放，增加ROS的形成，進(jìn)一步激活CaMKII，引起線粒體DNA損傷和ATP合成受限；再者，CaMKII所造成的線粒體功能紊亂和心肌細(xì)胞凋亡，更容易誘發(fā)心肌重構(gòu)，最終維持房顫的異常電活動(dòng)。

3.2 CaMKII與心房代謝重構(gòu) CaMKII和AMP激活的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)之間有著密切的聯(lián)系。首先，AMPK是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝和蛋白質(zhì)的合成。CaMKII通過調(diào)節(jié)AMPK的活性，增加產(chǎn)能途徑、抑制耗能需求，從而成為細(xì)胞能量傳感器。最近Lenski等[19]發(fā)現(xiàn)：心律失常誘導(dǎo)脂質(zhì)沉積，影響心房肌能量代謝并抑制葡萄糖的吸收，他們認(rèn)為造成這一原因是由于CaMKII激活A(yù)MPK，使脂肪酸轉(zhuǎn)位酶(FAT/CD36)活性增高，引起脂肪攝入和脂質(zhì)蓄積，而突觸相關(guān)蛋白23通過抑制AMPK介導(dǎo)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4型的移位，抑制葡糖糖攝入。上述通路都與細(xì)胞凋亡和心房肌重構(gòu)有關(guān)，而給予CaMKII抑制劑可以緩解這些負(fù)面損傷。最新研究發(fā)現(xiàn)，AMPK是預(yù)防氧化應(yīng)激引起房顫的一個(gè)保護(hù)因子[20]。心房率過快引起能量需求的增多會(huì)造成AMPK磷酸化，為適應(yīng)氧化應(yīng)激反應(yīng)造成ICa-L下降和鈣瞬時(shí)減少，細(xì)胞隨即通過CaV1.2和鈉鈣交換體(Na+/Ca2+exchanger， NCX)誘發(fā)Ca2+負(fù)載。然而，我們發(fā)現(xiàn)在慢性房顫患者中AMPK的表達(dá)量是下降的；也許AMPK只是對于陣發(fā)性或者短暫性房顫起到保護(hù)作用，而對于永久性房顫卻無影響。

4 CaMKII抑制劑的臨床運(yùn)用

目前對房顫的治療途徑包括：抗心律失常藥物、射頻消融、外科手術(shù)等，雖然某種程度上起到一定的效果，但抗心律失常藥物具有潛在的副作用和毒性，易誘發(fā)致死性心律失常?；蛟SCaMKII抑制劑KN-93能成為今后治療房顫的又一新興藥物。

在小鼠模型中，CaMKII抑制劑消除RyR2磷酸化控制房顫的作用已被證實(shí)，對于慢性房顫也有心源性的益處[2]，并且避免了陣發(fā)性房顫過渡為永久性房顫。KN-93作為CaMKII的特殊抑制劑，可以完全特異性地與CaM位點(diǎn)結(jié)合，使ATP結(jié)合受限，從而無法發(fā)生磷酸化。因此，一旦CaMKII被激活或者自身磷酸化，KN-93是不能進(jìn)行抑制的。盡管系統(tǒng)性抑制CaMKII受體可能會(huì)產(chǎn)生多種不良效應(yīng)，如生育或記憶力的影響，但這些副作用并不是CaMKII抑制劑不能運(yùn)用于臨床的主要原因。最關(guān)鍵還是由于其不能穿過血腦屏障，并為了避免潛在的毒性，臨床藥物的制備還需具備足夠范圍的治療窗，變構(gòu)或特異亞型的抑制劑能夠進(jìn)行特異性結(jié)合，以減少遠(yuǎn)期效應(yīng)，只有這樣或許CaMKII抑制劑KN-93才能最終運(yùn)用于臨床控制房顫。

5 小結(jié)與展望

心房重構(gòu)對于房顫的誘發(fā)、維持、進(jìn)展起著舉足輕重的作用。本文給予新的理論和依據(jù)證明在氧化應(yīng)激調(diào)節(jié)下，氧化CaMKII是如何參與房顫的心肌重構(gòu)，介導(dǎo)線粒體能量代謝，從而引起房性心律失常。大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，通過給予CaMKII抑制劑對房顫心肌具有保護(hù)作用。因此，CaMKII抑制劑有望成為今后治療房顫的重要靶點(diǎn)。而對于CaMKII在房顫中誘導(dǎo)心房肌重構(gòu)所介導(dǎo)的病理生理機(jī)制依然需要研究者們不斷地深入探索。

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(責(zé)任編輯： 林白霜， 羅 森)

Effects of CaMKII on atrial remodeling during oxidative stress

HAN Lu, LI Ju-xiang

(DepartmentofCardiology,TheSecondAffiliatedHospitalofNanchangUniversity,Nanchang330006,China.E-mail:ljx912@126.com)

Atrial structural remodeling and electrical remodeling are the core of atrial fibrillation. Oxidative stress directly activates calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII), and induces electrical remodeling and atrial structural remodeling characterized by reduced atrial effective refractory period, which becomes the pathological basis of atrial fibrillation. Therefore, the study of the relationship between the oxidative CaMKII and atrial remodeling will help to elucidate the pathogenesis of atrial fibrillation and to prevent or reverse atrial remodeling by lowering CaMKII phosphorylation to reduce the incidence of atrial fibrillation.

鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性激酶II； 心房顫動(dòng)； 心房重構(gòu)

Calcium/calmodulin-dependent protein kinase II; Atrial fibrillation; Atrial remodeling

1000- 4718(2017)06- 1138- 04

2016- 12- 28

2017- 04- 01

江西省自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(No. 20152ACB20025)； 江西省科技支撐項(xiàng)目(No. 20151BB-G70166)

R541.7

A

10.3969/j.issn.1000- 4718.2017.06.030

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