氧化CaMKII人類心室細胞模型的建立與電生理的仿真研究

白杰云+王寬全

摘要： 關鍵詞： 中圖分類號： 文獻標志碼： A文章編號： 2095-2163（2017）06-0065-05

Abstract： Calcium / calmodulin dependent protein kinase II （CaMKII） is a kind of cell signaling molecules expressed in the heart and oxidized CaMKII is associated with a variety of arrhythmogenic cardiac diseases. A human ventricular cell model with oxidized CaMKII regulation is established to simulate ion currents， intracellular calcium cycling and action potential in the setting of reactive oxygen species （ROS） enhanced. Simulated results show that， when ROS concentration is elevated， the activation amount of CaMKII is increased， cytoplasmic and sarcoplasmic reticulum calcium concentration are augmented， and action potential duration is abbreviated. This model provides a quantitative method for the study of ventricular arrhythmias induced by CaMKII， builds a quantitative relationship between microscopic molecular function changes and macro cell action potential changes. So the research of this subject is of significance in theory research and practical application.

0引言

心肌細胞受到外部刺激時，細胞膜蛋白通過釋放化學物質(zhì)傳遞信息，這些化學物質(zhì)作用于信號分子，從而調(diào)節(jié)細胞的功能。雖然大量研究使得研究學界認識了信號轉(zhuǎn)導通路的組成部分，但是這些信號網(wǎng)絡的復雜性阻礙了時下對于其生理功能的理解。鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶II（Calcium /Calmodulin-dependent protein kinase II， CaMKII）作為信號網(wǎng)絡中關鍵的節(jié)點，參與了基因表達、心律形成、心肌收縮、能量代謝等生理和病理過程[1]。最近的研究表明，活性氧（Reactive oxygen species， ROS）能夠活化CaMKII，進而促進心律失常的發(fā)生[2]。雖然大量的分子生物實驗研究了CaMKII對于各種蛋白的磷酸化作用[3-7]，但是僅關注局部變化的生物實驗無法從整個系統(tǒng)的角度認識CaMKII對于細胞甚至機體生理功能的影響。因此，基于CaMKII的細胞電生理模型被廣泛應用于從復雜系統(tǒng)角度認識疾病的發(fā)病機制。

2011年，O'Hara等構建了第一個具有CaMKII調(diào)控作用的人類心室細胞模型（ORd模型）[8]，該模型整合了CaMKII的自動活化模式和其對于離子電流的調(diào)控作用，從而增進了人們對于CaMKII功能的認識。但是ORd模型的CaMKII活化模式不完整，在研究氧化激活CaMKII的功能中作用有限。為此，本文構建了具有完整CaMKII活化的人類心室細胞模型，研究和分析了氧化CaMKII對于人類心室細胞電生理的影響。

1氧化CaMKII人類心室細胞模型的建立

人類心室細胞電生理模型的構建過程為：首先，依據(jù)CaMKII的激活過程建立CaMKII的活化模型；其次，考慮CaMKII對于離子電流動力學的改變，構建具有CaMKII動態(tài)調(diào)節(jié)的離子通道模型；最后，整合細胞膜上的離子電流，形成人類心室細胞電生理模型。

1.1CaMKII的激活模型

從目前的實驗研究來看，CaMKII的激活方式主要包括自動磷酸化和氧化活化。正常情況下，CaMKII處于抑制狀態(tài)。當細胞中的[Ca2+]i升高，鈣離子和鈣調(diào)素形成結合物Ca2+/CaM，該物質(zhì)能夠激發(fā)CaMKII的活性，一方面，鈣離子能夠使得CaMKII自發(fā)磷酸化，從而轉(zhuǎn)化為自動激活狀態(tài)；另一方面，則將可以通過ROS進入氧化激活狀態(tài)[9]。

基于上述CaMKII的激活過程，Christensen等人開發(fā)了五狀態(tài)的氧化CaMKII活化模型[10]，其活化過程如圖1所示：細胞內(nèi)的鈣離子與CaM結合，使得CaMKII的催化域暴露，CaMKII處于可結合狀態(tài)（B），進一步使得CaMKII的自我抑制減弱，CaMKII轉(zhuǎn)化為自動磷酸化狀態(tài)（P）。另外，在引入氧化激活之后，CaMKII活化模型增加了氧化結合態(tài)（O）和氧化磷酸化態(tài)（X），B和P可通過ROS轉(zhuǎn)變?yōu)镺和X狀態(tài)，其中O與X之間也可以相互轉(zhuǎn)化。CaMKII在各個狀態(tài)下的激活比例分別為CaMKB、CaMKP、CaMKO和CaMKX，那么，CaMKII的失活率CaMKI的計算公式為：CaMKI=1-CaMKB-CaMKP-CaMKO-CaMKX（1）其中，CaMKB的變化率計算公式如下：

1.2離子電流模型endprint