鈣傳感器基質(zhì)交感分子1與心血管疾病的研究進(jìn)展*

劉方圓， 唐 楠， 楊 政， 樊 迪， 唐其柱

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院心血管內(nèi)科， 武漢大學(xué)心血管病研究所， 心血管病湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430060)

冠心病和心力衰竭等心血管疾病的發(fā)病機(jī)制多樣、病理生理過(guò)程復(fù)雜多變，雖目前從多個(gè)方面研究，但仍未能完全明確。鈣離子主要位于細(xì)胞外或儲(chǔ)存在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞器中，是常見(jiàn)的第二信使，在細(xì)胞生存進(jìn)程中有著十分重要的作用。近些年研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)是誘發(fā)心血管疾病的重要因素[1-2]。鈣離子耗竭引起的翻譯后蛋白修飾異常會(huì)導(dǎo)致蛋白運(yùn)輸錯(cuò)誤、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、生長(zhǎng)抑制和細(xì)胞凋亡。有關(guān)鈣離子通道的研究對(duì)心血管疾病的發(fā)病機(jī)制進(jìn)行了補(bǔ)充，為從根本上減少疾病發(fā)生、控制疾病發(fā)展提供了新的思路。人類基質(zhì)交感分子(stromal interaction molecule， STIM)家族包括STIM1及STIM2 2種組成成分，廣泛存在于多類人體細(xì)胞中，但在多數(shù)組織中無(wú)論在表達(dá)還是功能上STIM1均較STIM2強(qiáng)。STIM1參與機(jī)體多種生理和病理生理過(guò)程。近些年大量研究發(fā)現(xiàn)，STIM1與高血壓[3]、冠心病[4]等多種心血管疾病均關(guān)系密切。本文主要針對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)STIM1的研究結(jié)果，論述STIM1的結(jié)構(gòu)和功能及其在心血管疾病發(fā)生發(fā)展中的作用及應(yīng)用前景。

1 STIM1簡(jiǎn)介

STIM1是一種主要分布在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的I型跨膜蛋白，在細(xì)胞膜上也有分布[5]，其分子結(jié)構(gòu)及其功能如圖1所示，STIM1 N端向C端依次為EF手型結(jié)構(gòu)(EF-hand)區(qū)、山姆結(jié)構(gòu)域(sterile alpha motif，SAM)、一段跨膜區(qū)、卷曲螺旋的結(jié)構(gòu)域、脯氨酸/絲氨酸富集區(qū)(proline/serine-rich，P/S)和賴氨酸富集區(qū)(lysine-rich， K)。其N端位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)/肌漿網(wǎng)(endoplasmic reticulum/sarcoplasmic reticulum，ER/SR)，其中EF-hand結(jié)構(gòu)域就是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣濃度的感受器，包括鈣離子結(jié)合EF手型結(jié)構(gòu)(Ca2+binding EF-hand, cEF)和隱藏的EF手型結(jié)構(gòu)(hidden EF-hand, hEF)；SAM結(jié)構(gòu)域用于啟動(dòng)STIM1的寡聚化。STIM1的C端位于細(xì)胞質(zhì)，包括3個(gè)卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域1(coiled-coil domain 1, CC1)和STIM1-Orai活化區(qū)(STIM1-Orai-activating region, SOAR)，用于穩(wěn)定STIM1寡聚化、與Orai1相互作用和激活，以及與瞬時(shí)受體電位通道(transient receptor potential channel，TRPC)相互作用[6]；賴氨酸富集區(qū)用于STIM1寡聚物移位、Orai1失活以及TRPC激活。

Figure 1.Schematic diagram of STIM1. TM: transmembrane region; ID: inhibitory domain, inactivation of SOC; Ca2+binding: calcium ion binding site.

圖1STIM1結(jié)構(gòu)示意圖

Putney等[7]提出耗竭細(xì)胞內(nèi)鈣后會(huì)激活細(xì)胞膜上鈣離子釋放激活通道(Ca2+release-activated channel，CRAC)，從而內(nèi)流補(bǔ)充細(xì)胞內(nèi)鈣離子，即鈣庫(kù)操縱性鈣離子內(nèi)流(store-operated Ca2+entry，SOCE)，其通道稱為鈣庫(kù)操縱的鈣通道(store-operated calcium channels，SOCs)。SOCs是機(jī)體內(nèi)負(fù)責(zé)細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)鈣離子的通道之一，主要由STIM、Orai及TRPC 3大家族組成。細(xì)胞內(nèi)Ca2+的耗盡會(huì)刺激細(xì)胞外環(huán)境Ca2+的進(jìn)入[8]。STIM1在肌質(zhì)網(wǎng)/內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中充當(dāng)Ca2+的“傳感器”，而Orai1則作為Ca2+滲透的通道，它是參與SOCs形成的主要分子[9]。

靜息條件下，Ca2+結(jié)合STIM1的cEF-hand，STIM1通過(guò)卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域之間的相互作用形成二聚體。當(dāng)ER/SR中的Ca2+耗盡或胞外鈣離子濃度降低至閾值時(shí)，Ca2+從STIM1解離，導(dǎo)致SAM結(jié)構(gòu)域引發(fā)構(gòu)象變化，隨后延伸CC1胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域，導(dǎo)致STIM1寡聚化，接著易位到近細(xì)胞膜區(qū)域聚集形成“斑塊”樣結(jié)構(gòu)，STIM1多聚體隨后與Orail的C端相互作用，導(dǎo)致Orail的聚合并打開(kāi)CRAC，細(xì)胞外鈣離子內(nèi)流增加[10],該過(guò)程的核心是STIM1多聚體形成。研究發(fā)現(xiàn)STIM1寡聚化之后，無(wú)論鈣庫(kù)耗竭與否，后續(xù)一系列步驟將繼續(xù)發(fā)生[11]。激活的示意圖見(jiàn)圖2。

Figure 2.The diagram of STIM1 and Orai1 activation mode.

圖2STIM1和Orai1激活模式圖

2 STIM1在心血管系統(tǒng)疾病中的作用

2.1高血壓 高血壓是多種心血管疾病的重要病因和危險(xiǎn)因素。鈣離子在血管功能障礙中所扮演的重要角色與高血壓有密切關(guān)系。病例對(duì)照研究中發(fā)現(xiàn)STIM1基因可能是妊娠期高血壓的易感基因[12]。STIM1敲除小鼠表現(xiàn)出顯著的血壓升高，尤其是夜間血壓升高[13]。Kassan等[14]研究表明，在小鼠的平滑肌細(xì)胞中特異性敲除STIM1，降低了對(duì)交感神經(jīng)刺激的血管收縮反應(yīng)，但對(duì)內(nèi)皮依賴性松弛沒(méi)有影響[15]。Kassan等[14]使用特異性靶向基因敲除平滑肌STIM1的小鼠，并用血管緊張素II(angiotensin II，Ang II)進(jìn)行小鼠高血壓造模，結(jié)果顯示平滑肌細(xì)胞中的STIM1缺失會(huì)減少Ang II高血壓介導(dǎo)的心臟肥大和纖維化，收縮壓降低，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激標(biāo)志物C/EBP同源蛋白(C/EBP homologous protein，CHOP)也減少；Ang II誘導(dǎo)高血壓CHOP基因敲除小鼠的心臟中STIM1表達(dá)增加，表明STIM1是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激標(biāo)志物的上游。這些研究提示，平滑肌中缺乏STIM1可能通過(guò)消除內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激來(lái)預(yù)防高血壓以及高血壓誘導(dǎo)的心肌肥厚和血管功能障礙。STIM1上調(diào)可能導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，并直接或間接地決定高血壓條件下心肌重構(gòu)的發(fā)展。一氧化氮(nitric oxide，NO)是一種由內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生并釋放的血管內(nèi)皮舒張因子。沉默STIM1基因的表達(dá)后，內(nèi)皮細(xì)胞釋放的NO明顯減少[13, 16]。STIM1可通過(guò)調(diào)節(jié)血壓參與心血管疾病的發(fā)病機(jī)制。

2.2血栓形成 內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂與各種心血管疾病的發(fā)生與發(fā)展密切相關(guān)。有研究表明，STIM1高表達(dá)于不同血管來(lái)源的內(nèi)皮細(xì)胞中，并且STIM1對(duì)于人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的增殖具有調(diào)控作用[17]。Shi等[18]發(fā)現(xiàn)敲除STIM1基因可明顯抑制肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子(hepatocyte growth factor，HGF)誘導(dǎo)的骨髓來(lái)源的內(nèi)皮祖細(xì)胞(endothelial progenitor cells，EPCs)增殖，提示Orai1和(或)STIM1是血管新生過(guò)程中的靶蛋白。血小板的激活和聚集是動(dòng)脈血栓形成的關(guān)鍵一環(huán)。多項(xiàng)研究表明,血小板活化和連續(xù)血栓的形成依賴于Orai1/STIM1的表達(dá)和活化，STIM1和Orai1所構(gòu)成的SOCs可調(diào)節(jié)血小板的鈣離子內(nèi)流來(lái)影響血小板的聚集[19-21]。STIM1也可能通過(guò)其胞質(zhì)多元域與質(zhì)膜上的磷酸肌醇相互作用[22]，從而抑制血栓形成。

2.3血管平滑肌細(xì)胞(vascular smooth muscle cell，VSMC)功能障礙 血管平滑肌細(xì)胞的活化、遷移、增殖與凋亡是動(dòng)脈粥樣硬化斑塊形成的重要機(jī)制之一，而動(dòng)脈粥樣硬化是冠心病的始動(dòng)因素。血管平滑肌細(xì)胞STIM1缺乏促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化血管鈣化[23]。在增生的VSMC中，STIM1表達(dá)上調(diào)，Stim1或Orai1基因沉默可以抑制CRAC電流，同時(shí)抑制血管平滑肌細(xì)胞的增殖和遷移[18]。Aubart等[24]沉默STIM1基因的表達(dá)后，VSMC的增殖和遷移被抑制，該過(guò)程在人源性STIM1再表達(dá)后被逆轉(zhuǎn)。在大鼠頸動(dòng)脈球囊損傷模型中的實(shí)驗(yàn)也得出了相同的結(jié)論[25]。Abdullaev等[17]發(fā)現(xiàn)STIM1表達(dá)介導(dǎo)SOCE參與人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞增殖，敲除STIM1基因可使內(nèi)皮細(xì)胞的增殖停滯在S期或G2/M期，從而抑制內(nèi)皮細(xì)胞增殖。Ang II誘導(dǎo)的早期生長(zhǎng)反應(yīng)蛋白1表達(dá)由VSMC中的STIM1和Ca2+釋放介導(dǎo)[26]。由此推測(cè)STIM1在VSMC的增殖和遷移中起著重要作用。

2.4炎癥反應(yīng) 炎癥反應(yīng)是貫穿心血管疾病各個(gè)環(huán)節(jié)的重要病理變化, 粥樣斑塊的形成、斑塊穩(wěn)定性的降低及破裂、血栓的形成均與炎癥反應(yīng)的過(guò)度激活有關(guān)。EPCs歸巢在血管炎性損傷修復(fù)過(guò)程中起著重要作用。冠心病、高血壓和糖尿病患者均存在EPCs的數(shù)量降低和功能減退。EPCs能歸巢至損傷血管局部，加快損傷血管再內(nèi)皮化，抑制病理性新生內(nèi)膜的形成。在心血管疾病的進(jìn)展過(guò)程中，STIM1參與內(nèi)皮祖細(xì)胞生物學(xué)功能的調(diào)控。最新研究顯示氧化低密度脂蛋白通過(guò)促進(jìn)SOCE激活EPCs的自噬[27]，推測(cè)STIM1可能通過(guò)EPCs在血管損傷修復(fù)過(guò)程中發(fā)揮重要的作用。上述STIM1在一定程度上可以反映血管內(nèi)皮損傷的程度，推測(cè)STIM1水平與冠心病血管病變程度具有相關(guān)性，且與病變血管呈正相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)CC趨化因子配體2、干擾素γ、白細(xì)胞介素6與腫瘤壞死因子α等炎癥因子在平滑肌STIM1基因敲除小鼠的缺血再灌注損傷中降低，這顯示平滑肌細(xì)胞的STIM1基因敲除通過(guò)減少炎癥反應(yīng)來(lái)保護(hù)心臟不受心肌梗死的影響[28]。多個(gè)研究小組研究表明高水平的STIM1導(dǎo)致血小板活性增強(qiáng)[29-31]，這可能也是STIM1參與急性冠脈綜合征發(fā)病的機(jī)制之一。

2.5內(nèi)皮功能和血管生成 血管內(nèi)皮細(xì)胞擔(dān)任著維持血管張力、分泌、內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、遷移、修復(fù)損傷血管、調(diào)節(jié)血壓、凝血與抗凝平衡及血管新生等多種作用。內(nèi)皮細(xì)胞障礙涉及各種心血管疾病的發(fā)生與發(fā)展。來(lái)源于不同血管床的內(nèi)皮細(xì)胞上均有STIM1的表達(dá)[17]。敲減內(nèi)皮細(xì)胞上STIM1的表達(dá)后，SOCE明顯受到抑制，鏡下觀察細(xì)胞停滯在S期和G2/M期，內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和遷移被抑制[17]。VEGF是促血管新生作用最強(qiáng)的細(xì)胞因子,對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖以及血管結(jié)構(gòu)的形成具有促進(jìn)作用[32]。在腫瘤中的研究發(fā)現(xiàn)STIM1可調(diào)控宮頸癌細(xì)胞中VEGF的產(chǎn)生;在動(dòng)物模型中干擾STIM1表達(dá)可抑制腫瘤血管生成[33]。微小RNA-185(microRNA-185,miR-185)參與人微血管內(nèi)皮細(xì)胞的血管生成，STIM1基因沉默可以模擬miR-185介導(dǎo)的血管生成抑制。STIM1過(guò)表達(dá)消除了miR-185的抗血管生成作用[34]。臨床研究發(fā)現(xiàn)血清低STIM1的支架再狹窄患者血清中VEGF水平明顯高于正常STIM1組再狹窄患者[35]。以上研究表明STIM1對(duì)血管生成的負(fù)性調(diào)節(jié)參與心血管疾病的發(fā)生發(fā)展。

2.6心肌肥厚 心肌肥厚與自主神經(jīng)失衡有關(guān)，由多種細(xì)胞因子和/或信號(hào)通路的失調(diào)引起的，包括G蛋白偶聯(lián)受體和胞質(zhì)Ca2+信號(hào)等。Ohba等[36]在對(duì)人工培養(yǎng)的大鼠心肌細(xì)胞的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)STIM1與心肌肥厚相關(guān)，他們發(fā)現(xiàn)在人工培養(yǎng)的大鼠心肌細(xì)胞中，STIM1持續(xù)表達(dá)。研究顯示使用硝苯地平抑制電壓依賴性鈣通道(voltage-dependent calcium channel，VDCC)通道后，心肌肥大并沒(méi)有得到改善，而采用SOCs阻斷劑SKF-96365或敲除SOCs基因后，心肌肥厚能得到明顯改善[37]，提示SOCs引起的Ca2+內(nèi)流在心肌肥厚過(guò)程中扮演了重要的角色。STIM1是SOCs的感受器，通過(guò)促使胞膜鈣離子內(nèi)流，胞內(nèi)鈣離子濃度降低，進(jìn)而導(dǎo)致心力衰竭時(shí)的心肌收縮力減弱。Dai等[38]研究證明抑制STIM1-Orai1可減輕小鼠壓力負(fù)荷誘導(dǎo)的心肌肥厚。Voel-kers等[39]研究發(fā)現(xiàn)SOCE中的Orai1和STIM1對(duì)體外培養(yǎng)的新生大鼠心肌細(xì)胞具有調(diào)節(jié)正常生長(zhǎng)和肥大生長(zhǎng)的關(guān)鍵作用。另一項(xiàng)研究證明沉默STIM1可阻止mTORC-2磷酸化Akt激酶，從而阻止GSK-3β活性的抑制，最終導(dǎo)致抑制肥厚反應(yīng)[40]。

2.7心肌纖維化 過(guò)度的心肌纖維化是心力衰竭(heart failure，HF)機(jī)械和電學(xué)功能障礙的主要誘因。STIM1在Ang II誘導(dǎo)的心肌纖維發(fā)生中起關(guān)鍵作用[41]。在大鼠心臟成纖維細(xì)胞中，Ang II導(dǎo)致STIM1與Orai1和Ca2+從細(xì)胞內(nèi)鈣儲(chǔ)存中釋放相互作用。由Ang II誘導(dǎo)的纖連蛋白(fibronectin，F(xiàn)N)、結(jié)締組織生長(zhǎng)因子(connective tissue growth factor，CTGF)和α-平滑肌肌動(dòng)蛋白(α-smooth muscle actin，α-SMA)的上調(diào)被SOCE抑制劑SKF-96365減弱，通過(guò)敲除STIM1觀察到類似的結(jié)果，這一發(fā)現(xiàn)表明敲除STIM1可減輕心肌纖維化。在Ross等[42]的實(shí)驗(yàn)中，熒光雙標(biāo)共聚焦圖像顯示，與正常對(duì)照組相比，心力衰竭組Orai1和STIM1共定位的Pearson相關(guān)系數(shù)顯著升高。他們的研究證實(shí)來(lái)自衰竭心室的成纖維細(xì)胞與來(lái)自非衰竭心臟的成纖維細(xì)胞相比，膠原分泌能力增加，這與CRAC的成孔亞基Orai1表達(dá)增強(qiáng)相關(guān)的SOCE上調(diào)有關(guān)。Correll等[43]在轉(zhuǎn)基因小鼠的研究中，發(fā)現(xiàn)STIM1的過(guò)度表達(dá)增加了細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存消耗后的鈣內(nèi)流以及舒張期鈣離子水平，并且增加了對(duì)猝死和心力衰竭與肥大的敏感性。STIM1在心肌纖維化中的作用可能影響心血管疾病的預(yù)后。

3 以STIM1為靶點(diǎn)的治療策略

STIM1通過(guò)激活SOCE以調(diào)控胞內(nèi)Ca2+水平的降低，從而在細(xì)胞生存和凋亡中起重要作用。STIM1在高血壓、冠心病等心血管疾病的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中均有其特殊的作用。上述研究者沉默STIM1表達(dá)后，VSMC增殖和新生內(nèi)膜形成減少，這為STIM1作為治療動(dòng)脈粥樣硬化的重要靶點(diǎn)提供依據(jù)。

目前，Zheng等[44]研究證實(shí)天麻素通過(guò)對(duì)Orai1和STIM1表達(dá)的作用緩解心肌肥厚。Lu等[45]的研究證實(shí)吡斯的明通過(guò)抑制CaN/NFAT3/GATA4通路和抑制Orai1/STIM1，改善膽堿能傳遞效率(乙酰膽堿酯酶降低和乙酰膽堿降低)，減輕了心臟肥大和改善心臟功能。STIM1表達(dá)和分泌增多時(shí)，內(nèi)皮祖細(xì)胞的歸巢功能以及增殖、遷移過(guò)程均受到抑制，進(jìn)而影響支架植入術(shù)后再內(nèi)皮化過(guò)程對(duì)局部血管損傷的修復(fù)[46]。STIM1可為抗心肌肥厚治療提供了有效的作用靶點(diǎn)。

經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療(percutaneous coronary intervention，PCI)是治療冠心病的有效方法，能夠擴(kuò)張狹窄的冠脈并恢復(fù)缺血心肌的血流灌注[47]。PCI術(shù)后支架內(nèi)再狹窄的發(fā)生會(huì)影響治療效果，早期預(yù)測(cè)支架內(nèi)再狹窄的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行干預(yù)，能夠有效改善PCI術(shù)后的病情轉(zhuǎn)歸。Li等[48]的研究表明血漿STIM1水平升高是接受PCI患者支架再狹窄的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，可為PCI后再狹窄的控制提供有用的信息。PCI術(shù)后血清STIM1含量升高與支架內(nèi)再狹窄的發(fā)生密切相關(guān)，對(duì)再狹窄的發(fā)生具有預(yù)測(cè)價(jià)值。

STIM1含量的升高與血管新生及再內(nèi)皮化障礙密切相關(guān)。在小鼠中敲除STIM1或Orai1可預(yù)防血栓的形成，并且在若干血栓模型中限制了血栓栓塞的程度，保持血管內(nèi)通暢，可預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化、病理性血栓及栓塞[30]。有研究發(fā)現(xiàn)，STIM1敲除可顯著抑制頸動(dòng)脈血管的內(nèi)膜增生[29]，證明在大鼠的頸動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞中Ca2+內(nèi)流可能對(duì)血管內(nèi)膜新生及血管狹窄發(fā)揮了重要作用。而在1型糖尿病小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，STIM1表達(dá)降低，而過(guò)表達(dá)STIM1可修復(fù)糖尿病小鼠冠脈內(nèi)皮功能[49]。STIM1會(huì)成為將來(lái)抗血小板藥物治療血栓形成以及血管損傷再狹窄的一個(gè)新的治療靶點(diǎn)。

4 小結(jié)及展望

STIM1作為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的Ca2+傳感器，調(diào)節(jié)心血管系統(tǒng)中Ca2+的穩(wěn)態(tài)，通過(guò)Ca2+信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制在心臟和血管相關(guān)疾病的發(fā)生、發(fā)展、惡化及并發(fā)癥的發(fā)生過(guò)程中發(fā)揮重要作用。使用SOCE抑制劑及干擾STIM1表達(dá)的新型藥物，可下調(diào)鈣離子信號(hào)蛋白的表達(dá)，從而抑制血管平滑肌細(xì)胞增殖和遷移，并通過(guò)發(fā)揮調(diào)脂、抗炎、改善內(nèi)皮功能等多種效應(yīng)，對(duì)心血管疾病發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的多因素多環(huán)節(jié)起到調(diào)節(jié)作用，進(jìn)而起到延緩甚或逆轉(zhuǎn)病理改變的作用。相信未來(lái)STIM1將作為多種心血管疾病研究甚至治療的新靶點(diǎn)。對(duì)STIM1調(diào)控鈣通道的進(jìn)一步研究，將進(jìn)一步揭示介導(dǎo)鈣離子活動(dòng)通路的各種機(jī)制，從而為預(yù)防和治療心血管疾病提供新思路。