晝夜節(jié)律與急性心肌梗死研究進(jìn)展

尚白雪，丁家望，朱勝奎

(三峽大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院 宜昌市中心人民醫(yī)院心內(nèi)科，湖北 宜昌443003)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人民生活方式的提升，我國(guó)近年來冠心病發(fā)病率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，據(jù)第五次衛(wèi)生服務(wù)調(diào)查顯示，我國(guó)城鄉(xiāng)居民冠心病患病率為10.2‰，60歲以上老年人患病率為27.8‰，且冠心病病死率呈逐年升高趨勢(shì)[1]。急性心肌梗死(acute myocardial infarction，AMI)是冠心病致死和致殘的主要原因，是中老年人群的常見致死疾病[2]。盡管高脂血癥、肥胖、糖尿病、高血壓、吸煙是AMI公認(rèn)的危險(xiǎn)因素，但越來越多的證據(jù)表明，晝夜節(jié)律紊亂在很大程度上促進(jìn)了AMI的發(fā)生、發(fā)展[3]。研究發(fā)現(xiàn)，AMI在凌晨至上午12點(diǎn)最易發(fā)生，呈一定的時(shí)間規(guī)律性，且清晨發(fā)生心肌梗死損傷面積及程度更重，可能與心肌細(xì)胞在睡眠-覺醒過渡期間對(duì)缺血再灌注損傷耐受性較差有關(guān)[4]。心血管系統(tǒng)中存在外周時(shí)鐘，時(shí)鐘基因參與心血管系統(tǒng)的生理和病理生理變化，包括心率、血壓、代謝、血管張力、肥厚反應(yīng)等的晝夜變化[5]。既往動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)，小鼠生物鐘基因Per2敲除可保護(hù)其免受缺血再灌注損傷，并在小鼠冠狀動(dòng)脈左前降支結(jié)扎后維持較小的梗死面積[6]。因此，時(shí)鐘基因在小鼠心肌梗死后缺血再灌注損傷過程中發(fā)揮重要作用。在人類心臟組織中，時(shí)鐘基因的轉(zhuǎn)錄表現(xiàn)出明顯的時(shí)間依賴性，時(shí)鐘基因峰值與谷值的表達(dá)與心血管事件的發(fā)生時(shí)間一致[7]。現(xiàn)就晝夜節(jié)律與AMI發(fā)生發(fā)展的研究進(jìn)展予以綜述。

1 晝夜節(jié)律與生物鐘基因

生物鐘存在于所有哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，由復(fù)雜的自調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋環(huán)組成，各分子反饋環(huán)路間相互作用導(dǎo)致鐘控基因的節(jié)律表達(dá)，最終導(dǎo)致各基因編碼蛋白質(zhì)組和細(xì)胞功能的振蕩[8]。哺乳動(dòng)物的生物鐘包括中央鐘和子鐘。中央鐘由光控制，光在視網(wǎng)膜中轉(zhuǎn)換成神經(jīng)脈沖，然后通過視網(wǎng)膜下丘腦束傳遞至下丘腦視交叉上核，下丘腦視交叉上核通過神經(jīng)和體液信號(hào)的結(jié)合將信息傳遞給身體其他部分，以此來調(diào)節(jié)機(jī)體活動(dòng)[9]。中央鐘負(fù)責(zé)自主神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)的晝夜節(jié)律變化，導(dǎo)致生理參數(shù)(包括血管阻力、動(dòng)脈壓力、心排血量和心率)的變化以及皮質(zhì)醇和兒茶酚胺等各種激素的分泌[10]。時(shí)鐘控制基因的節(jié)律轉(zhuǎn)錄具有組織特異性，哺乳動(dòng)物外周組織中約10%的基因受生物鐘調(diào)節(jié)[11]。

生物鐘主要反饋環(huán)路的核心時(shí)鐘元件由芳基碳?xì)浠衔锸荏w核易位體樣蛋白1(brain and muscle Arnt-like protein-1，BMAL1)、晝夜運(yùn)動(dòng)輸出周期蛋白(circadian locomotor output cycles kaput，CLOCK)、隱花色素(cryptochrome，CRY)1和CRY2、晝夜節(jié)律蛋白同源物(period，PER)1、2和3組成[12]。另一條反饋環(huán)路的核心時(shí)鐘元件包括視黃酸相關(guān)孤兒核受體(retinoid-related orphan nuclear receptors，ROR)α、RORβ和孤兒核受體Rev-Erbα。在24 h周期開始時(shí)，BMAL1和CLOCK形成一個(gè)復(fù)雜的異二聚體，CLOCK/BMAL1異質(zhì)二聚體通過與時(shí)鐘基因PER和CRY的增強(qiáng)子元件(E-box)位點(diǎn)相結(jié)合，激活PER和CRY的轉(zhuǎn)錄和翻譯(正反饋)；PER和CRY在細(xì)胞質(zhì)中積累，形成異質(zhì)二聚體并轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核，反過來抑制CLOCK/BMAL1的轉(zhuǎn)錄活性，從而抑制編碼基因的轉(zhuǎn)錄(負(fù)反饋)，整個(gè)過程構(gòu)成一個(gè)約24 h的負(fù)反饋循環(huán)[13]。在第2條反饋環(huán)路中，CLOCK/BMAL1異質(zhì)二聚體同時(shí)驅(qū)動(dòng)核受體Rev-Erbα和RORα的轉(zhuǎn)錄，反過來分別抑制或激活BMAL1的轉(zhuǎn)錄[14]。由這兩條反饋環(huán)路形成的反饋調(diào)節(jié)，產(chǎn)生類似于24 h的生物鐘周期節(jié)律。

2 晝夜節(jié)律與AMI的臨床聯(lián)系

近年來，生物節(jié)律紊亂與AMI受到廣泛的關(guān)注與研究。流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，輪班工人AMI的發(fā)病率高于白天正常工作的工人，且發(fā)病與年齡或吸煙史無關(guān)，表明晝夜節(jié)律紊亂是導(dǎo)致AMI發(fā)病的重要因素[15]。Kawachi等[16]在一項(xiàng)針對(duì)美國(guó)護(hù)士的研究中也發(fā)現(xiàn)，心血管事件風(fēng)險(xiǎn)隨著輪班工作時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。另一項(xiàng)多中心研究發(fā)現(xiàn)，AMI的發(fā)病時(shí)間具有明顯的晝夜節(jié)律周期性，發(fā)病高峰在上午6時(shí)至中午[17]，可能與清晨交感神經(jīng)張力增強(qiáng)，冠狀動(dòng)脈阻力增高后患者心肌供氧減少有關(guān)[18]。研究表明，清晨腎上腺素能活動(dòng)的增加以及纖溶酶活性的增加參與了心肌梗死的晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)[19]。據(jù)報(bào)道，溶栓治療急性ST段抬高型心肌梗死(ST-segment elevation myocardial infarction，STEMI)在白天(10：00～22：00)療效最好[20]。近年來，經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療(percutaneous coronary intervention，PCI)術(shù)已成為冠心病的首要治療手段。Assali等[21]發(fā)現(xiàn)，18:00～8:00間行PCI術(shù)的STEMI患者院內(nèi)病死率顯著增加。新加坡對(duì)全國(guó)6 710例STEMI患者的分析發(fā)現(xiàn)，午夜至凌晨6時(shí)出現(xiàn)癥狀STEMI患者行PCI術(shù)后，患者心肌梗死面積增大，且心力衰竭發(fā)生率顯著增高[22]。同時(shí)，針對(duì)阿拉伯國(guó)家2 909例STEMI患者的類似研究顯示，癥狀出現(xiàn)時(shí)間與住院病死率存在顯著相關(guān)性，經(jīng)多變量調(diào)整后相關(guān)性仍顯著[23]。因此，晝夜節(jié)律變化可能影響急性冠狀動(dòng)脈事件的發(fā)生率和嚴(yán)重程度以及手術(shù)成功率。

3 生物鐘基因在AMI發(fā)生發(fā)展中的可能機(jī)制

3.1生物鐘基因與自噬 自噬是一個(gè)高度保守的進(jìn)化過程，主要作用是在細(xì)胞應(yīng)激過程中調(diào)控蛋白質(zhì)降解和細(xì)胞器的更替。自噬過程始于自噬體的形成，在自噬體中，其內(nèi)容物與溶酶體融合而降解，溶酶體通過氨基酸和其他細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)素的釋放，進(jìn)行能量生產(chǎn)[24]。細(xì)胞自噬能為細(xì)胞提供能量，并促進(jìn)細(xì)胞的自我更新[25]。自噬參與調(diào)節(jié)多種心血管疾病，然而，自噬過度活化會(huì)導(dǎo)致心肌細(xì)胞對(duì)毒性環(huán)境的適應(yīng)能力降低[26]。AMI發(fā)生后，再灌注前缺血早期啟動(dòng)自噬，通過為細(xì)胞提供能量以及抑制細(xì)胞凋亡來保護(hù)心肌，而再灌注時(shí)延遲激活自噬導(dǎo)致心肌細(xì)胞損傷[27]。深入理解晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)、自噬與心血管功能之間的聯(lián)系，可能會(huì)減少心肌梗死后心肌損傷程度，并且改善心肌梗死后的治療。20世紀(jì) 70年代初，Pfeifer[28]通過顯微鏡觀察到自噬性空泡在大鼠中遵循日變化模式，首次提出了自噬與晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)間存在顯著相關(guān)性。在隨后的研究中發(fā)現(xiàn)，心臟自噬性液泡的體積和數(shù)值密度遵循日變化模式，在傍晚時(shí)分達(dá)到峰值，隨后開始下降[29]。這些研究表明，晝夜節(jié)律依賴性自噬在外周組織和器官修復(fù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。因此，保持睡眠時(shí)間對(duì)于正常的生理過程至關(guān)重要。

在哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)，多種轉(zhuǎn)錄因子可以在轉(zhuǎn)錄水平對(duì)自噬基因進(jìn)行調(diào)節(jié)，而這些轉(zhuǎn)錄因子受到節(jié)律性調(diào)控。CCAAT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白β在細(xì)胞分化和代謝中起著重要作用，研究證實(shí)，當(dāng)體內(nèi)CCAAT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白β基因敲除后，細(xì)胞自噬的表達(dá)失去晝夜節(jié)律[30]。在動(dòng)物研究中，小鼠肝臟特異性Bmal1基因敲除后，自噬調(diào)節(jié)節(jié)律紊亂，且自噬基因CCAAT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白β的表達(dá)顯著降低[31]。以上研究說明，生物鐘以基因調(diào)節(jié)方式控制自噬基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)。

AMP活化的蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK)是一種腺嘌呤核糖核苷酸依賴的蛋白激酶，可觸發(fā)不同的分解代謝途徑，包括葡萄糖攝取和氧化代謝。研究發(fā)現(xiàn)，AMPK從功能上聯(lián)系自噬和晝夜節(jié)律的反應(yīng)途徑，在心肌細(xì)胞中，AMPK激活的unc-51樣激酶1對(duì)自噬和線粒體穩(wěn)態(tài)的啟動(dòng)至關(guān)重要[32]。在小鼠肝細(xì)胞中，AMPK活性遵循晝夜節(jié)律，與生物鐘基因CRY1蛋白表達(dá)一致，AMPK的激活可以破壞CRY蛋白的穩(wěn)定性和正常的節(jié)律性振蕩，此外，AMPK通路紊亂的小鼠外周時(shí)鐘活動(dòng)顯著受損[33]。AMPK調(diào)控代謝相關(guān)基因循環(huán)表達(dá)的能力提示自噬機(jī)制與晝夜節(jié)律密切相關(guān)。因此，更好地理解晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)、自噬和心血管功能之間的聯(lián)系，可以改善心肌梗死后的治療手段。

3.2生物鐘基因與血管炎癥 研究證實(shí)，動(dòng)脈粥樣硬化易損斑塊破裂造成的冠狀動(dòng)脈閉塞性血栓是 AMI發(fā)作的病理基礎(chǔ)，血管炎癥在AMI的發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮了重要作用[34]。生物鐘對(duì)哺乳動(dòng)物先天性免疫和適應(yīng)性免疫的激活起重要作用[35]。時(shí)鐘基因CLOCK/Bmal1是晝夜節(jié)律機(jī)制的核心組成部分，在調(diào)節(jié)血管炎癥、心臟代謝、收縮功能、基因和蛋白質(zhì)節(jié)律等方面發(fā)揮作用[36]。磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信號(hào)通路廣泛參與了動(dòng)脈粥樣硬化的形成過程，包括血管內(nèi)皮細(xì)胞增生、病理性新生血管生成、血管炎癥細(xì)胞聚集等[37]。近年來，小鼠心肌細(xì)胞培養(yǎng)證實(shí)，生物鐘基因CLOCK在調(diào)控蛋白激酶B信號(hào)通路中發(fā)揮重要作用[38]。在隨后的研究中，Nguyen等[39]發(fā)現(xiàn)，Bmal1基因敲除小鼠Ly6Chi單核細(xì)胞晝夜節(jié)律性紊亂，小鼠局部和全身性慢性炎癥反應(yīng)增強(qiáng)。作為炎癥總開關(guān)，阻止炎癥信號(hào)通路中的關(guān)鍵分子核因子κB能顯著抑制細(xì)胞因子、組織因子和基質(zhì)金屬蛋白酶的產(chǎn)生，因此阻止核因子κB活化對(duì)控制血管炎癥反應(yīng)極為重要[40]。研究發(fā)現(xiàn)，時(shí)鐘蛋白CRY1與腺苷酸環(huán)化酶結(jié)合后可以抑制環(huán)腺苷酸產(chǎn)生，因此缺乏時(shí)鐘蛋白CRY1可導(dǎo)致細(xì)胞環(huán)腺苷酸水平升高和蛋白激酶A 活化增強(qiáng)，進(jìn)而誘導(dǎo)S276殘基處p65的磷酸化，增強(qiáng)核因子κB蛋白活化[41]。動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)，生物鐘基因Rev-Erbα敲除小鼠血清白細(xì)胞介素-6、腫瘤壞死因子-α、CC趨化因子配體2、CC趨化因子配體5和CXC趨化因子配體1水平節(jié)律性振蕩消失[42]。因此，時(shí)鐘蛋白可以通過對(duì)炎癥相關(guān)細(xì)胞因子/趨化因子的調(diào)控來節(jié)律性地調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)[43]。綜上，生物鐘基因在血管炎癥中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用，這可能為AMI的發(fā)病機(jī)制提供重要思路。

3.3生物鐘基因與凋亡 細(xì)胞凋亡是細(xì)胞程序性死亡的一種形式，包括外在死亡受體途徑和內(nèi)在線粒體調(diào)節(jié)途徑。在AMI和缺血再灌注發(fā)生過程中，心肌細(xì)胞大多以凋亡形式死亡[44]。凋亡激活通常涉及一系列復(fù)雜的細(xì)胞觸發(fā)機(jī)制。通常，活性氧類是由線粒體以及缺血損傷時(shí)的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶和單胺氧化酶產(chǎn)生。在分子水平上，凋亡的特征是活化胱天蛋白酶，尤其是胱天蛋白酶-3、胱天蛋白酶-6和胱天蛋白酶-7[45]。雖然細(xì)胞凋亡在早期缺血時(shí)被激活，但在再灌注時(shí)卻被放大，可能與線粒體激活有關(guān)[46]。缺血過程中細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的破壞導(dǎo)致細(xì)胞損傷，這些破壞在鈣穩(wěn)態(tài)中尤為明顯，鈣穩(wěn)態(tài)在凋亡過程中缺血再灌注介導(dǎo)的胱天蛋白酶活化和壞死過程中線粒體通透性轉(zhuǎn)變孔的開放中發(fā)揮著重要作用[47]。因此，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體內(nèi)鈣離子的釋放可能是細(xì)胞發(fā)生凋亡和壞死的一個(gè)關(guān)鍵觸發(fā)因素[48]。另外，細(xì)胞凋亡受到晝夜節(jié)律調(diào)控，在小鼠小腸的研究中發(fā)現(xiàn)，小腸細(xì)胞在輻照后發(fā)生的凋亡具有晝夜節(jié)律依賴性，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的高峰時(shí)間在上午，夜間開始下降[49]。

3.4生物鐘基因與心肌缺血再灌注損傷 近年來，隨著PCI術(shù)等再灌注治療手段的不斷普及，心肌梗死病死率明顯降低，但再灌注后心肌缺血再灌注損傷仍不容忽視。心肌梗死后心肌損傷的程度與缺血損傷發(fā)生的時(shí)間直接相關(guān)，在凌晨1點(diǎn)時(shí)發(fā)生再灌注心肌損傷更重[5]。再灌注損傷是由于線粒體內(nèi)膜通透性轉(zhuǎn)變孔的開放，導(dǎo)致線粒體損傷，進(jìn)而引發(fā)心肌細(xì)胞死亡，可能在某種程度上，轉(zhuǎn)變孔的開放存在晝夜節(jié)律波動(dòng)[50]。心肌缺血的實(shí)質(zhì)即細(xì)胞缺氧，缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducible factor，HIF)-1α是堿性螺旋-環(huán)-螺旋PAS結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子，在低氧條件下被磷酸化，從而實(shí)現(xiàn)核轉(zhuǎn)位；在細(xì)胞核中，HIF-1α與芳烴核轉(zhuǎn)位酶或HIF-1β形成異二聚體，并與多種基因啟動(dòng)子區(qū)域中的缺氧反應(yīng)元件結(jié)合，包括調(diào)節(jié)內(nèi)皮生長(zhǎng)的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子和調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡的基因[51]。研究發(fā)現(xiàn)，生物鐘基因PER2和HIF-1α的結(jié)合特性具有同源性，時(shí)鐘基因PER2能以劑量依賴性方式減弱血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子誘導(dǎo)的低氧反應(yīng)，可能機(jī)制是PER2與HIF-1α結(jié)合后，阻斷核轉(zhuǎn)位并阻止HIF-1α誘導(dǎo)的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子轉(zhuǎn)錄[52]。時(shí)鐘基因在AMI患者血運(yùn)重建過程中仍發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用，因此，對(duì)生物鐘基因研究的進(jìn)一步深入，可能為防治心血管疾病提供重要的理論依據(jù)。

4 小 結(jié)

晝夜節(jié)律生物鐘在心血管的病理生理學(xué)機(jī)制中起著重要作用。在心血管系統(tǒng)中生物鐘廣泛存在，心率、體溫、血壓、新陳代謝和激素水平等均呈晝夜節(jié)律性波動(dòng)。此外，心肌梗死的發(fā)生、發(fā)展和預(yù)后與生物鐘密切相關(guān)。更好地了解AMI基于生物鐘的分子機(jī)制對(duì)治療方法的改進(jìn)起著重要作用。總之，在AMI的治療中，時(shí)間是一個(gè)至關(guān)重要的考慮因素。晝夜節(jié)律知識(shí)的轉(zhuǎn)化應(yīng)用對(duì)患者有益，既可以通過選擇治療時(shí)間來最大限度地達(dá)到預(yù)期效果，也可以將不良事件的發(fā)生率降到最低。隨著生物鐘基因與晝夜節(jié)律影響冠心病發(fā)生發(fā)展機(jī)制的逐步闡明，調(diào)節(jié)生物鐘基因的表達(dá)將有望改善AMI患者的治療和生存。