橋接整合因子1與心力衰竭的研究進展

李文靜 李樹仁 苑智慧 白玉豪

050051 石家莊，河北醫(yī)科大學附屬河北省人民醫(yī)院(李文靜、苑智慧)；050051 石家莊，河北省人民醫(yī)院心內一科(李樹仁)；063210 唐山，華北理工大學研究生學院(白玉豪)

心力衰竭(heart failure，HF)是多種心血管疾病進展的最終階段，以心室收縮和(或)舒張功能障礙為特征，可表現為運動耐力不足、水鈉潴留和呼吸困難[1]。心臟正常功能的維持依賴心肌興奮收縮耦聯，HF時心肌興奮收縮耦聯被破壞[2]。HF的診斷較復雜，需結合病史、體格檢查、實驗室檢查、影像學檢查和功能檢查。盡管對HF的生物標記物研究取得了進展，但其臨床應用仍然有限。目前，只有利鈉肽家族，尤其是B型利鈉肽(B-type natriuretic peptide，BNP)和N末端B型利鈉肽原(N-terminal pro-B-type natriuretic peptide，NT-proBNP)被廣泛用于HF的診斷[3-4]。然而，BNP和NT-proBNP的濃度波動較大，易受年齡、體質指數、腎功能和容量負荷等的影響，反映的是容量狀態(tài)，而不是心肌內在健康狀況[5]。因此，有必要尋找其他更穩(wěn)定的直接反映心肌健康狀況的新型生物標記物。橋接整合因子1(bridging integrator 1，BIN1)是存在于T管的膜支架蛋白，在調節(jié)心臟收縮中起重要作用。近幾年，BIN1作為一種新興的HF生物標記物展現出日益突出的優(yōu)勢。

1 概況

1.1 結構

BIN1是含有BAR結構域(BIN/amphiphysin/Rvs，BAR)的蛋白質超家族的成員。編碼BIN1的基因具有20個外顯子，可剪接為10余種BIN1亞型，在各種組織中廣泛表達，以腦、骨骼肌、心肌居多。心臟BIN1是一種膜支架蛋白，有幾個獨特的蛋白質結構域。由外顯子1～10(不含外顯子7)編碼的N端BAR結構域廣泛表達，其以“香蕉”狀的二聚體構象與脂質膜結合，并在產生和感知膜曲率方面發(fā)揮重要作用[6-9]。N端兩親螺旋插入膜并促進曲率，而BAR域的帶正電荷表面與帶負電荷的膜相互作用，感知并維持曲率[10-11]。包含BAR結構域家族的大多數異構體可參與肌動蛋白細胞骨架的動態(tài)重構，如肌細胞內吞作用、細胞器運輸、細胞運動和T管生物發(fā)生[12]。C端的真核生物蛋白同源結構域3(C-terminal Src-homology-3，SH-3)由外顯子19和20編碼，影響著 L型鈣通道在膜結構上的定位。磷酸肌醇肽(phosphoinositide，PI)結合基序可能潛在地將BIN1靶向運至膜間室，如T管、肌肉特異性質膜內陷[13]。

通過BIN1外顯子基因的選擇性剪接，可以獲得不同的BIN1亞型。BIN1-10是第一個被發(fā)現的亞型，主要表達于骨骼肌，該亞型與骨骼肌橫管的形成及小鼠成肌細胞分化有關。BIN1-10可作為轉錄抑制因子，通過c-MYC途徑抑制癌基因轉化細胞和腫瘤細胞系的生長[14]。BIN1-10-13與肌動蛋白的細胞骨架有關。上述兩種亞型均在組織中廣泛表達。BIN1-10+12主要在腦中表達，可能參與阿爾茨海默病的致病過程。在BIN1的眾多亞型結構中，BIN1-13+17具有心臟特異性[15]。BIN1+13在心臟中含量最豐富，似乎與細胞增殖有關。Hong等[16]克隆出的BIN1-13+17，即心臟橋接整合因子1(cardiac-BIN1，cBIN1)，是定位于心臟橫管的異構體，促進N-WASP依賴性肌動蛋白聚合并誘導肌動蛋白依賴的致密小管膜微折疊，在心肌細胞鈣瞬變的調節(jié)和心肌興奮收縮耦聯中發(fā)揮重要作用。

1.2 功能

1.2.1 對心臟功能的調節(jié) 正常的心臟收縮取決于心肌電活動的適當擴散，在細胞水平表現為動作電位。動作電位是由一系列需要離子通道和膜蛋白之間有效通信的離子電流啟動的。通過鈉離子通道快速進入心肌細胞去極化。然后，去極化觸發(fā)L型鈣通道(L-type Ca2+channel，LTCC)打開，細胞外鈣進入細胞內，增加細胞內鈣離子的數量。細胞內Ca2+的增加激活ryanodine受體(RyRs)，引起細胞內肌漿網存儲的Ca2+大量釋放，稱為鈣誘導鈣釋放(calcium-induced-calcium-release，CICR)。心肌收縮需要正常的橫管結構和細胞膜表面離子通道的積聚。L型鈣離子通道聚集在T管膜上，與肌漿網膜上的蘭尼堿受體(ryanodine receptor，RyR)緊密相鄰，形成促進鈣觸發(fā)的鈣釋放CICR的LTCC-RyR二聯體。

cBIN1在是心臟收縮功能的調節(jié)劑，可從四個不同方面調節(jié)LTCC-RyR二聯體的功能[17]。(1)BIN1促進LTCC定位于T管膜[18]。 LTCC向前運輸至T管的過程遵循“靶向遞送”的通道遞送模型， 在“靶向遞送”中，將通道遞送至特定的膜結構區(qū)域需要與特定膜錨定蛋白的協調，BIN1作為LTCC的膜錨蛋白，可將LTCC運輸到T管[19]；(2)BIN1還促進了已經在T管膜上的鈣通道的聚集；(3)cBIN1在將RyRs募集到jSR膜上也起著關鍵作用，從而促進LTCC-RyR二聯體的形成，后者對于正常的EC耦聯至關重要；(4)形成像細胞外離子擴散屏障一樣的“模糊空間”，有效地限制細胞外鈣離子的快速消耗，從而防止跨膜離子通量的損失，這對維持心肌細胞電穩(wěn)定性至關重要[20]。人類胚胎干細胞衍生的心肌細胞(human embryonic stem cell-derived cardiomyocytes，hESC-CMs)可表達收縮蛋白并形成肌節(jié)，但無法形成成人樣Ca2+釋放單位的T管。De La Mata等[21]研究發(fā)現BIN1可以誘導hESC-CMs中的T管發(fā)育，同時使細胞向心室樣表型分化，增加CaV 1.2通道在T管膜的聚集，促進LTCC-RyR二聯體的形成，從而促進興奮收縮耦聯的建立?？傊?，BIN1作為心臟功能的多功能調節(jié)劑，可控制健康心肌細胞中的生理鈣信號傳導，并維持心肌細胞電穩(wěn)定性。

1.2.2 病理生理機制 HF病理生理學的典型機制是T管重構和鈣瞬變受損[20，22-23]。研究發(fā)現，在心肌細胞衰竭時，BIN1表達顯著減少，導致T管重構和LTCC-RyR解耦[2，24]。 HF期間心臟收縮力降低與從RyRs釋放的Ca2+受損有關[25]。Caldwell等[26]發(fā)現小干擾RNA誘導的BIN1蛋白敲除降低了T管密度、鈣瞬態(tài)振幅和收縮期鈣瞬態(tài)的同步。在右室快速起搏誘導的綿羊HF模型及升主動脈縮窄誘導的白鼬HF模型中，BIN1蛋白水平和T管密度均降低，這與HF的病理生理學相似[27]。T管的減少和重構導致孤立的RyRs的形成，延遲Ca2+的釋放并減弱心臟收縮力[12，28]。鑒于BIN1作為微管的膜錨蛋白，BIN1的缺失導致表面LTCCs的錯位，損害鈣的瞬態(tài)性，導致E-C解耦[19]。Hong等[16]發(fā)現BIN1基因敲除的斑馬魚會出現明顯的心臟收縮功能障礙和心肌病。Laury-Kleintop等[29]也發(fā)現BIN1基因敲除小鼠在8～10月齡或壓力超負荷時會發(fā)生擴張型心肌病?？傊?，HF時BIN1表達降低會引起T管上LTCC減少，從而影響LTCC-RyR二聯體的形成，最終損害鈣觸發(fā)的鈣釋放，從而導致心臟收縮力降低。

1.2.3 對HF中惡性心律失常的病理生理機制 HF患者的心原性猝死通常是由惡性心律失常引起的。心肌細胞橫管系統(tǒng)上富集了多種離子通道及包含BIN1在內的多種結構蛋白，在維持心肌細胞電穩(wěn)定性方面發(fā)揮重要作用。HF時BIN1表達降低會引起心肌細胞外離子擴散屏障一樣的“模糊空間”被破壞，而“模糊空間”可以限制細胞外鈣通量以及其余離子的快速擴散。Laury-Kleintop等[29]也發(fā)現BIN1基因敲除小鼠在2～4月齡已經增加了發(fā)生室性心律失常的風險。Hong等[30]研究發(fā)現在ARVC患者中，低血漿BIN1水平可以預測未來發(fā)生室性心律失常事件的風險。上述研究表明，在BIN1表達減少的HF患者或動物模型中，BIN1微域的破壞不僅損害了LTCC-RyR二聯體，而且也消除了膜微折疊產生的保護性慢擴散區(qū)，從而增加室性心律失常的風險。

2 BIN1與HF

2.1 HF時BIN1水平降低

HF的病理生理是T管重構、鈣瞬變受損，從而影響心肌興奮收縮耦聯[22， 27]。許多膜支架蛋白包括BIN1在調節(jié)心臟收縮中起重要作用，在HF患者和動物HF模型中均有BIN1下調的報道。Muller等[31]發(fā)現BIN1基因敲除小鼠死于圍產期致死性心肌病，這是人們首次發(fā)現BIN1與HF進展有關。此后，Hong等[30]對24例致心律失常性右心室心肌病(arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy，ARVC)的患者進行回顧分析，發(fā)現ARVC伴HF患者的血漿BIN1濃度低于不伴HF患者。在右室快速起搏誘導的綿羊HF模型及升主動脈縮窄誘導的白鼬HF模型中，BIN1蛋白水平和T管密度均降低[26]。Hong等[32]利用終末期非缺血性擴張型心肌病的移植受者和未用于心臟移植的器官供者身上獲得新鮮心臟來研究人類衰竭心臟中BIN1的表達情況，研究發(fā)現在衰竭的心肌細胞中，BIN1的表達在mRNA(下降30%)和蛋白(下降36%)水平上均顯著下降。目前，HF時BIN1含量減少的具體機制尚不清楚，Hong等[30]認為可能與心臟的心肌細胞含量有關。總之，在HF患者和實驗動物模型中，均發(fā)現HF時BIN1降低，正如前文所言，這會導致LTCC-RyR以及CICR受損，最終降低心肌收縮力，但其下調的具體機制尚未明確，仍需進一步研究。

2.2 BIN1可以從心肌細胞釋放入外周血

Xu等[33]利用免疫金標記的電子顯微鏡，在小鼠血漿中發(fā)現BIN1存在于約200 nm大小的囊泡中，與微粒(microparticles，MPs)大小一致。此外，在分離的成年小鼠心肌細胞培養(yǎng)液中可檢測出心臟特異性BIN1-MPs，這些均證實了BIN1可源于心肌細胞。然而，BIN1從心肌細胞被釋放入血的具體機制尚不明確，Xu等[33]推測可能與內吞體分選復合物-Ⅲ(endosomal sorting complexes required for transport，ESCRT)通路有關，轉運必需ESCRT亞單位多體帶電蛋白質4B(CHMP4B)與BIN1相互作用，CHMP4B表達減少時BIN1-MPs亦隨之減少[23]?？傊?，BIN1可以從心肌細胞釋放入血，但其具體機制尚需進一步研究證實。

2.3 協助HF的診斷

新型生物標記物的應用需要滿足一些條件，例如易于檢測。BIN1可釋放入外周血，在血漿中利用酶聯免疫吸附法即可定量檢測。其二，BIN1與BNP、NT-proBNP不同，它不受年齡、腎功能、容量負荷的影響，可直接反映心臟健康和功能儲備。Nikolova等[34]納入52例確診為射血分數保留的HF(heart failure with preserved ejection fraction ，HFpEF)患者，將其與年齡、性別匹配且無心血管疾病的52名健康志愿者以及具有HF危險因素但無HF診斷的52名對照者進行比較，分別測定3組隊列的NT-proBNP、BIN1濃度，發(fā)現HFpEF組的BIN1濃度明顯低于另外兩個對照組(P<0.05)。為了評估BIN1和NT-proBNP診斷HF患者的能力，Nikolova 等繪制了受試者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲線，以健康志愿者為對照時，BIN1診斷HFpEF的曲線下面積(area under the curve，AUC)為0.98 (95%CI： 0.96～1.00)，優(yōu)于NT-proBNP(AUC=0.93，95%CI：0.88～0.99，P<0.05)。以存在HF危險因素但無HF診斷的患者為對照時，BIN1(AUC=0.98，95%CI：0.97～1.00)對HFpEF患者的診斷能力仍優(yōu)于NT-proBNP(AUC=0.93，95%CI：0.88～0.99)(P<0.05)。近來，Hitzeman等[35]納入158例射血分數降低HF患者(heart failure with reduced ejection fraction，HFrEF)與115名年齡、性別相匹配且無HF病史的對照者，發(fā)現HFrEF患者BIN1濃度明顯低于對照組(P<0.05)。因此，BIN1有潛力成為優(yōu)于利鈉肽家族的診斷HF的新型生物標記物，雖然上述研究中樣本量均較小，但意義重大，為未來尋找能直接反映心肌健康狀況的生物標記物提供了潛在方向。

2.4 預測HF的預后

Nikolova等[34]研究發(fā)現，心臟BIN1評分(cardiac BIN1 score，CS)≥1.8[CS=ln(10/BIN1)]的HFpEF患者的1年內心血管再入院的風險高于CS<1.8的患者(HR=3.8，95%CI：1.3～11.2，P=0.02)。新近的一項研究表明，BIN1與心功能分級呈負相關(P=0.007)，血漿BIN1濃度越低，NYHA心功能分級越差[35]。并且高CS組(CS≥1.9)較低CS組(CS<1.9)的1年內心血管事件風險增加(43%比26%，P=0.01)。上述研究均表明，血漿BIN1水平可預測HF患者的不良預后，但由于目前相關研究較少，且樣本量較小，其研究結果的一致性與普及性仍需進一步驗證。

2.5 指導HF的治療

BIN1在維持心肌興奮收縮耦聯及電穩(wěn)定性方面發(fā)揮重要作用[36]，HF患者中BIN1表達下調這一特點可能有助于確定HF治療的潛在新靶點。目前BIN1對HF的治療方面尚無相關的臨床研究及資料，尚停留在基礎實驗階段。Li等[37]探討cBIN1替代治療是否可以改善已有HF的應激心臟的心肌功能，研究中成年雄性小鼠于8～10周齡時行主動脈橫縮術，術后5周眶內注射轉染cBIN1-V5或綠色熒光蛋白-V5(green fluorescent protein-V5，GFP-V5)的腺相關病毒9 (adeno-associated virus 9，AAV9)，發(fā)現AAV9-cBIN1小鼠Kaplan-Meir總生存率高于AAV9-GFP治療的小鼠(77.8%比58.8%)，且左室射血分數、心臟的收縮及舒張功能較GFP-V5組有所改善。鑒于BIN1在組織T管膜折疊和LTCC-RyR中的作用，它可能是未來治療的潛在目標。雖然現有數據表明，HF中BIN1水平的升高可能會同時增加收縮力，并減少心律失常的發(fā)生，但尚無研究者開展相關臨床研究以證實此假設。由于目前對BIN1的認知仍有很多局限性，其在指導HF治療方面的研究可能并非一帆風順。

3 小結

作為心臟LTCC-RyR二聯體的多功能調節(jié)器，BIN1調控著健康心肌的鈣信號，而BIN1的減少會加速HF的惡化。因此，了解BIN1在正常和HF中的生物學意義，將對疾病管理和指導治療產生重大影響。一方面，血漿BIN1攜帶著心肌健康狀況的信息，可作為心臟健康和恢復潛力的潛在生物標記物。另一方面，心臟BIN1微結構域可以作為HF治療的新靶點，了解HF中BIN1降低的機制也可能有助于識別新的HF治療途徑。目前HF關于BIN1的研究尚處于起步階段，因此，BIN1能否成為如BNP、NT-proBNP一樣常規(guī)檢測HF的生物標記物[38]，仍需進行長期大規(guī)模的研究。

利益沖突：無