TREK-1鉀離子通道與心律失常*

馬韻之 李劍 周鵬

TREK 通道(TWIK 相關(guān)的雙孔鉀離子通道)包括TREK-1，TREK-2和TRAAK 通道。在心臟中，其主要作用為參與心肌細(xì)胞背景鉀離子電流的形成和調(diào)節(jié)細(xì)胞的興奮性。TREK 通道最重要的特性是可被機(jī)械牽張強(qiáng)烈激活，可參與心臟的機(jī)械電反饋，在病理情況下TREK 通道的失調(diào)可能與心律失常的發(fā)生緊密相關(guān)。研究表明TRAAK 和TREK-2在心臟組織中表達(dá)含量極低[1]，而TREK-1是其中與心血管相關(guān)研究最為深入的通道，因此筆者對(duì)TREK-1通道與心律失常做一綜述。

1 TREK-1通道的結(jié)構(gòu)和生理特征

1.1 TREK-1通道屬于鉀離子選擇性通道(SAK) 牽張激活性離子通道在機(jī)械電反饋和心律失常中有重要作用，主要分為SAK 和非選擇性陽(yáng)離子通道(SAC)兩類。目前認(rèn)為SACs的激活起到增強(qiáng)早后除極和延遲后除極的作用，促進(jìn)心律失常的發(fā)生[2]。與之相對(duì)應(yīng)的是，SAK 通過(guò)鉀外流促進(jìn)復(fù)極，可能起到抗心律失常的作用[3]。

值得注意的是，牽張激活性離子通道在心臟中分布是不均勻的。在Langendorff灌注的離體大鼠心臟中，與心外膜下相比，機(jī)械牽張會(huì)導(dǎo)致心內(nèi)膜下心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位縮短程度增加，推測(cè)這種跨心室壁的區(qū)域差異可能有助于同步心室動(dòng)作電位的復(fù)極[4]。

1.2 TREK-1通道屬于K2P通道家族 哺乳動(dòng)物的鉀通道最普遍的特征是它們均有一段稱為P區(qū)的保守序列，這也是K＋傳導(dǎo)通路的一部分。按照膜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，鉀通道可分為3類，其中一類是具有四次跨膜結(jié)構(gòu)(M1～M4)和兩個(gè)P區(qū)(P1、P2)的K2P通道家族，該家族通道在細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)有一個(gè)氨基端和一個(gè)羧基端，膜外側(cè)存在M1和P1構(gòu)成的環(huán)形結(jié)構(gòu)[5]。

K2P家族包括6大類15個(gè)成員，分布于全身組織，可調(diào)控細(xì)胞興奮性，其中一大類為脂質(zhì)敏感的機(jī)械門(mén)控K2P 通道，包括TREK-1、TREK-2和TRAAK，其成員對(duì)機(jī)械力敏感，屬于機(jī)械敏感性鉀通道。根據(jù)M4的彎曲和螺旋狀態(tài)，TREK 通道存在兩種構(gòu)象狀態(tài)——“向上”和“向下”狀態(tài)，兩種狀態(tài)下都會(huì)出現(xiàn)鉀通道打開(kāi)，但施加到細(xì)胞膜上的拉伸因?yàn)橥ǖ赖鞍着c脂質(zhì)雙層接觸面積更大，從而在能量上更有利于“向上”狀態(tài)的形成，所以TREK 通道優(yōu)先從“向上”狀態(tài)打開(kāi)，TREK-1電流會(huì)隨著機(jī)械力增加而增加[6]。

此外，脂質(zhì)、酸度、溫度、麻醉劑等多種刺激可以激活TREK-1通道[7]，如細(xì)胞內(nèi)PH 值降低可以使其機(jī)械敏感性增加，TREK-1也可因受熱而激活，溫度每升高10℃，電流振幅升高約10倍[8]。

1.3 TREK-1調(diào)節(jié)劑 近年來(lái)多項(xiàng)研究致力于尋找TREK-1的特異性調(diào)節(jié)劑。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)藥物BL-1249 在體外實(shí)驗(yàn)中能激活所有TREK 亞家族成員，其作用是通過(guò)刺激了選擇性過(guò)濾器“C 型”門(mén)，即TREK 通道的C 端結(jié)構(gòu)域[9]。而化合物ML402 和ML335 也通過(guò)類似機(jī)制特異性激活TREK-1[10]。Spadin是具有治療抑郁癥潛力的TREK-1 特異性抑制劑，可以拮抗花生四烯酸對(duì)TREK-1通道的激活，其在TREK-1通道蛋白上的確切結(jié)合位點(diǎn)尚未明確[11]。也有文獻(xiàn)報(bào)道部分鈣通道拮抗劑可阻斷TREK 通道[12]，其作用機(jī)制可能是依靠蛋白激酶PKA 對(duì)下游蛋白磷酸化的調(diào)節(jié)[13]。除此以外，神經(jīng)保護(hù)藥物利魯唑已被證明通過(guò)介導(dǎo)c AMP-PKA 信號(hào)通路對(duì)TREK-1的調(diào)節(jié)有雙重活性[14]。

2 TREK-1在心臟中的表達(dá)

TREK-1在小鼠的心室、心房、室間隔、心耳、竇房結(jié)和房室結(jié)等都有表達(dá)，其中心室表達(dá)水平最高[1]；另外也有研究顯示小鼠心房TREK-1表達(dá)明顯高于心室[15]。大鼠體內(nèi)TREK-1亦高表達(dá)于心血管系統(tǒng)，而左室心內(nèi)膜表達(dá)高于心外膜[16]。在豬的心臟中，TREK-1的蛋白質(zhì)和m RNA 水平在竇房結(jié)和房室結(jié)中最高；在亞細(xì)胞水平上，TREK-1分布于心肌細(xì)胞膜的縱行條紋中[17]。TREK-1廣泛分布于人類心臟中，研究顯示在人類心臟中心室的表達(dá)高于心房[1]。

3 TREK-1的相互作用蛋白

研究發(fā)現(xiàn)K2P家族中的成員可以互相形成異源二聚體結(jié)構(gòu)，異二聚體有其自身的電生理學(xué)和藥理學(xué)特征。如TREK-1與TWIK-1被報(bào)道在人類心臟中穩(wěn)定表達(dá)，這種連接依靠細(xì)胞膜外帽子結(jié)構(gòu)頂端的半胱氨酸殘基的二硫鍵交聯(lián)。TREK-1也可與TREK-2形成異源二聚體，其組裝效率與它們自身組成同源二聚體相似[18]。而TREK-1 與TRAAK 的異源二聚體組裝效率較低，研究發(fā)現(xiàn)該類二聚體保留了TREK-1能被PKA 激活劑所抑制的特點(diǎn)，這是單獨(dú)的TRAAK 通道所不具有的[19]。然而，TREK-1 與這些K2P通道的異二聚化是否影響TREK-1通道的伸展敏感性還需進(jìn)一步研究。

TREK-1通道可以與A 型激酶錨定蛋白(AKAPs)和微管結(jié)合蛋白Mtap2相互作用。AKAPs可募集PKA 至目標(biāo)位置，通過(guò)消除整流電流、機(jī)械敏感性和酸堿敏感性顯著改變TREK 通道的生物物理性質(zhì)[20]。而微管結(jié)合蛋白Mtap2能夠促進(jìn)TREK-1 的細(xì)胞膜表達(dá)卻不影響其機(jī)械敏感性[21]。

心臟中的TREK-1還可以與肌動(dòng)蛋白相關(guān)蛋白β(IV)-SPECTIN 相結(jié)合，這是TREK-1膜靶向所必需的。研究證明缺乏這種結(jié)合的小鼠表現(xiàn)出TREK-1 膜定位異常、TREK-1活性降低、動(dòng)作電位復(fù)極延遲和心律失常[22]。此外，TREK-1在細(xì)胞膜中的分布受到含有popeye結(jié)構(gòu)域蛋白——POPDC蛋白的調(diào)節(jié)。POPDC 蛋白在人體肌肉組織大量表達(dá)，故又名“大力水手蛋白”。心臟中分布的POPDC蛋白與TREK-1相互作用，POPDC 的過(guò)表達(dá)可促進(jìn)細(xì)胞膜表面TREK-1表達(dá)升高，電流密度增加[23]。

4 TREK-1通道與心律失常

4.1 TREK-1 通道與竇房結(jié)病變 Unudurthi等[15]在TREK-1敲除小鼠中，觀察到與野生型小鼠相比基礎(chǔ)心率減少，體表心電圖QTc間期有所延長(zhǎng)，在應(yīng)激條件下表現(xiàn)出頻繁的竇性停搏。單相動(dòng)作電位檢測(cè)發(fā)現(xiàn)TREK-1的缺失改變了竇房結(jié)細(xì)胞興奮性，最大舒張期膜電位絕對(duì)值減小，動(dòng)作電位復(fù)極的早期階段減慢，而舒張期去極化的速率增加，導(dǎo)致動(dòng)作電位頻率增加。這種心率和細(xì)胞興奮性的不協(xié)調(diào)可能是因?yàn)樽灾魃窠?jīng)的代償性改變。TREK-1 敲除小鼠表現(xiàn)出來(lái)的心律失常改變與Hund等[22]研究的β(IV)-SPECTIN 基因突變小鼠的表型類似。該類突變小鼠的心肌細(xì)胞未能表達(dá)TREK-1和β(IV)-SPECTIN 的結(jié)合位點(diǎn)，遙感心電圖顯示突變組的QT 間期較對(duì)照組增加，而在給予腎上腺素刺激后，突變小鼠出現(xiàn)心率變異性的明顯增加和頻繁發(fā)生的竇性停搏，研究者通過(guò)膜片鉗發(fā)現(xiàn)心室肌細(xì)胞的動(dòng)作電位時(shí)程(APD)有所延長(zhǎng)，而靜息膜電位和動(dòng)作電位幅度無(wú)明顯變化[23]，說(shuō)明TREK-1電流阻斷或缺少可能是通過(guò)APD 的異常延長(zhǎng)導(dǎo)致心律失常的發(fā)生。

4.2 TREK-1通道與心房顫動(dòng) Schmidt等[1]在心房顫動(dòng)(簡(jiǎn)稱房顫)患者中，觀察到心房和心室TREK-1 的m RNA和蛋白水平下調(diào)。研究者進(jìn)一步建立了自發(fā)性房顫的轉(zhuǎn)基因小鼠模型，同時(shí)觀察到小鼠心房TREK-1的m RNA 和蛋白水平明顯下調(diào)，而心室的TREK-1水平無(wú)明顯變化。

另一項(xiàng)研究在心力衰竭患者中發(fā)現(xiàn)，房顫者較竇性心律者左房和右房TREK-1的m RNA 表達(dá)水平明顯減少。對(duì)大鼠心室肌細(xì)胞進(jìn)行體外機(jī)械拉伸，觀察到mRNA 水平出現(xiàn)下調(diào)，下降程度隨著拉伸時(shí)間增加而增加[24]。該研究者進(jìn)一步在實(shí)驗(yàn)豬內(nèi)植入起搏器，根據(jù)起搏器是否激活將豬隨機(jī)分為竇性心律組和房顫組，再進(jìn)一步分為假治療組和治療組(利用腺病毒轉(zhuǎn)染使心房過(guò)表達(dá)TREK-1)，測(cè)量各組的心房有效不應(yīng)期(AERP)、APD、射血分?jǐn)?shù)，發(fā)現(xiàn)2周后，房顫治療組的APD、AERP延長(zhǎng)程度和射血分?jǐn)?shù)的減少程度，較房顫假治療組減少。而竇性心律組的假治療組和治療組之間比較，AERP 和APD 無(wú)明顯區(qū)別。研究者對(duì)治療后2周內(nèi)的心率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在房顫組中，TREK-1過(guò)表達(dá)使竇性心律占比率增加到62%，未治療房顫組竇性心律占比僅為35%，表明TREK-1基因過(guò)表達(dá)具有相對(duì)安全的抗心律失常作用，其作用機(jī)制與ERP和APD 的縮短有關(guān)。

4.3 TREK-1與室性心律失常 Decher等[25]在一名特發(fā)性右室流出道心動(dòng)過(guò)速(RVOT)患者中發(fā)現(xiàn)了TREK-1的雜合點(diǎn)突變，該點(diǎn)突變導(dǎo)致Ile 和Thr氨基酸交換，改變了TREK-1第二個(gè)孔環(huán)的選擇性過(guò)濾器，使通道對(duì)鈉離子也具有滲透性，但對(duì)鉀離子滲透性不變，也同時(shí)增加了拉伸敏感性，使膜片鉗下相對(duì)較小的負(fù)壓即可誘導(dǎo)較大的拉伸激活電流。TREK-1 I267T 基因突變導(dǎo)致TREK-1通道從SAK 轉(zhuǎn)變?yōu)镾AC，鈉離子內(nèi)流增加，而細(xì)胞內(nèi)鈉超載很可能導(dǎo)致繼發(fā)性鈣超載，引起室性心律失常。此外，在予以β1腎上腺素受體刺激的條件下，突變組發(fā)生了更明顯的鈉離子內(nèi)流，這與RVOT 心動(dòng)過(guò)速常見(jiàn)于交感神經(jīng)緊張下的特點(diǎn)相匹配。4.4 TREK-1與房室傳導(dǎo)阻滯 Rinné等[26]在遺傳性三度房室傳導(dǎo)阻滯的患者中發(fā)現(xiàn)了POPDC2 中一個(gè)突變，該突變導(dǎo)致了POPDC2與c AMP結(jié)合障礙。并在爪蟾卵母細(xì)胞TREK-1的共表達(dá)研究中，發(fā)現(xiàn)POPDC2W188*的表達(dá)減少了TREK-1外向電流，在HL-1細(xì)胞中則顯示動(dòng)作電位頻率降低、最大舒張膜電位和去極化速度減少。Schindler等[27]在患有遺傳性二度房室傳導(dǎo)阻滯和四肢帶狀肌營(yíng)養(yǎng)不良患者中篩查到了POPDC1的基因突變點(diǎn)POPDC1S201F，該突變導(dǎo)致了POPDC1與c AMP 親和力降低，但是加強(qiáng)了TREK-1外向電流，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中膜片鉗記錄到轉(zhuǎn)染POPDC1S201F的HL-1細(xì)胞動(dòng)作電位時(shí)長(zhǎng)縮短以及超極化的增強(qiáng)，后者可能解釋了房室傳導(dǎo)阻滯的發(fā)生原因：房室結(jié)細(xì)胞的超極化延緩了心房興奮傳播到心室。為了測(cè)試該突變點(diǎn)的致病性，該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，使用基因編輯得到了同源POPDC1S201F的突變斑馬魚(yú)，在突變體5dpf時(shí)檢測(cè)到軀干骨骼肌纖維變性，其特點(diǎn)與肌營(yíng)養(yǎng)不良是相符的。而在5dpf～9dpf期間，觀察到越來(lái)越多的純合子突變體出現(xiàn)了2∶1房室傳導(dǎo)阻滯，此外還有少部分純合子表現(xiàn)了更嚴(yán)重的房室傳導(dǎo)阻滯，甚至是心室停搏。這些關(guān)于POPDC 的研究表明心臟傳導(dǎo)功能障礙與TREK-1通道的失調(diào)有關(guān)，TREK-1的上調(diào)和下調(diào)都可能會(huì)引發(fā)心律失常。

5 總結(jié)

越來(lái)越多的研究證明TREK 通道在心律失常發(fā)生中起到重要作用，TREK-1通道及其相互作用蛋白的基因缺失或突變，可引起通道性質(zhì)變化以及TREK-1電流強(qiáng)度改變，從而導(dǎo)致心律失常的發(fā)生。然而，作為機(jī)械敏感通道，聚焦于拉伸壓力對(duì)TREK-1的影響及其對(duì)心律失常的作用的研究仍然缺少。隨著TREK-1激動(dòng)劑和抑制劑及特異性基因敲除小鼠模型的建立，TREK在心律失常疾病中的作用將逐漸清晰。