N型鈣黏蛋白與心血管疾病

李寧 史永鋒 張雨薇 刁鴻英

N型鈣黏蛋白是一種Ca2+依賴的單通道跨膜糖蛋白,由5個特征性胞外結(jié)構(gòu)域(EC重復(fù)序列)、1個跨膜區(qū)和1個胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域組成[1]，主要存在于閏盤橫向區(qū)域的黏附膜，呈拉鏈式分布，可增加細胞間的聯(lián)系,并提供足夠的膜連接面積[2]。N型鈣黏蛋白胞質(zhì)區(qū)與α連環(huán)蛋白相連，結(jié)合β或γ連環(huán)蛋白構(gòu)成復(fù)合體，與肌動蛋白細胞骨架連接，對維持心肌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定至關(guān)重要[3]，并可介導(dǎo)相鄰心肌細胞間的力傳導(dǎo)。當(dāng)結(jié)合N型鈣黏蛋白時，心肌細胞機械傳導(dǎo)反應(yīng)(靈敏度和黏附基質(zhì)剛度)增強[4]。研究發(fā)現(xiàn)，α連環(huán)蛋白位于心肌細胞中內(nèi)應(yīng)力最高的區(qū)域，心肌細胞間收縮力程度可調(diào)節(jié)其與N型鈣黏蛋白的結(jié)合[5]。

1 N型鈣黏蛋白在心臟發(fā)育中的作用

N型鈣黏蛋白對心肌細胞的骨架成熟和心臟組織結(jié)構(gòu)完善十分重要。N型鈣黏蛋白與心臟前中胚層的分類、左右不對稱的建立、心臟環(huán)狀形態(tài)形成及心肌壁的小梁化有關(guān)[6]。Piven等[7]發(fā)現(xiàn)，在N型鈣黏蛋白突變的胚胎中，心肌細胞壁的結(jié)構(gòu)完整性被破壞，導(dǎo)致心臟畸形和胚胎發(fā)育遲緩。

Vreeker等[8]收集了18份從孕齡15周到出生后11年的非心源性死亡個體的心肌標本，通過免疫組織化學(xué)標記追蹤發(fā)現(xiàn)，黏附連接蛋白(N型鈣黏蛋白和ZO-1)和橋粒蛋白的時空定位變化相同，在胚胎15周時，N型鈣黏蛋白在胚胎心肌細胞外側(cè)彌漫性分布，隨著胚胎發(fā)育成熟逐漸向心肌細胞末端移動，約在出生后1年完全定位在閏盤中。

Mu等[9]發(fā)現(xiàn)，在大鼠胚胎第18 d時，心肌組織中的N型鈣黏蛋白呈點狀散在分布于細胞表面和細胞質(zhì)中，發(fā)育成熟過程中逐漸集中在心肌細胞的端對端閏盤，出生后第40 d定位于心肌細胞末端的閏盤，并形成拉鏈狀結(jié)構(gòu)，維持細胞間的黏附。假設(shè)老鼠的平均壽命為3年，人類的平均壽命為80年，則推測在人類心臟組織中N型鈣黏蛋白定位完成在3歲左右。

Cherian等[2]研究發(fā)現(xiàn)，在斑馬魚心臟小梁形成過程中，N型鈣黏蛋白分子首先均勻分布在胚胎心肌細胞的側(cè)面，隨后聚集成點狀模式。當(dāng)小梁開始形成時，N型鈣黏蛋白出現(xiàn)在致密層心肌細胞基底側(cè)，這種再定位可能是由Erb-b2受體酪氨酸激酶2(Erbb2)導(dǎo)致的。N型鈣黏蛋白沿著細胞膜從側(cè)面向基底側(cè)移動，是小梁細胞和致密層心肌細胞之間細胞-細胞連接形成的機制。此外，心臟收縮的機械力可介導(dǎo)N型鈣黏蛋白在斑馬魚心肌細胞中聚集，可能有助于心臟發(fā)育過程中肌動蛋白細胞骨架重組，導(dǎo)致心肌細胞肥大和增生。

2 N型鈣黏蛋白致心血管疾病

2.1 N型鈣黏蛋白致冠狀動脈粥樣硬化性心臟病

Lyon等[10]研究發(fā)現(xiàn)，可溶性N型鈣黏蛋白可與成纖維細胞生長因子受體(FGFR)結(jié)合，激活磷酸肌醇-3-激酶和絲/蘇氨酸蛋白激酶(PI3K-AKT)信號通路，減少小鼠動脈粥樣硬化斑塊中血管平滑肌細胞的凋亡，顯著提高斑塊穩(wěn)定性。進一步研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GFR的結(jié)合位點位于可溶性N型鈣黏蛋白的胞外結(jié)構(gòu)域(EC4)上，截取較小的可溶性N型鈣黏蛋白片段(EC4-Fc)可能具有更大的治療潛力[11]。此外，可溶性N型鈣黏蛋白與FGFR的相互作用也可抑制血管平滑肌細胞的增殖，在離體器官培養(yǎng)模型中，可溶性N型鈣黏蛋白可顯著減緩內(nèi)膜增厚(約85%)，增加離體模型的內(nèi)皮細胞覆蓋率,而未影響內(nèi)皮細胞增殖或遷移[12]。

另有研究證明，顯性負性N型鈣黏蛋白(dn-N型鈣黏蛋白)過表達可促使血管平滑肌細胞凋亡，減少內(nèi)膜增厚[13-14]。Hulin-Curtis等[14]提出，術(shù)中用dn-N型鈣黏蛋白基因選擇性殺死Wnt/β連環(huán)蛋白/T細胞因子激活的血管平滑肌細胞有可能降低冠狀動脈旁路移植術(shù)后再狹窄的發(fā)生。

2.2 N型鈣黏蛋白致心肌病

研究發(fā)現(xiàn)，去整合素和金屬蛋白酶10(ADAM-10)對心肌細胞中N型鈣黏蛋白的加工水解發(fā)揮重要作用。目前已在成纖維細胞和神經(jīng)細胞中發(fā)現(xiàn)ADAM10通過水解N型鈣黏蛋白胞外區(qū)域的N-末端R714-I715位點，破壞N型鈣黏蛋白分子的完整性，進一步影響N型鈣黏蛋白/連環(huán)蛋白復(fù)合物的形成[15]。Li等[16]建立擴張型心肌病大鼠模型，用單鏈可變片段抗體(ScFv)干擾ADAM10對N型鈣黏蛋白的水解，發(fā)現(xiàn)心肌細胞表面N型鈣黏蛋白增加，N型鈣黏蛋白/連環(huán)蛋白復(fù)合物的形成增多，進而增強心肌細胞的黏附力，改善心室重構(gòu)。

在小鼠心臟中敲除N型鈣黏蛋白基因可導(dǎo)致心肌細胞閏盤結(jié)構(gòu)(包括黏附連接和橋粒)破壞和肌纖維扭曲，使肌張力喪失，導(dǎo)致心臟功能受損和擴張型心肌病發(fā)生。同時還提高連接蛋白43和連接蛋白40減少，可導(dǎo)致傳導(dǎo)障礙、心律失常和猝死[17-18]。

心律失常性心肌病是一種遺傳性心肌病，是導(dǎo)致年輕人發(fā)生惡性心律失常和猝死的重要原因。有研究在致心律失常性心肌病基因組中發(fā)現(xiàn)2個CDH2突變基因(p.D407N和p.Q229P)[19-20]。

3 N型鈣黏蛋白促進心肌修復(fù)和再生

目前，以干細胞為基礎(chǔ)的心臟治療是誘導(dǎo)受損或壞死心肌修復(fù)和再生最有前途的治療方法之一。但干細胞療法植入細胞存活率低，功能整合不良。研究發(fā)現(xiàn)，N型鈣黏蛋白在體外可促進牙髓間充質(zhì)干細胞與受損心肌細胞間的黏附[21]。

Takehara等[22]研究發(fā)現(xiàn)，N型鈣黏蛋白可通過穩(wěn)定成纖維細胞生長因子受體1維持小鼠外胚層干細胞的功能，并可調(diào)節(jié)多能干細胞中細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)和AKT磷酸化。Lee等[23]指出，在人臍帶間充質(zhì)干細胞修復(fù)的大鼠梗死心肌中，N型鈣黏蛋白基因是唯一高表達的細胞表面基因，可通過激活ERK信號通路提高血管內(nèi)皮生長因子的表達，促進血管再生。

此外，Lou等[1]通過建立小鼠心肌梗死模型發(fā)現(xiàn)，N型鈣黏蛋白過表達可提高人誘導(dǎo)多能干細胞源性心肌細胞(hiPSC-CMs)在體內(nèi)的存活率和植入潛力。CDH2誘導(dǎo)的人多能干細胞源性心肌細胞(CDH2-hiPSC-CMs)通過激活A(yù)KT信號通路而在缺血心肌中存活。同樣，CDH2-hiPSC-CMs能夠通過激活ERK信號通路，促進梗死周圍區(qū)域血管新生。CDH2-hiPSC-CMs能夠很好地整合到受損心肌中，主要是由于N型鈣黏蛋白介導(dǎo)的跨膜通道上調(diào)，發(fā)展成機電合胞體。

研究發(fā)現(xiàn)，N型鈣黏蛋白在脂肪組織源性間充質(zhì)干細胞(ADSC)上表達。作為CTRP9(C1q-腫瘤壞死因子相關(guān)蛋白-9)的受體，阻斷N型鈣黏蛋白可消除CTRP9增強的ADSC心臟保護作用[24]。同樣，通過實驗將N型鈣黏蛋白過表達的ADSC注射入梗死心肌中，發(fā)現(xiàn)植入ADSC在心肌中的滯留數(shù)量增加，時間延長。N型鈣黏蛋白對ADSC的作用是通過增加N型鈣黏蛋白/β連環(huán)蛋白復(fù)合物的表達介導(dǎo)的，可誘導(dǎo)下游分子基質(zhì)金屬蛋白酶10、基質(zhì)金屬蛋白酶13和肝細胞生長因子表達上調(diào)，進而增強ADSC促進血管生成和心肌細胞增殖的能力[25]。

4 小結(jié)

N型鈣黏蛋白在對心臟發(fā)育過程中機電功能的成熟和心血管疾病病理生理作用的調(diào)節(jié)中起關(guān)鍵作用，并且對植入心肌的干細胞有保護作用。但N型鈣黏蛋白在干細胞中過度表達的整體體內(nèi)效應(yīng)大小有限。