鈣離子/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ與心力衰竭關(guān)系的研究進(jìn)展

曹亞選，鄭榮菲，王 賀

心力衰竭是幾乎所有心血管疾病的終末階段，嚴(yán)重威脅著人類的健康。雖然近年來(lái)心力衰竭的治療進(jìn)展明顯，但是心力衰竭病人的預(yù)后仍然不容樂(lè)觀，其5年生存率僅為50%左右[1]。無(wú)論是發(fā)展中國(guó)家還是發(fā)達(dá)國(guó)家，心力衰竭都有很高的發(fā)病率、死亡率和醫(yī)療費(fèi)用占比[2]。我國(guó)一項(xiàng)針對(duì)心力衰竭進(jìn)行的抽樣調(diào)查結(jié)果顯示，隨著年齡增加，心力衰竭患病率逐年上升[3]。研究證實(shí)，鈣離子/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)是將神經(jīng)體液刺激與心臟重構(gòu)關(guān)聯(lián)的重要介質(zhì)，心臟疾病早期即伴隨CaMKⅡ活性升高，而晚期或終末期心力衰竭病人CaMKⅡ表達(dá)明顯上調(diào)[4]。CaMKⅡ的表達(dá)和活性增加被證明在調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞死亡中起著核心作用。因此，抑制CaMKⅡ活性也被認(rèn)為可能是治療心力衰竭新的靶點(diǎn)?，F(xiàn)綜述近年來(lái)CaMKⅡ在心力衰竭過(guò)程中作用機(jī)制的相關(guān)進(jìn)展，為心力衰竭的研究和治療提供依據(jù)。

1 CaMKⅡ的分布

鈣離子/鈣調(diào)蛋白依賴性激酶(CaMK)是一類對(duì)細(xì)胞內(nèi)鈣離子變化做出反應(yīng)的多功能絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，主要由3個(gè)成員組成：CaMKⅠ、CaMKⅡ和CaMKⅣ。CaMKⅡ是由2個(gè)六聚體環(huán)堆疊而成的十二聚體結(jié)構(gòu)，具有廣泛的組織分布。研究發(fā)現(xiàn)CaMKⅡ存在4種異構(gòu)體(α、β、δ、γ)，每種異構(gòu)體都由一個(gè)單獨(dú)的基因編碼。不同組織中異構(gòu)體的分布也不相同，其中，α和β異構(gòu)體在腦中高度表達(dá)，而心臟中表達(dá)的主要異構(gòu)體是δ以及較少量的γ[5]。CaMKⅡδ已經(jīng)被證明是影響心力衰竭發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵。CaMKⅡδ在體內(nèi)可產(chǎn)生多種不同的剪接變體，然而目前尚不能確定哪種CaMKⅡδ剪接變體在CaMKⅡ介導(dǎo)的心臟病中起主要作用。

2 CaMKⅡ的激活

每個(gè)CaMKⅡ單體包括N-末端催化結(jié)構(gòu)域、調(diào)節(jié)域和C-末端結(jié)合結(jié)構(gòu)域3個(gè)主要結(jié)構(gòu)。在CaMKⅡ的非活性狀態(tài)下，催化結(jié)構(gòu)域被調(diào)節(jié)域空間阻斷，這種模式也被稱為自抑制狀態(tài)。隨著細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的升高，鈣離子與鈣調(diào)蛋白(CaM)結(jié)合，鈣化的CaM與CaMKⅡ調(diào)節(jié)域中的鈣離子/CaM結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合并激活CaMKⅡ，導(dǎo)致CaMKⅡ構(gòu)象發(fā)生變化，暴露出催化結(jié)構(gòu)域的激酶底物和三磷酸腺苷(ATP)結(jié)合位點(diǎn)，允許底物和ATP進(jìn)入催化域。即使在鈣離子/CaM復(fù)合物解離后，自動(dòng)磷酸化也賦予CaMKⅡ自主激酶活性，從而防止催化結(jié)構(gòu)域與自抑制結(jié)構(gòu)域的重新結(jié)合[6]。事實(shí)上，除了通過(guò)鈣離子/CaM結(jié)合的典型激活方式，CaMKⅡ活性還受到許多翻譯后修飾的調(diào)節(jié)，包括活性氧(ROS)氧化、一氧化氮(NO)依賴的S-亞硝基化、高血糖期間的O-GlcN?；约巴ㄟ^(guò)未完全分解的環(huán)磷酸腺苷(cAMP)-環(huán)磷酸腺苷交換蛋白(EPAC)-一氧化氮合酶(NOS)途徑[7]。激活后的CaMKⅡδ可影響許多參與心肌鈣循環(huán)的蛋白，如L型鈣通道、蘭尼定受體、肌漿網(wǎng)鈣ATP酶和磷蛋白。這些蛋白涉及了心臟的興奮-收縮偶聯(lián)、心肌細(xì)胞凋亡、心肌肥大、炎癥和心律失常相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄激活。

3 CaMKⅡ在心力衰竭中的作用

心力衰竭是臨床上常見(jiàn)的心血管疾病，這種疾病導(dǎo)致心臟功能受損，顯著增加病人住院和死亡風(fēng)險(xiǎn)。心力衰竭發(fā)生發(fā)展的基本機(jī)制是心肌重構(gòu)，其核心在于心肌細(xì)胞鈣穩(wěn)態(tài)平衡紊亂，進(jìn)而導(dǎo)致心肌舒縮功能受損。在心力衰竭代償期，機(jī)體交感神經(jīng)興奮性增強(qiáng)和腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)激活，通過(guò)水鈉潴留、外周血管收縮及增強(qiáng)心肌收縮力，維持正常的心臟輸出。在代償過(guò)程中，心肌細(xì)胞、胞外基質(zhì)等均發(fā)生變化，出現(xiàn)心腔擴(kuò)大、心肌肥厚現(xiàn)象。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，這些神經(jīng)體液代償機(jī)制最終也將產(chǎn)生直接心肌細(xì)胞毒性，引起心肌纖維化，促進(jìn)心臟重塑，促使心肌細(xì)胞凋亡，加重心功能惡化，最終失代償導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的終末階段。心室重構(gòu)是心力衰竭發(fā)生發(fā)展的核心病變，對(duì)其機(jī)制研究將大大提升臨床心力衰竭的防治水平。心肌重構(gòu)的機(jī)制是復(fù)雜的，包括鈣離子超載、心肌肥厚、線粒體功能障礙、心肌細(xì)胞死亡等，近年研究發(fā)現(xiàn)CaMKⅡ?qū)@些過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生影響。

3.1 鈣離子超載 研究發(fā)現(xiàn)無(wú)論是擴(kuò)張型心肌病心力衰竭病人還是缺血型心肌病心力衰竭病人CaMKⅡδ活性都明顯增加。CaMKⅡ活性增強(qiáng)，通過(guò)對(duì)心臟2型蘭尼定受體通道(RyR2)過(guò)度磷酸化，增加舒張期肌漿網(wǎng)(SR)鈣離子泄漏。CaMKⅡ依賴性舒張期肌漿網(wǎng)鈣離子漏出增加是心室肌衰竭的標(biāo)志，是心力衰竭時(shí)肌漿網(wǎng)鈣耗竭和收縮功能障礙的基礎(chǔ)。此外，鈣離子穩(wěn)態(tài)失調(diào)會(huì)導(dǎo)致不良適應(yīng)應(yīng)激反應(yīng)的擾動(dòng)和心律失常事件的發(fā)生，從而進(jìn)一步加重心力衰竭。

3.2 心肌肥厚 交感神經(jīng)興奮性增強(qiáng)和腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)激活過(guò)程中均存在CaMKⅡ被激活的現(xiàn)象，并對(duì)心力衰竭病理發(fā)展產(chǎn)生重要的作用。β-腎上腺素能受體過(guò)度激活導(dǎo)致病理性心臟重塑和心肌肥厚的現(xiàn)象與活化的CaMKⅡ密切相關(guān)[8]。使用基因手段抑制CaMKⅡ的表達(dá)，便可以抑制異丙腎上腺素所引起的心肌肥厚，并明顯改善壓力負(fù)荷心肌肥厚小鼠的心肌收縮和舒張功能[9]。研究發(fā)現(xiàn)，CaMKⅡ能夠通過(guò)調(diào)控組蛋白脫乙酰化酶(HDAC)的磷酸化，進(jìn)而影響腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)的表達(dá)與心肌纖維化，從而參與肥大基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。在血管緊張素Ⅱ作用于大鼠胚胎心肌細(xì)胞株H9c2細(xì)胞，建立體外心肌細(xì)胞肥大模型的研究中發(fā)現(xiàn)，在CaMKⅡ水平增加的同時(shí)，腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)磷酸化水平也隨之增加。使用CaMKⅡ抑制劑與血管緊張素Ⅱ共處理H9c2細(xì)胞發(fā)現(xiàn)KN-62在抑制CaMKⅡ磷酸化的同時(shí)，顯著地抑制了血管緊張素Ⅱ誘導(dǎo)的AMPK磷酸化。表明在心肌肥大調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中，CaMKⅡ作為AMPK的上游調(diào)控因子，可以通過(guò)調(diào)控AMPK信號(hào)通路來(lái)調(diào)控細(xì)胞自噬，進(jìn)而調(diào)節(jié)心肌肥大的發(fā)生發(fā)展[10]。

3.3 線粒體功能障礙 線粒體作為心肌細(xì)胞中重要的細(xì)胞器，是參與心室重構(gòu)的重要環(huán)節(jié)，線粒體功能障礙同樣是心力衰竭發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)重要事件。研究表明，死亡細(xì)胞因子如TNF-α觸發(fā)一種“程序性”形式的壞死，這種壞死可由受體相互作用蛋白3(RIP3)激活引發(fā)[11]。研究發(fā)現(xiàn)，CaMKⅡ是一種新的RIP3底物，RIP3通過(guò)磷酸化或氧化誘導(dǎo)CaMKⅡ的激活，進(jìn)而通過(guò)增加線粒體內(nèi)膜鈣單向轉(zhuǎn)運(yùn)體電流(IMCU)影響線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(MPTP)的開(kāi)放，導(dǎo)致線粒體內(nèi)膜去極化并最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。因此，RIP3-CaMKⅡ-MPTP途徑有望成為治療心肌損傷和心力衰竭的靶點(diǎn)[12]。

3.4 細(xì)胞壞死 心肌細(xì)胞壞死也是失代償發(fā)生的一個(gè)重要因素，心肌細(xì)胞的減少使心肌整體收縮力降低。研究表明，不同的CaMKⅡδ剪接變體對(duì)凋亡過(guò)程有著不同的影響，位于細(xì)胞質(zhì)中的CaMKⅡδ2(又稱CaMKⅡδC)有促凋亡特性，而位于細(xì)胞核中的CaMKⅡδ3(又稱CaMKⅡδB)具有抗凋亡特性[13]。另有最新研究發(fā)現(xiàn)CaMKⅡδ9，人類心臟中含量最豐富的CaMKⅡδ剪接變體，通過(guò)下調(diào)泛素結(jié)合酶E2T(UBE2T)而觸發(fā)心肌細(xì)胞DNA的損傷，破壞心肌細(xì)胞基因組的穩(wěn)定性，有效地促進(jìn)了心肌細(xì)胞死亡和心力衰竭[14]。這標(biāo)志著CaMKⅡδ9-UBE2T-DNA損傷途徑可能成為心肌病和心力衰竭的重要治療靶點(diǎn)。

4 CaMKⅡ的抑制

4.1 CaMKⅡ抑制劑 CaMKⅡ抑制有利于改善心肌功能，減輕心力衰竭的相關(guān)癥狀，如心腔擴(kuò)張、肺水腫、心肌纖維化和細(xì)胞凋亡等[15]。鑒于CaMKⅡ具有廣泛的組織分布特性，在使用CaMKⅡ抑制劑時(shí)，很可能會(huì)對(duì)其他激酶產(chǎn)生潛在的靶外效應(yīng)。要想更好地解決心血管疾病問(wèn)題，不僅需要優(yōu)化小分子CaMKⅡ抑制劑的藥代動(dòng)力學(xué)特性，最大限度減少其通過(guò)血腦屏障對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的滲透，同時(shí)抑制劑還需要具備相對(duì)CaMKⅡδ異構(gòu)體特異性。雖然近年來(lái)已經(jīng)闡明了許多導(dǎo)致CaMKⅡ激活的途徑，但是幾乎沒(méi)有臨床上可行的影響CaMKⅡ活性的藥物。最常見(jiàn)的抑制劑KN-93通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性阻斷CaM結(jié)合位點(diǎn)的方式來(lái)變構(gòu)抑制CaMKⅡ，但是已有試驗(yàn)證明了KN93同時(shí)抑制包括許多激酶和離子通道在內(nèi)的其他靶點(diǎn)。具有口服生物利用度的CaMKⅡ抑制劑SMP-114，是一種最初用于治療類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎并在臨床試驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)試的新型CaMKⅡ抑制化合物，能有效降低自發(fā)性舒張期肌漿網(wǎng)鈣離子漏出，并在一定程度上抑制晚期鈉電流，但遺憾的是SMP-114同樣缺乏激酶特異性[16]。GS-680是一種高度選擇性的CaMKⅡδ抑制劑，因顯著減少舒張期肌漿網(wǎng)鈣離子漏出，其在人心房小梁中具有很強(qiáng)的抗心律失常作用，能抑制心房期前收縮，這種抗心律失常作用是以收縮期心房收縮功能受損為代價(jià)的。然而，在終末期心力衰竭病人的心室肌中，GS-680能夠鈍化負(fù)性頻率關(guān)系，增加鈣瞬態(tài)振幅，改善人心室衰竭時(shí)的收縮能力[17]。雖然GS-680也可以抑制CaMKⅡα和β，但其效力遠(yuǎn)低于CaMKⅡδ，這大大降低了神經(jīng)元副作用的風(fēng)險(xiǎn)。AS105是一種高親和力的ATP競(jìng)爭(zhēng)性CaMKⅡ抑制劑，與常用的KN93不同，AS105對(duì)磷酸化和未磷酸化的CaMKⅡ都能起到抑制作用。在心肌細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，AS105能有效地減少肌漿網(wǎng)鈣離子漏出，增強(qiáng)肌漿網(wǎng)積累鈣離子的能力，在心律失常和心力衰竭方面都有治療潛力[18]。但是目前缺乏GS-680和AS105的口服生物利用度的相關(guān)報(bào)告。RA306是一種新型口服的ATP競(jìng)爭(zhēng)性CaMKⅡ抑制劑，研究發(fā)現(xiàn)口服RA306能夠降低CaMKⅡ活性，顯著改善心力衰竭小鼠的心臟功能[19]。與KN-93相比，RA306具有更好的離子通道選擇性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持RA306這種新型口服CaMKⅡ抑制劑的臨床可行性。

4.2 中藥抑制CaMKⅡ治療心力衰竭 益氣藥黃芪、活血藥丹參是治療心力衰竭的常用藥，具有確切的臨床療效，在改善氣虛血瘀證的同時(shí)，可以改善心肌肥厚、延緩心力衰竭的進(jìn)展。有研究發(fā)現(xiàn)，益氣藥可能通過(guò)抑制CaMKⅡ過(guò)表達(dá)，調(diào)控心力衰竭細(xì)胞L型鈣電流，縮短心力衰竭心肌細(xì)胞及心臟復(fù)極時(shí)間，改善心力衰竭電生理重構(gòu)[20]。另有研究表明，中藥益氣活血方的抗心力衰竭機(jī)制可能與線粒體功能的改善有關(guān)，其通過(guò)調(diào)節(jié)ROS生成和CaMKⅡ信號(hào)通路改善心力衰竭小鼠線粒體功能障礙來(lái)達(dá)到抗心力衰竭的效果[21]。心力衰竭時(shí)由于CaMKⅡ等蛋白激酶激活使鈉離子通道磷酸化，引起晚期鈉電流增大是心力衰竭室性心律失常發(fā)生的病理機(jī)制之一，心電圖表現(xiàn)為QT間期延長(zhǎng)。參連復(fù)脈顆粒具有益氣活血、清心化痰、寧心安神的功效，臨床治療心力衰竭室性心律失常安全有效。前期研究發(fā)現(xiàn)，參連復(fù)脈顆粒能夠縮短異丙腎上腺素引起的動(dòng)作電位延長(zhǎng)，并且君藥黨參能夠抑制心力衰竭心臟CaMKⅡ表達(dá)。參連復(fù)脈顆?？筛纳茐毫ω?fù)荷導(dǎo)致的心力衰竭心律失常小鼠電生理重構(gòu)，抑制心力衰竭心律失常。其作用機(jī)制可能與抑制CaMKⅡ表達(dá)、恢復(fù)鈉通道功能、抑制晚期鈉電流、調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)離子濃度有關(guān)[22]。

4.3 其他途徑抑制CaMKⅡ 瞬時(shí)外向鉀電流(transient outward potassium current，Ito)的變化不僅是心力衰竭的繼發(fā)改變，也是其主要調(diào)控因素，可促進(jìn)心力衰竭的發(fā)展進(jìn)程。已經(jīng)有研究證明Ito通道亞基Kv4.3與失活的CaMKⅡ蛋白之間存在物理偶聯(lián)。Kv4.3通道蛋白下調(diào)促使非活化的CaMKⅡ從Kv4.3-CaMKⅡ復(fù)合物中分離出來(lái)并被激活，加速心力衰竭過(guò)程[23]。其中Kv4.3作為內(nèi)源性CaMKⅡ抑制劑，可以抑制CaMKⅡ活性，但不影響其表達(dá)。因此，通過(guò)上調(diào)Kv4.3通道蛋白來(lái)抑制CaMKⅡ過(guò)度活化，可能是治療心力衰竭的一大靶點(diǎn)。有研究發(fā)現(xiàn)，蛋白精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶1(PRMT1)通過(guò)甲基化CaMKⅡ的R9和275來(lái)抑制CaMKⅡ，心肌細(xì)胞中PRMT1缺乏會(huì)引起活性CaMKⅡ的水平顯著升高，從而導(dǎo)致擴(kuò)張型心肌病，并伴有心肌細(xì)胞肥大和嚴(yán)重的纖維化，最終導(dǎo)致心力衰竭[24]。因此，CaMKⅡ的精氨酸甲基化可能為心力衰竭的治療提供一種新的策略。

除了使用CaMKⅡδ的藥理抑制劑外，運(yùn)動(dòng)也有可能成為一種治療方法。有益于心血管效應(yīng)的運(yùn)動(dòng)似乎能夠?qū)笴aMKⅡδ在衰竭心臟中的負(fù)面影響。有研究發(fā)現(xiàn)游泳運(yùn)動(dòng)可以抑制1型糖尿病小鼠中O-GlcN?；閷?dǎo)的CaMKⅡ激活，從而改善心臟狀況[25]。

5 前景與展望

目前，通常使用利尿劑、神經(jīng)激素拮抗劑、β受體阻滯劑和血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑治療心力衰竭。這些治療雖然能夠緩解癥狀，在一定程度上延緩疾病的發(fā)展，但往往不能從根本上解決心力衰竭問(wèn)題。因此，具有高CaMKⅡδ選擇性和良好生物利用度的特異性藥物的開(kāi)發(fā)可能是一個(gè)新的目標(biāo)。局部遞送具有適當(dāng)選擇性的ATP競(jìng)爭(zhēng)性CaMKⅡ抑制劑在將來(lái)可能成為一種治療心力衰竭的新方法。