CaMKⅡ在心血管疾病中的研究

平蘭芝，黃小樓，2，胡天俊，吳高鑫，2

（1.貴州中醫(yī)藥大學(xué)針灸推拿學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院針灸科，貴州 貴陽 550025；3.盤州市中醫(yī)院康復(fù)科，貴州 盤州 553500）

心血管疾病（cardiovascular diseases，CVD）作為影響人類健康的重大公共衛(wèi)生問題之一，已成為全世界范圍內(nèi)致殘和死亡的主要原因。根據(jù)《中國心血管健康與疾病報(bào)告2019 概要》[1]統(tǒng)計(jì)顯示，我國CVD 病患病率及死亡率逐年升高，死亡率高于40%，居我國城鄉(xiāng)居民疾病死亡率的首位。鈣離子/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ（calcium/calmodulindependent protein kinaseⅡ，CaMKⅡ）是一種廣泛存在的多功能絲氨酸/蘇氨酸激酶，參與調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞Ca2+循環(huán)、收縮、炎癥、代謝、基因表達(dá)和細(xì)胞存活等環(huán)節(jié)，其活性和表達(dá)程度在心肌缺血再灌注損傷、心肌肥大以及心律失常和心力衰竭的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮著重要作用[2-5]。深入了解CaMKⅡ的結(jié)構(gòu)及其作用機(jī)制可能會(huì)成為治療CVD 的新靶點(diǎn)。本文就CaMKⅡ結(jié)構(gòu)、亞型、活性及其在激活相關(guān)通路中的作用作一綜述。

1 CaMKⅡ的分子結(jié)構(gòu)及亞型

CaMKⅡ是細(xì)胞內(nèi)鈣離子信號(hào)變化的重要感受器，參與調(diào)節(jié)各種細(xì)胞生理功能，包括細(xì)胞形態(tài)、遷移、興奮-收縮偶聯(lián)、骨重建和凋亡等[6]。CaMKⅡ存在α、β、γ 和δ 4 種亞型和20 多種剪接變體[7]，其中α 和β 主要在神經(jīng)系統(tǒng)中表達(dá)，δ 和γ 亞型廣泛存在于全身。CaMKⅡδ 是心臟主要表達(dá)亞型，其選擇性剪接導(dǎo)致至少11 種不同的剪接變體，其中δA、δB、δC 和δ9 在心臟部位最常見[8]。而目前在心臟中研究最多的是δB、δC，其中δB 僅包含1 個(gè)核定位序列（nuclear localization signal，NLS），主要定位于細(xì)胞核，而CaMKⅡδC 主要定位于胞質(zhì)[9]。CaMKⅡ是由12 個(gè)亞基組成形成的一對(duì)堆疊的六聚體[10]，每個(gè)亞型均具有氨基端催化結(jié)構(gòu)域與調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域和結(jié)合結(jié)構(gòu)域，其中調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域包含自抑制區(qū)域和Ca2+/鈣調(diào)蛋白（CaM）復(fù)合物的結(jié)合位點(diǎn)[11]；催化結(jié)構(gòu)域中具有三磷酸腺苷和底物的結(jié)合位點(diǎn)，催化結(jié)構(gòu)域與底物結(jié)合并執(zhí)行CaMKⅡ激酶功能。

2 CaMKⅡ的活性

在基礎(chǔ)條件下，CaMKⅡ活性受到調(diào)節(jié)域和催化域之間相互作用的調(diào)控[12]，自抑制區(qū)域作為偽底物與催化結(jié)構(gòu)域結(jié)合，使激酶被自動(dòng)抑制。Ca2+與CaM結(jié)合是CaMKⅡ活性的先決條件，其活化程度與其自身結(jié)構(gòu)域及細(xì)胞內(nèi)Ca2+的濃度有關(guān)。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度增加時(shí)，Ca2+和CaM 結(jié)合形成Ca2+/CaM 復(fù)合物，其復(fù)合物與調(diào)節(jié)域中的CaM 結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，使CaMKⅡ構(gòu)象產(chǎn)生變化，消除自我抑制作用，從而激活CaMKⅡ[13]。在此期間，CaMKⅡ自抑制區(qū)域中內(nèi)Thr287/Thr286 位點(diǎn)因細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度持續(xù)增加而發(fā)生自身磷酸化作用，使CaM 與CaMKⅡ調(diào)控域的親和力結(jié)合增加了1000 多倍，這一效應(yīng)被稱為“CaM捕獲效應(yīng)”，即使Ca2+濃度下降，CaM 與CaMKⅡ分離，Thr287/Thr286 位點(diǎn)的帶負(fù)電荷的磷酸基團(tuán)抑制了催化域和調(diào)節(jié)域的自抑制區(qū)域再結(jié)合，使其活性持續(xù)到磷酸基團(tuán)被蛋白磷酸酶清除[14]。因此，CaMKⅡ也被稱為“記憶分子”。此外，CaMKⅡ的活性還能通過氧化激活（Met-281/282 殘基被活性氧氧化）[15]、糖化應(yīng)激（高血糖期間Thr286 和S279 的氧連接的氮乙酰氨基葡萄糖修飾增加）[16]、一氧化氮激活（C290 的一氧化氮依賴性亞硝基化）[17]和輔肌動(dòng)蛋白（與調(diào)節(jié)域上的Thr286 位點(diǎn)結(jié)合）[18]激活。

3 CaMKⅡ在CVD 相關(guān)通路激活中的作用

Ca2+是機(jī)體內(nèi)最常見的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)物之一，參與細(xì)胞增殖、遷移和侵襲，在心肌細(xì)胞中起著重要的調(diào)節(jié)作用[19]。CaMKⅡ是細(xì)胞內(nèi)Ca2+信號(hào)變化的重要感受器，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載時(shí)會(huì)激活CaMKⅡ，從而激活多條相關(guān)通路，影響CVD 的發(fā)生和發(fā)展。

3.1 核因子κβ（NF-κβ）信號(hào)通路 NF-κβ 是一種重要的核轉(zhuǎn)錄因子，參與調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞的免疫細(xì)胞成熟、存活和炎癥[20]。CaMKⅡδ 的激活可調(diào)節(jié)心血管炎癥，是心肌細(xì)胞中NF-κβ 信號(hào)傳導(dǎo)的重要調(diào)節(jié)劑[21]。Ling H 等[2]研究發(fā)現(xiàn)，CaMKⅡ活性在體內(nèi)心肌缺血/再灌注中被激活，并通過其上游激酶Iκβ 激酶（IKK）調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞中的NF-κB 信號(hào)傳導(dǎo)，從而促進(jìn)I/R 誘導(dǎo)的炎癥和梗死的發(fā)生、發(fā)展。Gray CB 等[22]研究中探討了剪接變異體CaMKⅡδβ 和CaMKⅡδ?在I/R 中的作用，結(jié)果表明CaMKⅡδC-IKK-NF-κB軸的激活誘導(dǎo)腫瘤壞死因子-α 的表達(dá)增加，并通過抑制IKK 來減少梗死面積，改善I/R 損傷。此外，壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞中NF-κβ 和ROS 信號(hào)觸發(fā)的炎癥小體也可激活CaMKⅡδ，進(jìn)而誘導(dǎo)趨化因子產(chǎn)生，促進(jìn)巨噬細(xì)胞浸潤和纖維化的發(fā)展和對(duì)壓力超負(fù)荷的不良重塑，并在選擇性刪除CaMKⅡδ 和抑制CaMKⅡ活化后，使得心肌細(xì)胞纖維化、心室擴(kuò)張和收縮功能障礙減輕[23]。另有研究發(fā)現(xiàn)[24]，AngⅡ可通過CaMKⅡδ 和NF-κB 調(diào)節(jié)心臟中炎癥小體信號(hào)傳導(dǎo)，表明在心肌細(xì)胞特異性CaMKⅡδ 敲除后可顯著減少NF-κB、炎癥趨化因子的活性和巨噬細(xì)胞的浸潤，從而減輕AngⅡ所誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)和纖維化。

3.2 STAT3 信號(hào)通路 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3（STAT3）是細(xì)胞因子下游的轉(zhuǎn)錄因子，在各種細(xì)胞的生長、分化、細(xì)胞死亡或存活都有著重要作用，其過度表達(dá)會(huì)加重病理性心臟肥大[25]。在壓力超負(fù)荷的條件下，CaMKⅡ磷酸化后，βⅣ-血影蛋白被降解，導(dǎo)致STAT3 釋放并易位進(jìn)入細(xì)胞核中，激活靶基因的轉(zhuǎn)錄，引起心肌纖維化、炎癥、適應(yīng)不良性重塑，最終導(dǎo)致心臟功能下降[26]。CaMKⅡ和STAT3 的激活是TAC 誘發(fā)的心肌肥大過程中的重要潛在機(jī)制。在壓力超負(fù)荷的情況下，CaMKⅡ?qū)τ谘仔约?xì)胞因子激活STAT3 是必需的，CaMKⅡ的過表達(dá)增強(qiáng)了STAT3 的磷酸化，炎性細(xì)胞因子通過激活CaMKⅡ-STAT3 通路參與心肌肥大的過程[3]，在靶向抑制CaMKⅡ/STAT3 通路后發(fā)現(xiàn)AngⅡ誘導(dǎo)的心肌肥厚得到了改善[27]。

3.3 MAPK 信號(hào)通路 絲裂原激活的蛋白激酶（MAPK）是真核生物特有的重要信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)酶，在細(xì)胞生長、增殖、死亡和分化等一系列基本細(xì)胞過程中發(fā)揮重要的作用。MAPK 有4 個(gè)家族成員，分別為細(xì)胞外信號(hào)相關(guān)激酶（ERK）、Jun 氨基端激酶（JNK）、p38MAPK 與ERK5[28]。其中，p38MAPK 信號(hào)傳導(dǎo)在CVD 中介導(dǎo)心肌細(xì)胞增殖、凋亡和肥大等[29]。有研究發(fā)現(xiàn)[30，31]，Ang Ⅱ促進(jìn)ROS 的釋放導(dǎo)致CaMKⅡ被氧化激活，進(jìn)而誘導(dǎo)p38MAPK 的活化，引起心肌細(xì)胞凋亡，抑制CaMKⅡδC-p38 激活能夠有效抑制心肌細(xì)胞凋亡途徑，改善心肌重塑、心力衰竭，對(duì)心臟具有保護(hù)效應(yīng)。有研究提出[32，33]，過量飲酒會(huì)導(dǎo)致心律不齊，JNK 激活后會(huì)導(dǎo)致酒精引起的肝毒性和其他器官損傷。同時(shí)，激活JNK2 可直接磷酸化CaMKⅡ蛋白，從而增強(qiáng)CaMKⅡ的活性，使SR Ca2+泄漏增多，引起心律失常。Yan J 等[4]研究表明，使用JNK2 抑制劑可有效地抑制酒精誘導(dǎo)的CaMKⅡ激活，并消除了酗酒引起的心律失常。Huang Y 等[34]研究表明，抑制βAR-Gs-PKA/CaMKⅡ和Epac1/ERK1/2 信號(hào)軸的激活可減弱心臟毒性，且通過PKA 和Epac 信號(hào)通路抑制心肌細(xì)胞凋亡可對(duì)心臟起到保護(hù)作用。

3.4 PAK 信號(hào)通路 蛋白激酶A（protein kinase A，PAK）是β-腎上腺素（β-AR）調(diào)節(jié)心功能的主要介質(zhì)。β1 腎上腺素受體/鈣調(diào)素依賴蛋白激酶Ⅱ信號(hào)通路是普遍存在的絲氨酸/蛋白激酶，與CaM 結(jié)合后可發(fā)生自動(dòng)磷酸化，β-腎上腺素（β-AR）刺激后可通過PKA 依賴性激活CaMKⅡ的活性，引起心臟的不良重塑和心力衰竭發(fā)展[5]。此外，持續(xù)的β-AR刺激后，通過PKA/CaMKⅡ信號(hào)傳導(dǎo)激活促凋亡信號(hào)傳導(dǎo)，進(jìn)而誘導(dǎo)心肌細(xì)胞死亡，進(jìn)一步加速心力衰竭的進(jìn)程，而抑制PKA 可通過防止心肌細(xì)胞Ca2+超負(fù)荷和CaMKⅡ激活，減少β-腎上腺素激動(dòng)劑誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞死亡[35]。孫鳳姣等[36]研究發(fā)現(xiàn)，β-AR/PKA/CaMKⅡ信號(hào)通路的異常表達(dá)可能是促進(jìn)ADR誘導(dǎo)心衰發(fā)生發(fā)展的原因之一。王賽等[37]研究表明，擴(kuò)張型心肌病大鼠心室重構(gòu)和心功能改善與抑制β-AR/PKA/CaMKⅡ信號(hào)通路有關(guān)。

4 總結(jié)

盡管CVD 治療取得了許多進(jìn)展，但其發(fā)病率和死亡率仍然較高。心肌肥大是心臟對(duì)生理和病理刺激的適應(yīng)性反應(yīng)，病理性肥大會(huì)發(fā)生細(xì)胞凋亡、纖維化、Ca2+處理蛋白失調(diào)等不適應(yīng)失代償，引起不良心血管事件，包括心力衰竭、心律失常和死亡。為進(jìn)一步提高CVD 患者的生存率，臨床迫切需要尋找新治療靶點(diǎn)。CaMKⅡ是多種激動(dòng)劑的下游靶標(biāo)，為心臟病理性肥大的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，CaMKⅡ的持續(xù)和長期激活會(huì)導(dǎo)致離子通道重塑、細(xì)胞內(nèi)Ca2+循環(huán)障礙、炎癥和心肌收縮功能障礙。CaMKⅡ在CVD中的多度表達(dá)，可激活NF-κB 信號(hào)通路觸發(fā)炎癥小體，從而引起心臟的不良重塑；此外，其可通過STAT3 信號(hào)通路引起心臟功能下降、調(diào)控MAPK 相關(guān)信號(hào)通路介導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡，以及通過PKA/CaMKⅡ信號(hào)通路誘導(dǎo)心衰的發(fā)生、發(fā)展。抑制CaMKⅡ的活化可能對(duì)延緩CVD 的進(jìn)展具有良好的作用。因此，需要對(duì)CaMKⅡ分子結(jié)構(gòu)、亞型、激活機(jī)制及其所涉及的通路深入研究，以期為CVD 臨床合理用藥提供新的思路。