CaMKⅡ在细胞代谢中作用的研究进展

齐 超，王珺楠，宋显晶，杨东辉，武军铎

(吉林大学第二医院 心内科，吉林 长春130041)

CaMKⅡ(钙调蛋白激酶Ⅱ)是一种功能多样的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，在体内广泛存在，可以介导多种具有重要生理功能蛋白质的磷酸化。CaMKⅡ具有五种亚型，分别为CaMKⅡα,CaMKⅡβ,CaMKⅡγ,CaMKⅡδ，其中CaMKⅡγ和 δ是存在于心肌细胞中的主要亚型[1]。现有研究表明，CaMKⅡ在拮抗Fas/FasL(Fas/Fas配体)介导的细胞凋亡通路及影响肌细胞兴奋收缩偶联等生理过程中发挥重要作用。改变靶细胞内CaMKⅡ的表达或活性可能达到抑制心肌重塑过程，抑制肿瘤生长，增强记忆等作用。

1 CaMKⅡ的结构及活化方式

CaMKⅡ是由多个(通常是十二个)低聚物组成的多个Ca2+敏感蛋白结构域围绕一个核心区域构成的结构。Kemp[2]等人首先证明：Ca2+敏感蛋白结构域有羧基末端自抑制区，它在某些方面类似于酶的底物，但缺乏典型的磷酸化位点。因为这些羧基末端自抑制区相对于活性位点局部浓度较高，它们结合到活性位点，并阻止底物与活性位点结合，所以CaMKⅡ单体是不具有催化活性的。相邻羧基末端自抑制区或者跨过它的位点，是Ca2+/CaM(钙/钙调蛋白)或旁系同源物的识别位点，当Ca2+水平升高，Ca2+/CaM复合物与CaMKⅡ羧基末端自抑制区结合并置换它，从而激活CaMKⅡ。Gary A.Wayman[3]等认为，由钙/钙调素介导的CaMKⅡ分子内自磷酸化位点包括Thr286，Thr305和Thr306。CaMKⅡ分子内Thr286的自身磷酸化使CaMKⅡ获得与Ca2+无关的自发活性，即与钙/钙调素解离后CaMKⅡ仍然存在催化活性。这允许即使是短暂的Ca2+升高也能促进持久的CaMKⅡ的活化。

2 CaMKⅡ对肌细胞内Ca2+循环的作用

CaMKⅡ可以调节多种调控钙离子的蛋白质，例如RyR(2型兰尼碱受体)、PLB(肌浆网磷酸受纳蛋白)及L-型钙通道[4]。以心肌细胞为例，细胞内Ca2+与CaM结合，形成Ca2+/CaM复合物，该复合物可以与CaMKⅡ的活化区域结合，使CaMKⅡ活化。CaMKⅡ活化后，一方面可以使肌质网Ca2+ATP酶活化，引起Ca2+从细胞质内流入肌质网内[5]，导致心肌舒张；另一方面使RyR2磷酸化[6]，促进肌质网内Ca2+外流至细胞质，Ca2+与肌钙蛋白结合，导致心肌收缩。CaMKⅡ通过调节Ca2+的细胞内浓度参与心脏的兴奋-收缩偶联。另外，Wright[7]等人的研究表明，CaMKⅡ介导的细胞质内Ca2+浓度升高，可以激活肌细胞葡萄糖转运系统，进而增加细胞收缩力。因此，CaMKⅡ可能是治疗心力衰竭，增强心肌收缩力的重要药物作用靶点。但是，Maier[8]等人使小鼠心肌过度表达CaMKⅡ后发现，小鼠出现心力衰竭。这可能是过度表达CaMKⅡ使正常心肌细胞内Ca2+超载所致。

3 CaMKⅡ对细胞凋亡过程的影响

目前众多研究表明，Fas与FasL或sFas(游离型Fas)结合后可以调控细胞凋亡过程。Fas是I型跨膜蛋白，具有在细胞外结构域的多个富含半胱氨酸的重复序列和胞内的基序称为死亡结构域(DD)。Fas的细胞外结构域与FasL蛋白结合后，Fas的胞内结构域发生三聚化，Fas细胞内的三聚化结构域可以募集FADD(Fas相关的死亡结构域)[9-10]。 FADD具有羧基末端DD和氨基端死亡效应域(DED)。通过DED，FADD募集含DED的蛋白，激动caspase-8[11-12]和caspase-10[13-14]，从而执行细胞凋亡。研究认为哺乳动物细胞中的c-FLIP(细胞型Fas相关的死亡结构域样抑制蛋白)，可以被募集到Fas介导的DISC(死亡诱导信号受体)来抑制半胱天冬酶-8裂解，从而抑制细胞凋亡[15-16]。Yang等[17]的研究表明CaMKⅡ能够促进c-FLIP的表达和磷酸化，进而影响细胞凋亡过程。

另外，Peng[18]等的研究亦表明CaMKⅡ可以通过介导热休克因子1(HSF1)磷酸化和诱导热休克蛋白70(HSP70)表达调节细胞凋亡过程。在培养的乳鼠心肌细胞中，CaMKⅡδB的表达升高诱导HSF1的磷酸化，进而调节HSP70家族成员的表达，包括诱导型HSP70及其同源物(Hst70) ，由此引起抗凋亡信号传导。保护心肌细胞免受氧化应激，缺氧和血管紧张素II诱导的细胞凋亡。而CaMKⅡδC的过量表达促进细胞凋亡。

因此，CaMKⅡ被认为是抑制细胞凋亡通路的重要因子。抑制肿瘤细胞CaMKⅡ的作用可能成为新的抗肿瘤药物作用的靶点。

4 CaMKⅡ的其他作用

4.1在胶原合成方面CaMKⅡ作为重要的 PDGF(血小板源性生长因子)细胞内信号转导分子，促进Ⅰ型胶原的合成与分泌，并通过抑制 MMP-2，促进 TIMP-1 (Ⅰ型金属蛋白酶抑制因子)的表达而抑制胶原的降解，在肝纤维化过程中发挥着重要的作用[19]。

4.2对神经细胞的影响Ca2+-CaM- CaMKⅡα信号途径对维持神经细胞内环磷酸腺苷/环磷酸鸟苷的平衡有重要的作用[20]。当CaMKⅡ缺乏时可引起环磷酸腺苷/环磷酸鸟苷平衡失调，造成海马神经元损伤，影响长时程增强效应(LTP效应)，从而影响学习及记忆功能。所以，CaMKⅡ是神经细胞的保护因子，并在学习及记忆功能方面发挥重要作用。

4.3对胰腺β细胞的影响Rochlitz[21]初步证明CaMKⅡβ在胰腺β细胞中高表达，并参与葡萄糖的氧化，调节丙酮酸脱氢酶的活性。CaMKⅡβ在人糖尿病发生机制中可能发挥重要作用。

5 展望

CaMKⅡ是细胞内重要的细胞信号转导分子及调节蛋白。CaMKⅡ对细胞Ca2+循环、胶原合成、葡萄糖摄取及细胞凋亡等方面的有着重要影响，但机制尚不明确。这可能是研究心力衰竭、糖尿病、肿瘤等疾病发生机制及治疗的重要方向。

参考文献：

[1]Tobimatsu T,Fujisawa H.Tissue-specific expression of four types of rat calmodulin-dependent protein kinase II mRNAs[J].J Biol Chem,1989,264:17907.

[2]Kemp BE,Parker MW,Hu S,et al.Substrate and pseudosubstrate interactions with protein kinases:determinants of specificity[J].Trends Biochem Sci.1994;19:440.

[3]Wayman GA,Tokumitsu H,Davare MA,Soderling TR.Analysis of CaM-kinase Signaling in Cells[J].Cell Calcium,2011,50(1):1.

[4]Maier LS,Bers DM.Role of Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase (CaMK) in excitation-contraction coupling in the heart[J].Cardiovasc Res,2007,73(4):631．

[5]Bers DM.Cardiac excitation-contraction coupling[J].Nature,2002,415:198.

[6]Neef S,Dybkova N,Sossalla S,et al..CaMKII-Dependent Diastolic SR Ca2+Leak and Elevated Diastolic Ca2+Levels in Right Atrial Myocardium of Patients [J].Circ Res,2010,106:1134.

[7]Wright DC,Hucker KA,Holloszy Jo,et al.Ca2+and AMPK Both Mediate Stimulation of Glucose Transport by Muscle Contractions[J].Diabetes,2004,53(2):330.

[8]Maier LS,Zhang T,Chen L,et al.Transgenic CaMKIIδC Overexpression Uniquely Alters Cardiac Myocyte Ca2+Handling：Reduced SR Ca2+Load and Activated SR Ca2+Release[J].Circ Res,2003,92(8):904.

[9]Arul MC,Karen O'Rourke,Muneesh Tewari,et al.FADD,a novel death domain-containing protein,interacts with the death domain of fas and initiates apoptosis[J].Cell,1995,81:505.

[10]Arul MC,Clifford GT,Michael FS,et al.FADD/MORT1 Is a Common Mediator of CD95 (Fas/APO-1) and Tumor Necrosis Factor Receptor-induced Apoptosis [J].Biol Chem,1996,271:4961.

[11]Boldim MP，Goncharov TM,Goltsev YV,et al..Involvement of MACH,a Novel MORT1/FADD-Interacting Protease,in Fas/APO-1- and TNF Receptor-Induced Cell Death [J].Cell,1996,85:803.

[12]Muzio M,Chinnaiyan AM,Kischkel FC,et al.FLICE,A Novel FADD-Homologous ICE/CED-3-like Protease,Is Recruited to the CD95 (Fas/APO-1) Death-Inducing Signaling Complex[J].Cell,1996,85:817.

[13]Vincenz C,Dixit VM.Fas-associated Death Domain Protein Interleukin-1β-converting Enzyme 2 (FLICE2),an ICE/Ced-3 Homologue,Is Proximally Involved in CD95- and p55-mediated Death Signaling [J].Biol Chem,1997,272:6578.

[14]Kischkel F C,Lawrence DA,Tinel A,et al.Death Receptor Recruitment of Endogenous Caspase-10 and Apoptosis Initiation in the Absence of Caspase-8.[J].Biol Chem,2001,276:46639.

[15]Scaffidi C,Schmitz I,Krammer P H,et al.The Role of c-FLIP in Modulation of CD95-induced Apoptosis [J].Biol Chem,1999,274:1541.

[16]Krueger A,Schmitz I,Baumann S,et al.Cellular FLICE-inhibitory Protein Splice Variants Inhibit Different Steps of Caspase-8 Activation at the CD95 Death-inducing Signaling Complex [J].Biol Chem,2001,276:20633.

[17]Yang BF,Xiao C,Roa WH,et al.Calcium/calmodulin-dependent protein kinase II regulation of c-FLIP expression and phosphorylation in modulation of Fas-mediated signaling in malignant glioma cells[J].J Biol Chem,2003,278(9):7043.

[18]Peng W,Zhang Y，Zheng M,et al.Cardioprotection by CaMKII-δB Is Mediated by Phosphorylation of HSF1 and Subsequent Expression of Inducible HSP70[J].Circ Res,2010,106(1):102.

[19]安 萍,刘亚玲,全晓静,等.Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ在 PDGF 诱导肝星状细胞胶原合成中的作用[J].胃肠病学和肝病学杂志,2012,1:10.

[20]Antonietta CasuM，Pisu C，Sanna A，et al.Effect of delta9 - tetrahydrocannab inolon phosphorylated CREB in rat cerebellum：An immunohistochemical study [J].Brain Res ，2005，1048(1-2)：41.

[21]Rochlitz H.Cloning and quantitative determination of the human Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMK II) isoforms in human beta cells[J].Diabetologia,2000,43(4):465.