钙-钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ在心力衰竭发生发展中的作用

张恩圆 李广平

.综述.

钙-钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ在心力衰竭发生发展中的作用

张恩圆 李广平

钙-钙调蛋白依赖性蛋白激酶类； 心肌肥厚；心力衰竭

近来发现，钙-钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(Calcium-Calmodulin-dependent protein kinaseⅡ，CaMKⅡ)在诸多心血管疾病的发生发展中起到重要作用。越来越多的证据表明，CaMKⅡ通路的激活会加速某些心血管疾病的发展进程，尤其在心力衰竭中，我们将就两者关系做一综述。

1 CaMKⅡ的激活

CaMKⅡ是一个在心脏和脑组织广泛表达的复合受体丝氨酸-苏氨酸激酶，通过结合Ca2+或CaM导致其调节结构域的Thr-287自身磷酸化或Met-281/282的部分可逆性氧化两条途径达到持续激活状态，影响下游受体如受磷蛋白(phospholamban，PLB)、兰尼碱受体(ryanodine receptor，RyR2)的表达，破坏细胞内钙离子稳态。

CaMKⅡ家族中，CaMKⅡδC可以直接调节胞浆内钙转运过程，CaMKⅡδB定位于细胞核，与CaMKⅡδC共同调节肌细胞增强因子2基因的表达，导致心肌肥厚，并诱导核组蛋白去乙酰化酶4(histone deacetylase-4，HDAC4)磷酸化，使其由胞核易位至胞浆［1］。心力衰竭时，CaMKⅡδA也会相应上调，而且伴随着心房利钠因子(atrial natriuretic factor，ANF)、β肌球蛋白重链(myosin heavy chain，β-MHC)等致心肌肥厚基因再活化，若对CaMKⅡδA进行基因沉默或者选择性干扰HDAC4-MEF2信号通路可缓解心力衰竭时的机械重构［2］。

压力负荷、氧化应激、血管紧张素Ⅱ、去甲肾上腺素或电场刺激都可以降低肌浆网钙负荷和钙瞬变幅度，诱导舒张期肌浆网钙漏，释放的钙离子使心肌细胞ANF、β-MHC及CaMKⅡδC过表达，并以CaMKⅡ为第二信使磷酸化一系列钙转运蛋白，从而使心肌细胞体积增大，肌节重装配，逐渐影响正常的电-机械状态。

2 CaMKⅡ对离子通道的影响

2.1 钠通道及交换体

Ashpole等［3］和Wagner等［4］均发现，心力衰竭时过表达的CaMKⅡ可以作用于Thr-594和Ser-516等多个磷酸化位点，引起心肌钠通道持续开放，形成晚钠电流，QRS间期和QT间期延长，心室有效不应期缩短，室性心动过速风险增加。钠钙交换体(Na+/Ca2+exchanger，NCX)为泵出过多的钠离子造成钙离子持续内流，强迫心肌细胞超负荷工作，使心功能恶化，抑制晚钠电流可以逆转由CaMKⅡδC过表达引起的舒张功能障碍和心律失常［5］。Nakamura等［6］发现，单纯激活钠氢交换体也可以活化CaMKⅡ/HDAC通路，PLB磷酸化，肌浆网内钙超载，引起心肌肥厚甚至心力衰竭。

2.2 钾通道

生理状态下，CaMKⅡ与瞬时外向钾离子通道的Kv4.3亚基结合在一起，通过占据其与钙调蛋白的结合位点抑制CaMKⅡ的活化，而当瞬时外向钾离子通道受到影响，与CaMKⅡ分离，即造成CaMKⅡ磷酸化，动作电位时程延长，从而引发一系列电-机械活动异常，甚至发展成心力衰竭［7］。短期内CaMKⅡ过表达动作电位时程的延长也被证明与钾离子通道的下调密切相关［8］。

2.3 钙通道及交换体

心力衰竭时CaMKⅡ活性显著增强并且伴随着NCX1表达上调［9］，β肾上腺素受体激动的NCX1上调是由CaMKⅡ/ AP-1信号通路介导完成的［10］。实验证明，转染了活性CaMKⅡδB后的小鼠NCX1表达提高，抑制CaMKⅡδB可以一定程度上缓解钠钙交换体/肌浆网钙离子ATP酶(sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase，SERCA)失衡，改善心功能［11］。然而，急性CaMKⅡ过表达时细胞内钙离子异常分布主要由肌浆网钙漏引起，NCX所起的作用则非常小［8］。另外，心力衰竭时特异性钙通道Ca(V)1.2的β2a亚基数目增加，其上Leu493被认为是CaMKⅡ的结合位点，而Thr498则对CaMKⅡ的磷酸化至关重要，CaMKⅡ的激活造成了细胞内钙超载，细胞膜电位波动，进而发生各种心律失常并加重心力衰竭［12］。

L型钙通道(L type calcium channel，Ca-L)是钙离子进入心肌细胞的主要途径，细胞膜去极化时通道蛋白开放，整个平台期钙离子流入细胞内，直至下次收缩，而衰竭心肌CaMKⅡ对Ca-L调节失控，QT间期延长，极易诱发心律失常。Chen等［13］通过体内基因转染和体外细胞培养技术分别在器官、组织、细胞和分子水平证明了Ca-L的上调可通过钙神经素/核因子活性T细胞和CaMKⅡ/HDAC通路诱导心肌细胞肥大和心力衰竭的发生，这个过程是由胞质、内质网-细胞核钙池共同参与的。Hashambhoy等［14］通过建立生物-数学模型发现，在降低舒张期钙漏、维持正常的兴奋-收缩耦联和动作电位时程方面，抑制Ca-L磷酸化的获益可能要多于单纯保护RyR2的磷酸化位点。

3 蛋白激酶A与CaMKⅡ

蛋白激酶A(proteinkinase A，PKA)与CaMKⅡ两条通路联系甚多，可以交叉激活，但是CaMKⅡ介导的RyR2的磷酸化位点在S2814，而PKA多在S2808。但是关于RyR2的磷酸化失活，目前存在着不尽相同的结论，有些人认为RyR2磷酸化，静息状态钙漏增加是依赖CaMKⅡ的，而非由PKA介导完成［15］；而Morimoto等［16］发现，刺激β受体导致的RyR2磷酸化以及随之发生的肌浆网钙漏是单纯依赖PKA的，随后PLB的磷酸化位点也从PKA的Ser16迁移到CaMKⅡ的Thr17，激活了CaMKⅡ，却降低了cAMP/PKA信号通路的敏感性，此时，心肌对交感神经刺激的收缩应答降低，呈现心力衰竭的早期失代偿状态［17］。

心力衰竭发展伴随着慢性的β受体刺激，传统治疗中选择性β受体阻滞剂的作用已被广为接受，可以抑制交感神经兴奋诱导的CaMKⅡ活化并可以缓解RyR2过磷酸化，从而以一个新的角度解释了β受体阻滞剂在心力衰竭治疗中的作用［18］。选择性阻滞PKA，可以通过阻碍cAMP/EPAC/ Rap1/Rac/ERK通路防止CaMKⅡ的激活以及胞浆和肌浆网钙超载，减缓心肌肥厚、纤维化以及细胞凋亡的进程，维持心肌功能。虽然心力衰竭时CaMKⅡ水平也有所提高，并且被证实与心力衰竭的发展相关，但是针对CaMKⅡ抑制的治疗效果却不如经典治疗效果明显，这仍需进一步探明发生机制以及确切的关联性。

4 其他研究进展

近些年来有许多研究试图在分子水平阐明CaMKⅡ在心力衰竭发展中所起到的作用。Respress等［19］给实验鼠RyR2植入一个灭活的S2814磷酸化位点，发现心力衰竭模型鼠舒张期钙漏减少，心力衰竭也相对改善，从而证实了CaMKⅡ导致的RyR2磷酸化在心力衰竭发展中起重要作用。此外，CaMKⅡ可以磷酸化肌联蛋白的丝氨酸/苏氨酸保守位点，改变EVK/N2Bus结构域，降低被动收缩力，最终导致心力衰竭［20］。而心力衰竭时，富含组氨酸的钙结合蛋白部分解体，钙漏增加，胞质局部钙离子浓度上升，激活CaM/ CaMKⅡ通路，CaMKⅡ、RyR2、PLB及p38 MAPK磷酸化增加，加上大量氧自由基的产生，线粒体凋亡通路也随之开启，位于线粒体膜蛋白上的CaM去极化，线粒体内膜钙离子单输送体电流增加，促进线粒体通透性转换孔开放，钙离子大量进入以致钙超载，心肌发生不可逆损伤［21-22］。CaMKⅡ的激活同样促进右心衰竭，Meoli和White［23］肯定了CaMKⅡ在凝血酶诱导的肺毛细血管内皮细胞迁移过程中发挥的重要作用，这一过程使得损伤的内皮增生，血管过度收缩，阻力增加，逐渐形成肺动脉高压并最终发展为右心室心力衰竭。

5 治疗学展望

左心室功能障碍者死因大多为心力衰竭或者突发的恶性心律失常，在这样的失代偿作用中CaMKⅡ的激活起着关键的作用。

针对扩张型心肌病和缺血性心肌病患者终末期衰竭心肌中胞质CaMKⅡδC和细胞核CaMKⅡδB的表达上调，CaMKⅡ抑制治疗可以通过纠正异常钙转运状态，在不影响正常心肌细胞的情况下，改善衰竭心肌的收缩力，减少心律失常的发生，从而在心力衰竭治疗方面为我们提供了一个新的选择［24］。Ferreira等［25］发现，在交感兴奋诱导的心力衰竭模型中，ARB类药物可以降低CaMKⅡ的Thr-286磷酸化水平，改善细胞内异常的钙调状态和已经缺陷的左心室功能。

众所周知，毒毛花苷在心力衰竭治疗中充当非常重要的角色，但其中毒剂量可以诱导心肌细胞凋亡。Sapia等［26］发现，低于中毒剂量的毒毛花苷也会导致一定程度的细胞活性下降，不过这个不良反应可以被CaMKⅡ抑制剂(KN93，AIP)消除，这不仅提示了细胞活性的下降可能通过CaMKⅡ发挥作用，也为CaMKⅡ抑制剂在心力衰竭治疗中的应用找到了新的依据。然而Huke等［27］对此持相反的观点，他们发现AIP可以通过修饰PLB跨膜结构域选择性抑制肌浆网CaMKⅡ，减少钙漏和钙火花的释放，然而却加速了心肌细胞的重构，可能因为激活了肌浆网以外的CaMKⅡ，促使心肌肥大和心力衰竭的发展。Ather等［28］发现，阻滞CaMKⅡ或者使RyR2的S2814基因片段突变导致磷酸化受到抑制确实会减少肌浆网自发性钙漏的发生，抑制钙火花，有效控制室性心动过速的发生，但是这样的结果却限于没有发生心力衰竭的情况下，并且当牵拉刺激激活钙离子流，动作电位时程延长，此时的心律失常不能被CaMKⅡ抑制剂很好的控制［29］。敲除CaMKⅡ基因后，心力衰竭相关的血流动力学并未得到改善，反而对β-肾上腺能刺激的心力储备下降了，并且呈现出舒张功能的恶化和左心室心肌细胞凋亡［30］。由此可见在预防心力衰竭及恶性心律失常进展方面，对CaMKⅡ的干预在今后一段时间内仍将会是一个研究热点，药物研发将着眼于更加具有针对性的CaMKⅡ抑制剂，所以，我们有必要进一步了解CaMKⅡ各个亚型在心力衰竭发展中发挥的确切作用。

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Function of CaMKⅡin the genesis and development of heart failure

Zhang Enyuan1，Li Guangping2.
1 Tianjin Medical University，Tianjin 300070，China；2 Department of Cardiology，Tianjin Institute of Cardiology，the Second Hospital of Tianjin Medical University

Calcium-Calmodulin-dependent protein kinases； Hypertrophy； Heart failure

Li Guangping，Email:tjcardiol@ tijmu.edu.cn

2013-05-02)

(本文编辑:谭潇)

10.3969/j.issn.1007-5410.2014.02.019

300070天津医科大学(张恩圆)；天津医科大学第二医院心脏科天津心脏病学研究所(李广平)

李广平，电子信箱:tjcardiol@tijmu.edu.cn