钙离子/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ在心力衰竭与触发性心律失常中的信号转导作用

刘 宇(综述)，刘如秀(审校)

(中国中医科学院广安门医院心内科,北京 100053)

钙离子/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(Ca2+/Calmodulin-dependent protein kinaseⅡ，CaMKⅡ)是钙调素的作用底物，属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族，其激活后可通过自身磷酸化增强对钙调素的亲和力，并磷酸化多种靶蛋白而产生广泛的生物学效应，如突触信息传递、调节基因表达、改变离子通道功能等。体外实验、动物模型及人体实验均提示CaMKⅡ是钙离子信号变化的重要感受器，也是钙离子调节蛋白及转录反应的重要效应器[1]。CaMKⅡ是记录氧化应激及细胞内钙离子浓度变化并把信号转化为相应细胞效应的重要酶，如细胞凋亡、非心肌细胞增殖等[2]。这些研究结果表明，CaMKⅡ信号通路在心脏组织重构和电重构中起着重要作用。对CaMKⅡ信号通路的深入研究，既有助于阐明心脏重构的分子机制，亦可为开发防治心脏重构的药物提供新思路。

1 CaMKⅡ的生物学特点

钙调素由148个氨基酸组成，相对分子质为16.68×103，呈哑铃状，其两端突出的EF臂为钙结合位点。约50%的钙调素结合在细胞膜上，其余分布在细胞质和细胞核内，一个钙调素可结合4个钙离子，其在静息状态下无活性，与钙结合后因结构发生变化而激活，后作用于各种靶蛋白,如蛋白激酶、腺苷酸环化酶、磷酸酶、环核苷酸磷酸二酯酶、钙泵、离子通道等，以调节胞内钙转运、离子通道的活性、细胞收缩、基因表达等；当细胞内钙离子浓度降低时，钙调素与靶蛋白则迅速分离[3]。

1.1CaMKⅡ的结构和分布 CaMKⅡ是钙离子/钙调蛋白依赖性蛋白激酶的成员之一[4]。CaMKⅡ有4个同工酶CaMKⅡα、β、γ和δ，分别由4个基因编码，CaMKⅡα和CaMKⅡβ局限表达于神经系统，CaMKⅡγ和δ则遍布各组织，心脏主要表达CaMKⅡδ，其有CaMKⅡδB和CaMKⅡδC两种不同的剪接体。研究显示,胞质内CaMKⅡδC过度表达所引起的心肌肥大较胞核中CaMKⅡδB过度表达所引起的更为严重[5]。CaMKⅡ由12或14个亚基组成。每个亚基均包含N端的催化域、中间的调节域、C端的结合域(可变区)3个不同的单元域。CaMKⅡ被激活后，其分子构象发生改变，催化域使邻近亚基的抑制结构域发生自身磷酸化，以激活CaMKⅡ，并依次磷酸化细胞中的靶蛋白，包括兰尼丁受体、受磷蛋白(phospholamban，PLB)、肌质网钙ATP酶和L型钙通道，从而发挥生物学活性，调节心肌细胞功能。

1.2CaMKⅡ信号通路的激活机制 CaMKⅡ在心脏主要通过作用肌质网上的兰尼碱受体(ryanodine receptor，RyR)和受磷蛋白来调节钙信号。CaMKⅡ与钙通道的IQ区结合后，使其磷酸化，离子通道开放延长，钙电流增加。心肌细胞的L型钙电流是触发细胞内钙释放的主要因素。当离子通道开放时，细胞膜外钙离子顺浓度差内流，使细胞内钙离子浓度增加，并与肌质网膜上RyR结合而激活肌质网上钙释放通道，使肌质网释放钙——钙触发钙释放(Ca2+-induced Ca2+release，CICR)[6]。在窦房结细胞中，钙离子通道(Cav1.3)(α1D)占主要作用[7]，Cav1.3基因敲除的小鼠出现心动过缓和节律紊乱，这与L型钙电流缺失有关。CaMKⅡ也可通过RyR增加钙离子通道的开放度，增加钙峰值，恢复心肌收缩力。CaMKⅡ使受磷蛋白磷酸化后，肌质网对钙的重摄取增加、频率依赖性舒张加快[8]。在特异表达CaMKⅡ抑制的小鼠窦房结细胞中，发现其心率减慢与起搏电流无关，主要取决于β肾上腺素受体(beta-adrenergic receptor，β-AR)的刺激以及舒张期肌质网内钙离子释放；在给予异丙肾上腺素刺激后，CaMKⅡ通过影响窦房结细胞肌质网内钙离子的储存以及舒张期肌质网内钙离子释放，使舒张期除极速率加快，心率增加。Vinogradova等[9]研究表明，β-AR兴奋依赖舒张期除极RyR钙离子的释放，激活钠钙交换电流，加速舒张除极以增加心率。当RyR被兰尼碱阻滞，β-AR不能增加钙离子的释放，继而不能增加舒张除极心率。Joung等[10]研究发现当β-AR刺激时，窦性心律增快伴晚舒张钙离子流上升，晚舒张钙离子流上升主要与自发性肌质网内钙离子释放有关。赖东武[11]研究发现，适当的CaMKⅡ生理活性水平对维持心肌细胞电活动的平衡有重要作用，长期CaMKⅡ活性过度降低会引起正常心肌细胞L型钙通道、钠钙交换蛋白上调以及相应电流强度增加，从而导致细胞电不稳定性增加。Wehrens等[12]研究表明，心率增加的过程中，钙离子流增加导致与兰尼碱受体2(ryanodine receptor，RyR2)联系的CaMKⅡ的激活。

当细胞内钙离子流缺乏时,CaMKⅡ自身抑制区与催化域结合,以阻止底物Mg2+/ATP结合到酶的催化中心，维持激酶构象处于自身抑制的无活性状态。当钙离子流水平升高时，钙离子与钙调素结合，引起激酶构象的改变，使自身抑制区失活，Mg2+/ATP即可结合到酶催化域，从而使CaMKⅡ活化[13]。

2 在心脏结构重构中的作用

2.1CaMKⅡ与心力衰竭的关系 RyR2是巨分子复合物的组成部分，RyR2的磷酸化可使RyR2激活并增加舒张期钙离子渗漏。CaMKⅡ将RyR上四个丝氨酸和两个苏氨酸残基磷酸化后，可加快钙通道的开放。肌质网局部钙释放与RyR2磷酸化程度密切相关，RyR2磷酸化程度高则舒张期和收缩期肌质网钙离子释放越多[14]，肌质网钙活化钙释放的频率也增加[15]。研究发现，心力衰竭的家兔的心肌细胞CaMKⅡ表达增加，抑制CaMKⅡ的表达可减少舒张期钙渗漏，蛋白激酶A的抑制则无此效果[16]。有研究显示，过度表达CaMKⅡ小鼠的心肌细胞肌质网自发性钙释放事件频率增高，钙渗漏亦增多[17]。Zhang等[18]实验敲除受磷蛋白基因后，发现肌质网摄钙增加，肌质网钙储备趋向正常，但是心力衰竭却加重，病死率增加。抑制CaMKⅡ可使肌质网钙储备恢复，但对钙瞬变增加幅度的影响却很小。

2.2CaMKⅡ与触发性心律失常的关系 生理状态下，CaMKⅡ对钙通道的磷酸化有助于钙通道的开放，使流入细胞的钙离子维持在适量的浓度[19]；心力衰竭时，CaMKⅡ活性过度增高，钙通道的磷酸化水平显著增高，导致开放时间延长，钙离子流失活减慢，流入细胞内的钙离子增多，后细胞动作电位时程延长，导致心脏电触发活动增加[20]。Koval等[21]发现，CaMKⅡ主要通过钙通道蛋白Cavl.2的β2亚单位上的蛋白联接位点(Leu493)和磷酸化位点(ThLr498)对钙通道的磷酸化水平进行调控。过度表达β2a亚单位可引起心肌细胞早后除极增加，用钙通道阻断剂Nifedipine则可以阻断早后除极的发生。心肌肥厚和心力衰竭的动物模型其后细胞动作电位延长，静息膜电位和动作电位0期除极速率下降。采用膜片钳技术证明，家兔陈旧性心肌梗死的心肌细胞钾电流密度呈下降趋势，包括瞬时外向钾电流、钾尾电流和内向整理钾电流、动作电位时程延长[22]，引起的传导减慢和复极异质性，此为心力衰竭心律失常发生和维持的基础。心力衰竭发生心律失常归因于折返机制和非折返机制，如早后除极、迟后除极以及异常自律性，以上机制皆与心肌细胞内钙的变化相关。方雁[23]使用CaMKⅡ特异性抑制剂 KN93 对心力衰竭的心肌细胞进行急性灌流，结果表明KN93可抑制迟后除极的产生，而Sag等[24]发现在高表达CaMKⅡ的小鼠的身上，使用异丙肾上腺素可增加细胞内钙储备，增加迟后除极和触发活动以及肌质网钙释放钙的频率，使用CaMKⅡ特异性抑制剂KN93可减少钙活化出现的频率，这或许可以揭示CaMKⅡ在触发性心律失常产生中的作用。

3 抑制CaMKⅡ的活性治疗心力衰竭电重构

有研究证明，急性抑制CaMKⅡ可改善心力衰竭的心肌细胞肌质网钙泄漏[25]等引起的心脏触发活动，以降低心力衰竭动物模型心律失常的发生[24]。CaMKⅡ受到长期抑制后，相关蛋白的表达水平和功能均会发生改变。Zhang等[26]在心脏应用CaMKⅡ的特异性阻断肽AC3-Ⅰ以造成心脏CaMKⅡ活性慢性抑制的模型，结果发现抑制肽可明显减轻心肌梗死小鼠心肌肥厚以及心肌纤维化的程度，改善心肌细胞钙稳态，缩短心脏细胞动作电位。

赖东武[11]对CaMKⅡδ基因敲除小鼠心律失常的情况进行研究。正常状态下，CaMKⅡδ基因敲除小鼠心肌细胞的触发活动会增加，触发活动的增加与心肌细胞L型钙电流和钠钙交换电流电流密度增强相关。提示CaMKⅡ的活性受到长期抑制后，可能会造成心肌细胞电活动的失衡，从而引发触发活动。这也表明尽管抑制CaMKⅡ治疗心律失常具有较好疗效，但应注意抑制程度和水平，应该将其活性控制在适当的水平。

4 小 结

CaMKⅡ在心力衰竭、心律失常、心肌肥厚的发展过程中都发挥着重要的信号调节作用。随着CaMKⅡ在心血管方面的生理功能和病理作用受到越来越广泛的关注，从信号转导的分子水平来研究和干预心律失常、心力衰竭，可为防治提供新的切入点。CaMKⅡ抑制剂可为未来治疗心力衰竭、心律失常指明新的方向。

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