CaMKII在氧化应激中对心房重构的影响*

韩 璐， 李菊香

(南昌大学第二附属医院心内科，江西 南昌 330006)

·综 述·

CaMKII在氧化应激中对心房重构的影响*

韩 璐， 李菊香△

(南昌大学第二附属医院心内科，江西 南昌 330006)

心房颤动(atrial fibrillation，AF)简称房颤，是临床上最常见的快速性心律失常之一，心房结构重构和电重构是房颤发生发展的症结所在。虽然房颤时心房发生重构的机制尚不清楚，但氧化应激对于引起心房肌细胞内Ca2+负载、调控离子通道从而缩短心房有效不应期(atrial effective refractory period，AERP)和动作电位时程(action potential duration，APD)起着十分重要的作用。当机体处于氧化应激状态下，钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II(calcium/calmodulin-dependent protein kinase II，CaMKII)作为调控钙信号通路的重要靶点，将氧化应激与CaMKII诱发延时后除极(delayed afterdepolarization, DAD)引起心房肌重构的过程联系起来，为提供房颤有效的治疗方案奠定基石，本文就此作一综述。

1 氧化应激对CaMKII的影响

活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)与氧化应激密切相关。有研究发现，小鼠NADPH氧化酶(NAPDH oxidase， NOX)是房颤ROS的主要来源，增加心肌NOX4的表达会造成线粒体损伤和凋亡[1]。还有研究显示，对敲除NOX基因的小鼠(P472/2)后期给予血管紧张素II，NOX功能的丧失可保护机体免受房颤的影响[2]。另外，给予NOX4抑制剂(加拿大麻素)同样可以缓解电重构，避免兔模型诱发房颤[3]。然而，随着房颤的进展，ROS的来源不局限于NOX，还包括线粒体氧化酶(黄嘌呤氧化酶)、单胺氧化酶和解偶联的内皮型一氧化氮合酶 (endothelial nitric oxide synthase，eNOS)。因此，抑制NOX只能控制急性房颤，而对于其它来源的ROS却毫无抑制作用[8]。近期发现，CaMKII作为Ca2+/CaM调节蛋白家族中的一个主要成员，被认为是氧化应激致心肌重构引起折返的关键信号之一。氧化CaMKII调节多数电压门控离子通道，如心肌细胞L型钙通道、K+通道、Na+通道、兰尼丁受体2(ryanodine receptor 2，RyR2)、受磷蛋白(phospholamban，PLN)等，协同影响心肌细胞膜的兴奋性，从而使细胞膜发生早期后除极(early afterdepolarization，EAD)和DAD，最终诱发房颤[5]。因而，阻断CaMKII与ROS之间联通的桥梁，或许能保护机体免于发生房颤;今后的抗氧化治疗新兴治疗手段，不再局限于对ROS来源进行抑制，而重点针对ROS如何介导CaMKII诱发房颤的机制[6]。

2 CaMKII与心房重构

心房重构涉及到许多房性结构和功能的改变，但心肌电重构究竟是作为房颤的结果还是起因，其机制仍未研究彻底。重构涉及多条信号通路，而CaMKII是上述信号通路的关键一环，我们将重点讨论氧化CaMKII对房颤重构的影响机制。

2.1 CaMKII的激活 当CaMKII处于基态时，调节域与催化域形成立体空间构象阻碍ATP与催化基团结合，而随着胞内钙离子增加，并与CaM结合，使C’末端的结构域引起构象改变，让ATP结合于催化基团，从而磷酸化CaMKII。有研究发现，氧化甲硫氨酸残基281/282位点所产生的效应与Ca2+/CaM激活CaMKII效果一致；苏氨酸306/307位点的磷酸化，由于抑制Ca/CaM复合物的形成，未能引起构象的改变，使CaMKII始终处于基态[7]。最近发现未修饰的丝氨酸273位点，作为抑制调控基团，诱导 CaMKII失活[8]。因此，CaMKII的激活过程可能与翻译后修饰有关，但细胞内Ca2+浓度增加或氧化应激ROS形成后，即使在钙离子稳定的情况下，Ca2+/CaM复合物活性同样持续增加，并且抑制其翻译后修饰的过程对CaMKII仍有激活作用[9]。因此，对于CaMKII始动因素，目前尚未研究清楚。

2.2 电重构 房颤时心房电重构表现为内向性L型钙电流(L-type calcium current，ICa-L)减小而超速延迟整流钾通道(KV1.5)开放增加，从而促发外向性钾电流(ultrarapid delayed rectifier K+current，IKur)，引起AERP和APD的缩短及传导速度减慢。这些电生理特性的改变通过缩短心房内折返环路的波长使其折返的数量增加，从而提高房颤的稳定性并得以维持。

APD的缩短主要是由于CaV1.2 (产生ICa-L)mRNA和蛋白量表达减少，Ca2+负载可能是引起ICa-L减少的首发因素，并通过钙离子依赖磷酸酶和活化T细胞核因子(nuclear factor of activated T-cells,NFAT)转录异位的负反馈作用，造成CaV1.2基因表达的下调，从而缩短APD。有研究表明，通过去甲肾上腺素等激动剂引起的心房颤动相比于窦性心律，其ICa-L的表达显著下降[10]。另有研究证实[11]：CaMKII抑制剂KN-93可以减少窦性心律患者的ICa-L水平，而对于慢性永久性房颤则无效，可能由于慢性房颤磷酸酶活性增加所引起。由此表明，慢性房颤患者磷酸酶活性升高，对ICa-L通道进行磷酸化修饰，使其表达量下降，从而诱发房颤。心房传导速度的降低可直接通过抑制快钠或缝隙连接通道，促使折返和维持房颤[12]。氧化的CaMKII可以减慢心室肌梗死边缘的传导速度，但目前CaMKII对于心房肌传导速度的影响尚不清楚[13]。

2.3 结构重构 心房结构重构表现为心房间质纤维化，尤其是老龄心房细胞之间相互偶联程度减少，更易导致局部传导阻滞和心房内折返，从而为AF维持提供病理解剖基础[14]。房颤时心房肌纤维通过多种离子通道介导钙超载。其中，瞬时受体电位(transient-receptor potential，TRP)通道是人心房成纤维细胞上的最主要钙通道，能影响成纤维细胞的分化增殖 ，尤其是TRPM7型和TRPC3型[15]，而CaMKII是介导TRP通道的下游信号[16]。房颤患者TRPM7的表达量增多，敲出TRPM7后可以缓解慢性房颤患者心房成纤维细胞的分化，从而不发生重构。尽管有研究显示[17]，CaMKII可以抑制肝细胞TRPM7通道，但钙负载通过canonical-3通道会激活CaMKII和ROS的形成，同样，给予CaMKII抑制剂可以减少心室肌细胞的纤维化。心房扩大是心房重构的又一发病机制，钙紊乱和心房扩大将诱发心肌发生结构重构，基因敲除RyR2的丝氨酸2 814位点，将可以保护机体免发钙紊乱、心房肥大、异常电活动。因此，CaMKII引起RyR2高度磷酸化是触发异常电活动、心房肥大和诱发房颤的重要基石。靶向治疗CaMKII或者针对引起Ca2+泄露的RyR2通道，将成为今后治疗房颤的潜在药物。

3 氧化激活CaMKII与心房颤动

房颤时CaMKII蛋白含量显著增加，并且随着房颤时间的延长CaMKII蛋白含量也逐渐增多。目前，对于阵发性房颤到持续性房颤的过渡机制了解甚少，而CaMKII却占据十分重要的地位，它被认为是氧化应激过程中ROS介导钙紊乱的中间载体，直接参与心房肌重构[6]。

3.1 CaMKII与线粒体能量代谢 CaMKII通过介导ROS的形成和钙泄露使线粒体内钙离子蓄积，诱发线粒体渗透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore， mPTP)的开放，造成膜电位下降和抑制ATP合成，最终引起细胞凋亡。当转基因抑制CaMKII蛋白，发现mPTP并未开放，从而使机体免于缺血/再灌注、心肌梗死、肾上腺素能等刺激的损伤[18]。因此，线粒体中CaMKII作为前馈机制，通过钙负载触发mPTP开放，增加ROS的形成，进一步激活CaMKII，引起线粒体DNA损伤和ATP合成受限；再者，CaMKII所造成的线粒体功能紊乱和心肌细胞凋亡，更容易诱发心肌重构，最终维持房颤的异常电活动。

3.2 CaMKII与心房代谢重构 CaMKII和AMP激活的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)之间有着密切的联系。首先，AMPK是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，调节细胞代谢和蛋白质的合成。CaMKII通过调节AMPK的活性，增加产能途径、抑制耗能需求，从而成为细胞能量传感器。最近Lenski等[19]发现：心律失常诱导脂质沉积，影响心房肌能量代谢并抑制葡萄糖的吸收，他们认为造成这一原因是由于CaMKII激活AMPK，使脂肪酸转位酶(FAT/CD36)活性增高，引起脂肪摄入和脂质蓄积，而突触相关蛋白23通过抑制AMPK介导葡萄糖转运蛋白4型的移位，抑制葡糖糖摄入。上述通路都与细胞凋亡和心房肌重构有关，而给予CaMKII抑制剂可以缓解这些负面损伤。最新研究发现，AMPK是预防氧化应激引起房颤的一个保护因子[20]。心房率过快引起能量需求的增多会造成AMPK磷酸化，为适应氧化应激反应造成ICa-L下降和钙瞬时减少，细胞随即通过CaV1.2和钠钙交换体(Na+/Ca2+exchanger， NCX)诱发Ca2+负载。然而，我们发现在慢性房颤患者中AMPK的表达量是下降的；也许AMPK只是对于阵发性或者短暂性房颤起到保护作用，而对于永久性房颤却无影响。

4 CaMKII抑制剂的临床运用

目前对房颤的治疗途径包括：抗心律失常药物、射频消融、外科手术等，虽然某种程度上起到一定的效果，但抗心律失常药物具有潜在的副作用和毒性，易诱发致死性心律失常。或许CaMKII抑制剂KN-93能成为今后治疗房颤的又一新兴药物。

在小鼠模型中，CaMKII抑制剂消除RyR2磷酸化控制房颤的作用已被证实，对于慢性房颤也有心源性的益处[2]，并且避免了阵发性房颤过渡为永久性房颤。KN-93作为CaMKII的特殊抑制剂，可以完全特异性地与CaM位点结合，使ATP结合受限，从而无法发生磷酸化。因此，一旦CaMKII被激活或者自身磷酸化，KN-93是不能进行抑制的。尽管系统性抑制CaMKII受体可能会产生多种不良效应，如生育或记忆力的影响，但这些副作用并不是CaMKII抑制剂不能运用于临床的主要原因。最关键还是由于其不能穿过血脑屏障，并为了避免潜在的毒性，临床药物的制备还需具备足够范围的治疗窗，变构或特异亚型的抑制剂能够进行特异性结合，以减少远期效应，只有这样或许CaMKII抑制剂KN-93才能最终运用于临床控制房颤。

5 小结与展望

心房重构对于房颤的诱发、维持、进展起着举足轻重的作用。本文给予新的理论和依据证明在氧化应激调节下，氧化CaMKII是如何参与房颤的心肌重构，介导线粒体能量代谢，从而引起房性心律失常。大量动物实验证实，通过给予CaMKII抑制剂对房颤心肌具有保护作用。因此，CaMKII抑制剂有望成为今后治疗房颤的重要靶点。而对于CaMKII在房颤中诱导心房肌重构所介导的病理生理机制依然需要研究者们不断地深入探索。

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(责任编辑： 林白霜， 罗 森)

Effects of CaMKII on atrial remodeling during oxidative stress

HAN Lu, LI Ju-xiang

(DepartmentofCardiology,TheSecondAffiliatedHospitalofNanchangUniversity,Nanchang330006,China.E-mail:ljx912@126.com)

Atrial structural remodeling and electrical remodeling are the core of atrial fibrillation. Oxidative stress directly activates calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII), and induces electrical remodeling and atrial structural remodeling characterized by reduced atrial effective refractory period, which becomes the pathological basis of atrial fibrillation. Therefore, the study of the relationship between the oxidative CaMKII and atrial remodeling will help to elucidate the pathogenesis of atrial fibrillation and to prevent or reverse atrial remodeling by lowering CaMKII phosphorylation to reduce the incidence of atrial fibrillation.

钙/钙调蛋白依赖性激酶II； 心房颤动； 心房重构

Calcium/calmodulin-dependent protein kinase II; Atrial fibrillation; Atrial remodeling

1000- 4718(2017)06- 1138- 04

2016- 12- 28

2017- 04- 01

江西省自然科学基金重大项目(No. 20152ACB20025)； 江西省科技支撑项目(No. 20151BB-G70166)

R541.7

A

10.3969/j.issn.1000- 4718.2017.06.030

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