心肌内质网应激致心律失常的作用机制研究进展

周亚飞 综述，李涛 审校

（西南医科大学：1心血管医学研究所，2医学电生理学教育部重点实验室，四川泸州 646000）

1 心律失常概述

1.1 心律失常的产生和分类

功能正常的窦房结作为心脏的起搏器，兴奋产生去极化，然后兴奋通过房室传导系统和浦肯野氏纤维传布至全心。心脏通过有规律和节奏的收缩将血液输送到全身各个组织器官。当窦房结兴奋出现异常、兴奋传导速度减缓或阻滞、兴奋产生在窦房结以外其他部位，就会引起心脏触发活动以及传导功能障碍，表现为心脏节律异常，即为心律失常[1]。

心律失常多合并或继发于心肌肥厚、心肌缺血、心肌纤维化等心血管疾病。临床上按心律失常发作时心率快慢分为快速性、缓慢性心律失常两类，前者常见于心房和心室颤动、心动过速或早搏等；后者多见于窦性心率缓慢性心律失常和多种传导阻滞等[2]。心律失常的患者可能会出现心悸、乏力等临床症状，甚至会导致患者心源性晕厥和猝死[1]。目前心律失常的治疗仍然是临床上的一大难题，究其原因在于发生发展过程中存在复杂的电与结构重构改变，但是对心律失常疾病的发生发展机制认知还存在不足。因此对心律失常发生机制的深入研究一直是心血管领域的难点。

1.2 心律失常的发病机制

窦性心律的产生不仅需要窦房结的正常起搏，还依赖于传导系统和心肌细胞正常的电生理特性。心肌细胞动作电位是钠离子、钾离子、钙离子等多种离子通道共同参与的结果[3]。心脏钠通道主要参与动作电位去极化过程，钾通道和钙通道主要参与动作电位的复极化过程，钙通道和钠钙交换体参与心肌兴奋-收缩耦联过程。这些离子通道的变化可能通过改变去极化和复极化过程中离子之间的动态平衡，导致动作电位时程的缩短或延长，而动作电位时程的改变是心律失常发生的重要病理生理基础之一[4]。心肌细胞离子通道功能异常引起的心电紊乱可能会直接诱发心律失常的发生。既往研究表明，房颤时心肌细胞多种离子通道，包括L 型钙通道（ICa-L）和内向整流钾通道（IK1）、瞬时外向钾通道（Ito）、延迟整流钾通道（IKS）、乙酰胆碱敏感钾通道（IK-ACh）等多种钾通道发生改变[5-7]。这些都表明离子通道电流的改变是心律失常发生的重要病理生理基础[8]。因此，探索心脏离子通道功能及异常调控机制，有助于探讨心律失常的发生机制及寻找新的干预靶点，对于预防和治疗心律失常具有重要的理论基础和临床意义。

以往的研究提出了多种心律失常的发病机制，包括β -肾上腺素能受体信号传导脱敏，心肌细胞兴奋-收缩耦联调节异常等[9]。也有研究表明心肌细胞凋亡引起心脏不可逆的收缩功能障碍，导致心律失常的发生、维持和进展[10]。因此，了解心律失常的病理生理机制对发现安全有效的新疗法至关重要。

2 内质网应激概述

内质网是细胞内的膜性管道系统，它是由生物膜构成的连通的片层小管或隙状系统，构成了细胞内的物质运输通路，也是细胞内钙离子重要的储存场所，同时也为细胞内酶反应提供场所[11]。内质网是细胞内的细胞器，完成蛋白质合成、折叠和组装，然后将其输出到高尔基体、细胞质和质膜[12]。内质网是合成蛋白质并使合成的蛋白质由一级结构变成具有生理功能的结构场所。并且，内质网对脂质的生物合成有着重要的生理作用，包括对脂膜的合成、胆固醇以及其他脂膜成分的控制[13-14]。有分子生物学研究提示，所有通道蛋白的组装、变构都是在内质网中完成的，是离子通道转运到细胞膜之前的重要场所。因此，内质网内环境的稳态是离子通道发挥正常功能的前提[15]。

2.1 内质网应激反应的产生

内质网是细胞中发挥重要生理功能的细胞器，当氧化应激、病毒感染、缺氧缺血等因素导致内质网稳态失衡时，内质网异常聚集错误折叠蛋白并引起内质网应激[16]，伴侣蛋白分泌增加等反应。迄今为止的研究认为，细胞接受外界刺激时发生的最初反应是内质网应激，属于细胞的自我保护性反应。内质网应激同时也是一种信号反应通路系统，与多种基因的表达和调控有密切关系[17]。内质网应激反应可分为三种类型，分别是过度负荷反应、固醇级联反应、未折叠蛋白质反应（unfolded protein response，UPR）。其中UPR 是介导内质网应激反应中最重要的信号机制，因此常用参与的蛋白分子作为内质网应激反应发生的标志，蛋白激酶样内质网激酶（PERK）、激活转录因子6（ATF6）和肌醇需要酶1（IRE1）则是内质网应激反应三条信号通路的重要标志性蛋白分子[18]。

在细胞正常生理状态下，这三种明星蛋白分子以无活性状态与伴侣蛋白——葡萄糖调节蛋白78（glucose regulated proteins78，GRP78）相结合。GRP78可与免疫球蛋白结合蛋白（immunoglobulin-binding protein，Bip）结合形成复合物GRP78/Bip，GRP78/Bip是UPR的主要调节分子，它的表达水平对维持内质网功能、缓解内质网应激和保护细胞免于损伤有重要作用。细胞受到应激后，未折叠蛋白与错误折叠蛋白合成量超出内质网正常的生理容量，GRP78/Bip与三种应激感受的蛋白分子PERK、IRE1和ATF6解离，并与非折叠蛋白结合，通过结合到新生蛋白暴露的疏水性残基上来增加内质网的蛋白折叠能力，减少错误折叠蛋白的堆积从而确保蛋白质正确折叠并防止蛋白质聚集。在过去的20年中，临床研究和动物实验均证实内质网应激在缺血/再灌注[19]、扩张性心肌病、心肌梗死、高血压、糖尿病性心肌病[20]和心力衰竭[21]等心血管疾病中均有报道[22-23]。

近年来，内质网功能受损引起的细胞凋亡越来越引起关注。广泛认可的内质网凋亡通路有三条：包括CHOP 基因的激活转录通路、C-jun 氨基末端激酶（JNKs）的激活通路、半胱氨酸天冬氨酸酶12（Caspase-12）的激活通路。CHOP基因的激活转录通路是转录因子CCAAT增强子结合蛋白家族成员之一[24]。该通路通过下调Bcl-2表达、耗竭谷胱甘肽、促进活性氧产生等导致细胞凋亡，以清除无法恢复正常功能的受损细胞。C-jun 氨基末端激酶（JNKs）的激活通路是指在应激状态下，IRE1被激活，通过肿瘤坏死因子受体相关因子 2（tumor necrosis factor receptor-associated factor 2，TRAF2）和凋亡信号调节激酶1（ASK1），形成IRE1-JNK-TRAF2-ASK1 复合物，导致ASK1 激酶活化，并导致JNK促凋亡信号转导通路的活化，将信号传递给胞核内的组分，最终通过核转录因子来调控细胞的表达[25-26]。半胱氨酸天冬氨酸酶12（Caspase-12）是内质网应激细胞凋亡独有的标志物。Caspase-12 是只存在于内质网膜上且被内质网应激所活化的蛋白水解酶。活化的Caspase-12 可以启动正反馈回路，通过剪切活化Caspase-9，导致下游具有降解细胞结构的Caspase-3 的裂解活化，通过引发一系列级联反应诱导细胞凋亡[27-28]。

2.2 内质网应激的信号通路组成

内质网应激主要由三种信号通路组成：IRE1信号通路、PERK信号通路和ATF6信号通路[29]。

IRE1作为一种特有的I型跨膜蛋白激酶，它介导的信号通路是内质网应激机制中的重要途径之一。IRE1含有特异的RNA 内切酶活性的丝氨酸/苏氨酸（Ser/Thr）受体蛋白激酶位点，是内质网应激重要的效应感受器。在细胞静息状态下，IRE1与GRP78/BiP结合来维持IRE1的单体和非激活状态。当内质网应激发生时，未折叠蛋白不断堆积，GRP78/BiP 与IRE1 解离，IRE1 改变了原有的空间结构而自身发生寡聚化和磷酸化激活而形成二聚体，这是许多UPR 相关基因的关键转录活化因子，可以促进内质网甘露糖苷酶蛋白的表达，上调内质网降解相关基因的转录，识别UPR 的蛋白质，提高内质网对蛋白质的折叠修饰能力，启动蛋白降解信号通路，在轻中度的内质网应激时起到保护细胞的作用[30]。

PERK 介导的生存信号PERK-eIF2α 途径是内质网应激信号通路之一[31]。PERK 与IRE1 都属于I 型跨膜蛋白，是一类具有胞质激酶结构域和N-末端腔内应激信号传感结构域的内质网驻留蛋白质。当内质网应激发生时，游离的PERK氨基酸末端结构改变而磷酸化，导致其激酶结构域被激活，进一步活化eIF2α 氨基端的第51位丝氨酸。在蛋白合成的初期，磷酸化的真核细胞翻译起始因子2 与GTP 及tRNA 形成三聚体复合物，无法感应和触发GTP-GDP 的交换反应，阻断了起始蛋氨酸-RNA 与核糖体的结合，使细胞内蛋白质翻译起始无法进行。因此，在内质网应激早期可以减少内质网内新生蛋白质的合成，有研究表明这也是内质网应激调控蛋白质表达速度最有时效的方式和反应。

内质网应激的另一反应途径是由ATF6 转导的[32]。ATF6 是一个内质网型的跨膜蛋白，属于碱性亮氨酸拉链的转录因子家族。正常情况下存在于内质网中有两种构型，分别是ATF6α 和ATF6β，两者都属于环磷腺苷效应元件结合蛋白转录因子家族成员，其氨基端胞质区有一个碱性亮氨酸拉链的DNA 转录激活域。ATF6存在于内质网膜，其内质网腔区的结构域与GRP78 结合，发生内质网应激时，ATF6 与GRP78解离，游离ATF6被激活产生有活性的ATF6α 片段，有活性的片段被转移到细胞核内，正调节UPR基因的转录，诱导启动Bip、XBP1、CHOP等这些蛋白的转录表达。

3 心肌内质网应激与心律失常的研究进展

3.1 轻度的内质网应激对心肌细胞的保护作用

在内质网应激刚发生时，GRP78/Bip由于诱导表达且具有抗细胞凋亡的作用。为了减轻内质网的负担，UPR 主要通过PERK 和IRE1 通路增加蛋白的mRNA 降解，抑制蛋白的翻译，加速蛋白的降解[31]。PERK 发挥内质网应激感应作用，可以减轻内质网应激损伤从而抑制心肌细胞凋亡，在减缓心力衰竭进程中发挥重要作用。血小板反应蛋白4是内质网应激反应的效应分子，可以活化ATF6α 从而提高内质网中质量控制蛋白的表达，更有助于其产生复杂的保护性分子伴侣，发挥保护心肌细胞的作用。

内质网应激反应可以激活自噬溶酶体通路[33]，在心脏的疾病与预后方面有着末端执行器的作用。自噬是真核细胞维持蛋白质稳态的关键，是一种进化上保守的蛋白降解途径。自噬通过吞噬自身细胞质蛋白或细胞器并将其包裹进入囊泡，与溶酶体融合形成自噬溶酶体，降解其所包裹的内容物，以此来清除受损或失效的细胞或蛋白。已有研究报道在多种病理性心脏组织的超微结构中均可以观测到心肌细胞的自噬作用[34]。在心脏某些应激情况下，血管壁的自噬会发生改变，在一定范围内可以加快血管内物质代谢的循环速度，对血管壁起到积极的保护作用。因此可以推测，一定水平的内质网应激引起的自噬在心肌细胞损伤时可以在功能以及结构上对其起到良好的保护作用。

3.2 过度的内质网应激会加重心律失常

尽管UPR 主要是促生存反应，但是持续而严重的内质网应激超出了内质网的限度及处理能力，内质网稳态不能恢复的情况下，为了保护细胞其他的生理功能则触发内质网相关细胞凋亡，造成心肌由代偿走向衰竭。心肌细胞几乎没有复制和再生的潜力，属于终末分化的细胞。若心肌细胞不断凋亡，则会引起心脏泵血功能下降，心脏功能从代偿走向失代偿。而蛋白质生产、功能和分解的稳态被破坏，会导致心肌细胞减少，进一步诱发心律失常[35]。因此心肌细胞内稳态的严格调控和蛋白质质量的精准控制，以及内质网稳态对心肌细胞发挥正常生理功能有无可替代的作用[12]。当心脏的前后负荷过重、心肌缺血、氧化应激或炎症反应、离子通道功能失常等现象出现时，细胞内稳态被破坏，发生应激而引发未折叠蛋白和错误折叠蛋白堆积，内质网应激及相关的细胞凋亡，造成心脏不可逆的收缩功能障碍，介导心律失常的起始、维持和进展，参与多种心血管疾病发生过程，是影响心律失常发生发展的重要因素。

研究证明内质网应激与心肌细胞的电重构及心肌病密切相关。有研究证实，细胞炎症信号因子引起的内质网应激导致Kv4.2 通道蛋白表达量下降以至动作电位复极化延长，在加入内质网应激保护剂后通道电流有所恢复。所以内质网稳态对心肌细胞的动作电位有着重要的作用[36]。内质网分为两种，包括粗面内质网和光面内质网，心肌细胞的光面内质网也被称为肌浆网，是胞内重要的钙库，用以维持心肌细胞收缩时所必需的最合适的钙水平。近年来，UPR 被报道可调节多种心脏离子通道[6]，如UPR激活后导致Nav1.5翻译后修饰以及相关辅助亚单位的改变[30]，PERK 信号通路下调Nav1.5、Kv4.3、hERG 等离子通道在膜上的表达导致心律失常。

心脏离子通道和转运蛋白的改变是心律失常风险增加的重要因素[36]。内质网应激反应导致离子通道蛋白在内质网中错误折叠而堆积过多，离子通道蛋白从内质网向胞浆和细胞膜转运障碍，引起离子通道蛋白在膜上表达异常会导致心肌细胞动作电位时程和形态发生改变，从而引起心律失常的发生。在人类心衰的模型中，异常剪接变体SCN5A 的α亚基编码心脏Nav1.5升高，导致非功能性通道蛋白质停留在内质网中，而正常Nav1.5 蛋白在细胞膜上表达下调，导致钠离子通道的电流密度显著降低，从而导致传导速度降低改变了动作电位的时程[4]。未在细胞膜上表达的通道蛋白并非完全丧失功能，若能正常转运至细胞膜上依然能发挥一定的代偿功能。因此，内质网应激引起离子通道蛋白在内质网中的产生、折叠发生异常是离子通道功能改变的重要病理生理基础[37]。

细胞膜离子通道的功能在很大程度上依赖于其在细胞膜上表达的丰度。因此，纠正蛋白质的错误折叠和转运也是干预内质网应激的过程，增加相关蛋白从内质网向胞浆或细胞膜上的转运，可以在一定程度上恢复其功能。

多种心脏疾病的发生发展都伴随着不同程度的心肌细胞纤维化[38]，而内质网应激会引起和促进心肌细胞凋亡，导致心脏成纤维细胞增生，进而转化为肌成纤维细胞并在细胞外基质沉积，从而细胞间的缝隙连接发生改变，导致心肌纤维化。由于心肌细胞和成纤维细胞的静息膜电位水平不同，两类细胞间形成的电耦联会影响心肌细胞离子通道电活动，改变心肌细胞的去极化过程和电活动传导速度[39]，进而引起心律失常的发生[40]。

4 结论

心肌细胞在某些病理条件或应激状态下导致内质网应激，从而引起UPR 激活，这是细胞自身的一种保护性反应，适度的内质网应激有利于心肌细胞代偿，但是持续而严重的内质网应激则触发内质网相关细胞凋亡，导致心肌细胞多种离子通道表达改变。离子通道表达异常对心肌细胞动作电位的去极化和复极化过程会有影响，会造成心肌功能由代偿转向失代偿，心律失常发生率的风险明显增大。研究内质网应激与心律失常的关系，可以更好地了解离子通道在心肌细胞的表达水平以及信号传导途径，保证心肌细胞正常的电活动，从而使心脏维持正常的窦性心律。因此，研究心肌细胞内质网应激发生机制和发展过程对保护心肌细胞，干预心律失常有重要的指导意义。深入探索内质网应激，这可能代表一种新的、潜在的有效的抗心律失常的方式，将对心律失常的临床治疗和药物开发提供新的方向。