中电导钙离子激活钾通道SK4与心律失常

何山青 赵庆彦

心肌的电生理活动与细胞膜上的离子通道活动密切相关，跨膜离子流决定静息电位和动作电位的形成。心脏电生理的稳态依赖钾、钙、钠等多个离子通道的有序运转。离子通道分为电压依从性通道和化学依从性通道两种。中电导钙激活钾通道SK4(intermediate conductance Ca2＋-activated K＋channel)是一种不受电压调控，但对钙离子浓度高度敏感的外向钾离子通道[1]。近年来，有研究表明，SK4通道可以通过调节心肌细胞自律性来影响心律失常的发生。笔者就两者相互关系及作用机制予以综述。

1 SK4概述

SK4中间钙激活通道(kca3.1)由位于人类染色体19的q13.2区的kcnn 4基因编码，在体内广泛分布[2]。1958年，SK4通道由Gárdos[3]在红细胞中首先发现。在随后的研究中，内皮细胞、成纤维细胞和平滑肌细胞中也都发现了同源性的SK4通道[4]。SK4 通道的亚基hSK4 与其他SK 通道多肽(约40%相同)具有相对较低的同源性。相比其他SK通道，SK4通道的亚基hSK4对于Ca2＋具有高亲和性(EC50为95 nmol/L)。SK4通道与其他SK 通道电导大小也有显著差别，SK1、SK2和SK3通道电导为5～10 pS，而SK4通道电导高达30～40 pS。这些数据表明hSK4属于SK 通道的新亚家族[5－7]。SK4与其他SK 通道结构上类似，是一个4个亚基组成的四聚体，每个亚基段包含6个跨膜疏水α螺旋结构域(S1～S6)。在S5和S6之间有一个称为p环的成孔区域，决定K＋的外流，c末端含有对钙离子浓度变化敏感的钙调蛋白，钙调蛋白的磷酸化与SK4通道的激活密切相关[8]。此外，SK4 还 具 有 潜在的PKA 和PKC 磷 酸 化 位点[9]。之前的研究认为SK4不在心脏中表达。但近来新的研究显示SK4在人的右心房表达，心室不表达[5]。除了工作心肌细胞，心脏传导系统中也存在SK4 通道。羊心脏的浦肯野纤维中，小鼠窦房结细胞膜都被发现有SK4 表达[10－11]。

在药理学方面，SK4通道对阿帕胺不敏感，但可以被蝎子毒素、梭毒素等药物所阻断。核苷二磷酸激酶b可以在T细胞和平滑肌细胞中激动SK4通道[12－13]，蛋白质组氨酸磷酸酶-1则对通道有显著的抑制作用[14]。在P2Y2受体共表达时，ATP也可以激活SK4 通道[15]。近年来，一种新的高选择性SK4通道阻滞剂TRAM-34 被研发，其对SK4 的阻滞作用比大电导钾离子通道、Ca2＋、Na＋、内质网钙通道和Cl-通道强200～1 500倍，因此在科研中被广泛应用。

2 SK4与心肌细胞自律性的作用

心肌细胞在胚胎早期都具有高度的自律性，但大多数心肌细胞最终分化为工作心肌，失去自主起搏的特性。只有少数胚胎心肌细胞可以形成窦房结、房室结和浦肯野传导系统的纤维束维持高度自律性[16]。SK4通道已被证实是决定胚胎干细胞和小鼠多能干细胞在原始心脏中分化方向的关键因素[17－20]。Weisbrod等[21]报道了SK4高表达心肌细胞的搏动频率明显快于低表达的心肌细胞，并且在窦房结细胞的分化过程中，SK4的表达明显上调，分化晚期(46～52天)的起搏细胞m RNA 水平是早期起搏细胞(15～18 天)的3.5倍。进一步的研究还发现，在人胚胎干细胞源性心肌细胞中应用SK4特异性阻滞剂TRAM-34，发现阻断SK4通道后可抑制心率，延缓舒张期去极化速率，降低最大舒张期电位，但不影响动作电位时程。舒张期去极化发生在动作电位末端的舒张期，并负责触发下一个动作电位，舒张期去极化一旦被阻滞，心脏将无法自发地搏动。实现节律自动化的关键是在舒张电位处存在内向电流，并协调肌层离子通道、转运蛋白和Ca2＋循环蛋白[22]。内向电流需要足够大的最大舒张期电位来驱动，最大舒张电位激活起搏电流和Ca2＋的内向电流是舒张期去极化的关键环节。实验结果表明SK4对最大舒张期电位的形成至关重要，应用SK4抑制剂后细胞最大舒张期电位明显下降，反映内向电流大小的舒张期去极化曲线下降，去极化速率减小，舒张期去极化时间延长。另外，Weisbrod等[21]还认为SK4与起搏电流通道If、钠钙交换体NCX-1通道和钙离子时钟是一个协调平衡的整体，克霉唑或TRAM-34通过对SK4非常强烈的“非调谐”抑制作用，使舒张期最大电位迅速去极化，Ca2＋通道进入失活状态而停止自主起搏活动。

Kleger等[17]发现SK4 通道激动剂1-乙基-2-苯并咪唑啉酮(EBIO)可使小鼠胚胎干细胞分化为心肌细胞，并能较强地富集起搏细胞，在敲除了SK4通道后，EBIO 的促分化效应显著减弱。而SK4通道阻断剂克霉唑抑制EBIO 诱导的心肌细胞分化和起搏细胞转录本的上调[16]。Horsthuis等[23]发现SK4是钙敏感钾离子通道中唯一在房室结发育过程中明显上调的离子通道，其表达是SK1-3的9倍。这些研究结果表明SK4通道参与心肌细胞自律性的产生和维持，主要机制为在复极化末期促进舒张期最大电位的生成，促进起搏电流If的激活和电压门控Ca2＋通道失活的恢复，诱发内向电流，进而维持细胞的自律性。而SK4 通道抑制剂则通过抑制舒张期最大电位的产生从而减弱舒张期去极化时的内向电流，导致舒张期去极化和P-R 间期延长。另外，SK4可以通过影响细胞自律性来调控胚胎干细胞分化成心肌细胞的方向，窦房结、房室结等心脏传导系统的SK4表达水平显著高于普通心肌细胞。

3 SK4与心律失常

SK4对细胞自律性的影响在宏观上表现为个体心律的改变。Olivan-Viguera等[24]分别选用野生小鼠和SK4相关基因缺失纯合子小鼠，以加热的花生油化合物为载体向小鼠腹腔注射30 mg/kg的SK4阻滞剂RA-2。结果显示注射30～60 min后野生小鼠出现心律降低，P-R 间期延长，而SK4相关基因缺失纯合子小鼠注射后心律无明显变化。这提示SK4通道对稳定心律和维持P-R 间期有重要作用。

Shiraz等[11]将SK4引入Kharche等[25]构建的细胞离子通道数学模型中，产生了两种效应，一方面舒张期去极化后期电位上升变慢导致触发频率下降，另一方面复极化速度加快导致触发频率增加。由于通道激活和失活过程中产生的时间延迟，向模型中添加SK4的净效应为窦房结细胞的触发频率显著增加。另外，Shiraz还探究了通道抑制剂与儿茶酚胺敏感性多形性室性心动过速的作用。儿茶酚胺敏感性多形性室性心动过速是一种由基因突变引起细胞内Ca2＋局部增加，进而通过钠钙交换体NCX-1通道触发早搏和致命的多形性室性心动过速的遗传性心律失常综合征[26]，患者心肌细胞在应激条件下容易发生室性心律失常。研究者选用相关基因敲除小鼠进行了细胞实验和动物实验。细胞实验中，在正常小鼠窦房结细胞中加入SK4 抑制剂TRAM-34，舒张期最大电位迅速去极化，舒张期去极化曲线斜率显著降低，搏动率明显下降。在突变组小鼠的窦房结细胞中，加入TRAM-34可后由异丙肾上腺素诱发的室性心律失常的发生率明显减少。解剖后发现TRAM-34 可使产生钙瞬变的窦房结细胞恢复正常。在动物实验中，TRAM-34和克霉唑可使两种小鼠静息心率降低，P-R 间期延长。突变组小鼠的基础心率低于野生型小鼠，但有不规则的窦性心律和室性早搏。研究发现这些心律失常可被SK4 抑制剂所缓解，TRAM-34和克霉唑注射可降低心律失常的发生率和严重程度。心电图结果表明，TRAM-34和克霉唑能够在减慢心律的同时消除室性早搏，恢复窦性心律。综上所述，SK4的阻滞可以对个体产生减慢心律和延长P-Q 间期的效应，这种效应可以有效地缓解部分由离子通道异常导致的快速心律失常。

4 小结与展望

目前，在宏观和微观层面都有研究证实SK4 通道通过调节舒张期去极化时长来参与维持心律。虽然关于SK4通道的作用机制尚未完善，但通过在复极化末期参与形成舒张期最大电位，进而触发足够大的内向电流是已知的重要机制。另外，SK4通道通过与钠钙交换体NCX-1、起搏离子流If通道与Ca2＋时钟相互作用，维持协调稳定的舒张期去极化内向电流的是另一种可能的作用途径，但其具体作用过程尚在探究中。SK4通道抑制剂可在不影响动作电位时程的情况下延长PR 间期，延缓心率，并可以降低某些快速心律失常的发生率。这表明SK4通道有望成为治疗快速心律失常新的作用靶点，探索SK4通道对心脏电生理稳态的影响将可能在部分心律失常的治疗策略中提供新的研究思路。