桥接整合因子1对心肌细胞横管系统调节的研究进展

李文静，李树仁，申泽雪，孙明超

心力衰竭（心衰）是不同心脏疾病的常见终末期综合征，但其有效的早期诊断和治疗仍受到限制，发病率和死亡率较高。因此，需进一步了解心衰进展的潜在机制以便开发新的诊断和治疗工具。正常心脏收缩取决于心脏电活动的适当扩散，表现为细胞水平上的动作电位。动作电位是由一系列需离子通道与膜蛋白有效沟通的离子电流引发的。通过Na+通道快速进入心肌细胞，使其去极化。去极化触发电压依赖性L型钙离子通道（LTCC）的开放和细胞外钙进入细胞，增加细胞内钙离子的数量[1]。增加的细胞内Ca2+激活了兰尼碱受体（RyR），从肌浆网（JSR）存储库中释放出大量的Ca2+，该过程称为钙触发的钙释放（CICR）[2]。此过程需要横管（T管）膜上的LTCC和肌浆网膜上的RyRs之间进行特定联系。CICR的同步性决定了钙瞬变的强度及兴奋收缩耦联的效率。与兴奋收缩脱偶联的钙瞬变减弱是心衰进展的关键病理生理机制。许多膜支架蛋白包括junctophilin2（JPH2），小窝蛋白（cav-3）和含有Bin/Amphiphysin/Rvs（BAR）结构域的桥接整合因子1（B1N1）在调节兴奋收缩偶联中起到重要作用[3]。其中，BIN1，cBIN1或BIN1+13+17的心脏同工型与T管膜微折叠的形成有关，从而使LTCC聚集，并募集磷酸化的RyR与LTCC耦联。在这些cBIN1微结构域形成功能性LTCC-RyR二联体，控制CICR和兴奋收缩耦联[4]。最近一项研究发现，血浆中较低水平的心脏特异性BIN1水平与心衰严重程度有关，并能预测恶性心律失常[5]。因此，BIN1可作为一种潜在的新型心衰诊断和风险分层的工具，在心衰发展过程中有效预测恶性心律失常的发生。本文对桥接整合因子1的结构及其对心脏收缩、节律的调节以及对于心衰诊断及治疗的潜在价值的相关研究做一论述。

1 心肌细胞横管系统

1.1 T管形态和组成T小管是由肌膜向外延伸的连续的膜内凹陷。心脏T小管的主要成分横贯于肌细胞的长轴，形成复杂的管状网络。这种类型的复杂网络使诸如动作电位之类的细胞外信号迅速而同时传播，激活所有的肌丝。Hong等[6]研究发现在心肌细胞中，T管在沿纵轴与Z盘重合的间隔为1.8 μm。心脏T管的大小密度在哺乳动物中有所不同，且与它们各自的心率相关。心率较高的小型鼠类啮齿动物[7]，需要快速的动作电位才能穿透细胞内部，其T形管更深更密。相比之下，心率＜100 次/min的大型哺乳类动物和人类[8]的T形管更大且更稀少。T管是具有特定跨膜和脂质相关蛋白的脂质双分子层。T管的蛋白质成分包括：膜支架蛋白、结构蛋白、跨膜离子通道、离子处理蛋白和信号传导分子等。特定的膜支架蛋白和细胞骨架结构蛋白对于T管网络和结构的组织和调节是必需的。

1.2 二联体和LTCC心脏T管的主要功能为心肌细胞电兴奋、钙信号转导与心肌细胞收缩。目前公认的细胞内钙瞬变模型是钙触发的钙释放。由T小管的LTCC和SR膜上的RyR（比率约1:4）组成的复合物称为二联体。最佳的CICR需要肌膜上LTCC与SR膜上的RyR紧密结合。钙的感应和释放通道，是通过LTCC在T管中的定位实现的。膜去极化后，最初的钙通过LTCC流入，且LTCC和RyRs（约15 nm）在二联体间紧密结合，从而允许有效的CICR和随后的肌节收缩[9]。

引发钙瞬变的LTCC由大的成孔α亚基与辅助β，α2δ1和γ亚基形成。辅助亚基在调节成孔α亚基的运输和门控特性中至关重要[9]。心脏中表达的LTCCα亚基的剪接变体为CaV1.2，这对心脏的发育和功能非常关键。CaV1.2的整体缺失会诱发具有胚胎致死力的异常心脏形态改变而成年小鼠的心脏特异性缺失CaV1.2，导致收缩力降低，并增加对应激性心衰的敏感性[10]。作为二联体的T管成分，LTCC需在T管中富集才能使细胞内的钙瞬变正常进行。80%的肌膜LTCC集中在T管表面，LTCC在T管上精确定位需要膜支架蛋白BIN1。

2 桥接整合因子

2.1 B1N1的结构作为含有BAR结构域的蛋白质超家族的成员，BIN1包含由外显子1-9编码的N末端BAR结构域（N-BAR）。N-BAR结构域的晶体结构揭示了每个单体的螺旋间的二聚体相互作用，从而在BIN1二聚体中形成螺旋束[11]，该结构类似于细长的香蕉状。因此，由于BIN1的BAR结构域形状及其作为膜曲率蛋白的一般功能，BIN1被称为“香蕉”分子[12]。BIN1与许多细胞过程有关，这些不同的细胞功能在很大程度上依赖于由具有20个外显子的单个Bin1基因的组织特异性替代剪接产生的各种BIN1蛋白同工型[2]。 十多种BIN1蛋白亚型以组织和疾病特异性编码。通过PCR检测B1N1中外显子10和18之间包含交替剪接区域的cDNA片段。Hong等[4]在成年小鼠心肌细胞中克隆了B1N1 mRNA的四个蛋白质编码转录亚型：B1N1（不包括外显子7、11和13-17）、B1N1+17（B1N1+外显子17）、B1N1+13和B1N1+13+17（cBIN1）。早期研究发现小鼠心脏中最丰富的BIN1亚型是BIN1+13，已知与细胞增殖有关[13]。BINl+13+17亚型（cBIN1）定位于心肌横管，在心脏上特异性分布，促进N-WASP依赖性肌动蛋白聚合并诱导肌动蛋白依赖的致密小管膜微折叠[4]。BINl+13+17亚型，即cB1N1参与横管膜上LTCC与肌浆网膜上RyR二联体的形成，在心肌细胞钙瞬变的调节和心肌兴奋收缩耦联中，发挥重要作用[14]。

2.2 B1N1在心脏调节中作用机制研究发现，LTCC聚集在T管膜上，与JSR膜上的RyR在空间上紧密相邻，形成促进CICR的LTCC-RyR二联体[15]。 在膜微域上正确地组织LTCCRyR二联体对于维持正常的心脏钙信号传导和心脏收缩至关重要。二联体发生紊乱会损害CICR并减少钙瞬变，从而限制心脏收缩力。研究发现，BIN1从四个方面调节心脏功能。首先，BIN1促进LTCC定位于T管膜，LTCC运输至T管的过程遵循“靶向递送”的通道递送模型，BIN1作为LTCC的膜锚定蛋白，将携带LTCC的微管转运到在T管膜[16]。其次，BIN1促进T管膜上的LTCC聚集成簇[14]。除了在T管膜上运输和聚集LTCC外，cBIN1在将RyRs募集到JSR膜上也起着关键作用[14]。因此，cB1N1对于LTCC-RyR二联体的形成和维持必不可少，后者对于正常的心肌兴奋收缩耦联至关重要。cBIN1在T管膜形成了一个“模糊空间”，即限制离子扩散的缓慢扩散区域[4]。由于胞外钙离子在“模糊空间”中的扩散受到限制，有效限制细胞外钙离子的快速消耗，从而控制跨膜离子的驱动力，预防心律失常。

3 B1N1与心脏疾病

3.1 B1N1与心力衰竭心力衰竭可由心脏钙瞬变减弱，这归因于T管重塑和LTCC-RyR二联体解耦联[17]。BIN1是微管的膜锚定蛋白，能够调节T管和LTCC-RyR二联体的功能，它的缺失会影响钙瞬变，最终影响心脏收缩。

在人和动物心衰模型中均报道了BIN1的下调。在斑马鱼中，B1N1基因敲除会引起严重的心脏收缩功能障碍和心肌病[18]。B1N1基因敲除的小鼠在年龄较大（从8～10个月开始）或压力超负荷时会发展为扩张型心肌病[19]。研究表明，BIN1在血液中可被检到，且浓度与心脏健康相关。血浆cBIN1存在于心室心肌细胞起源的微粒中，并在BIN1基因敲除小鼠中显著降低[20]。在一组致心律失常性右室心肌病患者中，有心衰症状的患者血浆BIN1减少[21]。BIN1在血液中的可检测性，使cB1N1成为潜在的心衰诊断及反映疾病严重程度的生物标志物。

3.2 B1N1与心律失常BIN1的下调不仅破坏了Cav1.2的转运和LTCC-RyR二联体耦联，还造成了离子扩散屏障的紊乱[22]。细胞外离子扩散屏障的改变会影响细胞外离子浓度，改变局部电生理特性，增加室性心律失常的风险[4]。Hong等[21]研究发现，血浆BIN1水平与心功能状态和持续性室性心律失常的存在相关，并可预测未来发生室性心律失常事件。

4 总结

总之，BIN1作为心肌横管系统管和LTCC-RyR二联体的多功能调节因子，可控制健康心肌细胞中的钙信号传导，而BIN1的下调在引起心衰进展和心衰的电不稳定性中起着关键作用。心衰中BIN1下调这一特点，可能有助于确定心衰治疗的新靶点，为探讨心衰治疗提供了新思路。cB1N1可释放到血液中并可检测，使其可能成为潜在的心衰诊断及对心衰患者进行风险分层的新型生物标记物。