心肌肌球蛋白结合蛋白-C在心血管疾病中的作用研究进展

乔斌超，贾永平，陈小平

(1.山西医科大学第一临床医学院,山西 太原 030001;2.山西医科大学第一医院心内科,山西 太原 030001;3.山西医科大学附属太原中心医院心内科,山西 太原 030009)

心血管疾病严重危害人民生命健康,据《中国心血管健康与疾病报告2021》概述显示,2019年我国农村、城市心血管疾病分别占死因的46.74%和44.26%,每5例死亡病例中就有2例死于心血管疾病[1]。心肌肌球蛋白结合蛋白-C(cardiac myosin-binding protein-C,cMyBP-C)是心肌粗肌丝的重要组成部分,可以通过磷酸化或去磷酸化调节心肌收缩、舒张功能。研究发现,cMyBP-C与急性心肌梗死(acute myocardial infarction,AMI)、心肌病、心力衰竭(heart failure,HF)、主动脉瓣狭窄(aortic stenosis,AS)、高血压心肌肥厚、心肌炎等心血管疾病的发生发展有关[2],但具体作用机制尚未完全阐明。本文就cMyBP-C在心血管疾病中的作用研究进展予以综述,以期为心血管疾病的诊断、治疗及预后评估提供参考。

1 cMyBP-C概述

1.1 cMyBP-C基因及结构

肌球蛋白结合蛋白-C(myosin-binding protein-C,MyBP-C)是一种多结构域蛋白,位于肌节C区内,根据其在染色体上的不同定位,分为3种不同的亚型,包括C1慢骨骼肌型(s)、C2快骨骼肌型(f)和C3心肌型(c),分别由3个独立的基因编码:12q23.3上的MYBPC1、19q33.3上的MYBPC2、11p11.2上的MYBPC3;C3型即cMyBP-C,仅存在于心肌中,区别于C1和C2 骨骼肌型[3-4]。

cMyBP-C最早发现于1973年,是由1 274个氨基酸残基组成的相对分子质量为140 000的结构蛋白[5]。cMyBP-C共有11个由免疫球蛋白(immunoglobulin,Ig)样和纤维连接蛋白结构域组成的功能区(C0～C10);cMyBP-C与肌球蛋白丝骨架垂直连接,在肌节A带的2/3处形成7～9条横纹,每条横纹间隔43 nm[6-7]。其中,C0处含有1个额外的Ig样结构域,C0～C1结构域内含有1个富含脯氨酸-丙氨酸的区域,类似于肌动蛋白结合蛋白,C1～C2结构域之间含有磷酸化位点,C5结构域中包含28个氨基酸[8]。

1.2 cMyBP-C磷酸化

正常生理条件下,cMyBP-C在人体内是高度磷酸化的,其作为心肌细胞特有的粗肌丝结构和调节蛋白,可以通过磷酸化或去磷酸化调节心肌功能。现已发现的cMyBP-C磷酸化位点共有17个,其中在C1～C2结构域之间含有1个M基序,包含4个高度磷酸化的丝氨酸残基,分别为Ser273、Ser282、Ser302及Ser307[9]。其中,Ser302是主要的cMyBP-C磷酸化残基。研究显示,在表达非磷酸化cMyBP-C的Ser302转基因小鼠模型中,Ser302残基磷酸化通过增强β肾上腺素能应激期间的收缩反应来调节心脏收缩储备,以满足在β肾上腺素能刺激过程中更高的循环需求,这个过程是提高心室内压力和心肌收缩力所必需的[10]。cMyBP-C的Ser282残基磷酸化在超松弛调节中起主要作用,通过将肌球蛋白头部从抑制状态释放,促进肌球蛋白与肌动蛋白相互作用,从而增强心肌收缩功能[11]。研究发现,在心肌缺血/再灌注期间,cMyBP-C去磷酸化容易被蛋白酶水解而产生截短蛋白片段,该片段可促进cMyBP-C与肌球蛋白头部结合,限制肌球蛋白空间流动性,减弱肌球蛋白与肌动蛋白相互作用,抑制心肌功能,从而加重心肌缺血/再灌注损伤;相反,cMyBP-C磷酸化可以防止cMyBP-C被水解,维持心肌正常功能,减轻心肌缺血/再灌注损伤[12-13]。KUMAR等[14]研究发现,cMyBP-C去磷酸化可减弱肌动蛋白与肌球蛋白相互作用,导致心肌收缩力降低、钙循环异常;而cMyBP-C磷酸化可促进肌动蛋白与肌球蛋白相互作用,加速横桥循环速率,使心肌收缩功能得到改善,促使钙循环恢复正常。综上所述,cMyBP-C磷酸化有调节心肌功能和保护心肌细胞的作用。

1.3 cMyBP-C磷酸化相关蛋白激酶

cMyBP-C可以被一系列信号通路相关的蛋白激酶磷酸化,包括蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)、蛋白激酶C、蛋白激酶D以及Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶。PKA是作用于cMyBP-C的主要激酶,在cMyBP-C的 M基序中有3个丝氨酸残基(Ser-273、Ser-282和Ser-302)被PKA磷酸化,且通过磷酸化增强心肌对β肾上腺素能刺激的反应[15]。其他非PKA激酶也可以磷酸化cMyBP-C M基序中的丝氨酸残基,例如蛋白激酶C磷酸化Ser273和Ser302,蛋白激酶D磷酸化Ser302,Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶磷酸化Ser307,表明cMyBP-C磷酸化相关蛋白激酶对M基序丝氨酸残基具有不同的特异性和调节作用[16]。

2 cMyBP-C在心血管疾病中的作用

2.1 cMyBP-C与AMI

AMI是指冠状动脉粥样硬化斑块破裂出血继发血栓形成,引起冠状动脉血管完全闭塞,导致相应心肌急性缺血缺氧坏死。心肌肌钙蛋白(cardiac troponin,cTn)被认定为诊断AMI的“金标准”,在HF、心肌炎、肺栓塞等疾病中也会非特异性升高;但是,cTn在血液中的半衰期较长,不利于AMI的早期诊断及再梗死判断[17]。因此,寻找特异性更高、出现时间更早的心肌坏死标志物,对临床AMI的早期诊断、治疗及预后判断具有重要意义。

GOVINDAN等[18]研究发现,AMI患者血浆中cMyBP-C水平显著升高,当cMyBP-C最佳临界值为68.1 μg·L-1,其诊断AMI的敏感度为66.2%、特异度为100.0%;因此,认为cMyBP-C具有出现早、心肌特异性强、敏感性高、易被检测等优势,是一种新的、有前景的心肌梗死生物标志物。KAIER等[19]纳入了340例AMI患者,通过测定胸痛<3 h的早期就诊患者血清中cMyBP-C与cTn水平发现,cMyBP-C诊断AMI的敏感度较高敏cTnT稍高,与高敏cTnI相似;而cMyBP-C诊断AMI的特异度显著高于高敏cTnT和高敏cTnI。随后的研究还发现,cMyBP-C对出现症状2 h后的AMI的诊断敏感度和阴性预测值均达到100%,且对AMI的诊断效能优于高敏cTnT[20];这提示,在出现症状后、早期就诊的AMI患者中,cMyBP-C有更好的鉴别诊断效能,有助于AMI患者的早期诊断。KUSTER等[21]检测AMI猪模型血浆中cMyBP-C水平发现,与cTn相比,cMyBP-C在心脏损伤后早期就被释放,其在左前降支结扎30 min 后即可被检测到,3 h后开始从基线升高,在 6 h达到峰值。朱吉刚[22]研究发现,与健康对照者相比,AMI患者血清中cMyBP-C水平显著升高,且在AMI发病4 h内血清cMyBP-C水平即开始升高。以上研究结果均表明,在发生AMI时,cMyBP-C释放早、上升快,且敏感度、特异度高,有望成为早期诊断AMI新的生物标志物。

2.2 cMyBP-C与肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy,HCM)

HCM是一种遗传性心肌病,以左心室肥厚、心肌细胞紊乱及心肌纤维化为特点。目前,已发现有26个致病基因和1 500多个突变位点与HCM有关,其中以cMyBP-C基因及β-肌球蛋白重链基因突变最常见,合计约占家族性HCM患者的50%[23]。多数cMyBP-C基因突变是截短突变,包括杂合移码、无意义或剪接位点突变,可产生过早终止密码子,大多数cMyBP-C基因突变可导致RNA降解和cMyBP-C蛋白表达降低,进而引起不同程度的心肌收缩功能障碍,最终导致HCM的发生[24]。

TOEPFER等[25]研究发现,人类和小鼠MYBPC3突变破坏了正常的肌球蛋白构象,导致心肌收缩、舒张功能障碍,出现心室肥厚、心肌细胞紊乱和心肌纤维化等HCM特点;这表明cMyBP-C单倍体功能不全是HCM的基本病理机制。PRONDZYNSKI等[26]使用基因转移技术,将全长MYBPC3 cDNA导入由MYBPC3基因突变导致HCM患者的多能干细胞衍生心肌细胞中,结果表明,通过提高cMyBP-C水平可部分纠正cMyBP-C单倍体功能不全并抑制心肌细胞肥大;这表明,MYBPC3基因突变可降低HCM患者心肌细胞中cMyBP-C水平, cMyBP-C在防止心肌肥大和功能障碍方面可发挥一定作用。

HCM也是年轻人心源性猝死的主要原因之一,其分子机制尚不清楚,有研究发现,动作电位延长是肥大的心脏容易发生心源性猝死的一个共同特征[27]。TOIB等[28]通过敲除cMyBP-C基因来诱导HCM小鼠,结果发现,与对照小鼠相比,cMyBP-C基因敲除小鼠出现心室肌细胞肥大、组织纤维化和收缩功能障碍,遥测心电图记录显示,cMyBP-C基因敲除小鼠表现出QT间期延长和明显的室性心律失常;进一步的全细胞电流和电压钳实验显示,cMyBP-C基因敲除小鼠心室肌细胞复极化K+电流明显减少,动作电位显著延长,这说明,cMyBP-C基因缺失可增加HCM小鼠心律失常易感性和心源性猝死风险。

2.3 cMyBP-C与限制型心肌病(restrictive cardiomyopathy,RCM)

RCM是一种以限制性左心室病理生理学表现为特点,包括心内膜纤维化、心室壁僵硬度增加、舒张功能障碍和充盈受限,且病因和组织学特征最广泛的心肌病[29]。RCM具有遗传异质性,主要表现为常染色体显性遗传,来自肌节蛋白的MYBPC3基因突变是RCM的病因之一[30]。WU等[31]研究认为,在HCM患者中,MYBPC3基因突变与疾病晚发性相关,且临床预后良好,而在RCM患者中,MYBPC3基因突变可导致严重的心室舒张功能障碍;通过高通量DNA测序发现,MYBPC3基因突变与家族性和散发性RCM有关。PARK等[32]通过基因测序发现,不同个体中相同的MYBPC3基因突变会导致一个家庭呈现不同的心肌病,如特发性RCM和HCM;这表明,MYBPC3基因突变与RCM和HCM均有关,提示RCM与HCM存在临床和遗传重叠。

2.4 cMyBP-C与扩张型心肌病(dilated cardiomyopathy,DCM)

DCM是一种以左心室或双心室扩张伴收缩功能障碍为特点的心肌病。DCM具有基因突变或家族遗传背景,主要是常染色体显性遗传。到目前为止,已在大约40个导致DCM的基因中发现了致病变异,其中cMyBP-C基因突变就与DCM有关[33]。有研究发现,携带cMyBP-C等位基因突变的纯合子小鼠出生时左心室扩张和收缩功能降低,表现为进行性DCM,具有明显的心肌细胞肥大、肌原纤维紊乱和营养不良性钙化等组织病理学改变,表明MYBPC3基因突变与DCM的发生发展有关[34]。LYNCH等[35]比较纯合型cMyBP-C基因突变小鼠与野生型小鼠发现,MYBPC3基因突变的小鼠出现左心室内径增大、心肌纤维化及心脏扩张等DCM特征,且促炎性巨噬细胞显著增多,这可能是MYBPC3基因突变导致的炎症引起cMyBP-C蛋白结构、功能改变,最终导致DCM的发生。

2.5 cMyBP-C与HF

HF是所有心血管疾病的终末期表现,其早期诊断对于患者治疗方案的选择和预后评估具有重要意义[36]。目前,氨基末端B型利钠肽前体是HF早期识别、诊断及预后判断的最主要生物标志物[37]。近年来发现, cMyBP-C可能也参与HF的发生发展过程。

HOU等[38]研究发现,HF大鼠体内的cMyBP-C磷酸化水平降低,通过使用cMyBP-C肽增加cMyBP-C磷酸化水平,可以改善HF时的心肌收缩力。已有研究证实,cMyBP-C是心肌舒张的关键介质,其可以通过磷酸化或去磷酸化调节横桥循环速率,维持心肌正常舒张功能;cMyBP-C表达缺失或磷酸化水平降低都可以引起心肌舒张功能障碍[39]。ROSAS等[40]研究发现,非磷酸化cMyBP-C小鼠出现活动耐力下降、心脏肥大、肺水肿和B型利钠肽水平升高等HF症状;超声心动图和压力/容量测量表现为心脏舒张功能障碍的射血分数保留性HF。另有研究发现,非磷酸化cMyBP-C使β肾上腺素能介导的心脏收缩舒张储备受损,导致心脏收缩射血和舒张充盈失衡;通过提高cMyBP-C磷酸化水平增强β肾上腺素能刺激,可以增强心脏功能、改善心脏血流动力学[41]。以上研究表明,cMyBP-C是调节心脏收缩舒张功能的重要物质,cMyBP-C磷酸化降低与HF发生有关,cMyBP-C磷酸化状态的调节可能成为一种改善HF时心脏功能的治疗方法。

2.6 cMyBP-C与AS

AS是一种常见的心脏瓣膜病,可引起呼吸困难、心绞痛、晕厥等症状,甚至导致HF、猝死等严重并发症。临床上早期、精确识别AS,对及早干预及延缓该病进展至关重要。

ANAND等[42]研究发现,即使在调整了cTn水平后,血清中cMyBP-C水平也与AS较差的预后有关;该研究还发现,在接受瓣膜置换的AS患者中,cMyBP-C水平与心肌细胞坏死有关,而心肌细胞坏死又是晚期AS从心肌肥厚进展为心肌纤维化的主要特征,表明cMyBP-C的释放是AS引起心肌肥厚的直接后果;这提示,cMyBP-C可能成为AS后心肌损伤、肥厚及纤维化的新的生物学标志物。COPELAND等[43]选取因AS而接受瓣膜置换手术以减轻压力负荷过重患者的心肌活检样本(压力超负荷患者的左心室流出道压力梯度为30～100 mm Hg,1 mm Hg=0.133 kPa),测定压力超负荷的心肌中的cMyBP-C磷酸化水平,结果显示,压力负荷过重心肌样本的cMyBP-C磷酸化水平降低,表明cMyBP-C磷酸化水平减少与AS后压力超负荷有关。目前,关于cMyBP-C在其他心脏瓣膜病中的作用研究报道较少,需要进一步深入探讨。

2.7 cMyBP-C与高血压心肌肥厚

高血压是心脑血管疾病的重要危险因素,左心室心肌肥厚是高血压常见的靶器官损害,其可以导致严重HF和恶性心律失常的发生。高血压心肌肥厚主要表现为左心室心肌对称性肥厚,其形成与神经体液、血流动力学、基因及环境等多种因素有关[44]。由于高血压左心室心肌肥厚与HCM引起的左心室肥厚均有基因突变参与[45],因此cMyBP-C基因突变可能参与高血压心肌肥厚的过程。有研究显示,神经元一氧化氮合酶介导cMyBP-C磷酸化的主要作用是调节Ca2+敏感性,通过抑制一氧化氮合酶对肌丝Ca2+进行脱敏处理后,高血压小鼠左心室心肌细胞中MYBPC3基因突变可导致cMyBP-C磷酸化改变,影响肌球蛋白与肌动蛋白结合,从而引起心肌肥厚[46];这表明,cMyBP-C基因突变引起的高血压左心室心肌肥厚可能与突变位点影响cMyBP-C磷酸化及收缩蛋白之间相互作用有关。

2.8 cMyBP-C与心肌炎

心肌炎是一种以心肌细胞破坏、间质炎症细胞浸润和纤维化为特征的炎症性疾病,其临床表现多样,可从无症状到严重HF、难治性心律失常和心源性休克。研究发现,cMyBP-C可能与心肌炎的发生有关。在心肌损伤时cMyBP-C可作为钙蛋白酶的水解底物,通过去磷酸化被降解,并释放出N末端的C0C1f片段进入血液循环,刺激机体炎症反应及自身抗体产生,导致心肌炎和进行性心脏功能障碍发生[47]。有研究证实,cMyBP-C降解产物C0C1f片段在心脏组织内具有致病性[48]。GOVINDAN等[49]通过使用全长cMyBP-C和C0C1f片段对新生大鼠心肌细胞进行腺病毒感染发现,C0C1f片段含有参与调节肌球蛋白与肌动蛋白相互作用的乙酰化位点;另外C0C1f的表达明显增加乳酸脱氢酶的释放,而乳酸脱氢酶是细胞损伤加重的指标,提示该片段可能对心肌细胞有毒性作用。LIPPS等[50]使用小鼠骨髓衍生巨噬细胞和人类单核细胞研究C0C1f对巨噬细胞/单核细胞的活化作用发现,C0C1f可促使巨噬细胞中Toll样受体2、Toll样受体4及糖基化终产物特异性受体依赖的核因子-κB信号通路激活,而核因子-κB信号通路是促炎信号级联的核心环节,其通过诱导炎症细胞因子上调来引发心肌炎症。因此,cMyBP-C降解和C0C1f片段释放可能是心肌发生炎症的关键因素,通过抑制cMyBP-C降解或调控C0C1f信号转导通路,进而调节炎症反应,可能为改善心肌炎提供潜在治疗策略。

3 结论

cMyBP-C作为心脏特有的粗肌丝结构及调节蛋白,参与多种心血管疾病的病理生理过程。目前已有研究表明,cMyBP-C在AMI、心肌病、HF、AS、高血压心肌肥厚、心肌炎等心血管疾病的发生、发展过程中发挥重要作用,未来通过对cMyBP-C的进一步研究,有望为心血管疾病的诊断、治疗及预后评估提供新的策略,从而提高心血管疾病患者的生存率。