心肌肌漿網鈣泵2a與心力衰竭

史孟松，曲輔政（綜述），劉志華（審校）

（1．濱州醫學院附屬煙臺市牟平人民醫院心內科，山東煙臺 264100;2．蘇州大學附屬第一醫院心內科，江蘇蘇州， 215006）

慢性心力衰竭是各種心臟結構或功能性疾病導致心室充盈和（或）射血能力受損而引起的一組綜合征;因致死率、致殘率高，一直是臨床研究的重點［1］。從分子生物角度研究認為心力衰竭的本質是心肌組織細胞中某些相關基因表達與調控異常而引起的超負荷心臟病。當今國內外對慢性心力衰竭病理生理的研究更多集中于心肌興奮收縮的鈣循環環節。鈣循環過程主要包括心肌肌漿網鈣釋放、鈣回攝、鈣儲存3個過程。在這些過程中心肌肌漿網鈣泵2a（sarcoplasmic reticuluMcalciuMadenodine triphosphatase 2a，SERCA2a）起主要作用，它的活性和功能直接影響心肌舒縮功能［2］。

1 SERCA2a的結構和分布

SERCA2是一個跨膜蛋白，屬肌漿網SERCA家族，分為SERCA2a和SERCA2b兩個亞型。SERCA2a蛋白主要在心肌和慢速收縮骨骼肌中表達，是心肌肌漿網中含量最豐富的蛋白，占肌漿網總蛋白的40%;SERCA2b分布廣泛，是平滑肌和非肌性組織中主要表達的蛋白［3］。

SERCA2a表達水平隨年齡及體內甲狀腺素水平變化而變化，甲狀腺素水平升高的大鼠和小鼠心臟中SERCA2a表達增加，并且心肌收縮力明顯增加，而甲狀腺素水平低下者則相反［4］。動物在發育過程中，心室心肌細胞的SERCA2a表達水平逐漸增高，但在成年個體中SERCA2a表達水平不穩定，在老年實驗動物和老人心肌細胞中，SERCA2a的水平和活性下降，這種下降與延長的心室收縮期和下降的心肌功能有關。

2 SERCA2a的功能

SERCA2a在心肌舒縮中起重要作用。在收縮期，動作電位促使少量Ca2+通過肌纖維膜L型Ca2+通道進入細胞內，繼而導致大量Ca2+通過Ca2+釋放通道從肌漿網中釋放出來，Ca2+和肌鈣蛋白C結合，引起心肌細胞收縮;游離的細胞內Ca2+濃度決定了心肌細胞興奮程度，進而調節心肌收縮力。舒張期，SERCA2a將Ca2+攝入肌漿網，同時細胞膜上的Na+/Ca2+交換體和Ca2+泵將Ca2+轉運至細胞外，細胞漿中Ca2+濃度顯著下降，導致心肌細胞舒張;肌漿中Ca2+濃度的快速下降是心肌細胞舒張的決定因素［5］。在心肌細胞肌漿網中，Ca2+主要結合在Ca2+儲存蛋白。在多數哺乳動物的心臟舒張期，70%以上的Ca2+通過SERCA2a轉運至肌漿網，導致心肌舒張，并為下一次收縮儲備 Ca2+［6］。

3 SERCA2a功能的調節

目前研究認為機體具有兩種調節SERCA2a功能的機制，包括直接和間接調節，間接調節發揮主要的調節作用:鈣調蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ（calcium/calmodulin-dependent protein kinase-Ⅱ，CaMKⅡ）發揮直接調節作用，受磷蛋白（phospholamban，PLB）發揮間接作用［7］。

3．1 CaMKⅡ的結構及功能 CaMKⅡ家族是絲/蘇氨酸蛋白酶，受鈣調蛋白（Calmodulin，CaM）調節。哺乳動物中CaMKⅡ由4種不同基因別編碼α、β、γ、δ4種亞基，其中δ亞基是CaMKⅡ在心肌中的主要成分［8］。CaMKⅡ亞基包含3個結構域:氨基端的催化結構域、羧基端耦聯區及亞基中央區的調節結構域。其中調節結構域又包括部分相互重疊的自身抑制區和鈣調蛋白結合區。當Ca2+缺乏時，自身抑制區和催化結構域結合，維持激酶構象處于無活性狀態，阻止底物蛋白和Mg2+/ATP結合到酶催化中心;當胞內Ca2+水平升高時，促進Ca2+與鈣調蛋白的結合，兩者進一步結合到鈣調蛋白結合區，引起激酶構象改變，自身抑制區失活，Mg2+/ATP可結合到酶催化結構域，從而激活CaMKⅡ而起催化作用。CaMKⅡ活化時δ亞基自身調節域中的自身磷酸化位點是Thr287、Thr306/Thr307;與 Ca2+/CaM結合后，Thr287自身磷酸化，并產生CaMKⅡ的自主活性，繼之CaMKⅡ與Ca2+/CaM解離，Thr306/Thr307再磷酸化，阻止與Ca2+/CaM再次結合，防止酶的進一步活化。

每個CaMKⅡ亞基又各自存在多種剪接體。在心臟中δ亞基的不同剪接體主要包括δB和δC，其中δB主要分布于細胞核中，可能與病理狀態下調控基因轉錄密切相關;δc則主要定位于細胞質中，集中在心肌細胞Z帶T小管的胞質面，與RyR、L-型鈣通道相鄰，參與Ca2+依賴的信號轉導途徑，同時可磷酸化調控胞質中的Ca2+調節蛋白，影響胞內鈣穩態，從而在心律失常、心肌肥厚、心力衰竭發生中起著重要的作用［9］。

CaMKⅡ作用于肌漿網上的底物主要是通過錨定蛋白完成的，錨定蛋白N端和CaMKⅡ的C端結合，使其直接固定在肌漿網膜上。CaMKⅡ對SERCA2a蛋白進行磷酸化，位點誘變研究確定CaMKⅡ磷酸化SERCA2a的位點在38-絲氨酸位點。CaMKⅡ介導的SERCA2a磷酸化能夠增加肌漿網的Ca2+回收速度并增加心肌舒張速率［10］。

3．2 PLB對SERCA2a的調節 PLB是單基因產物，由52個氨基酸構成，主要在心肌細胞中表達。PLB發揮功能時是以5個相同受磷蛋白組成寡聚體的形式來實現的。PLB是一個跨膜蛋白，分為兩個主要區域:一個區域為親水性的，含有胞質部分和3個磷酸化位點;而另一個區域為疏水區域，此區域嵌入心肌肌漿網膜內。PLB主要通過親水區域對SERCA2a發揮調節作用，親水區含有3個磷酸化位點:①絲氨酸16（Ser-16），可被cAMP依賴的蛋白激酶A磷酸化。②蘇氨酸17（Thr-17），可被CaMKⅡ磷酸化。③絲氨酸10（Ser-10），可被Ca2+磷脂依賴的蛋白激酶磷酸化［11］。

研究表明，PLB的Ser-16和潛在的Thr-17對調節SERCA2a功能起到主要作用，但Ser-16的磷酸化似乎更重要。而Ser-10如果起作用，也是僅僅起到可忽視的調節肌漿網鈣轉運的功能。Kiss等［12］認為PLB調節SERCA2a可能存在兩種方式:一種為快速短效作用，包括PLB磷酸化和SERCA2a活動的抑制;另一種為緩慢而長期的作用，通過控制PLB的表達來調節PLB/SERCA2a比率的變化。

磷酸化的PLB與SERCA2a解離，減輕對SERCA2a的抑制，導致SERCA2a對Ca2+轉運速率增加。去磷酸化的PLB與SERCA2a結合，通過蛋白-蛋白之間的相互作用，抑制SERCA2a與Ca2+的親和力，降低SERCA2a的活性。PLB的去磷酸化由蛋白磷酸酶1（protein phosphatase，PP1）和 PP2A。

4 SERCA2a與心力衰竭

心力衰竭時鈣泵功能受損降低，Ca2+攝取下降，SERCA2amRNA、蛋白水平降低［13］。目前已在不同的心力衰竭動物模型中研究SERCA2a，最常用的模型是患遺傳性心肌病的敘利亞倉鼠。擴張型心肌病的敘利亞倉鼠肌漿網鈣泵的蛋白表達和活性下降［14］。在左側冠狀動脈狹窄的4、8和16周形成心肌梗死的大鼠模型中，隨著心力衰竭程度的加重，肌漿網鈣泵mRNA和蛋白水平也下降，肌漿網鈣泵的活性比蛋白水平下降更明顯［15］。在犬快速起搏誘導的心力衰竭模型、超容量負荷及壓力負荷制作的家兔心力衰竭模型以及人類終末期心力衰竭的心肌中都發現，SERCA2a表達下降，且SERCA2a mRNA的水平與心功能指數呈正相關［16］。

主動脈結扎后產生壓力超負荷誘導力衰竭的研究發現，鼠和豚鼠的PLB mRNA和蛋白質水平降低。在人類終末期心力衰竭的心肌中也發現PLB表達下降。另外，心力衰竭時交感腎上腺素能神經系統興奮，高濃度兒茶酚胺長期慢性刺激引起心肌β腎上腺能受體密度降低，cAMP水平降低，PKA活性下降。β腎上腺能受體密度下調引起PP1抑制劑活性降低，從而導致PP1α的表達和活性增高。蛋白激酶A表達降低和PP1α表達增高引起PLB去磷酸化程度增加，進一步引起SERCA2a活性降低。

CaMKⅡ在心肌肥厚和心力衰竭過程中發揮重要作用。一些實驗表明細胞核中的CaMKⅡδB、細胞質的CaMKⅡδC能夠誘導心肌肥厚形成及心力衰竭的發生。在體研究表明擴張性心肌病患者心肌組織CaMKⅡ的活性升高，且與心功能變化呈負相關［17］。

心肌細胞凋亡是心力衰竭的機制之一，CaMKⅡ能夠傳導凋亡信號，如選擇性抑制CaMKⅡ，能夠明顯抑制腫瘤壞死因子α導致的凋亡。β腎上腺素可通過CaMKⅡ傳導的通路導致成年心肌凋亡，胞質δC過度表達能放大β腎上腺素的凋亡效果。δC轉基因大鼠發生心力衰竭伴有明顯心室變薄，也提示在CaMKⅡ的參與下發生凋亡。

5 SERCA2a與治療

目前糾正心力衰竭時，主要采取基因治療的辦法增加肌漿網對Ca2+的攝取，包括:促進SERCA2a蛋白表達，提高SERCA2a功能;增加磷酸化的PLB蛋白表達和其功能。促進SERCA2a蛋白表達主要采取導入能夠促進其蛋白表達的基因方法［18］。有研究［19］使用腺病毒載體，促進大鼠心肌表達SERCA2a蛋白，使主動脈狹窄心力衰竭模型的心功能正?；?，且經過1個月的病情觀察，生存率也得以改善。將表達SERCA2a的基因轉入分離的心力衰竭末期人心肌細胞中，心肌細胞收縮與舒張速度明顯加快，達到了正常心肌細胞的水平，且強烈表達SERCA2a的衰竭心肌細胞對刺激反應頻率也增加了［20］。國內郭豫濤等［21］用SERCA2a修飾的骨髓干細胞移植治療力衰竭大鼠，發現力衰竭大鼠室腔縮小，室壁增厚顯著改善，大鼠收縮和舒張功能明顯提高。

Li等［22］使用將近似于第16位 Ser磷酸化狀態的PLB的變異體（S16EPLB）嵌入副腺病毒（AAv2）載體，將基因導入BIO14．6心肌病倉鼠及大鼠心肌梗死后心力衰竭模型，心功能得到長期改善，心肌間質纖維化減少，左心室重構受到抑制。

作為具有直接糾正這些肌漿網鈣調蛋白異常作用的藥物，有報道指出藥物MCC-135可以使SERCA2a的泵功能亢進，并提高Na+-Ca2+交換泵的作用，但其詳細的分子機制仍不清楚，目前還處于臨床實驗階段［23］。PP1是心肌細胞內負責去磷酸化的主要磷酸激酶之一，心力衰竭時其活性升高，降低靶蛋白的磷酸化，成為心肌收縮力下降的原因。有研究指出，導入抑制PP1活性升高的內源性蛋白基因后，可以抑制心力衰竭模型的心功能惡化。在倉鼠心力衰竭模型的心臟導入內源性PP1阻斷蛋白——抑制蛋白2后，取得了長期心功能改善效果和改善預后效果，支持心力衰竭時PP1活性亢進是促進心功能惡化的想法［24］。但是，PP1是一種在全身組織普遍存在的蛋白，并且現在的PP1阻斷劑可以同時阻斷PP2A，誘導細胞死亡，不能直接作為心力衰竭的治療藥物使用。

6 結語

慢性心力衰竭是21世紀心血管醫師面臨的重大挑戰之一。對心力衰竭機制的了解日益深入，也給心力衰竭治療帶來新的方向。心肌肌漿網鈣泵及其相關蛋白的異常是心力衰竭的機制之一，以此作為研究靶點，將為人類征服心力衰竭開辟一條光明的新途徑。

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