鈣蛋白酶在COPD患者慢性缺氧性骨骼肌萎縮中的作用

摘要：多種原因均可誘發COPD患者骨骼肌萎縮，缺氧是一個重要因素。骨骼肌萎縮最終是因為蛋白質的降解大于合成，蛋白質降解是多條途徑共同作用的結果，鈣蛋白酶是其中重要的途徑。在缺氧條件下細胞內鈣離子濃度升高，可使鈣蛋白酶過度激活，骨骼肌蛋白降解增加，導致骨骼肌萎縮。雖然已有實驗證明缺氧性骨骼肌萎縮中鈣蛋白酶活性增強，但這方面的研究并不多，仍進行深入研究。

關鍵詞：鈣蛋白酶；缺氧；鈣離子；骨骼肌萎縮

1 鈣蛋白酶簡介

鈣蛋白酶（Calpains）是細胞內一類鈣依賴的半胱氨酸蛋白酶，由大亞基（催化區，80kd）和小亞基（調節區，30kd）組成，大亞基由4個結構域組成，結構域Ⅱ是表現水解活性的關鍵部位 ，結構域Ⅳ，是鈣離子結合部位，結構域I和結構域Ⅲ可能起活性調節作用。它在許多疾病病程中均發揮作用，可能成為這些疾病用藥的靶點。

2 缺氧與鈣蛋白酶

2.1缺氧與鈣離子的關系 線粒體和內質網是細胞內鈣貯存庫。鈣離子從細胞外進入或從鈣庫中釋放，都可增加胞漿鈣濃度。缺氧下細胞內鈣離子濃度升高，與鈣離子轉運的多種機制有關，鈣泵活性抑制是其中一個因素。細胞膜鈣泵是鈣離子外排系統，每消耗一個ATP將兩個鈣離子轉運到細胞外。缺氧時ATP含量降低，鈣泵的活性降低[1]。內質網鈣泵是將鈣離子從胞漿泵入內質網。缺氧時無氧代謝增加細胞內酸中毒，內質網鈣泵活性被抑制[2]。

2.2鈣離子與鈣蛋白酶活性的關系 鈣蛋白酶活性主要受鈣離子濃度、鈣蛋白酶抑制蛋白負性調節、鈣蛋白酶激活蛋白正性調節等的調節。其中鈣離子濃度的作用最為重要，只有在鈣離子存在的情況下鈣蛋白酶才被激活，生理狀態下，細胞內鈣離子濃度低，鈣蛋白酶活性低，病理狀態下，細胞內鈣離子濃度升高，鈣蛋白酶活性增強，對蛋白質降解增加。

以上提示，缺氧條件下細胞內鈣離子濃度升高，鈣蛋白酶活性增強。

3 鈣蛋白酶活性增強導致骨骼肌萎縮

3.1骨骼肌萎縮機制 骨骼肌萎縮是指肌肉體積較正常縮小，肌纖維變細甚至消失，是慢性阻塞性肺疾病嚴重的肺外表現。發生機制雖不完全清楚，但最終是由于骨骼肌蛋白質的降解速率大于合成速率，導致蛋白質整體降低[3]。其中肌動蛋白和肌球蛋白占肌原纖維的50%～70%[4]，肌纖維收縮功能障礙主要它們的減少有關。目前所知骨骼肌蛋白的水解途徑主要包括鈣蛋白酶途徑，泛素-蛋白酶體途徑，溶酶體途徑，caspase途徑等。

3.2鈣蛋白酶在骨骼肌萎縮中的作用 當各種原因引起細胞內鈣離子濃度上升達到所需濃度時，鈣蛋白酶系統被激活，相對于已知的其他途徑，鈣蛋白酶途徑最早發揮作用[5]。它由三部分組成：鈣蛋白酶、鈣蛋白酶抑制蛋白和鈣蛋白酶激活蛋白。其中起主要作用的是鈣蛋白酶，鈣蛋白酶抑制蛋白和激活蛋白是通過對鈣蛋白酶的負性和正性調節而起作用。在骨骼肌中，大多數鈣蛋白酶的定位靠近肌原纖維Z盤，通過降解肌絲鏈接蛋白使Z盤斷裂，肌動蛋白和肌球蛋白從肌纖維上脫落下來[4，5]，簡單來說就是將完整的肌原纖維劈開，使肌原纖維蛋白釋放，而后泛素-蛋白酶體等途徑才能發揮作用，將蛋白徹底降解。

多項實驗均證實鈣蛋白酶活性增強，使肌原纖維蛋白分解增加，最終導致骨骼肌萎縮的發生。Celli等通過阻斷鈣離子通道抑制了鈣蛋白酶活性，發現小鼠肌纖維降解程度降低。Tidball等發現，鈣蛋白酶抑制蛋白的過量表達可抑制鈣蛋白酶活性，使轉基因小鼠肌萎縮速度下降30%。

4 鈣蛋白酶與COPD慢性缺氧性骨骼肌萎縮

4.1慢性缺氧導致COPD患者骨骼肌萎縮 目前已有多項實驗明確指出COPD患者慢性缺氧可導致骨骼肌萎縮。

Theije等研究發現低氧血癥與COPD患者骨骼肌萎縮密切相關，輕、重度缺氧的COPD患者均觀察到有肌肉萎縮，通過建立動物模型進一步研究證實，缺氧加重可導致肌肉蛋白水解增強。高原環境的特點是低壓缺氧，Boyer等研究發現高海拔環境下肌肉蛋白水解增強，誘導肌肉萎縮。Ermolao等研究發現高海拔環境下肌肉減少與暴露時間、海拔高度有關。

4.2鈣蛋白酶參與COPD患者慢性缺氧性骨骼肌萎縮 已有實驗證實鈣蛋白酶在慢性缺氧引起的心肌和平滑肌蛋白降解中發揮作用。但鈣蛋白酶參與慢性缺氧性骨骼肌萎縮的研究并不多見。

衛星細胞是公認的骨骼肌干細胞，負責骨骼肌生長和修復，Yang等通過研究牛衛星細胞缺氧和肌細胞生成中蛋白水解酶mRNAs和蛋白質的改變，證實缺氧下鈣蛋白酶1（u-calpain）、鈣蛋白酶抑制蛋白表達增強。為證實鈣蛋白酶途徑參與肌細胞生成提供了一定的依據。

Chaudhary等研究發現，缺氧條件下大鼠的鈣蛋白酶活性比正常對照組高約3倍，骨骼肌蛋白的降解比合成高約1.5倍，且顯微鏡下缺氧14d比缺氧7d的小鼠觀察到更多的肌肉纖維萎縮。這項研究強有力的證實，鈣蛋白酶在缺氧環境下蛋白質降解導致骨骼肌萎縮中起重要作用。

目前缺氧性骨骼肌萎縮的詳細機制仍不清楚，鈣蛋白酶只是其中一個重要途徑。現有研究提示，COPD患者在缺氧條件下細胞內鈣離子濃度升高，使鈣蛋白酶活性增強，而鈣蛋白酶活性增強可加強骨骼肌蛋白的降解。表明鈣蛋白酶在COPD患者缺氧性骨骼肌萎縮中發揮作用。但它的機制仍需進行進一步研究。

5 結語

COPD患者缺氧性骨骼肌萎縮與多條途徑有關，鈣蛋白酶是其中一個重要途徑，雖然已有實驗證明缺氧性骨骼肌萎縮中鈣蛋白酶活性增強，但這方面的研究并不多，仍需我們進一步深入研究。對藥物研發、臨床診治、改善預后、提高生存率等方面都有重要的作用，可能為COPD患者帶來新的希望。

參考文獻：

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[4]Koh T J，Tidball J G.Nitric oxide inhibits calpain-mediated proteolysis of talin in skeletal muscle cells[J].American Journal of Physiology-Cell Physiology，2000，279（3）：C806-C812.

[5]Goll D E，Thompson V F，Li H，et al.The calpain system[J].Physiological reviews，2003，83（3）：731-801.編輯/哈濤