S100A1蛋白基因治療心力衰竭的研究進展

陳煥　綜述　鄧平　審校

(1.南華大學，湖南　衡陽421001；2.長沙市中心醫院心內科，湖南 長沙410004)

?

S100A1蛋白基因治療心力衰竭的研究進展

陳煥1,2綜述鄧平2審校

(1.南華大學，湖南衡陽421001；2.長沙市中心醫院心內科，湖南 長沙410004)

【摘要】心力衰竭是各種心臟疾病發展的終末階段。S100A1蛋白高度特異性表達于心肌細胞，在心力衰竭時，其表達明顯降低。S100A1蛋白可具有抑制心肌程序性細胞死亡、逆轉心肌重構、改善心肌細胞能量供應及增強心肌細胞收縮力的作用。近年來，許多研究發現S100A1蛋白高表達可用于治療心力衰竭。

【關鍵詞】S100A1蛋白；心力衰竭；基因治療

心力衰竭是各種心臟疾病發展的最終歸宿，也是心臟疾病主要的死亡原因。盡管心力衰竭的治療取得了很大的進步，但目前心力衰竭仍有很高的患病率和病死率。鈣離子(Ca2+)循環失衡是心力衰竭發生發展的主要決定因素。S100A1蛋白是心肌細胞內Ca2+結合的主要蛋白，可調節肌質網、肌節、線粒體功能改善心功能。S100A1基因治療心力衰竭作為未來治療心力衰竭的新策略日益引起大家的關注。現就S100A1蛋白的生物學特性及其基因治療心力衰竭的機制和臨床進展做一綜述。

1S100A1蛋白的生物學特性

S100A1蛋白是S100家族中的一員。S100蛋白是一種鈣結合蛋白，通過控制鈣內流起到調節一系列細胞生物學效應的作用如：細胞收縮、程序性細胞死亡和基因表達[1]。1965年，在牛的體內發現S100蛋白，人類S100蛋白基因主要位于染色體1q21，并且以阿拉伯數字命名(A100A1-A100A16)[2]。S100A1蛋白單體的分子量10 kD(≈1.0×104)。S100A1蛋白在體內主要以由2個亞單位組成的同源二聚體形式存在，有2個EF手型結構，中間以鉸鏈區鏈接，EF手型結構包括一個氨基末端和一個羧基末端，其中羧基末端為Ca2+結合位點。當Ca2+與EF手型結構結合后，S100A1蛋白將發生構型改變，從而暴露出疏水裂隙，這個疏水裂隙被認為是S100A1靶蛋白的結合位點。而且，A100A1蛋白對Ca2+的親和力與羧基末端氧化還原及一氧化氮(nitric oxide, NO)的翻譯后修飾有密切關系[3-4]。A100A1蛋白主要表達于心肌細胞，其中以左心室為主，右心室及心房僅有少量表達。S100A1蛋白在心肌細胞內以亞細胞定位，主要表達于肌質網、肌節及線粒體中。

2S100A1蛋白與心力衰竭的關系及機制

心力衰竭時S100A1蛋白的表達及其信使RNA(messenger RNA, mRNA)水平明顯下降，且下降幅度與心力衰竭的程度呈正相關[5]。心力衰竭時，內皮素-1(endothelin-1，ET-1)和苯腎上腺素表達增加，而ET-1和苯腎上腺素可降低體內S100A1蛋白mRNA水平，導致心力衰竭時S100A1蛋白表達量下降。維持正常的心功能至少需要有50%的S100A1蛋白[6]。S100A1蛋白高表達能夠阻止小鼠心肌缺血后心力衰竭的發展，降低心肌梗死后心力衰竭的病死率[7]，S100A1蛋白抗心力衰竭的作用機制主要有6點。

2.1調節心肌細胞Ca2+平衡

可概括為2點：(1)控制肌質網內Ca2+轉運：S100A1蛋白可增強肌質網Ca2+-ATP酶(sarcoplasmic reticulum Ca2+ATPase，SERCA2)活性和調節心肌ryanodine受體(ryanodine receptor 2，RyR2)的功能，從而控制心肌細胞內Ca2+平衡，發揮調節心肌收縮與舒張的功能[8]。SERCA2可將釋放入細胞質的Ca2+重新攝入至肌質網內，為下一次心室收縮提供Ca2+；同時，當肌質網攝入Ca2+時，胞質內Ca2+降低，使心室肌舒張[9]。當心力衰竭時，ET-1和苯腎上腺素可抑制SERCA2的mRNA表達，使得SERCA2介導的Ca2+循環減少，導致心臟的收縮與舒張功能下降。S100A1蛋白可以與SERCA2/受磷蛋白復合體相互作用，增強SERCA2活性[10]。RyR2是Ca2+通道釋放受體，S100A1蛋白對RyR2的調節是雙向的；在收縮期，S100A1蛋白可活化RyR2受體，促進肌質網釋放Ca2+至胞質，增強心肌收縮功能；在舒張期，S100A1蛋白可抑制RyR2受體開放，減少肌質網Ca2+漏出，改善心肌舒張功能[11]。

2.2調節肌節的僵硬度及其對Ca2+的敏感性

肌聯蛋白被稱為巨蛋白，是介導心肌細胞產生被動張力的主要原因，具有維持肌原纖維松弛狀態、協助舒張期心室充盈的作用。肌聯蛋白有一個富含脯氨酸(Proline P)、谷氨酸(Glutamate E)、纈氨酸(Valine V)、賴氨酸(Kysine K)的結構域：PEVK幾個區，肌聯蛋白可通過該結構域與細肌絲相互作用，調節舒張期心肌的僵硬度[12]。高被動張力是舒張性心力衰竭的重要原因，在Ca2+參與下，S100A1蛋白可與PEVK區結合，降低被動張力，防止心室肌過度牽張[13]。此外，S100A1可調節肌絲對Ca2+的反應性及協調性，并成劑量依賴相關性[14]。

2.3調節線粒體的功能及能量代謝

維持正常的心功能不僅需要心肌細胞Ca2+平衡，而且需要充分的能量供應，當心力衰竭時，ATP與ADP比值明顯下降。S100A1蛋白可與線粒體ATP酶的F1亞基結合，使ATP酶活性增加，促進心肌細胞ATP合成。同時，S100A1蛋白可與線粒體腺嘌呤核苷酸轉運蛋白結合，調節線粒體基質及胞質中ADP與ATP之間的相互轉化，促進線粒體中ATP釋放入細胞質，調節心肌細胞能量代謝[15]。此外，S100A1蛋白還可通過增加胞質內Ca2+的轉運來增加異檸檬酸脫氫酶活性和線粒體內還原型輔酶生成，從而促進三羧酸循環，為心肌細胞能量代謝提供能量[16]。

2.4抑制心肌程序性細胞死亡

Most等[9]通過實驗發現：在體外，S100A1蛋白具有抑制心肌程序性細胞死亡的作用，其機制主要是S100A1蛋白可直接激活磷脂酶、C-蛋白激酶、C-絲裂原激活蛋白激酶1-細胞外信號調節激酶1/2(ERK1/2)信號通路，直接抑制過氧化氫介導的心肌程序性細胞死亡。此外，該實驗還發現當心肌細胞表達S100A1蛋白時會抑制S100B蛋白表達，而S100B蛋白被認為是慢性心力衰竭的獨立危險因素，具有促進心肌程序性細胞死亡的作用[17]。

2.5抑制心肌重構

心肌肥厚的過程也就是心肌重構的過程，S100A1蛋白被認為是抗心肌肥厚蛋白，其表達量與心肌細胞直徑呈反比關系[18]。此外，S100A1蛋白高度表達時，心肌細胞肥厚標志物如心鈉素和α-肌動蛋白明顯減少。目前認為S100A1蛋白主要與通過抑制微血管聚集、改善心臟收縮功能有關。

2.6調節內皮型一氧化氮合酶活性

在心血管系統，生理劑量的NO具有抑制血小板聚集、擴張血管、抑制心肌程序性細胞死亡、維持心肌收縮功能的作用[19]。內皮型一氧化氮合酶(nitric oxide synthase,NOS)可促進血管內皮細胞釋放NO，而S100A1蛋白可通過Ca2+依賴途徑和蛋白激酶C途徑調節內皮型NOS活性，使血管內皮細胞NO維持在穩態[20]，發揮抗心力衰竭作用。

3A100A1蛋白基因治療心力衰竭模型及其臨床前景

S100A1蛋白基因靶向治療心力衰竭成為近10年基因治療研究的熱點。S100A1蛋白基因治療起源于對比研究S100A1蛋白轉基因[7]、基因敲除[21]和非轉基因野生型[7, 22]小鼠的急性心肌梗死模型。實驗發現，在同時遭遇心肌梗死后，S100A1蛋白轉基因小鼠生存率明顯高于非轉基因野生型小鼠，而S100A1蛋白基因敲除的小鼠在遭遇心肌缺血時早期病死率極高，大多數小鼠死于心肌收縮功能下降和惡性心律失常。實驗發現S100A1蛋白轉基因的小鼠心肌梗死后心功能明顯優于野生型小鼠，交感神經過度興奮、病理性心肌重塑和應激誘導的心肌程序性細胞死亡均低于野生型。相反，S100A1蛋白基因敲除的小鼠左心室心肌重構加速，心肌程序性細胞死亡加重，左心室收縮功能障礙，心力衰竭進程加快。利用腺病毒作為載體，S100A1蛋白在心肌的轉染率為30%～40%，這樣也具有明顯抑制心室重構，改善心肌缺血后左心室功能不全的作用[7]。 當S100A1蛋白以不同劑量(1.5～6倍)在遭受心肌梗死后的小鼠心肌細胞表達時，S100A1蛋白的殘余質量濃度的高低與左心室長期的收縮功能呈正相關[15]。

為了研究S100A1蛋白的基因治療心力衰竭的可行性及安全性，研究者選取了與人類心臟且基因治療所需要劑量更相似的活體豬作為試驗對象[22-23]，在氣囊閉塞左回旋支冠狀動脈致其心肌梗死2周后，當豬出現明顯左心室收縮功能障礙時，以較腺病毒作用更穩定、轉染更迅速、作用時間更長久且免疫反應更少的腺伴隨病毒(adenoviral associated vectors,AAV)作為載體，經冠狀靜脈逆行輸送AAV-S100A1蛋白至左心室心肌。以AAV熒光素酶和鹽水治療作為對照。在14周時，對照組心肌S100A1蛋白表達明顯下降，隨著左心室重構，心功能呈進行性惡化；AAV-S100A1蛋白治療組心肌S100A1蛋白水平恢復至心力衰竭前，能有效地預防和逆轉心肌重構，S100A1蛋白基因治療后，心肌細胞內Ca2 +循環、內質網的鈣處理和心肌能量供應趨于正常。同時，轉基因的限制性表達在心臟組織和心臟外器官功能顯示了良好的安全性[24]。

2011年，Brinks等[10]以27位嚴重心力衰竭患者的游離心肌細胞為標本，以腺病毒轉染S100A1蛋白為試驗組，單獨腺病毒感染為對照組，分別檢測兩組的心肌細胞收縮力、線粒體功能。觀察發現，轉染S100A1蛋白基因后，心肌細胞的收縮力、細胞收縮時Ca2+瞬時振幅、肌質網Ca2+負載明顯增加，標準化Ca2+瞬態衰減明顯減少，致心律失常性肌質網 Ca2+漏出減少，此外，受損的線粒體功能明顯改善，磷酸肌酸和三磷酸腺苷比值恢復。這個實驗首次在人類心肌細胞上證實了S100A1蛋白的基因治療的有效性。

當然，利用S100A1蛋白的基因治療心力衰竭仍需要解決許多問題，如：患者對AVV可能存在的免疫反應、S100A1蛋白的基因治療所需的安全有效劑量[25]、標準的動物模型不能充分反應心力衰竭患者在疾病不同階段S100A1蛋白基因表達的差異性等。

綜上所述，在臨床前期的研究中，S100A1蛋白具有抑制心肌程序性細胞死亡、逆轉心肌重構、平衡心肌能量代謝、改善心肌收縮與舒張功能等抗心力衰竭的作用，且無心肌毒性、致心律失常等不良反應[23]。雖然目前運用至臨床仍有許多問題需要解決，但S100A1蛋白基因治療心力衰竭仍具有良好的臨床前景。

[ 參 考 文 獻 ]

[1]Wright NT,Varney KM,Ellis KC,et al,The three-dimensional solution structure of Ca(2+)-bound S100A1 as determined by NMR spectroscopy[J].Mol Biol, 2005,353(2):410-426.

[2]Marenholz I, Heizmann CW, Fritz G. S100 proteins in mouse and man: from evolution to function and pathology (including an update of the nomenclature)[J].Biochem Biophys Res Commun,2004,322(4):1111-1122.

[3]Volkers M,Rohde D,Goodman C,et al.S100A1: a regulator of striated muscle sarcoplasmic reticulum Ca2+handling,sarcomeric, and mitochondrial function[J]. Biomed Biotechnol,2010,2010:178614.

[4]Lenarcic Zivkovic M,Zareba-Koziol M,Zhukova L,et al.Post-translational S-nitrosylation is an endogenous factor fine tuning the properties of human S100A1 protein[J].Biol Chem,2012,287(48):40457-40470.

[5]Bennett MK, Sweet WE, Baicker-McKnee S,et al. S100A1 in human heart failure: lack of recovery following left ventricular assist device support[J]. Circ Heart Fail,2014,7(4),612-618.

[6]Duarte-Costa S,Castro-Ferreira R,Neves JS,et al.S100A1: a major player in cardiovascular performance[J].Physiol Res,2014,63(6):669-681.

[7]Most P,Remppis A, Pleger ST, et al. Transgenic overexpression of the Ca2+binding protein S100A1 in the heart leads to increased in vivo myocardial contractile performance[J].Biol Chem,2003,278(5):33809-33817.

[8]Maxwell JT,Somasuntharam I,Gray WD,et al.Bioactive nanoparticles improve calcium handling in failing cardiac myocytes[J].Nanomedicine (Lond),2015,10(22):3343-3357.

[9]Most P, Seifert H, Gao E,et al.Cardiac S100A1 protein levels determine contractile performance and propensity toward heart failure after myocardial infarction[J].Circulation,2006,114(12):1258-1268.

[10]Brinks H, Rohde D, Voelkers M,et al. S100A1 genetically targeted therapy reverses dysfunction of human failing cardiomyocytes[J].J Am Coll Cardiol,2011,58(9): 966-973.

[11]V?lkers M,Loughrey CM,Macquaide N,et al.S100A1 decreases calcium spark frequency and alters their spatial characteristics in permeabilized adult ventricular cardiomyocytes[J].Cell Calcium,2007,41(2):135-143.

[12]LeWinter MM, Granzier H. Cardiac titin: a multifunctional giant[J]. Circulation, 2010,121(19):2137-2145.

[13]Fukushima H, Chung CS, Granzier H. Titin-isoform dependence of titin-actin interaction and its regulation by S100A1/Ca2+in skinned myocardium[J].Biomed Biotechnol,2010,2010:727239.

[14]Castro-Ferreira R, Fontes-Carvalho R, Falcao-Pires I, et al.The role of titin in the modulation of cardiac function and its pathophysiological implications[J]. Arq Bras Cardiol,2011,96(4):332-339.

[15]Rohde D,Brinks H, Ritterhoff J,et al.S100A1 gene therapy for heart failure: a novel strategy on the verge of clinical trials[J].Mol Cell Cardiol,2011,50(5):777-784.

[16]Boerries M, Most P, Gledhill JR,et al. Ca2+-dependent interaction of S100A1 with F1-ATPase leads to an increased ATP content in cardiomyocytes[J]. Mol Cell Biol,2007,27(12):4365-4373.

[17]Tsoporis JN,Mohammadzadeh F,Parker TG.S100B: a multifunctional role in cardiovascular pathophysiology[J].Amino Acids,2011,41(4):843-847.

[18]Ehlermann P,Remppis A,Guddat O,et al.Right ventricular upregulation of the Ca(2+) binding protein S100A1 in chronic pulmonary hypertension[J]. Biochim Biophys Acta,2000,1500(2): 249-255.

[19]Saraiva RM,Hare JM.Nitric oxide signaling in the cardiovascular system: implications for heart failure[J].Curr Opin Cardiol,2006,21(3):221-228.

[20]Rohde D,Busch M,Volkert A,et al.Cardiomyocytes, endothelial cells and cardiac fibroblasts: S100A1’s triple action in cardiovascular pathophysiology[J]. Future Cardiol,2015,11(3):309-321.

[21]Gusev K, Ackermann GE, Heizmann CW,et al. Ca(2+) signaling in mouse cardiomyocytes with ablated S100A1 protein[J].Gen Physiol Biophys 2009,28(4):371-383.

[22]Pleger ST, Shan C, Ksienzyk J, et al.Cardiac AAV9-S100A1 gene therapy rescues post-ischemic heart failure in a preclinical large animal model[J].Sci Transl Med, 2011,3(92):92ra64.

[23]Weber C,Neacsu I,Krautz B,et al.Therapeutic safety of high myocardial expression levels of the molecular inotrope S100A1 in a preclinical heart failure model[J].Gene Ther,2014,21(2):131-138.

[24]Most P,Raake P,Weber C,et al.S100A1 gene therapy in small and large animals[J].Methods Mol Biol,2013,96(3):407-420.

[25]Rincon MY,Vanden Driessche T,Chuah MK.Gene therapy for cardiovascular disease:advances in vector development,targeting,and delivery for clinical translation[J].Cardiovasc Res,2015,108(1):4-20.

作者簡介：陳煥(1991— )，在讀碩士，主要從事心力衰竭研究。Email: 947994139@ qq. com 通信作者：鄧平( 1968—) ，主任醫師，博士，碩士導師，主要從事心血管疾病研究。Email: 1229015862@ qq. com

【中圖分類號】R394；R541.6+1

【文獻標志碼】A【DOI】10.16806/j.cnki.issn.1004-3934.2016.03.023

收稿日期：2015-12-14修回日期：2016-01-21

Research Progress in S100A1 Gene Therapy for Heart Failure

CHEN Huan1,2,DENG Ping2

【Abstract】Heart failure is the common endpoint of various cardiovascular diseases. S100A1 is abundantly present in normal human myocardial tissue,and its expression levels are diminished in failing myocardium. S100A1 protein can induce cardiomyocyte apoptosis, reverse myocardial remodeling,improve energy homeostasis and increase both systolic and diastolic cardiac function. In recent years, many studies have found that S100A1 over-expression in cardiomyocytes can be used in the treatment of heart failure.

【Key words】S100A1;Heart failure;Gene therapy