閏盤處蛋白質的相互作用以及相關心臟疾病

于　瀛(綜述)　李毅剛(審校)

(上海交通大學醫學院附屬新華醫院心內科　上海　200092)

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閏盤處蛋白質的相互作用以及相關心臟疾病

于瀛(綜述)李毅剛△(審校)

(上海交通大學醫學院附屬新華醫院心內科上海200092)

【摘要】閏盤是相鄰心肌細胞在縱軸方向上的連接,在心肌細胞機械偶聯和電偶聯中發揮重要作用。閏盤處的3種連接 (橋粒、黏著連接和縫隙連接)、離子通道和錨蛋白G在功能上相互影響、相互依存。其中任何一個的異常都會導致另幾個的結構和功能改變,從而引起整個閏盤的結構和功能異常,甚至導致心臟疾病。目前,國內外對于閏盤處各種蛋白質相互作用的復雜性和重要性以及其對心臟疾病的意義的認識尚存不足,本文就近年來該方面的研究進展作一綜述。

【關鍵詞】閏盤;橋粒;黏著連接;縫隙連接;離子通道

*This work was supported by the Science and Technology Commission of Shanghai Municipality,China (14441902502).

閏盤是一種特殊的心肌結構,是相鄰心肌細胞在縱軸方向上的連接。它參與了心臟的收縮和舒張過程,同時也參與了心臟的興奮傳導,并在心肌細胞的機械偶聯和電偶聯中發揮重要作用。閏盤處有多種銜接蛋白大量表達[1],也有鈉離子通道[2-3]和鉀離子通道[4]的表達。在空間上,橋粒、黏著連接、縫隙連接和離子通道彼此獨立又相互靠近;在分子水平上,它們通過本身的附著蛋白、銜接蛋白或者其他蛋白質 (如錨蛋白G)相互連接;在功能上,這些蛋白質和結構相互影響和相互依存。其中一個結構的異常會導致其他結構發生改變,并導致閏盤結構和功能的異常,這與心臟疾病的發生發展密切相關。目前,國內外對于閏盤處各種蛋白質相互關聯的復雜性和重要性以及其對心臟疾病的意義上的認識尚存不足,本文就近年來該方面的研究進展作一綜述。

閏盤處的連接在閏盤處,心肌細胞膜出現了特殊的分化,凹凸鑲嵌,并形成粘連連接 (adhering junction,AJ)和縫隙連接 (gap junction,GJ)[1,5]。

粘連連接又分為橋粒 (desmosome)和黏著連接 (adherens junction),它們是由多種附著蛋白和跨膜蛋白組成的微結構。

橋粒在電鏡下呈斑狀致密影,一端通過附著蛋白與細胞內的中間絲相連,另一端通過跨膜蛋白與相鄰細胞橋粒的跨膜蛋白相連。橋粒的附著蛋白包括:斑珠蛋白 (plakoglobin)、橋粒斑蛋白 (desmoplakin)和親斑蛋白2 (plakophilin-2);跨膜蛋白包括:橋粒芯蛋白 (desmoglein)和橋粒膠蛋白 (desmocollin),兩者都屬于N-鈣黏著蛋白 (N-cadherin)家族[6]。

黏著連接在電鏡下呈帶狀,一端通過附著蛋白與細胞內的肌動蛋白相連接,另一端通過跨膜蛋白與相鄰細胞的黏著連接相連。它的附著蛋白包括:斑珠蛋白 (與橋粒相同)、α-連鎖蛋白、β-連鎖蛋白、黏著斑蛋白 (vinculin)和α-輔肌動蛋白 (α-actinin);跨膜蛋白是N-鈣黏著蛋白[7]。

相鄰細胞中的肌動蛋白和中間絲蛋白分別通過黏著連接和橋粒編織成了一個內外相連的骨架,這對維持心臟正常的張力和機械抵抗力至關重要。

縫隙連接縫隙連接由相鄰細胞膜上的連接子 (connexin,Cx)對接構成,在心肌細胞中主要表達的有Cx43、Cx45和Cx40[8-9]。該通道允許小分子物質、信號分子以及興奮電流的通過[8]。動作電位也通過縫隙連接在心肌細胞間快速傳播。因此,縫隙連接在心臟的電偶聯中發揮了重要作用。連接子在體內的代謝速度非常快[8,10],成年大鼠心肌細胞Cx43的半衰期約為1.3 h,原代乳鼠心肌細胞Cx43的半衰期僅為1.5～2 h[11]。慢性壓力負荷引起的心衰同樣會導致閏盤處Cx43表達的下降[9]。由此推測,無論是在急性還是慢性病理條件下,縫隙連接都可能發生改變,從而影響心肌細胞的電偶聯特性,導致心律失常。

離子通道閏盤處不僅有上述多種銜接蛋白,還分布有鈉離子通道Nav1.5[2]和鉀離子通道Kv1.5[4]。閏盤處的鈉離子通道Nav1.5與Cx43相鄰,兩者介導的電流共同影響了心肌細胞間的傳導速度[3]。

錨蛋白G錨蛋白G是一種銜接蛋白,在心肌主要表達在閏盤處。它的膜結合結構域能與多種細胞膜蛋白結合。鈉離子通道Nav1.5在閏盤上的定位和表達需要借助錨蛋白G[12]。錨蛋白G同時與Cx43和親斑蛋白2相互連接[13],從而將離子通道、縫隙連接和橋粒固定在一起,形成了一個微結構域。此外,Cx43和Nav1.5從高爾基體合成后也需要在錨蛋白G的協助下呈遞并表達在細胞膜上[14]。

閏盤處的連接、離子通道和錨蛋白G的相互作用離體培養的成年大鼠心室肌細胞研究表明,黏著連接的建立早于縫隙連接;不僅如此,縫隙連接相對僵硬,必須要有機械連接的支持才能在剪切應力下保持穩定的細胞間交通[15]。跨膜蛋白N-cadherin的缺失或抑制不僅導致了黏著連接的解聚,也導致了橋粒的解聚,Cx43表達的下降,以及鉀離子通道Kv1.5功能的下降[16]。Cx43在細胞膜上的表達不僅需要微管和EB1 (一種微管正端跟蹤蛋白)的協助,也離不開N-鈣黏著蛋白、β-連環蛋白和p150這3個黏著連接蛋白[17]。橋粒中親斑蛋白2的缺失或抑制可導致錨蛋白G的表達和分布異常,削弱Cx43的表達、分布和功能,影響Nav1.5的分布和電流,還可減慢細胞間興奮的傳導速度[13,18]。錨蛋白G表達缺失同樣可以導致親斑蛋白2和Cx43的分布以及表達異常,減弱細胞之間的黏附力[13]。

總之,橋粒、黏著連接、縫隙連接、錨蛋白G和離子通道中任何一個出現異常都會導致另幾個的結構穩定性下降和功能改變[4,14],從而引起整個閏盤的結構和功能發生異常。這一過程可以被稱為“閏盤重構”，它會導致心臟疾病,也可能是心臟電重構和/或機械重構過程中的一個部分。

閏盤異常引起的心臟疾病

致心律失常右心室心肌病致心律失常右心室心肌病 (arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy,ARVC)是一種染色體異常的遺傳性疾病,主要是由于橋粒缺陷引起心肌細胞退化、凋亡并被纖維脂肪組織替代,臨床表現為心臟擴大、心力衰竭和心律失常[19]。ARVC的發病機制為編碼橋粒斑珠蛋白和親斑蛋白2的基因突變,造成橋粒異常 (數量減少、長度增加和出現蒼白橋粒),進而心肌細胞在閏盤處分離 (尤其在機械應力作用下),最終心肌細胞凋亡[20]。同時,受橋粒蛋白的影響,Cx43的表達下降,縫隙連接數量減少,細胞間的距離增大,進一步導致傳導延遲和心室電不穩定,患者出現異常的心電圖特征和致命性室性心律失常[19-20]。ARVC也因此被稱為“細胞間連接異常心肌病”[19]。

Brugada綜合征Brugada綜合征患者Nav1.5基因上第1053位點的突變導致該離子通道不能與錨蛋白G偶聯,鈉離子通道Nav1.5在閏盤處的表達減少可能是患者室顫發生的機制之一[21]。

此外,閏盤處其他蛋白質表達缺失會導致小鼠心臟電學特性的改變甚至引起心律失常,比如N-鈣黏著蛋白基因敲除小鼠容易出現猝死[22-23],Cx43基因敲除小鼠更容易在電生理檢查中被誘發出多形性室速[24]。

結語閏盤不是一個簡單的心肌細胞間的連接結構,而是一個“相互作用組”的場所,在這個場所里有一群相互作用的“閏盤相關的蛋白質組”,包括多種連接蛋白、附著蛋白、銜接蛋白、連接子和離子通道，它們構成了一張復雜的網絡,精密調節著心肌細胞間的興奮傳導和機械偶聯。閏盤重構可以直接引起心臟疾病,也可能是心臟電重構和/或機械重構的一個組成部分,是心臟結構異常和心律失常的機制之一,需要引起重視和進一步研究。

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上海市科學技術委員會科研計劃項目 (14411950302)

The interaction of proteins in intercalated disc and related heart diseases

YU Ying, LI Yi-gang△

(DepartmentofCardiology,XinhuaHospital,ShanghaiJiaoTongUniversitySchoolofMedicine,Shanghai200092,China)

【Abstract】Intercalated disc is the longitudinal connection between myocytes,which plays an important role in the mechanical and electrical couplings of myocytes.There are 3 types of connections (desmosome,adherens junction and gap junction),as well as ion channels and ankyrin-G,located in intercalated disc which are interactional and interdependent in functions. Dysfunction of any one of them will cause the others to be unstable and disorderly,which leads to structural and functional abnormality of the whole intercalated disc,and even causes heart diseases. At present,complexities and importance of the interaction of proteins in intercalated disc and its significance of heart diseases are impercipient.This article reviews the recent development in the specific field.

【Key words】intercalated disc;desmosome;adherens junction;gap junction;ion channel

(收稿日期:2015-08-23;編輯:張秀峰)

【中圖分類號】R541

【文獻標識碼】B

doi:10.3969/j.issn.1672-8467.2016.02.021

△Corresponding authorE-mail:drliyigang@outlook.com