晝夜節律與急性心肌梗死研究進展

尚白雪，丁家望，朱勝奎

(三峽大學第一臨床醫學院 宜昌市中心人民醫院心內科，湖北 宜昌443003)

隨著經濟的發展以及人民生活方式的提升，我國近年來冠心病發病率呈現上升趨勢，據第五次衛生服務調查顯示，我國城鄉居民冠心病患病率為10.2‰，60歲以上老年人患病率為27.8‰，且冠心病病死率呈逐年升高趨勢[1]。急性心肌梗死(acute myocardial infarction，AMI)是冠心病致死和致殘的主要原因，是中老年人群的常見致死疾病[2]。盡管高脂血癥、肥胖、糖尿病、高血壓、吸煙是AMI公認的危險因素，但越來越多的證據表明，晝夜節律紊亂在很大程度上促進了AMI的發生、發展[3]。研究發現，AMI在凌晨至上午12點最易發生，呈一定的時間規律性，且清晨發生心肌梗死損傷面積及程度更重，可能與心肌細胞在睡眠-覺醒過渡期間對缺血再灌注損傷耐受性較差有關[4]。心血管系統中存在外周時鐘，時鐘基因參與心血管系統的生理和病理生理變化，包括心率、血壓、代謝、血管張力、肥厚反應等的晝夜變化[5]。既往動物研究發現，小鼠生物鐘基因Per2敲除可保護其免受缺血再灌注損傷，并在小鼠冠狀動脈左前降支結扎后維持較小的梗死面積[6]。因此，時鐘基因在小鼠心肌梗死后缺血再灌注損傷過程中發揮重要作用。在人類心臟組織中，時鐘基因的轉錄表現出明顯的時間依賴性，時鐘基因峰值與谷值的表達與心血管事件的發生時間一致[7]。現就晝夜節律與AMI發生發展的研究進展予以綜述。

1 晝夜節律與生物鐘基因

生物鐘存在于所有哺乳動物細胞中，由復雜的自調節轉錄-翻譯反饋環組成，各分子反饋環路間相互作用導致鐘控基因的節律表達，最終導致各基因編碼蛋白質組和細胞功能的振蕩[8]。哺乳動物的生物鐘包括中央鐘和子鐘。中央鐘由光控制，光在視網膜中轉換成神經脈沖，然后通過視網膜下丘腦束傳遞至下丘腦視交叉上核，下丘腦視交叉上核通過神經和體液信號的結合將信息傳遞給身體其他部分，以此來調節機體活動[9]。中央鐘負責自主神經系統活動的晝夜節律變化，導致生理參數(包括血管阻力、動脈壓力、心排血量和心率)的變化以及皮質醇和兒茶酚胺等各種激素的分泌[10]。時鐘控制基因的節律轉錄具有組織特異性，哺乳動物外周組織中約10%的基因受生物鐘調節[11]。

生物鐘主要反饋環路的核心時鐘元件由芳基碳氫化合物受體核易位體樣蛋白1(brain and muscle Arnt-like protein-1，BMAL1)、晝夜運動輸出周期蛋白(circadian locomotor output cycles kaput，CLOCK)、隱花色素(cryptochrome，CRY)1和CRY2、晝夜節律蛋白同源物(period，PER)1、2和3組成[12]。另一條反饋環路的核心時鐘元件包括視黃酸相關孤兒核受體(retinoid-related orphan nuclear receptors，ROR)α、RORβ和孤兒核受體Rev-Erbα。在24 h周期開始時，BMAL1和CLOCK形成一個復雜的異二聚體，CLOCK/BMAL1異質二聚體通過與時鐘基因PER和CRY的增強子元件(E-box)位點相結合，激活PER和CRY的轉錄和翻譯(正反饋)；PER和CRY在細胞質中積累，形成異質二聚體并轉移至細胞核，反過來抑制CLOCK/BMAL1的轉錄活性，從而抑制編碼基因的轉錄(負反饋)，整個過程構成一個約24 h的負反饋循環[13]。在第2條反饋環路中，CLOCK/BMAL1異質二聚體同時驅動核受體Rev-Erbα和RORα的轉錄，反過來分別抑制或激活BMAL1的轉錄[14]。由這兩條反饋環路形成的反饋調節，產生類似于24 h的生物鐘周期節律。

2 晝夜節律與AMI的臨床聯系

近年來，生物節律紊亂與AMI受到廣泛的關注與研究。流行病學調查發現，輪班工人AMI的發病率高于白天正常工作的工人，且發病與年齡或吸煙史無關，表明晝夜節律紊亂是導致AMI發病的重要因素[15]。Kawachi等[16]在一項針對美國護士的研究中也發現，心血管事件風險隨著輪班工作時間的延長而增加。另一項多中心研究發現，AMI的發病時間具有明顯的晝夜節律周期性，發病高峰在上午6時至中午[17]，可能與清晨交感神經張力增強，冠狀動脈阻力增高后患者心肌供氧減少有關[18]。研究表明，清晨腎上腺素能活動的增加以及纖溶酶活性的增加參與了心肌梗死的晝夜節律調節[19]。據報道，溶栓治療急性ST段抬高型心肌梗死(ST-segment elevation myocardial infarction，STEMI)在白天(10：00～22：00)療效最好[20]。近年來，經皮冠狀動脈介入治療(percutaneous coronary intervention，PCI)術已成為冠心病的首要治療手段。Assali等[21]發現，18:00～8:00間行PCI術的STEMI患者院內病死率顯著增加。新加坡對全國6 710例STEMI患者的分析發現，午夜至凌晨6時出現癥狀STEMI患者行PCI術后，患者心肌梗死面積增大，且心力衰竭發生率顯著增高[22]。同時，針對阿拉伯國家2 909例STEMI患者的類似研究顯示，癥狀出現時間與住院病死率存在顯著相關性，經多變量調整后相關性仍顯著[23]。因此，晝夜節律變化可能影響急性冠狀動脈事件的發生率和嚴重程度以及手術成功率。

3 生物鐘基因在AMI發生發展中的可能機制

3.1生物鐘基因與自噬 自噬是一個高度保守的進化過程，主要作用是在細胞應激過程中調控蛋白質降解和細胞器的更替。自噬過程始于自噬體的形成，在自噬體中，其內容物與溶酶體融合而降解，溶酶體通過氨基酸和其他細胞營養素的釋放，進行能量生產[24]。細胞自噬能為細胞提供能量，并促進細胞的自我更新[25]。自噬參與調節多種心血管疾病，然而，自噬過度活化會導致心肌細胞對毒性環境的適應能力降低[26]。AMI發生后，再灌注前缺血早期啟動自噬，通過為細胞提供能量以及抑制細胞凋亡來保護心肌，而再灌注時延遲激活自噬導致心肌細胞損傷[27]。深入理解晝夜節律調節、自噬與心血管功能之間的聯系，可能會減少心肌梗死后心肌損傷程度，并且改善心肌梗死后的治療。20世紀 70年代初，Pfeifer[28]通過顯微鏡觀察到自噬性空泡在大鼠中遵循日變化模式，首次提出了自噬與晝夜節律調節間存在顯著相關性。在隨后的研究中發現，心臟自噬性液泡的體積和數值密度遵循日變化模式，在傍晚時分達到峰值，隨后開始下降[29]。這些研究表明，晝夜節律依賴性自噬在外周組織和器官修復中發揮關鍵作用。因此，保持睡眠時間對于正常的生理過程至關重要。

在哺乳動物細胞內，多種轉錄因子可以在轉錄水平對自噬基因進行調節，而這些轉錄因子受到節律性調控。CCAAT增強子結合蛋白β在細胞分化和代謝中起著重要作用，研究證實，當體內CCAAT增強子結合蛋白β基因敲除后，細胞自噬的表達失去晝夜節律[30]。在動物研究中，小鼠肝臟特異性Bmal1基因敲除后，自噬調節節律紊亂，且自噬基因CCAAT增強子結合蛋白β的表達顯著降低[31]。以上研究說明，生物鐘以基因調節方式控制自噬基因的轉錄調節。

AMP活化的蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK)是一種腺嘌呤核糖核苷酸依賴的蛋白激酶，可觸發不同的分解代謝途徑，包括葡萄糖攝取和氧化代謝。研究發現，AMPK從功能上聯系自噬和晝夜節律的反應途徑，在心肌細胞中，AMPK激活的unc-51樣激酶1對自噬和線粒體穩態的啟動至關重要[32]。在小鼠肝細胞中，AMPK活性遵循晝夜節律，與生物鐘基因CRY1蛋白表達一致，AMPK的激活可以破壞CRY蛋白的穩定性和正常的節律性振蕩，此外，AMPK通路紊亂的小鼠外周時鐘活動顯著受損[33]。AMPK調控代謝相關基因循環表達的能力提示自噬機制與晝夜節律密切相關。因此，更好地理解晝夜節律調節、自噬和心血管功能之間的聯系，可以改善心肌梗死后的治療手段。

3.2生物鐘基因與血管炎癥 研究證實，動脈粥樣硬化易損斑塊破裂造成的冠狀動脈閉塞性血栓是 AMI發作的病理基礎，血管炎癥在AMI的發生、發展過程中發揮了重要作用[34]。生物鐘對哺乳動物先天性免疫和適應性免疫的激活起重要作用[35]。時鐘基因CLOCK/Bmal1是晝夜節律機制的核心組成部分，在調節血管炎癥、心臟代謝、收縮功能、基因和蛋白質節律等方面發揮作用[36]。磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信號通路廣泛參與了動脈粥樣硬化的形成過程，包括血管內皮細胞增生、病理性新生血管生成、血管炎癥細胞聚集等[37]。近年來，小鼠心肌細胞培養證實，生物鐘基因CLOCK在調控蛋白激酶B信號通路中發揮重要作用[38]。在隨后的研究中，Nguyen等[39]發現，Bmal1基因敲除小鼠Ly6Chi單核細胞晝夜節律性紊亂，小鼠局部和全身性慢性炎癥反應增強。作為炎癥總開關，阻止炎癥信號通路中的關鍵分子核因子κB能顯著抑制細胞因子、組織因子和基質金屬蛋白酶的產生，因此阻止核因子κB活化對控制血管炎癥反應極為重要[40]。研究發現，時鐘蛋白CRY1與腺苷酸環化酶結合后可以抑制環腺苷酸產生，因此缺乏時鐘蛋白CRY1可導致細胞環腺苷酸水平升高和蛋白激酶A 活化增強，進而誘導S276殘基處p65的磷酸化，增強核因子κB蛋白活化[41]。動物研究發現，生物鐘基因Rev-Erbα敲除小鼠血清白細胞介素-6、腫瘤壞死因子-α、CC趨化因子配體2、CC趨化因子配體5和CXC趨化因子配體1水平節律性振蕩消失[42]。因此，時鐘蛋白可以通過對炎癥相關細胞因子/趨化因子的調控來節律性地調節炎癥反應[43]。綜上，生物鐘基因在血管炎癥中發揮重要的調節作用，這可能為AMI的發病機制提供重要思路。

3.3生物鐘基因與凋亡 細胞凋亡是細胞程序性死亡的一種形式，包括外在死亡受體途徑和內在線粒體調節途徑。在AMI和缺血再灌注發生過程中，心肌細胞大多以凋亡形式死亡[44]。凋亡激活通常涉及一系列復雜的細胞觸發機制。通常，活性氧類是由線粒體以及缺血損傷時的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶和單胺氧化酶產生。在分子水平上，凋亡的特征是活化胱天蛋白酶，尤其是胱天蛋白酶-3、胱天蛋白酶-6和胱天蛋白酶-7[45]。雖然細胞凋亡在早期缺血時被激活，但在再灌注時卻被放大，可能與線粒體激活有關[46]。缺血過程中細胞內穩態的破壞導致細胞損傷，這些破壞在鈣穩態中尤為明顯，鈣穩態在凋亡過程中缺血再灌注介導的胱天蛋白酶活化和壞死過程中線粒體通透性轉變孔的開放中發揮著重要作用[47]。因此，內質網和線粒體內鈣離子的釋放可能是細胞發生凋亡和壞死的一個關鍵觸發因素[48]。另外，細胞凋亡受到晝夜節律調控，在小鼠小腸的研究中發現，小腸細胞在輻照后發生的凋亡具有晝夜節律依賴性，誘導細胞凋亡的高峰時間在上午，夜間開始下降[49]。

3.4生物鐘基因與心肌缺血再灌注損傷 近年來，隨著PCI術等再灌注治療手段的不斷普及，心肌梗死病死率明顯降低，但再灌注后心肌缺血再灌注損傷仍不容忽視。心肌梗死后心肌損傷的程度與缺血損傷發生的時間直接相關，在凌晨1點時發生再灌注心肌損傷更重[5]。再灌注損傷是由于線粒體內膜通透性轉變孔的開放，導致線粒體損傷，進而引發心肌細胞死亡，可能在某種程度上，轉變孔的開放存在晝夜節律波動[50]。心肌缺血的實質即細胞缺氧，缺氧誘導因子(hypoxia inducible factor，HIF)-1α是堿性螺旋-環-螺旋PAS結構域轉錄因子，在低氧條件下被磷酸化，從而實現核轉位；在細胞核中，HIF-1α與芳烴核轉位酶或HIF-1β形成異二聚體，并與多種基因啟動子區域中的缺氧反應元件結合，包括調節內皮生長的血管內皮生長因子和調節細胞凋亡的基因[51]。研究發現，生物鐘基因PER2和HIF-1α的結合特性具有同源性，時鐘基因PER2能以劑量依賴性方式減弱血管內皮生長因子誘導的低氧反應，可能機制是PER2與HIF-1α結合后，阻斷核轉位并阻止HIF-1α誘導的血管內皮生長因子轉錄[52]。時鐘基因在AMI患者血運重建過程中仍發揮重要的調節作用，因此，對生物鐘基因研究的進一步深入，可能為防治心血管疾病提供重要的理論依據。

4 小 結

晝夜節律生物鐘在心血管的病理生理學機制中起著重要作用。在心血管系統中生物鐘廣泛存在，心率、體溫、血壓、新陳代謝和激素水平等均呈晝夜節律性波動。此外，心肌梗死的發生、發展和預后與生物鐘密切相關。更好地了解AMI基于生物鐘的分子機制對治療方法的改進起著重要作用。總之，在AMI的治療中，時間是一個至關重要的考慮因素。晝夜節律知識的轉化應用對患者有益，既可以通過選擇治療時間來最大限度地達到預期效果，也可以將不良事件的發生率降到最低。隨著生物鐘基因與晝夜節律影響冠心病發生發展機制的逐步闡明，調節生物鐘基因的表達將有望改善AMI患者的治療和生存。