S100A1蛋白與心血管疾病的研究進展

殷惠嬌 何勝虎

1 江蘇省蘇北人民醫院，江蘇省揚州市 225001； 2 大連醫科大學

心血管疾病(Cardiovascular disease，CVD)是世界范圍內威脅人類健康的主要原因之一，世界衛生組織調查顯示，與心血管疾病相關的死亡人數在2030年預計將達到2 300萬。許多心血管疾病如急性冠脈綜合征、高血壓、炎性心肌病和瓣膜疾病等發展到終末期都會導致心肌細胞泵衰竭，并發生室性心律失常，最終導致患者死亡[1]。而心肌細胞Ca2+穩態的異常調節是發生病理生理變化的關鍵。因此，逆轉功能失調的心肌細胞Ca2+可能具有治療干預的潛在可行性。本文主要介紹鈣結合蛋白S100A1，其在人心肌中的表達水平最高(主要為左心室)，在血管內皮細胞也有表達，而在骨骼肌、腦和腎臟中的表達水平較低，在心血管疾病中發揮了相當獨特的治療作用。

1 S100A1的蛋白結構及生物學特性

S100A1是多基因S100蛋白家族的成員，是EF-手型Ca2+結合蛋白超家族中最大的亞組，由兩個亞單位組成的對稱的反向平行二聚體組成。S100A1蛋白是細胞和分子基本功能的調節者，包括細胞增殖、分化、存活和運動，以及蛋白質磷酸化、酶活性、細胞骨架動力學、轉錄活性以及維持一氧化氮動態平衡和調節Ca2+動力學[2]。

2 S100A1對心肌細胞、內皮細胞的作用機制

2.1 調節心肌細胞鈣穩態 (1)增強肌質網鈣泵(Sarcoendoplasmic reticulum calcium-ATPace2，SERCA2)活性： S100A1與肌質網鈣泵/受磷蛋白復合物以Ca2+依賴的方式相互作用，從而提高了SERCA2的活性，增強了肌質網 Ca2+攝取。(2)調節阿諾堿受體2(Ryanodine receptor，RYR2)的功能： S100A1調節RYR2功能具有雙相效應，可減少舒張期肌質網 Ca2+滲漏，同時可增加收縮期肌質網釋放Ca2+[3-4]。

2.2 調節肌節僵硬度和Ca2+的反應 肌聯蛋白為S100A1的作用靶點，在Ca2+的介導下，通過其富含脯氨酸、谷氨酸、纈氨酸、賴氨酸的結構域與S100A1相互作用形成“惡性破壞”分子，這有助于防止發生心肌僵硬[5]。

2.3 調節線粒體功能和能量代謝 S100A1與線粒體ATP酶的F1亞基以Ca2+和pH依賴的方式直接相互作用。S100A1可能通過增加細胞內Ca2+的周轉來增加檸檬酸脫氫酶活性和線粒體煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的生成。另外，S100A1可能通過促進腺嘌呤核苷酸轉運體介導的ATP胞漿易位，增加ATP生成，以此適應因肌質網和肌絲活性升高引起的對ATP需求的增加[6]。

2.4 抑制心肌細胞凋亡 S100A1蛋白通過激活磷脂酶、C-蛋白激酶、C-絲裂原激活的細胞外信號蛋白激酶1/2通路，直接抑制心肌細胞凋亡[4]。S100A1會抑制S100B蛋白表達,而S100B蛋白有致心肌細胞凋亡作用[7]。

2.5 抑制心室重構 S100A1基因治療在體內具有明顯的抗肥厚作用，抑制了細胞外基質基因、α1-腎上腺素能介導的胎兒基因等基因的失控表達，并阻止了進行性心臟擴張[8]。此外，對心力衰竭中S100A1基因單獨治療組和與美托洛爾聯合治療組相比較，結果顯示S100A1與美托洛爾聯合治療心力衰竭對心肌重塑具有協同作用[9]。

2.6 抗心律失常作用 肌質網RYR2功能異常會導致Ca2+不斷流失，影響胞內Ca2+濃度梯度形成，頻發自發性的Ca2+釋放，引起膜電位振蕩，當振幅達到一定閾值，則可觸發電活動，這可能是出現心律失常的原因之一[10]。S100A1蛋白通過調節肌質網RYR2功能，可能有助于防止Ca2+濃度異常引起的心律失常，并降低心力衰竭心肌細胞心律失常易感性。

2.7 調節內皮細胞Ca2+的釋放 S100A1在內皮細胞中的主要作用是控制肌質網Ca2+的攝取和釋放[11]。Pleger等[12]首次發現敲除小鼠主動脈內皮細胞的S100A1后，這些細胞分別表現為毒蕈堿能受體和激肽能受體刺激的胞質內Ca2+釋放和瞬時釋放功能減弱，提示S100A1在內皮細胞中肌醇-3-磷酸受體調控的Ca2+信號轉導中起關鍵作用。

2.8 調節內皮細胞一氧化氮平衡 研究證明S100A1能調節血管內皮細胞的一氧化氮穩態。Pleger等[12]證明了，血管內皮和血管S100A1-/-組與對照組相比基礎一氧化氮產生減少，并且對血管擴張劑(如緩激肽、乙酰膽堿或凝血酶)反應受損。另外在內皮型一氧化氮合酶表達不變的情況下，內皮細胞S100A1蛋白缺失或減少可能會潛在地干擾Ca2+激活的鈣調蛋白與內皮型一氧化氮合酶的結合，減少一氧化氮的生成。

3 S100A1與心臟疾病

3.1 S100A1與心力衰竭 心力衰竭是心臟疾病發展的終末階段，會引發一些結構和功能失調，如心室重構、心肌細胞肥大、纖維化、凋亡和內皮功能障礙等。目前用于臨床心力衰竭治療的藥物主要是減弱交感神經和腎素血管緊張素—醛固酮系統過度驅動的系統和心臟效應。研究表明，心力衰竭發生后，心肌細胞Ca2+運輸異常，收縮期濃度低于正常，舒張期濃度高于正常，表明肌質網鈣泵轉運Ca2+能力減弱，更有研究顯示肌質網鈣泵在心力衰竭心肌細胞中表達和活性降低。相關實驗檢測了缺血性和擴張型心肌病引起的心力衰竭心肌細胞信使RNA和蛋白水平，發現S100A1轉錄和蛋白表達水平均下降。Pleger等[12]研究發現將心力衰竭大鼠的心肌細胞經腺病毒介導的基因轉移后，S100A1蛋白表達水平恢復正常，收縮性能恢復，并能增強肌質網Ca2+的攝取和負荷。Brinks等[13]在缺血性心衰患者心室組織感染腺病毒S100A1并分離，結果顯示恢復S100A1的表達可以改善衰竭心肌細胞的收縮率、舒張率和Ca2+濃度。此外，心衰患者心室組織感染腺病毒S100A1還改進了速率依賴性和腎上腺素介導的收縮儲備，同時改善了離體心衰心肌細胞和線粒體能量代謝異常情況，降低了舒張期肌質網 Ca2+泄漏和異常去極化的傾向[14]。最近，以腺病毒伴隨病毒(Adenoviral associated vectors, AAV)作為載體，在家豬心肌梗死心力衰竭模型中通過冠狀動脈前靜脈輸送S100A1-AAV9病毒，有效防止了血流動力學進行性惡化，并使心功能改善至接近正常水平，最終成功挽救心力衰竭，這項實驗證明了S100A1基因治療在近臨床環境中的療效和可行性。這種采用心臟基因傳遞方式，應用基因劑量和治療后分析直接適用于人類，并可能為首次非人類臨床S100A1基因治療安全試驗鋪平道路[15]。

3.2 S100A1與急性冠脈綜合征 急性冠脈綜合征(Acute coronary syndrome，ACS)是由于冠狀動脈內存在不穩定斑塊，在應激等誘因下斑塊發生破裂或糜爛，繼而血栓形成堵塞血管，心肌缺血壞死。ACS可分為急性ST段抬高型心肌梗死(Acute ST-segment elevation myocardial infarction，STEMI)，急性非ST段抬高型心肌梗死和不穩定性心絞痛,后兩者合稱為非ST段抬高型急性冠脈綜合征(Acute Coronary Syndrome with Non-ST Elevation，NST-ACS)。有研究探討了非ST段抬高型急性冠脈綜合征患者血漿S100A1水平與全球急性冠狀動脈事件注冊(Global registration of acute coronary events，GRACE)評分之間的關系及S100A1蛋白對其30d預后的判斷價值，結果顯示不同GRACE評分分組的NST-ACS患者S100A1水平有顯著性差異(P<0.05)，表明S100A1有助于NST-ACS患者早期危險分層及預后評估[16]。另一項研究證實了STEMI患者血漿S100A1水平顯著提高，提示S100A1升高可能是發生STEMI的獨立預測因子。并且與CK-MB、高敏心臟蛋白T、超敏C反應蛋白水平呈正相關，可反映STEMI患者心臟正處于炎癥狀態。此外還發現S100A1與NT-proBNP、左心室射血分數等心功能密切相關，尤其是在STEMI急性期[17]。

3.3 S100A1與心肌缺血再灌注損傷 心肌缺血后，應盡早使閉塞血管再通，但在缺血心肌重新獲得血流灌注時，因其在缺血期間組織結構、能量代謝、電生理及心功能的改變使得組織損傷進一步加重，這一病理過程稱為心肌缺血再灌注損傷。Brett等[18]研究了擇期冠狀動脈旁路移植術(Coronary artery bypass graft，CABG)或CABG聯合瓣膜置換術的患者，利用共聚焦激光掃描顯微鏡觀察體外循環開始前及結束時(即主動脈夾閉60min)、成功再灌注30min后S100A1在活檢標本中的定位變化，結果顯示在體外循環結束時(即心肌缺血60min)S100A1的定位發生了顯著變化，而在成功再灌注30min后發生可逆性重新定位。進一步的半定量測量顯示，在體外循環結束時熒光強度明顯降低，成功再灌注30min后，伴隨著可逆定位熒光強度水平明顯升高。通過共聚焦顯微鏡觀察，發現在心肌缺血時S100A1從細胞質到細胞表面有一個明顯的錯位。這表明缺血引起的S100A1在收縮細肌絲上從其主要位置釋放可能影響心臟手術期間心肌細胞的收縮/松弛特性。通過比較體外循環前后S100A1亞細胞的定位變化，可以預測心肌再灌注損傷的發生，提前為預防心肌缺血再灌注心律失常的發生做準備。

4 S100A1與血管疾病

4.1 S100A1與動脈高壓 動脈高壓是指因遺傳、自身免疫及血管內皮、平滑肌功能障礙發生的病理生理過程，常見的有肺動脈高壓，肺動脈持續高壓繼而右心室結構或功能改變，最終會促使右心室擴大和右心衰竭的發生。一些實驗應用免疫熒光顯微鏡證實了內皮細胞和血管平滑肌細胞中表達了S100A1，其同時存在于嚙齒動物和人血管的毛細血管、冠狀動脈、主動脈和股動脈內皮細胞中。共聚焦免疫熒光顯微鏡顯示S100A1與內皮細胞肌質網鈣泵以及肌醇-3-磷酸受體共定位。值得關注的是，實驗中S100A1-/-小鼠最終會發展成動脈高壓，并在體內完全缺乏對緩激肽的血管反應，同樣劑量的緩激肽則使對照組小鼠動脈血壓顯著下降[19]。內皮細胞S100A1表達減少可能限制血管一氧化氮供應，并會進一步導致因血管壁氧化酶活性增加引起的一氧化氮/氧化還原失衡。從這個角度來看，S100A1可以被視為一個新的靶點，可以通過恢復NO/氧化還原平衡來治療調節血管功能。這一新概念得到了數據的支持，數據顯示，S100A1基因轉染到人冠狀動脈內皮細胞內增強了乙酰膽堿誘導的一氧化氮產生。因此，由于缺乏S100A1導致血管內皮細胞內一氧化氮生成不足，最終引起血管舒張功能異常并形成動脈高壓的實驗結果，可能為治療高血壓病和研究心力衰竭引起的血管收縮作用機制提供新視角。

4.2 S100A1與慢性嚴重肢體缺血 慢性嚴重肢體缺血(Chronic critical limb ischemia，CLI)是最嚴重的外周動脈閉塞性疾病，高達40%的患者在診斷1年內截肢，臨床預后差。研究發現慢性嚴重肢體缺血患者缺氧組織中S100A1表達幾乎完全喪失。Teichert等[20]對小鼠行股動脈切除術，并對實驗組進行S100A1基因敲除，結果顯示，與對照組相比，實驗組小鼠腓腸肌活檢標本S100A1信使RNA數量減少。對照組小鼠術后患肢活動情況下降，但在術后第7天情況有所改善最終恢復正常，而實驗組小鼠由于患肢一氧化氮生成不足表現出較高的組織壞死率和缺血肢體自動截肢，并且用超聲多普勒可觀察到在術后15d左右，實驗組小鼠缺血肢體血流減少了近80%。S100A1蛋白對內皮型一氧化氮合酶具有正向調節作用，S100A1基因敲除后，內皮型一氧化氮合酶功能受損，導致一氧化氮生成不足，這可能是直接導致實驗組患肢截肢的原因。這項實驗為臨床治療慢性嚴重肢體缺血疾病提供新思路。

5 結語

S100A1蛋白與心血管的關系為臨床治療方案提供新思路。動物實驗的成功證明S100A1基因有望用于治療人類終末期心力衰竭。但是考慮到臨床中心力衰竭往往合并其他危險因素和疾病，使用藥物方面也有許多差異，我們可以通過設計非自交系動物模型，盡可能完整模擬人類終末期心力衰竭模型來接近臨床。總之，隨著研究深入，經動物實驗過渡， S100A1基因治療最終可成為治療心血管疾病的一種有效臨床治療方案。