時鐘基因PER調控血壓的研究進展

計慧芳，付 陽，董一飛

(南昌大學第二附屬醫院 心血管內科 江西省分子醫學重點實驗室， 江西 南昌 330006)

高血壓是臨床最常見的心血管系統慢性疾病，也是公認的危害人類健康的風險之一。目前認為高血壓是由于先天遺傳與許多致病性增壓因素和生理性減壓因素相互作用的結果，主要包括遺傳因素、高鈉低鉀飲食、肥胖、精神緊張和年齡等危險因素[1]。時鐘基因表達異常與血壓晝夜節律紊亂以及高血壓的發生發展密切相關。周期基因(period，PER)作為一種時鐘基因，在調控血壓方面起著不可或缺的作用。本文復習相關文獻，對PER調控血壓以及高血壓時間療法的最新研究進展進行綜述。

1 時鐘基因簡介

為適應地球24 h自轉的生存環境，生物體進化出了一種內源性調節系統——生物鐘。生物鐘主要由時鐘基因組成和調節，幾乎存在于人體所有細胞中，在協調生物功能的節律性方面起著關鍵作用。時鐘基因主要位于大腦和外周組織中，位于下丘腦視交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)的中央時鐘被認為是產生晝夜節律的主要起搏點，并起到同步外周時鐘的作用。然而，事實上許多位于外周組織中的外周時鐘可以不依賴SCN自主產生晝夜節律。近期研究發現，脈絡叢時鐘在穩健性方面甚至超過了SCN[2]。表明SCN是外周時鐘的主要協調器而非起搏點。

在分子水平，中央時鐘和外周時鐘均由相互連接的時鐘基因轉錄/翻譯反饋環組成。在白天，時鐘基因BMAL1與CLOCK轉錄翻譯后相互作用形成異二聚體，通過E-box介導PER和CRY的轉錄翻譯。PER和CRY相互作用后進入細胞核通過抑制BMAL1/CLOCK異二聚體的活性進而抑制自身的轉錄。在沒有從頭合成的情況下，PER和CRY在夜間被泛素化或蛋白酶體降解途徑逐漸耗盡，從而終止轉錄抑制并啟動新一輪轉錄/翻譯反饋環[3]。另一輔助反饋環涉及REV-ERBs和RORs核受體家族，它們也受BMAL1/CLOCK異二聚體轉錄調控。REV-ERBs和RORs相互競爭與BMAL1啟動子反應元件(RRE)結合，RORα激活BMAL1的表達，而REV-ERBα抑制BMAL1的表達[4, 5]。這些時鐘基因通過E-box或RRE等順式元件調控各鐘控基因的轉錄水平，從而產生節律性的生理功能。此外，近年來發現還有許多其他時鐘基因可能也參與調控,目前關于時鐘基因調控生理功能晝夜節律的確切分子機制在很大程度上未被闡明。

2 PER與血壓晝夜節律

生理狀態下，血壓遵循24 h晝夜節律模式，夜間血壓較日間下降10%～20%，這種正常的血壓晝夜節律被稱為杓型血壓。血壓晝夜節律主要受內在遺傳和外在環境因素的影響，其中內源性生物鐘通過時鐘基因來調控血壓晝夜節律。PER是最早被發現的時鐘基因，具有多種亞型包括PER1、PER2、PER3。PER參與許多重要的細胞功能，PER的異常表達與血壓晝夜節律紊亂和高血壓的發生發展密切相關。PER1敲除小鼠在高鹽飲食和鹽皮質激素(HS/DOCP)處理后患有非杓型高血壓[6]。腎素-2轉基因TGR(mREN2)27大鼠出現血壓升高和心肌肥厚，并且在非活動期出現血壓節律倒置達峰值，檢測發現BMAL1和CLOCK表達在SCN表現為上調，PER2表達在延髓腹外側頭端表現為上調[7]。同時，孤束核中的BMAL1、CLOCK和PER表現為下調。表明中樞性PER異常表達與血壓節律紊亂和高血壓的發生發展存在一定相關性。此外，多項研究證實在心臟、血管、腎臟和神經內分泌系統等外周組織中PER的表達情況對血壓也有相當大的影響。

3 PER參與血壓調節

3.1 PER對血管系統的影響

時鐘基因存在外周許多組織細胞中，其中包括內皮細胞、平滑肌細胞和血管干細胞等。血管中的時鐘基因對血管收縮、血流動力學、炎性反應以及內皮性一氧化氮的合成和釋放等均具有調節作用，在調控血壓方面具有重要作用。在PER2突變小鼠中可觀察到主動脈內皮舒張功能受損，內皮功能受損與NO、前列腺素減少以及環氧合酶-1衍生的血管收縮劑釋放增加有關[8]。L-茶氨酸能夠上調地塞米松誘導的血管平滑肌細胞中PER2、BMAL1、CRY1等時鐘基因的晝夜表達幅度，并且降低血管收縮相關基因Ras同源基因家族成員A(member A of the Ras homologous gene family，RhoA)、Rho相關蛋白激酶2(Rho kinase 2，ROCK2)和蛋白激酶C磷酸酶抑制蛋白17(protein kinase C-potentiated phosphatase inhibitorof 17 ku，CPI-17)的晝夜表達幅度，這些血管收縮相關基因在介導細胞骨架調節、平滑肌細胞收縮和調節血壓方面起著關鍵作用[9]。提示L-茶氨酸可能通過影響時鐘基因和血管收縮相關基因的表達來改善血管平滑肌的重構從而預防高血壓等心血管疾病的發生。綜上所述，PER2在調節血管功能和血壓中發揮重要作用，并且PER2對血管系統可能具有保護作用。

3.2 PER對心臟的影響

心臟中的時鐘基因存在于各種細胞類型中，包括心肌細胞、成纖維細胞和內皮細胞等。心臟中的時鐘基因會影響許多維持心臟功能的生理過程，包括新陳代謝、電活動和細胞信號傳導等。其中，心臟中的PER2在心肌缺血、脂肪酸代謝和葡萄糖代謝中有著重要作用。PER2在小鼠心肌缺血期間具有保護功能，并且PER2基因多態性可能與心肌梗死有關[10]。雄性大鼠在長期飲酒后與對照組大鼠相比其心臟PER2表達下調，乙醇代謝酶細胞色素P450酶2E1(cytochrome P450 2E1，CYP2E1)和血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)表達上調[11]。同時，長期飲酒的雄性大鼠表現出夜間血壓下降、心率降低以及血壓和心率的晝夜節律減弱。超聲心動圖顯示，在沒有心臟重構的情況下，大鼠心臟射血分數顯著降低。提示長期飲酒導致的雄性大鼠心血管系統功能紊亂可能與心臟中PER2表達下調以及CYP2E1和HO-1活性升高有關。綜上所述，PER2不僅對血管系統具有保護作用，對心臟也具有保護功能。

3.3 PER對腎臟的影響

腎臟的許多功能在不依賴睡眠、運動和食物水分攝入情況下具有晝夜節律性，包括鈉排泄和腎小球濾過率等。這些腎臟功能在維持血壓正常晝夜節律中發揮重要作用。耐鹽性C57BL/6J雄性PER1全身敲除小鼠在給予HS/DOCP后血壓升高、血壓晝夜節律減弱，表現出非杓型高血壓[6]。這可能與基因敲除小鼠腎鈉處理晝夜節律改變有關[6]。重要的是，在接受相同HS/DOCP處理后的PER1敲除雌性小鼠并未患有非杓型高血壓[12]。表明PER1在腎臟對血壓的調節具有性別依賴性。

內皮素-1(endothelin-1，ET-1)是一種強效血管收縮劑，在腎臟的遠端小管和集合管中ET-1通過作用于內皮素受體來調節腎鈉處理。PER1可在轉錄水平調控ET-1的表達。給予PER1敲除小鼠HS/DOCP處理后，發現雄性小鼠ET-1和內皮素受體表達存在顯著的基因型差異，而在雌性小鼠中ET-1和內皮素受體表達并無明顯差異[13]。表明PER1通過作用于ET-1和內皮素受體進而調節腎鈉處理從而影響血壓及其晝夜節律，進一步揭示了PER1在腎臟對血壓調節中存在性別特異性的潛在機制。有趣的是，在鹽敏感性129/SV小鼠中，PER1的敲除與小鼠血壓降低以及腎臟中上皮鈉通道α亞基(epithelial sodium channel α subunit，αENaC)的表達降低有關[14]。出現這種不同的血壓表型可能與小鼠品系間差異以及廣泛的遺傳變異有關。不管其潛在機制如何，這些差異性可能為研究人員理解不同基因人群中的血壓調節提供重要線索，并對個體化藥物治療高血壓具有重要意義。

3.4 PER對腎上腺的影響

腎上腺是人體重要的內分泌器官，可分泌醛固酮、糖皮質激素、兒茶酚胺等調節血壓的重要激素，因此腎上腺的功能異常是高血壓發生發展的關鍵因素。自發性高血壓大鼠(spontaneous hypertensive rats，SHR)腎上腺的PER1、PER2、PER3表達水平均低于對照組，并且SHR腎上腺中PER2、PER3表達的峰值和谷值均提前，同時鐘控基因類固醇生成急性調控蛋白基因(steroidogenic acute regulatory protein，StAR)以及血清糖皮質激素和醛固酮濃度的晝夜節律也均提前[15]。表明SHR腎上腺時鐘基因表達出現異常，這可能影響鐘控基因的轉錄調控和腎上腺類固醇激素的分泌進而影響血壓。腎上腺分泌糖皮質激素依賴StAR的表達，StAR是糖皮質激素合成的限速酶。由此推測，PER等時鐘基因通過調控StAR晝夜表達進而影響糖皮質激素的合成。而糖皮質激素晝夜節律紊亂會影響腎小管中Na-Cl共轉運蛋白(sodium and chloride co-transporter，NCC)的活性從而誘發非杓型血壓[16]。綜上認為，PER在腎上腺通過各種直接或間接作用途徑調控血壓，說明血壓調節極其復雜，是多途徑多分子共同作用的結果。

4 治療

自發現血壓晝夜節律受生物鐘調控以來，越來越多的證據表明，無論是否伴有高血壓，血壓晝夜節律紊亂都與靶器官損害、心血管疾病風險增加有關。因此，時間療法成為了一種新興的高血壓治療方法。時間療法是指通過協調藥物治療與生物鐘的節奏，最大限度地發揮藥效，降低藥物的不良反應[17]。然而，目前在改善血壓晝夜節律方面以PER等時鐘基因作為直接作用靶點的藥物研究較為有限。

在SHR中，纈沙坦睡眠時給藥(valsartan asleep administration，VSA)在控制血壓和減輕靶器官損害方面可能比纈沙坦清醒時給藥(valsartan awake administration，VWA)更有效[18]。這可能是由于VSA恢復了SHR下丘腦和腹主動脈中PER1和PER2的異常表達并且抑制了血管平滑肌中肌球蛋白輕鏈磷酸化，從而降低血壓改善血壓晝夜節律[19]。關于夜間服用降壓藥效果的臨床研究結果并不一致[20-21]。雖然指南明確指出非杓型高血壓患者心血管疾病風險增加，但目前的高血壓指南并沒有提供治療時間的建議[22-25]。絕大多數研究認為，在睡前服用降高血壓藥物比在醒后服用具有更好的降壓療效和其他益處。但這些研究結果有待進一步證實。時間療法仍是高血壓研究的一個重要領域，這種以時鐘基因作為藥物靶點的治療方式或將成為高血壓治療的新策略。

5 問題與展望

本課題組主要從事高血壓以及血壓晝夜節律方面的研究。血壓受多種因素調控，導致血壓晝夜節律紊亂的分子機制極其復雜，為了更好地治療或改善高血壓以及其他心血管疾病，血壓晝夜節律紊亂的分子機制有待深入研究。雖然許多研究提示PER與高血壓之間存在高度相關性及因果關系，并且不同部位的PER在調控血壓晝夜節律及高血壓的形成中均發揮關鍵作用，但其具體機制尚不明確。其中，大多研究數據通過動物實驗得來，未來仍需深入研究，進一步獲取基于人群的研究數據，尋找藥物治療高血壓的新靶點。