CaMKⅡ在心血管疾病中的研究

平蘭芝，黃小樓，2，胡天俊，吳高鑫，2

（1.貴州中醫藥大學針灸推拿學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州中醫藥大學第一附屬醫院針灸科，貴州 貴陽 550025；3.盤州市中醫院康復科，貴州 盤州 553500）

心血管疾病（cardiovascular diseases，CVD）作為影響人類健康的重大公共衛生問題之一，已成為全世界范圍內致殘和死亡的主要原因。根據《中國心血管健康與疾病報告2019 概要》[1]統計顯示，我國CVD 病患病率及死亡率逐年升高，死亡率高于40%，居我國城鄉居民疾病死亡率的首位。鈣離子/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ（calcium/calmodulindependent protein kinaseⅡ，CaMKⅡ）是一種廣泛存在的多功能絲氨酸/蘇氨酸激酶，參與調節心肌細胞Ca2+循環、收縮、炎癥、代謝、基因表達和細胞存活等環節，其活性和表達程度在心肌缺血再灌注損傷、心肌肥大以及心律失常和心力衰竭的發生、發展中發揮著重要作用[2-5]。深入了解CaMKⅡ的結構及其作用機制可能會成為治療CVD 的新靶點。本文就CaMKⅡ結構、亞型、活性及其在激活相關通路中的作用作一綜述。

1 CaMKⅡ的分子結構及亞型

CaMKⅡ是細胞內鈣離子信號變化的重要感受器，參與調節各種細胞生理功能，包括細胞形態、遷移、興奮-收縮偶聯、骨重建和凋亡等[6]。CaMKⅡ存在α、β、γ 和δ 4 種亞型和20 多種剪接變體[7]，其中α 和β 主要在神經系統中表達，δ 和γ 亞型廣泛存在于全身。CaMKⅡδ 是心臟主要表達亞型，其選擇性剪接導致至少11 種不同的剪接變體，其中δA、δB、δC 和δ9 在心臟部位最常見[8]。而目前在心臟中研究最多的是δB、δC，其中δB 僅包含1 個核定位序列（nuclear localization signal，NLS），主要定位于細胞核，而CaMKⅡδC 主要定位于胞質[9]。CaMKⅡ是由12 個亞基組成形成的一對堆疊的六聚體[10]，每個亞型均具有氨基端催化結構域與調節結構域和結合結構域，其中調節結構域包含自抑制區域和Ca2+/鈣調蛋白（CaM）復合物的結合位點[11]；催化結構域中具有三磷酸腺苷和底物的結合位點，催化結構域與底物結合并執行CaMKⅡ激酶功能。

2 CaMKⅡ的活性

在基礎條件下，CaMKⅡ活性受到調節域和催化域之間相互作用的調控[12]，自抑制區域作為偽底物與催化結構域結合，使激酶被自動抑制。Ca2+與CaM結合是CaMKⅡ活性的先決條件，其活化程度與其自身結構域及細胞內Ca2+的濃度有關。當細胞內Ca2+濃度增加時，Ca2+和CaM 結合形成Ca2+/CaM 復合物，其復合物與調節域中的CaM 結合位點結合，使CaMKⅡ構象產生變化，消除自我抑制作用，從而激活CaMKⅡ[13]。在此期間，CaMKⅡ自抑制區域中內Thr287/Thr286 位點因細胞內Ca2+濃度持續增加而發生自身磷酸化作用，使CaM 與CaMKⅡ調控域的親和力結合增加了1000 多倍，這一效應被稱為“CaM捕獲效應”，即使Ca2+濃度下降，CaM 與CaMKⅡ分離，Thr287/Thr286 位點的帶負電荷的磷酸基團抑制了催化域和調節域的自抑制區域再結合，使其活性持續到磷酸基團被蛋白磷酸酶清除[14]。因此，CaMKⅡ也被稱為“記憶分子”。此外，CaMKⅡ的活性還能通過氧化激活（Met-281/282 殘基被活性氧氧化）[15]、糖化應激（高血糖期間Thr286 和S279 的氧連接的氮乙酰氨基葡萄糖修飾增加）[16]、一氧化氮激活（C290 的一氧化氮依賴性亞硝基化）[17]和輔肌動蛋白（與調節域上的Thr286 位點結合）[18]激活。

3 CaMKⅡ在CVD 相關通路激活中的作用

Ca2+是機體內最常見的信號轉導物之一，參與細胞增殖、遷移和侵襲，在心肌細胞中起著重要的調節作用[19]。CaMKⅡ是細胞內Ca2+信號變化的重要感受器，當細胞內Ca2+超載時會激活CaMKⅡ，從而激活多條相關通路，影響CVD 的發生和發展。

3.1 核因子κβ（NF-κβ）信號通路 NF-κβ 是一種重要的核轉錄因子，參與調節心肌細胞的免疫細胞成熟、存活和炎癥[20]。CaMKⅡδ 的激活可調節心血管炎癥，是心肌細胞中NF-κβ 信號傳導的重要調節劑[21]。Ling H 等[2]研究發現，CaMKⅡ活性在體內心肌缺血/再灌注中被激活，并通過其上游激酶Iκβ 激酶（IKK）調節心肌細胞中的NF-κB 信號傳導，從而促進I/R 誘導的炎癥和梗死的發生、發展。Gray CB 等[22]研究中探討了剪接變異體CaMKⅡδβ 和CaMKⅡδ?在I/R 中的作用，結果表明CaMKⅡδC-IKK-NF-κB軸的激活誘導腫瘤壞死因子-α 的表達增加，并通過抑制IKK 來減少梗死面積，改善I/R 損傷。此外，壓力超負荷誘導的心肌細胞中NF-κβ 和ROS 信號觸發的炎癥小體也可激活CaMKⅡδ，進而誘導趨化因子產生，促進巨噬細胞浸潤和纖維化的發展和對壓力超負荷的不良重塑，并在選擇性刪除CaMKⅡδ 和抑制CaMKⅡ活化后，使得心肌細胞纖維化、心室擴張和收縮功能障礙減輕[23]。另有研究發現[24]，AngⅡ可通過CaMKⅡδ 和NF-κB 調節心臟中炎癥小體信號傳導，表明在心肌細胞特異性CaMKⅡδ 敲除后可顯著減少NF-κB、炎癥趨化因子的活性和巨噬細胞的浸潤，從而減輕AngⅡ所誘導的炎癥反應和纖維化。

3.2 STAT3 信號通路 信號轉導和轉錄激活因子3（STAT3）是細胞因子下游的轉錄因子，在各種細胞的生長、分化、細胞死亡或存活都有著重要作用，其過度表達會加重病理性心臟肥大[25]。在壓力超負荷的條件下，CaMKⅡ磷酸化后，βⅣ-血影蛋白被降解，導致STAT3 釋放并易位進入細胞核中，激活靶基因的轉錄，引起心肌纖維化、炎癥、適應不良性重塑，最終導致心臟功能下降[26]。CaMKⅡ和STAT3 的激活是TAC 誘發的心肌肥大過程中的重要潛在機制。在壓力超負荷的情況下，CaMKⅡ對于炎性細胞因子激活STAT3 是必需的，CaMKⅡ的過表達增強了STAT3 的磷酸化，炎性細胞因子通過激活CaMKⅡ-STAT3 通路參與心肌肥大的過程[3]，在靶向抑制CaMKⅡ/STAT3 通路后發現AngⅡ誘導的心肌肥厚得到了改善[27]。

3.3 MAPK 信號通路 絲裂原激活的蛋白激酶（MAPK）是真核生物特有的重要信號轉導酶，在細胞生長、增殖、死亡和分化等一系列基本細胞過程中發揮重要的作用。MAPK 有4 個家族成員，分別為細胞外信號相關激酶（ERK）、Jun 氨基端激酶（JNK）、p38MAPK 與ERK5[28]。其中，p38MAPK 信號傳導在CVD 中介導心肌細胞增殖、凋亡和肥大等[29]。有研究發現[30，31]，Ang Ⅱ促進ROS 的釋放導致CaMKⅡ被氧化激活，進而誘導p38MAPK 的活化，引起心肌細胞凋亡，抑制CaMKⅡδC-p38 激活能夠有效抑制心肌細胞凋亡途徑，改善心肌重塑、心力衰竭，對心臟具有保護效應。有研究提出[32，33]，過量飲酒會導致心律不齊，JNK 激活后會導致酒精引起的肝毒性和其他器官損傷。同時，激活JNK2 可直接磷酸化CaMKⅡ蛋白，從而增強CaMKⅡ的活性，使SR Ca2+泄漏增多，引起心律失常。Yan J 等[4]研究表明，使用JNK2 抑制劑可有效地抑制酒精誘導的CaMKⅡ激活，并消除了酗酒引起的心律失常。Huang Y 等[34]研究表明，抑制βAR-Gs-PKA/CaMKⅡ和Epac1/ERK1/2 信號軸的激活可減弱心臟毒性，且通過PKA 和Epac 信號通路抑制心肌細胞凋亡可對心臟起到保護作用。

3.4 PAK 信號通路 蛋白激酶A（protein kinase A，PAK）是β-腎上腺素（β-AR）調節心功能的主要介質。β1 腎上腺素受體/鈣調素依賴蛋白激酶Ⅱ信號通路是普遍存在的絲氨酸/蛋白激酶，與CaM 結合后可發生自動磷酸化，β-腎上腺素（β-AR）刺激后可通過PKA 依賴性激活CaMKⅡ的活性，引起心臟的不良重塑和心力衰竭發展[5]。此外，持續的β-AR刺激后，通過PKA/CaMKⅡ信號傳導激活促凋亡信號傳導，進而誘導心肌細胞死亡，進一步加速心力衰竭的進程，而抑制PKA 可通過防止心肌細胞Ca2+超負荷和CaMKⅡ激活，減少β-腎上腺素激動劑誘導的心肌細胞死亡[35]。孫鳳姣等[36]研究發現，β-AR/PKA/CaMKⅡ信號通路的異常表達可能是促進ADR誘導心衰發生發展的原因之一。王賽等[37]研究表明，擴張型心肌病大鼠心室重構和心功能改善與抑制β-AR/PKA/CaMKⅡ信號通路有關。

4 總結

盡管CVD 治療取得了許多進展，但其發病率和死亡率仍然較高。心肌肥大是心臟對生理和病理刺激的適應性反應，病理性肥大會發生細胞凋亡、纖維化、Ca2+處理蛋白失調等不適應失代償，引起不良心血管事件，包括心力衰竭、心律失常和死亡。為進一步提高CVD 患者的生存率，臨床迫切需要尋找新治療靶點。CaMKⅡ是多種激動劑的下游靶標，為心臟病理性肥大的關鍵調節劑，CaMKⅡ的持續和長期激活會導致離子通道重塑、細胞內Ca2+循環障礙、炎癥和心肌收縮功能障礙。CaMKⅡ在CVD中的多度表達，可激活NF-κB 信號通路觸發炎癥小體，從而引起心臟的不良重塑；此外，其可通過STAT3 信號通路引起心臟功能下降、調控MAPK 相關信號通路介導心肌細胞凋亡，以及通過PKA/CaMKⅡ信號通路誘導心衰的發生、發展。抑制CaMKⅡ的活化可能對延緩CVD 的進展具有良好的作用。因此，需要對CaMKⅡ分子結構、亞型、激活機制及其所涉及的通路深入研究，以期為CVD 臨床合理用藥提供新的思路。