Bmal1與心血管疾病關系的研究進展

朱勝奎 丁家望 汪心安 王瑤

(1三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；2三峽大學附屬宜昌市第二人民醫院)

晝夜節律是最常見的一種生物節律，在哺乳動物中，許多行為和生理過程都表現出近似24 h為周期的晝夜節律變化，晝夜節律發生的物質基礎是分子計時器，即生物鐘〔1〕。晝夜節律生物鐘屬于生物體內時間調控系統，是機體為了更好適應生存環境，在進化過程中自然條件下產生的〔2〕。晝夜節律分子反饋環路的核心部分是Clock/Bmal1組成的異二聚體，Bmal1是維持生物鐘節律性振蕩的關鍵基因，對維持24 h節律完整性是必不可少的〔3〕。生物鐘基因Bmal1與心律失常、高血壓、動脈粥樣硬化的發生、發展的病理過程相關。結合近些年來對生物鐘Bmal1基因的研究進展，本文對晝夜節律Bmal1基因與上述幾種心血管疾病的相關性進行綜述。

1 生物鐘基因的簡介及分子調控

生物節律的產生受“生物鐘”所調控，生物鐘基因(晝夜節律基因)是維持24 h周期節律完整性的分子振蕩器。這些振蕩器通過神經鏈接和激素信號調節生物鐘發揮作用，進而維持每天的生物節律〔4〕。生物鐘可以分為中樞生物鐘和外周生物鐘。中樞生物鐘位于下丘腦的中央視交叉上核(SCN)，振蕩器位于SCN單個神經元內，SCN內約含有20 000個神經元，主要通過調節自主神經功能和體液介質及未知因素來直接調控機體外周振蕩器及日常周期節律。而外周生物鐘在機體外周組織中表達，其表達部位主要包括心臟、肝臟，骨骼肌和脂肪組織，直接調控機體本身靶基因的表達協助中樞生物鐘維持周期節律〔5，6〕。

目前對晝夜節律生物鐘研究已經達到分子水平，分子機制是機體細胞自主晝夜節律振蕩器的基礎。在分子水平上，最受認可的是晝夜節律生物鐘，分子核心是負反饋回路，主要由芳基碳氫化合物受體核易位體樣蛋白(BMAL)1、晝夜運動輸出周期蛋白kaput(CLOCK)、隱花色素(CRY)1和CRY2、周期晝夜運動蛋白同源物(PER)1、PER2和PER3組成〔7〕。在24 h周期開始時，Bmal1蛋白小泛素化修飾后，在cAMP/Ca2+反應元件結合蛋白(CBP)作用下形成Bmal1/CLOCK異質二聚體，結合到PER和CRY基因啟動子區域的E-box元件，促進PER1，PER2和CRY1，CRY2基因的轉錄，轉錄后的蛋白質進入胞質后被CKI磷酸化，磷酸化的PER不穩定，被小泛素化降解，當CRY蛋白積聚在細胞質中形成的PER/CRY/CKI復合物進入細胞核后，該復合物能抑制BMAL1/CLOCK介導的轉錄激活〔8〕。Bmal1是所有時鐘基因中最不可替代的基因，與晝夜節律的調控密切相關。

2 晝夜節律基因Bmal1與心血管疾病

2.1Bmal1與心律失常 心律失常是心血管疾病臨床常見的一類疾病。影響心律失常的機制可分為兩類，一類是自主神經的電活動、激素水平等細胞外因素的晝夜節律變化，另一類是心臟本身結構的生物鐘基因活動所導致的〔9〕。生物鐘基因可以通過調節心肌細胞膜上有關離子通道蛋白的節律性表達來使細胞膜表面離子通道的密度呈現晝夜節律現律性變化，從而使心肌的傳導性、興奮性也呈現出相應的節律，是心律失常具有晝夜節律的重要原因之一。在心室細胞中，Scn5a是電壓門控型鈉離子通道(INa)的主要編碼者，Scn5a基因呈現晝夜節律規律。Schroder等〔10〕通過小鼠實驗發現，在Bmal1敲出的小鼠心肌細胞中可見Scn5a基因表達降低并失去晝夜節律規律，INa所介導的Na+電流水平下降、心電圖記錄到RR間期延長、QRS波群增寬，心率減慢，增加了心律失常的風險，由此可見，Bmal1可以調控Scn5a的晝夜規律性影響INa進而參與調控心律失常的發生發展。一項實驗研究表明，Bmal1可通過PI3K-AKT信號通路來調節Ⅰ型鈣通道亞單位CACNA1C的表達和功能，而Ⅰ型鈣通道所產生的電流在心電活動和心律失常中發揮重要作用〔11〕。生物鐘與心律失常發生的關系具體機制很復雜，需要更多的深入研究去發現二者的深層次關系。

2.2Bmal1與高血壓 近年來基因研究顯示，時鐘基因在血壓的晝夜調節中發揮著關鍵作用。Bmal1敲除的小鼠在活躍期血壓降低，導致血壓晝夜節律失去平衡，一方面與Bmal1敲除導致內皮細胞功能障礙，一氧化氮解耦聯引起超氧化物產量增加有關，另一方面與Bmal1敲除小鼠體內的NADPH氧化酶表達增加引起超氧化物含量增多有關〔12〕。有文獻報道，其他參與血壓調控的核心晝夜節律基因包括負性晝夜節律反饋調節因子CRY1和CRY2，與Bmal1基因缺失相比，CRY1和CRY2基因的復合缺失導致小鼠血壓升高〔13〕。Chang等〔14〕研究發現，血管周圍組織脂肪細胞(PVAT)中的時鐘基因Bmal1表達與靜息期血壓下降呈正相關，隨著Bmal1蛋白水平的恢復，血壓也慢慢恢復正常，此外還發現Agt是PVAT中Bmal1發揮作用的一個新的轉錄靶點，此研究結果表明在PVAT中Bmal1及其相關靶基因Agt協同參與靜息期血壓的晝夜變化的調節。小鼠實驗研究發現，Bmal1基因敲除的小鼠表現除低血壓表型，血壓的晝夜節律減弱，小鼠體內兒茶酚胺合成級聯酶苯乙醇胺N-甲基單胺氧化酶B的表達降低，導致腎上腺素、去甲腎上腺素水平降低，這些結果表明，Bmal1對兒茶酚胺的合成具有正向調節作用，Bmal1表達的晝夜節律提前可能導致兒茶酚胺合成的晝夜循環紊亂〔15〕。一項動物研究表明，纈沙坦聯合氨氯地平聯合運用于自發性高血壓大鼠(SHR)模型中，在治療的過程中，觀察到晝夜節律鐘的核心成分Bmal1的水平在晚間給藥后水平下降，可能是聯合用藥降壓時，Bmal1有助于機體形成一種代償機制，預防SHR在高血壓進展過程中所導致的器官衰竭〔16〕。隨著對時鐘基因與血壓節律性波動認識的不斷深入，相信可以為更好地控制血壓提供新的治療靶點，從而減少不良事件的發生。

2.3Bmal1與動脈粥樣硬化(AS) AS的病變基礎是以脂質沉積于血管內膜為特征，其中糖脂代謝異常在AS發生發展中起重要作用。Pan等〔17〕發現全Bmal1基因敲除Apoe-/-小鼠高脂血癥和AS的發生率明顯增加，Bmal1的缺乏很大可能通過降低小異二聚體伴侶(Shp)表達和增加微粒體三酰甘油轉運蛋白(MTP)表達水平來增加脂蛋白產生，此外，Bmal1缺乏可能通過降低結合蛋白Gata4表達，導致ATP結合蛋白超家族G成員(Abcg)5和Abcg8的表達減少，從而減少膽固醇排泄，而在Bmal1-/-Apoe-/-小鼠中過表達Bmal1會降低高脂血癥和AS發生率。脂肪組織中Bmal1缺乏會導致肥胖，Bmal1敲除的小鼠表現出血脂異常，但是Bmal1如何調節血脂水平仍不清楚。晝夜節律紊亂與AS有密切關系，內皮-間質轉化(EMT)是AS進展和斑塊不穩定的主要特征。研究發現，在Bmal1缺乏的小鼠巨噬細胞中腫瘤壞死因子(TNF)-α誘導的核轉錄因子(NF)研究發現，在Bmal1缺乏的小鼠巨噬細胞中TNF-α誘導的NF-κB活性通路及TNF通路活性上調〔18〕。Huo等〔19〕研究發現Bmal1敲除的小鼠，單核細胞向病灶處募集增多，導致巨噬細胞含量大量增加，最終參與AS發生發展。Zhu等〔20〕發現，Bmal1缺乏顯著增加了BMP信號活性通路，進而介導細胞內活性氧(ROS)積累誘導EMT，導致粥樣斑塊的形成。Bmal1-/-小鼠內皮細胞中內皮細胞型一氧化氮(NO)合酶活性減弱，導致NO產生減少，超氧化物生成增多。最新一項研究發現，予以Apoe-/-小鼠丙烯醛喂養，丙烯醛可以激活小鼠內皮細胞中的絲裂原活化蛋白(MAKP)通路并下調Bmal1進而誘導基質金屬蛋白(MMP)9過表達，發現AS斑塊與MMP9呈正相關，與Bmal1呈負相關，提示MMP9和Bmal1是AS危險因素〔21〕。相信隨著有關Bmal1與AS關系的深入研究，將會為尋找AS的防治靶點提供新更充足的論理依據。

綜上，晝夜節律基因Bmal1表達參與心律失常、高血壓、AS發生發展。晝夜節律Bmal1在心血管的表達在維持其正常生理結構與功能中起著重要作用。更好地了解心血管疾病基于Bmal1的分子機制對治療方法的改進起著重要作用。如果能夠針對Bmal1靶向用藥進而干預Bmal1表達，無疑將會對心血管疾病的防治提供一個新的思路。但是，對Bmal1與心血管疾病的具體深層次關系仍知之甚少，隨著對生物鐘Bmal1研究的進一步深入，Bmal1在心血管疾病中發揮的作用及其與心血管疾病關系的挖掘將為防治心血管疾病提供重要的依據。