心肌肌浆网钙泵2a与心力衰竭

史孟松，曲辅政（综述），刘志华（审校）

（1．滨州医学院附属烟台市牟平人民医院心内科，山东烟台 264100;2．苏州大学附属第一医院心内科，江苏苏州， 215006）

慢性心力衰竭是各种心脏结构或功能性疾病导致心室充盈和（或）射血能力受损而引起的一组综合征;因致死率、致残率高，一直是临床研究的重点［1］。从分子生物角度研究认为心力衰竭的本质是心肌组织细胞中某些相关基因表达与调控异常而引起的超负荷心脏病。当今国内外对慢性心力衰竭病理生理的研究更多集中于心肌兴奋收缩的钙循环环节。钙循环过程主要包括心肌肌浆网钙释放、钙回摄、钙储存3个过程。在这些过程中心肌肌浆网钙泵2a（sarcoplasmic reticuluMcalciuMadenodine triphosphatase 2a，SERCA2a）起主要作用，它的活性和功能直接影响心肌舒缩功能［2］。

1 SERCA2a的结构和分布

SERCA2是一个跨膜蛋白，属肌浆网SERCA家族，分为SERCA2a和SERCA2b两个亚型。SERCA2a蛋白主要在心肌和慢速收缩骨骼肌中表达，是心肌肌浆网中含量最丰富的蛋白，占肌浆网总蛋白的40%;SERCA2b分布广泛，是平滑肌和非肌性组织中主要表达的蛋白［3］。

SERCA2a表达水平随年龄及体内甲状腺素水平变化而变化，甲状腺素水平升高的大鼠和小鼠心脏中SERCA2a表达增加，并且心肌收缩力明显增加，而甲状腺素水平低下者则相反［4］。动物在发育过程中，心室心肌细胞的SERCA2a表达水平逐渐增高，但在成年个体中SERCA2a表达水平不稳定，在老年实验动物和老人心肌细胞中，SERCA2a的水平和活性下降，这种下降与延长的心室收缩期和下降的心肌功能有关。

2 SERCA2a的功能

SERCA2a在心肌舒缩中起重要作用。在收缩期，动作电位促使少量Ca2+通过肌纤维膜L型Ca2+通道进入细胞内，继而导致大量Ca2+通过Ca2+释放通道从肌浆网中释放出来，Ca2+和肌钙蛋白C结合，引起心肌细胞收缩;游离的细胞内Ca2+浓度决定了心肌细胞兴奋程度，进而调节心肌收缩力。舒张期，SERCA2a将Ca2+摄入肌浆网，同时细胞膜上的Na+/Ca2+交换体和Ca2+泵将Ca2+转运至细胞外，细胞浆中Ca2+浓度显著下降，导致心肌细胞舒张;肌浆中Ca2+浓度的快速下降是心肌细胞舒张的决定因素［5］。在心肌细胞肌浆网中，Ca2+主要结合在Ca2+储存蛋白。在多数哺乳动物的心脏舒张期，70%以上的Ca2+通过SERCA2a转运至肌浆网，导致心肌舒张，并为下一次收缩储备 Ca2+［6］。

3 SERCA2a功能的调节

目前研究认为机体具有两种调节SERCA2a功能的机制，包括直接和间接调节，间接调节发挥主要的调节作用:钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ（calcium/calmodulin-dependent protein kinase-Ⅱ，CaMKⅡ）发挥直接调节作用，受磷蛋白（phospholamban，PLB）发挥间接作用［7］。

3．1 CaMKⅡ的结构及功能 CaMKⅡ家族是丝/苏氨酸蛋白酶，受钙调蛋白（Calmodulin，CaM）调节。哺乳动物中CaMKⅡ由4种不同基因别编码α、β、γ、δ4种亚基，其中δ亚基是CaMKⅡ在心肌中的主要成分［8］。CaMKⅡ亚基包含3个结构域:氨基端的催化结构域、羧基端耦联区及亚基中央区的调节结构域。其中调节结构域又包括部分相互重叠的自身抑制区和钙调蛋白结合区。当Ca2+缺乏时，自身抑制区和催化结构域结合，维持激酶构象处于无活性状态，阻止底物蛋白和Mg2+/ATP结合到酶催化中心;当胞内Ca2+水平升高时，促进Ca2+与钙调蛋白的结合，两者进一步结合到钙调蛋白结合区，引起激酶构象改变，自身抑制区失活，Mg2+/ATP可结合到酶催化结构域，从而激活CaMKⅡ而起催化作用。CaMKⅡ活化时δ亚基自身调节域中的自身磷酸化位点是Thr287、Thr306/Thr307;与 Ca2+/CaM结合后，Thr287自身磷酸化，并产生CaMKⅡ的自主活性，继之CaMKⅡ与Ca2+/CaM解离，Thr306/Thr307再磷酸化，阻止与Ca2+/CaM再次结合，防止酶的进一步活化。

每个CaMKⅡ亚基又各自存在多种剪接体。在心脏中δ亚基的不同剪接体主要包括δB和δC，其中δB主要分布于细胞核中，可能与病理状态下调控基因转录密切相关;δc则主要定位于细胞质中，集中在心肌细胞Z带T小管的胞质面，与RyR、L-型钙通道相邻，参与Ca2+依赖的信号转导途径，同时可磷酸化调控胞质中的Ca2+调节蛋白，影响胞内钙稳态，从而在心律失常、心肌肥厚、心力衰竭发生中起着重要的作用［9］。

CaMKⅡ作用于肌浆网上的底物主要是通过锚定蛋白完成的，锚定蛋白N端和CaMKⅡ的C端结合，使其直接固定在肌浆网膜上。CaMKⅡ对SERCA2a蛋白进行磷酸化，位点诱变研究确定CaMKⅡ磷酸化SERCA2a的位点在38-丝氨酸位点。CaMKⅡ介导的SERCA2a磷酸化能够增加肌浆网的Ca2+回收速度并增加心肌舒张速率［10］。

3．2 PLB对SERCA2a的调节 PLB是单基因产物，由52个氨基酸构成，主要在心肌细胞中表达。PLB发挥功能时是以5个相同受磷蛋白组成寡聚体的形式来实现的。PLB是一个跨膜蛋白，分为两个主要区域:一个区域为亲水性的，含有胞质部分和3个磷酸化位点;而另一个区域为疏水区域，此区域嵌入心肌肌浆网膜内。PLB主要通过亲水区域对SERCA2a发挥调节作用，亲水区含有3个磷酸化位点:①丝氨酸16（Ser-16），可被cAMP依赖的蛋白激酶A磷酸化。②苏氨酸17（Thr-17），可被CaMKⅡ磷酸化。③丝氨酸10（Ser-10），可被Ca2+磷脂依赖的蛋白激酶磷酸化［11］。

研究表明，PLB的Ser-16和潜在的Thr-17对调节SERCA2a功能起到主要作用，但Ser-16的磷酸化似乎更重要。而Ser-10如果起作用，也是仅仅起到可忽视的调节肌浆网钙转运的功能。Kiss等［12］认为PLB调节SERCA2a可能存在两种方式:一种为快速短效作用，包括PLB磷酸化和SERCA2a活动的抑制;另一种为缓慢而长期的作用，通过控制PLB的表达来调节PLB/SERCA2a比率的变化。

磷酸化的PLB与SERCA2a解离，减轻对SERCA2a的抑制，导致SERCA2a对Ca2+转运速率增加。去磷酸化的PLB与SERCA2a结合，通过蛋白-蛋白之间的相互作用，抑制SERCA2a与Ca2+的亲和力，降低SERCA2a的活性。PLB的去磷酸化由蛋白磷酸酶1（protein phosphatase，PP1）和 PP2A。

4 SERCA2a与心力衰竭

心力衰竭时钙泵功能受损降低，Ca2+摄取下降，SERCA2amRNA、蛋白水平降低［13］。目前已在不同的心力衰竭动物模型中研究SERCA2a，最常用的模型是患遗传性心肌病的叙利亚仓鼠。扩张型心肌病的叙利亚仓鼠肌浆网钙泵的蛋白表达和活性下降［14］。在左侧冠状动脉狭窄的4、8和16周形成心肌梗死的大鼠模型中，随着心力衰竭程度的加重，肌浆网钙泵mRNA和蛋白水平也下降，肌浆网钙泵的活性比蛋白水平下降更明显［15］。在犬快速起搏诱导的心力衰竭模型、超容量负荷及压力负荷制作的家兔心力衰竭模型以及人类终末期心力衰竭的心肌中都发现，SERCA2a表达下降，且SERCA2a mRNA的水平与心功能指数呈正相关［16］。

主动脉结扎后产生压力超负荷诱导力衰竭的研究发现，鼠和豚鼠的PLB mRNA和蛋白质水平降低。在人类终末期心力衰竭的心肌中也发现PLB表达下降。另外，心力衰竭时交感肾上腺素能神经系统兴奋，高浓度儿茶酚胺长期慢性刺激引起心肌β肾上腺能受体密度降低，cAMP水平降低，PKA活性下降。β肾上腺能受体密度下调引起PP1抑制剂活性降低，从而导致PP1α的表达和活性增高。蛋白激酶A表达降低和PP1α表达增高引起PLB去磷酸化程度增加，进一步引起SERCA2a活性降低。

CaMKⅡ在心肌肥厚和心力衰竭过程中发挥重要作用。一些实验表明细胞核中的CaMKⅡδB、细胞质的CaMKⅡδC能够诱导心肌肥厚形成及心力衰竭的发生。在体研究表明扩张性心肌病患者心肌组织CaMKⅡ的活性升高，且与心功能变化呈负相关［17］。

心肌细胞凋亡是心力衰竭的机制之一，CaMKⅡ能够传导凋亡信号，如选择性抑制CaMKⅡ，能够明显抑制肿瘤坏死因子α导致的凋亡。β肾上腺素可通过CaMKⅡ传导的通路导致成年心肌凋亡，胞质δC过度表达能放大β肾上腺素的凋亡效果。δC转基因大鼠发生心力衰竭伴有明显心室变薄，也提示在CaMKⅡ的参与下发生凋亡。

5 SERCA2a与治疗

目前纠正心力衰竭时，主要采取基因治疗的办法增加肌浆网对Ca2+的摄取，包括:促进SERCA2a蛋白表达，提高SERCA2a功能;增加磷酸化的PLB蛋白表达和其功能。促进SERCA2a蛋白表达主要采取导入能够促进其蛋白表达的基因方法［18］。有研究［19］使用腺病毒载体，促进大鼠心肌表达SERCA2a蛋白，使主动脉狭窄心力衰竭模型的心功能正常化，且经过1个月的病情观察，生存率也得以改善。将表达SERCA2a的基因转入分离的心力衰竭末期人心肌细胞中，心肌细胞收缩与舒张速度明显加快，达到了正常心肌细胞的水平，且强烈表达SERCA2a的衰竭心肌细胞对刺激反应频率也增加了［20］。国内郭豫涛等［21］用SERCA2a修饰的骨髓干细胞移植治疗力衰竭大鼠，发现力衰竭大鼠室腔缩小，室壁增厚显著改善，大鼠收缩和舒张功能明显提高。

Li等［22］使用将近似于第16位 Ser磷酸化状态的PLB的变异体（S16EPLB）嵌入副腺病毒（AAv2）载体，将基因导入BIO14．6心肌病仓鼠及大鼠心肌梗死后心力衰竭模型，心功能得到长期改善，心肌间质纤维化减少，左心室重构受到抑制。

作为具有直接纠正这些肌浆网钙调蛋白异常作用的药物，有报道指出药物MCC-135可以使SERCA2a的泵功能亢进，并提高Na+-Ca2+交换泵的作用，但其详细的分子机制仍不清楚，目前还处于临床实验阶段［23］。PP1是心肌细胞内负责去磷酸化的主要磷酸激酶之一，心力衰竭时其活性升高，降低靶蛋白的磷酸化，成为心肌收缩力下降的原因。有研究指出，导入抑制PP1活性升高的内源性蛋白基因后，可以抑制心力衰竭模型的心功能恶化。在仓鼠心力衰竭模型的心脏导入内源性PP1阻断蛋白——抑制蛋白2后，取得了长期心功能改善效果和改善预后效果，支持心力衰竭时PP1活性亢进是促进心功能恶化的想法［24］。但是，PP1是一种在全身组织普遍存在的蛋白，并且现在的PP1阻断剂可以同时阻断PP2A，诱导细胞死亡，不能直接作为心力衰竭的治疗药物使用。

6 结语

慢性心力衰竭是21世纪心血管医师面临的重大挑战之一。对心力衰竭机制的了解日益深入，也给心力衰竭治疗带来新的方向。心肌肌浆网钙泵及其相关蛋白的异常是心力衰竭的机制之一，以此作为研究靶点，将为人类征服心力衰竭开辟一条光明的新途径。

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