心肌兴奋-收缩偶联在心力衰竭中的研究进展

李 青，李菊香

(南昌大学 第二附属医院 心内科， 江西 南昌 330006)

短篇综述

心肌兴奋-收缩偶联在心力衰竭中的研究进展

李 青，李菊香*

(南昌大学 第二附属医院 心内科， 江西 南昌 330006)

心肌兴奋-收缩偶联(ECC)是心脏电活动转换成机械收缩的过程，Ca2+释放通道(RyR2)在ECC中起核心作用。Ca2+和Na+转运参与ECC的全过程。Ca2+转运蛋白和细胞内激酶与心力衰竭的发生发展密切相关，Ca2+转运的改变常发生在心功能衰竭之前。Ca2+转运与Na+转运相互影响，细胞内Na+转运因细胞内Na+浓度和晚钠电流增加而受到干扰，舒张期Ca2+持续增加导致舒张功能障碍,并诱导心律失常。

兴奋-收缩偶联；钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶；钙转运；钠转运

兴奋-收缩偶联(excitation-contraction coupling, ECC)是指心肌细胞电活动转化成机械收缩的过程。ECC异常包括参与兴奋-收缩偶联过程的蛋白质的表达、磷酸化和功能异常，尤其是肌浆网Ca2+渗漏和晚期Na+电流异常，在心脏舒缩功能障碍及心律失常的发生中起重要作用，并可能成为心力衰竭治疗新的分子靶点。本文就ECC在心力衰竭中的变化作一综述。

1 正常心脏中的兴奋-收缩偶联

肌丝的激活以及由此发生的心脏收缩受胞质内Ca2+调控。动作电位期间，心肌细胞膜上L-型Ca2+通道(L-type Ca2+channel, LTCC)开放，形成内向Ca2+流(ICa)激活肌浆网(SR) Ca2+释放通道(RyR2)，使得大量Ca2+释放入胞质，与肌钙蛋白C结合， 引起收缩完成心肌细胞的ECC。有报道动作电位期间肌浆网Ca2+的释放不仅受细胞内Ca2+的调控，还受细胞内Na+的调控[1]。心肌细胞舒张有赖于胞质内Ca2+的消除，细胞内Ca2+的流动对维持正常的心脏功能非常关键。最近有报道线粒体Ca2+单向转运在细胞内Ca2+平衡的调节中起重要作用[2]。

ECC是一个高度协调的过程，受多种信号蛋白精细调控，其中蛋白激酶A(PKA)和钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ (CaMKⅡ)起关键作用。PKA使钙转运蛋白磷酸化，如受磷蛋白(PLB), RyR2 和 LTCC。PLB的Ser16位点磷酸化后增强SERCA2a功能，促进肌浆网Ca2+的摄取并增加SR钙容量。而RyR2和LTCC磷酸化后致更多的Ca2+释放入胞质。CaMKⅡ是大量存在于心脏中维持Ca2+动态平衡的一种丝氨酸/苏氨酸激酶,可以使LTCC、PLB的Thr17、RyR2 的Ser2808/Ser2809、Ser2814/Ser2815以及心脏Na+通道和K+通道磷酸化，也可磷酸化肌联蛋白而影响肌丝功能[3]。在Ca2+/CaM结合蛋白作用下，增加的Ca2+激活CaMKⅡ发生自身磷酸化。而CaMKⅡ调节域内Met281/282位点的氧化可以使CaMKⅡ进入Ca2+非依赖性活化状态。抑制CaMKⅡ可能为心力衰竭和心律失常的治疗提供新的方向。在两个不同的CaMKⅡδ敲除小鼠模型中，一般情况下ECC无明显改变，但在长期心脏后负荷增加中呈现心脏保护作用[4]。

2 心力衰竭中异常的兴奋-收缩偶联

在心力衰竭中，SR钙容量减少，细胞内钙瞬变减少，致ECC异常，引起收缩功能障碍。其可能机制：1)SR上经SERCA2a的Ca2+再摄取减少,经NCX Ca2+外流增加；2)RyR2开放概率增加，舒张期肌浆网Ca2+渗漏增加，细胞内游离Ca2+水平升高；3)异常的LTCC/ICa2+和钠转运，以及Ca2+转运的继发改变等。

2.1肌浆网Ca2+摄取和NCX的Ca2+外流

正常心肌细胞中，胞质内Ca2+消除主要是经SERCA2a再摄取。但在心衰患者心脏中，SERCA2a蛋白的表达或活性降低，PLB磷酸化减少致SERCA2a活性进一步降低。可溶性耐药相关钙结合蛋白(sorcin)是RyR2、LTCC和NCX的调控因子，其能在肾上腺素应力下转移至肌浆网，激活SERCA2a介导的肌浆网Ca2+摄取，在心力衰竭中起到代偿作用[5]。

心脏收缩幅度随刺激频率增加而增加，称力-频率的关系。SERCA2a蛋白水平更高的心脏相对SERCA2a表达低的心脏，该力-频率的关系体现的更明显[6]。正常心肌给予SERCA2a抑制剂可诱导出呈负相关的力-频率关系。在体内，力-频率关系受多种因素影响，包括肌丝对Ca2+反应性，神经体液刺激及前后负荷等。肌浆网Ca2+再摄取减少导致SR钙容量受损是心力衰竭发生的重要病理机制。加强SERCA2a功能以恢复SR钙容量成为潜在的治疗靶向。经腺病毒转染SERCA2a到实验猪体内，其收缩力改善，在CUPID2期临床实验中也获得相同结果，提示SERCA2a过表达的治疗潜能[7- 8]。

NCX是Ca2+外流的主要转运体，具有电压敏感特性，其转运方向受膜电位和细胞内外Na+及Ca2+浓度的影响。心力衰竭中NCX的表达和活性增加，即使SERCA2a活性/表达降低，Ca2+也能经NCX消除，这导致细胞内Ca2+净流失。心衰患者SERCA2a表达降低而NCX未增加时，舒张期胞内Ca2+累积增加致舒张功能障碍。NCX的激活是另一潜在治疗靶向。

2.2肌浆网Ca2+释放

SR中Ca2+经RyR2释放到胞质内。RyR2在ECC中起核心作用，受多种调节蛋白严格调控，包括FK506结合蛋白(FKBP12.6)、钙调蛋白(CaM)、CaMKⅡ、PKA以及蛋白磷酸酶1(PP1)和蛋白磷酸酶2(PP2)。连接素、三联素和肌钙蛋白是RyR2亚基的组成部分。正常RyR2在舒张期处于关闭状态，Ca2+储藏于SR内。心衰时，该通道开放概率增加，舒张期SR中Ca2+释放剧烈增加且钙容量减少，这种局部受限的Ca2+释放伴随着SR内相关区域Ca2+减少，形成所谓的钙闪烁，引起细胞迁移，与心室重塑有关[9]。RyR2功能受损使Ca2+经NCX外流，与Na+交换产生一过性内向电流，从而诱导延迟复极，触发心律失常和心源性猝死。

心力衰竭中SR钙渗漏有关蛋白FKPB12.6，与RyR2结合稳定RyR2关闭状态。在后负荷增加的小鼠模型中FKPB12.6过表达可减少小鼠室速发作[10]。而心力衰竭中FKPB12.6减少导致SR钙渗漏，与运动诱发的延迟后除极及心源性猝死有关[11]。JTV519 (K201)是一种能稳定FKPB12.6与RyR2结合的药物。该药物不仅能改善RyR2的功能、钙瞬变和收缩力，也能预防心律失常的发生[12- 13]。在带有黏性FKBP12.6基因(D37S)的小鼠模型中，增加心脏后负荷，未观察到FKBP12.6衰减或其他救援反应[14]。

心力衰竭中CaMKⅡ的表达和活性上调。既往认为PKA介导的RyR2过度磷酸化是SR钙渗漏的主要原因，对CaMKⅡ的深入研究提示,CaMKⅡ的磷酸化作用才是心衰中SR Ca2+泄漏增加的主要原因[15]。CaMKⅡ过表达使RyR2过磷酸化破坏细胞中Ca2+动态平衡，在活体内抑制CaMKⅡ可明显减少兴奋-收缩偶联不协调导致的心室重构。

CaMKⅡ和PKA还调节其他蛋白活性，如调控SERCA2a活性的PLB。钙渗漏是RyR2功能异常直接介导的效应，还是SR钙负载增加致RYR2开放概率增加间接介导的效应，目前还不明确。但在PLB敲除模型中， PKA对SR钙渗漏无影响，而CaMKⅡ增加了与SR钙负载无关的钙渗漏从而导致心衰中心律失常的发生和收缩力受损[16]，提示CaMKⅡ在RyR2功能调节中起主导作用，而PKA通过提高SR钙容量间接起作用。对肥厚性心肌病患者的研究发现，心脏肥厚期CaMKⅡ和PKA均可调节RyR2功能导致SR钙渗漏，而在心肌肥厚向心衰进展的过程中，是CaMKⅡ介导的RyR2磷酸化导致钙渗漏增加和钙循环受损，并非PKA[17]。RyR2 Ser2808位点的磷酸化在SR钙渗漏与FKBP12.6结合中起的重要作用受到质疑[18]。收缩期RyR2开放概率增加对钙瞬变的稳定状态和收缩力没有任何影响[19]，提示RyR2磷酸化增加主要对舒张期SR钙渗漏起作用。

2.3 钠转运和晚钠电流

细胞内Ca2+转运与Na+转运密切相关。后负荷增加和心肌肥厚中均观察到胞质内Na+超载。最初认为是由于钠氢交换体(Na+/H+-exchanger，NHE)或SR钙容量减少，经NCX引起的继发改变。早期研究认同持续Na+流(晚钠电流)是Na+容量的重要影响因素。计算机建模提示几种Na+转运蛋白的联合作用最可能与钠超载有关，而非单一机制所致[20]。

晚钠电流失活缓慢，影响多种离子通道和离子交换体的活动过程，是早期复极和延迟复极产生的原因，因此晚钠电流在心衰患者的心律失常起重要作用。Na+流峰值与晚钠电流均受CaMKⅡ依赖性调控。离体实验显示晚钠电流对心脏舒张功能障碍非常重要；在体实验中雷诺嗪能改善CaMKⅡ过表达等原因引起的心脏舒张功能障碍和心律失常[21]。在遗传性肥厚性心肌病中晚钠电流增加，该机制是这些患者心室肌细胞电生理和小梁异常的原因，这显示出晚钠电流阻滞剂对于射血分数正常的舒张期心力衰竭患者的治疗潜能[22]。

3 结语

细胞内Ca2+循环和Ca2+转运蛋白在心肌正常及异常功能中起关键作用。在心力衰竭中，SERCA2a的表达和活性降低。RyR2在ECC中起核心作用，心力衰竭时RyR2开放概率增加，造成舒张期SR钙渗漏，致SR钙容量减少收缩力受损。Ca2+渗漏为心律失常的发生提供了基础。舒张期Ca2+水平增加使细胞内Na+转运受到干扰，细胞内Na+浓度和晚钠电流增加，加重心力衰竭和心律失常的发生。这将可能成为心力衰竭治疗的新的分子靶点。

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Progress on excitation-contraction coupling in heart failure

LI Qing, LI Ju-xiang*

(Dept. of Cardiovascular, the Second Affiliated Hospital of Nanchang University, Nanchang 330006, China)

Excitation-contraction coupling is the process by which the cardiomyocyte translates electrical excitation into mechanical contraction. The RyR2 plays a central role in the process. Ca2+-handling and Na+-handling participate the whole process of excitation-contraction coupling. Alterations in Ca2+-handling proteins and intracellular kinases are involved in the pathogenesis of heart failure. Changes in Ca2+-handling often precede the depression of myocardial function. Intracellular Ca2+-handling is closely coupled with intracellular Na+-handling. Intracellular Na+-handling is disturbed with elevated intracellular Na+-concentration and increased late INa. Diastolic Ca2+can consecutively increase contributing to diastolic dysfunction and heart failure as well as arrhythmias.

excitation-contraction coupling; calcium/calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ; Ca2+-handling; Na+-handling

2013- 11- 05

2014- 01- 15

国家自然科学基金(81060013);江西省自然科学基金(2010GZY0254)

*通信作者(correspondingauthor)： ljx912@126.com

1001-6325(2014)08-1129-04

R 331.3+1

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