心脏型肌球蛋白结合蛋白与射血分数保留的心力衰竭

张晨 综述 常静 审校

(重庆医科大学附属第一医院心内科，重庆 400016)

1 心脏型肌球蛋白结合蛋白C 的生物学特性

1.1 心脏型肌球蛋白结合蛋白C 基因、亚型及结构

心脏型肌球蛋白结合蛋白C 基因特异性表达于所有哺乳动物的心肌细胞。人的心脏型肌球蛋白结合蛋白C 基因约21 kb，包括35 个外显子，位于人类11 号染色体短臂11 区2 带(11p11.2)，可编码1 274个氨基酸。因此，心脏型肌球蛋白结合蛋白C 是个大分子蛋白，140～150 kD(≈1.4×104～1.5×104)。心脏型肌球蛋白结合蛋白C (C 3 心肌型)是人肌球蛋白结合蛋白C 家族成员，这个家族还包括肌球蛋白结合蛋白C1 慢骨骼肌型和C2 快骨骼肌型。该蛋白有11个功能区(C0～C10)，其中8 个IgC2 基序，3 个纤连蛋白3(FN3)基序。心脏型肌球蛋白结合蛋白C 通过其功能区与肌小节各组成部分相互作用，与其他两种骨骼肌型异构体不同的是:(1)心脏型肌球蛋白结合蛋白C 的N-末端(C0)包含一个Lg 样结构域，此为心肌细胞所特有，有高度特异性;(2)C1～C2 的四个磷酸化位点;(3)C5 结构域有一个由28 个氨基酸残基组成的环结构。目前准确的心脏型肌球蛋白结合蛋白C的空间结构还不是很清楚，获得较多认可的有环状三聚体模型和杆状模型［1-4］。

1.2 心脏型肌球蛋白结合蛋白C 在心肌的作用

1.2.1 心脏型肌球蛋白结合蛋白C 与心肌组成

肌小节是肌肉收缩的基本功能单位，由粗肌丝和细肌丝组成，心脏型肌球蛋白结合蛋白C 是心肌肌纤维粗肌丝的主要组成部分。它横向排列在肌小节A带形成7～9 个横纹，每条横纹间隔43 nm［1］。早期研究通过分离粗肌丝或转基因技术证明了心脏型肌球蛋白结合蛋白C 对肌球蛋白的装配和稳定有积极作用。它可以通过(C1～C2)牢固结合在粗肌丝肌球蛋白重链(横桥)上，对粗肌丝进行正确装配和稳定，还通过(C8～C10)与肌联蛋白结合，来确保心肌纤维结构的完整性和稳定性［2-3］。

1.2.2 心脏型肌球蛋白结合蛋白C 调节心肌的收缩舒张

粗肌丝肌球蛋白和细肌丝肌动蛋白的有序交互作用，来完成肌纤维的收缩作用。心脏型肌球蛋白结合蛋白C 作为心肌粗肌丝的组成部分，心脏型肌球蛋白结合蛋白C 氨基末端(C0～C2)的肌球蛋白结合位点与肌球蛋白S2 结构域相连，通过Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶的磷酸化/去磷酸化作用调节S1 的活化状态，参与调节肌肉收缩。但又通过不同机制抑制肌球蛋白-肌动蛋白的结合，心脏型肌球蛋白结合蛋白C 结合在肌球蛋白头部，使其头部更靠近杆部，在物理空间上限制了横桥与肌动蛋白相互作用的速率和范围。近期的实验及临床研究显示心脏型肌球蛋白结合蛋白C 更是心脏舒张功能关键的调节者。其中心脏型肌球蛋白结合蛋白C 的磷酸化调节心肌横桥分离率和结合率的改变是其核心机制［5-8］。除了磷酸化，心脏型肌球蛋白结合蛋白C 的谷胱甘肽化也可以增加肌纤维的钙敏感性来调节心肌舒张功能。当低Ca2+水平可抑制肌球蛋白与肌动蛋白的相互作用，从而使肌小节在整个舒张期的长度缩短，舒张功能减弱［9］。

1.2.3 心脏型肌球蛋白结合蛋白C 的磷酸化

心脏型肌球蛋白结合蛋白C 在人体血清中以高度磷酸化状态存在。在胆碱能反应中，蛋白磷酸酶2A(PP2A)可将心脏型肌球蛋白结合蛋白C 去磷酸化，从而促使其降解。目前为止，我们将近发现17 个心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化位点，活性最丰富的主要有四个(Ser275-Ser284-Ser304-Ser311)，对应老鼠相应的 序 列 为(Ser281-Ser290-Ser310-Ser315)［1，10］。已被证明并常应用于临床研究的心脏型肌球蛋白结合蛋白C 蛋白激酶包括有环磷酸腺苷依赖蛋白激酶(PKA)、Ca2+或钙调蛋白的蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)、蛋白激酶Cε(PKCε)、蛋白激酶D［11］。心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化有心肌保护功能，并在调节心肌收缩舒张功能上发挥重要作用。其主要机制:(1)心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化可以增加粗肌丝之间的距离，防止心脏型肌球蛋白结合蛋白C 蛋白水解，减低心肌缺血-再灌注损害。(2)心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化可阻断其与肌球蛋白S2 的结合，降低与肌动蛋白的亲和力，使肌球蛋白头部向肌动蛋白靠近，从而增强肌球蛋白-肌动蛋白的交互作用，促进心肌的收缩;当心肌受到β 肾上腺素刺激后，磷酸化后的心脏型肌球蛋白结合蛋白C 可以促进心脏做出适应性反应，增加心排血量，保护正常心肌功能。但心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化使横桥与肌动蛋白的分离速度增加，又不影响肌动蛋白相对横桥的滑动速度，从而使心肌收缩力减小。病理情况下，心肌收缩长期失代偿可导致心肌肥厚和间质纤维化的产生。(3)随着研究的逐步深入，人们渐渐认识到，心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化对心肌正常舒张功能的调节作用占有重要地位。这方面大量临床研究和动物模型都证明，心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化可以调节心脏的舒张功能，且远远大于对心肌收缩功能的影响［10-14］。其中具体分子机制还不是很清楚，但心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化对维持心肌正常舒张功能起决定性作用是确定无疑的。

心脏型肌球蛋白结合蛋白C 在心脏生理和病理条件下都起着重要的作用，它不仅参与正常心肌肌纤维结构的组装，还参与细胞内信息传递，通过磷酸化来调节横桥循环参与肌肉的收缩和舒张，特别对正常心肌舒张功能有重要作用。因此心脏型肌球蛋白结合蛋白C 既为结构蛋白，又是调节蛋白。

2 心脏型肌球蛋白结合蛋白C 与射血分数保留的心力衰竭关系的探讨和研究

2.1 心脏型肌球蛋白结合蛋白C 与舒张功能不全

早期心脏型肌球蛋白结合蛋白C 为大家所熟识，是作为肥厚型心肌病致病基因中最为常见的一种，人们发现早期心脏型肌球蛋白结合蛋白C 的突变能导致舒张功能不全。之后多例研究报道，肥厚型心肌病患者在出现心肌肥厚之前就因携带心脏型肌球蛋白结合蛋白C 的突变而表现出心脏舒张功能不全［15-16］，则说明心脏型肌球蛋白结合蛋白C 的突变能独立引起舒张功能不全，而心脏型肌球蛋白结合蛋白C 在调节心肌舒张功能的作用，也开始受到人们的关注。

Harris 等将心脏型肌球蛋白结合蛋白C 外显子3～10切断，导致其mRNA 异常，首列造出完全没有心脏型肌球蛋白结合蛋白C 表达的老鼠模型心脏型肌球蛋白结合蛋白C (-/-，Ex3-10)，并用组织多普勒(TDI)测量发现其舒张早期E 峰值最大运动速度(Em)低于正常值，E(二尖瓣环舒张早期心肌速度)/Em 均高于正常值，与射血分数保留心力衰竭患者左心室舒张功能不全的影像学证据类似［17-18］。之后又有其他研究人员作用于外显子1～2 造出心脏型肌球蛋白结合蛋白C 零表达的老鼠模型心脏型肌球蛋白结合蛋白C (-/-，Ex1-2)，或将心脏型肌球蛋白结合蛋白C 突变基因的纯合子和杂合子敲入老鼠模型当中，均表现出心肌的舒张功能不全［19-20］。

于是研究人员努力探索去寻找心脏型肌球蛋白结合蛋白C 是如何调节心肌舒张功能，随着对心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化位点认识的更深入，人们用质谱分析法证明PKA 能使心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化，在人体中磷酸化位点为S275、S284 和S304，老鼠对应为S273、S282 和S302。研究者接着心脏型肌球蛋白结合蛋白C (-/-，Ex3-10)模型上分别表达S273A、S282A、S302A 和S273D、S282D、S302D、生成磷酸化不足的心脏型肌球蛋白结合蛋白C(t3SA)和模拟磷酸化的心脏型肌球蛋白结合蛋白C(t3SD)两种老鼠模型，并用PKA 与其结合反应，实验发现(心脏型肌球蛋白结合蛋白C)(t3SA)磷酸化不足的动物模型的心脏与野生型对照组表现出相同的射血分数，Ea 降低，E/Ea 比值升高。而且心脏型肌球蛋白结合蛋白C (t3SA)老鼠模型还表现和射血分数保留心力衰竭患者一样的主动行走距离的减少、肺水肿、脑钠肽的升高。相反，通过模拟心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化表达的心脏型肌球蛋白结合蛋白C(t3SD)老鼠模型则心脏舒张功能增强，心脏舒张速率Ea 增快［18-22］。之后又有研究者在不同老鼠模型背景下通过表达不同基因位点突变，造出不同心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化不足的动物模型［23］，进一步证实了心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化水平的降低会导致显著的舒张功能不全。

综上所述，研究人员通过基因敲除、插入、转基因等技术造出不同老鼠模型，阻断或抑制心脏型肌球蛋白结合蛋白C 激活后启动的一系列连锁反应，并用彩色多普勒和组织多普勒超声量化心肌的舒张功能，实验发现心脏型肌球蛋白结合蛋白C 缺失或磷酸化不足都可引起心脏舒张功能不全。实验还发现，所造动物模型的多普勒超声证据与射血分数保留的心力衰竭具有相同的特征，并且在临床表现上也与射血分数保留的心力衰竭相似［17］。这些成果为研究心脏型肌球蛋白结合蛋白C 与射血分数保留的心力衰竭的关系奠定了理论基础。

2.2 心脏型肌球蛋白结合蛋白C 与终末期心力衰竭

大量研究均发现心力衰竭患者的心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化水平显著降低，推测心脏型肌球蛋白结合蛋白C 可能在心力衰竭的发生发展中有重要作用。2008年，Jacques 等［24］采用肥厚型心肌病患者进行室间隔切除术后的标本，与正常心肌组织以及心力衰竭患者进行对照，实验发现心力衰竭患者的心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化水平低于正常对照组［心力衰竭组是正常对照组的(45±3)%，P ＜0.000 1］，且无论心脏型肌球蛋白结合蛋白C 基因是否突变，磷酸化水平无明显差异。同期，也有研究人员在人和大型哺乳动物身上验证了以上的发现，他们对心脏移植的终末期心力衰竭患者、步行距离减少的终末期心力衰竭的犬类、正常人心肌对照组、正常犬类对照组，分别用免疫印迹法测量其心脏型肌球蛋白结合蛋白C及心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化的水平。发现，各组之间心脏型肌球蛋白结合蛋白C 水平无明显差异［(1.1 ±0.20)vs (1.0 ±0.20)vs (1.1 ±0.10)vs(1.0 ±0.10)］，但与正常对照组比较，心力衰竭患者心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化的水平较正常人心肌对照降低＞50%［(0.45 ±0.10)vs(1.0 ±0.30)，P ＜0.05］，心力衰竭的犬类则降低＞40%［(0.57 ±0.10)vs(1.0 ±0.10)，P ＜0.01］［25］。但以上研究多是针对单一Ser280 位点由PKA 介导的心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化水平的研究，之后随着对心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化位点的认识深入，2013年Kooij 等［26］用离子交换色谱法、聚丙烯酰胺凝胶法和液相色谱-质谱联用技术对不同磷酸化位点所激活的心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化水平进行研究，进一步证实了心力衰竭患者的心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化水平降低。实验发现相对于正常对照组，心力衰竭患者这3 个(S284、S286、T290)主要的磷酸化位点激活的心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化水平降低有统计学意义，且针对Ser284 磷酸化位点的水平值降低最明显(45.01%，P＜0.05)。

2.3 心脏型肌球蛋白结合蛋白C 与射血分数保留的心力衰竭

如上所述，心脏型肌球蛋白结合蛋白C 是维持心肌正常舒张功能的调节蛋白，磷酸化水平的降低会引起心肌舒张功能不全，提示心脏型肌球蛋白结合蛋白C 在心脏舒张功能不全的发生发展具有可能未被充分认识的介导作用。心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化不足的动物模型表现出的不良病理作用，导致与射血分数保留的心力衰竭类似的临床表现。同时大量文献报道显示，终末期心力衰竭患者的心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化水平显著降低，而D stage 终末期心力衰竭患者多并存收缩和舒张功能损害，舒张功能不全又是射血分数保留的心力衰竭患者的共同特征。除此，还有研究在舒张型心力衰竭患者中发现心脏型肌球蛋白结合蛋白C 的1 个单核苷酸多态性［27］。有鉴于此，我们不难提出一个假设，心脏型肌球蛋白结合蛋白C 作为心肌纤维组成结构，通过其磷酸化或去磷酸化调节心肌舒张功能，是否可能参与射血分数保留的心力衰竭的发生发展?综合看来，这些发现都提示我们有可能通过探索研究心脏型肌球蛋白结合蛋白C 与射血分数保留的心力衰竭的关系，来对射血分数保留的心力衰竭的诊治提供新思路

3 结语和未来研究领域

随着对心脏型肌球蛋白结合蛋白C 研究的不断深入，发现在心肌收缩舒张功能的病理生理过程中均有心脏型肌球蛋白结合蛋白C 参与，最新理论认为心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化通过对横桥循环调节来维持心肌的正常舒张功能，若心脏型肌球蛋白结合蛋白C 表达缺失或磷酸化不足都会导致心肌舒张功能不全。另一方面，近年来研究证实了终末期心力衰竭患者心脏型肌球蛋白结合蛋白C 水平显著降低。因此它不仅是心肌舒张功能不全连续发展的调节者，还可能与射血分数保留的心力衰竭的发生发展有重要关系。

最后，建议以后更多的研究去探索心脏型肌球蛋白结合蛋白C 和射血分数保留的心力衰竭的关系，可以包括去测定在射血分数保留的心力衰竭和射血分数降低的心力衰竭中，还有射血分数保留的心力衰竭急性失代偿和慢性稳定期的心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化水平。考虑到在患者中及早筛查出舒张功能不全的患者非常重要，进一步探索心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化水平在射血分数保留的心力衰竭高风险人群(高龄、女性、高血压、心房颤动)未来心力衰竭发展中的评估作用。心脏型肌球蛋白结合蛋白C 可能是病因因子还可能是生物标志物，能否可以单独或联合其他生物标志物来诊断射血分数保留的心力衰竭，能否用于预后及危险度分层，除此之外，还有各种药物治疗对心脏型肌球蛋白结合蛋白C 磷酸化水平的影响的数据也还缺少。是否能分出一个射血分数保留的心力衰竭的亚型，以心脏型肌球蛋白结合蛋白C 的磷酸化为治疗靶点，来得到更好的治疗效果等。随着通过对射血分数保留的心力衰竭病因及病理生理机制的研究探索，将来总会有有效的治疗手段来阻止这一疾病的进程。

［1］Sadayappan S，de Tombe PP.Cardiac myosin binding protein-C as a central target of cardiac sarcomere signaling:a special mini review series［J］.Pflugers Arch，2014，466(2):195-200.

［2］Carrier L.Cardiac myosin-binding protein C in the heart［J］.Arch Mal Coeur Vaiss，2007，100(3):238-243.

［3］Lin B，Govindan S，Lee K，et al.Cardiac myosin binding protein-C plays no regulatory role in skeletal muscle structure and function［J］.PLoS One，2013，8(7):e69671.

［4］Pfuhl M，Gautel M.Structure，interactions and function of the N-terminus of cardiac myosin binding protein C (MyBP-C):who does what，with what，and to whom?［J］.Muscle Res Cell Motil，2012，33(1):83-94.

［5］Oakley CE，Chamoun J，Brown LJ，et al.Myosin binding protein-C:Enigmatic regulator of cardiac contraction［J］.Int J Biochem Cell Biol，2007，39(12):2161-2166.

［6］James J，Robbins J.Signaling and myosin-binding protein C［J］.J Biol Chem，2011，286(12):9913-9919.

［7］Previs MJ，Beck Previs S，Gulick J，et al.Molecular mechanics of cardiac myosin-binding protein C in native thick filaments［J］.Science，2012，337(6099):1215-1218.

［8］Granzier HL，Campbell KB.New insights in the role of cardiac myosin binding protein C as a regulator of cardiac contractility［J］.Circ Res，2006，99(8):795-797.

［9］Lovelock JD，Monasky MM，Jeong EM，et al.Ranolazine improves cardiac diastolic dysfunction through modulation of myofilament calcium sensitivity［J］.Circ Res，2012，110(6):841-850.

［10］Tong CW，Stelzer JE，Greaser ML，et al.Acceleration of crossbridge kinetics by protein kinase A phosphorylation of cardiac myosin binding protein C modulates cardiac function［J］.Circ Res，2008，103(9):974-982.

［11］Kuster DW，Bawazeer AC，Zaremba R，et al.Cardiac myosin binding protein C phosphorylation in cardiac disease［J］.J Muscle Res Cell Motil，2011，33(1):43-52.

［12］Decker RS，Decker ML，Kulikovskaya I，et al.Myosin-binding protein C phosphorylation，myofibril structure，and contractile function during low-flow ischemia［J］.Circulation，2005，111(7):906-912.

［13］Shaffer JF，Kensler RW，Harris SP.The myosin-binding protein C motif binds to F-actin in a phosphorylation-sensitive manner［J］.J Biol Chem，2009，284(18):12318-12327.

［14］Barefield D，Sadayappan S.Phosphorylation and function of cardiac myosin binding protein-C in health and disease［J］.J Mol Cell Cardiol，2010，48(5):866-875.

［15］Ho CY，Carlsen C，Thune JJ，et al.Echocardiographic strain imaging to assess early and late consequences of sarcomere mutations in hypertrophic cardiomyopathy［J］.Circ Cardiovasc Genet，2009，2(4):314-321.

［16］Nagueh SF，Bachinski LL，Meyer D，et al.Tissue Doppler imaging consistently detects myocardial abnormalities in patients with hypertrophic cardiomyopathy and provides a novel means for an early diagnosis before and independently of hypertrophy［J］.Circulation，2001，104(2):128-130.

［17］Tong CW，Nair NA，Doersch KM，et al.Cardiac myosin binding protein C is a critical mediator of diastolic function［J］.Pflugers Arch，2014，466(3):451-457.

［18］Tong CW，Stelzer JE，Greaser ML，et al.Acceleration of crossbridge kinetics by protein kinase A phosphorylation of cardiac myosin binding protein C modulates cardiac function［J］.Circ Res，2008，103(9):974-982.

［19］Carrier L，Knoll R，Vignier N，et al.Asymmetric septal hypertrophy in heterozygous cMyBPC nullmice［J］.Cardiovasc Res，2004，63(2):293-304.

［20］Fraysse B，Weinberger F，Bardswell SC，et al.Increased myofilament Ca2+sensitivity and diastolic dysfunction as early consequences of Mybpc3 mutation in heterozygous knock-in mice［J］.J Mol Cell Cardiol，2012，52(6):1299-1307.

［21］Colson BA，Patel JR，Chen PP，et al.Myosin binding protein-C phosphorylation is the principal mediator of protein kinase A effects on thick filament structure in myocardium［J］.J Mol Cell Cardiol，2012，53(5):609-616.

［22］de Lange WJ，Grimes AC，Hegge LF，et al.E258K HCM-causing mutation in cardiac MyBP-C reduces contractile force and accelerates twitch kinetics by disrupting the cMyBP-C and myosin S2 interaction［J］.J Gen Physiol，2013，142(3):241-255.

［23］Sadayappan S，Gulick J，Osinska H，et al.Cardiac myosin-binding protein-C phosphorylation and cardiac function［J］.Circ Res，2005，97(11):1156-1163.

［24］Jacques AM，Copeland O，Messer AE，et al.Myosin binding protein C phosphorylation in normal，hypertrophic and failing human heart muscle［J］.J Mol Cell Cardiol，2008，45(2):209-216.

［25］El-Armouche A，Pohlmann L，Schlossarek S，et al.Decreased phosphorylation levels of cardiac myosin-binding protein-C in human and experimental heart failure［J］.J Mol Cell Cardiol，2007，43(2):223-229.

［26］Kooij V，Holewinski RJ，Murphy AM，et al.Characterization of the cardiac myosin binding protein-C phosphoproteome in healthy and failing human hearts［J］.J Mol Cell Cardiol，2013，60:116-120.

［27］Wu CK，Huang YT，Lee JK，et al.Cardiac myosin binding protein C and MAPkinase activating death domain-containing gene polymorphisms and diastolic heart failure［J］.PLoS One，2012，7(4):e35242.