S100A1蛋白基因治疗心力衰竭的研究进展

陈焕　综述　邓平　审校

(1.南华大学，湖南　衡阳421001；2.长沙市中心医院心内科，湖南 长沙410004)



S100A1蛋白基因治疗心力衰竭的研究进展

陈焕1,2综述邓平2审校

(1.南华大学，湖南衡阳421001；2.长沙市中心医院心内科，湖南 长沙410004)

【摘要】心力衰竭是各种心脏疾病发展的终末阶段。S100A1蛋白高度特异性表达于心肌细胞，在心力衰竭时，其表达明显降低。S100A1蛋白可具有抑制心肌程序性细胞死亡、逆转心肌重构、改善心肌细胞能量供应及增强心肌细胞收缩力的作用。近年来，许多研究发现S100A1蛋白高表达可用于治疗心力衰竭。

【关键词】S100A1蛋白；心力衰竭；基因治疗

心力衰竭是各种心脏疾病发展的最终归宿，也是心脏疾病主要的死亡原因。尽管心力衰竭的治疗取得了很大的进步，但目前心力衰竭仍有很高的患病率和病死率。钙离子(Ca2+)循环失衡是心力衰竭发生发展的主要决定因素。S100A1蛋白是心肌细胞内Ca2+结合的主要蛋白，可调节肌质网、肌节、线粒体功能改善心功能。S100A1基因治疗心力衰竭作为未来治疗心力衰竭的新策略日益引起大家的关注。现就S100A1蛋白的生物学特性及其基因治疗心力衰竭的机制和临床进展做一综述。

1S100A1蛋白的生物学特性

S100A1蛋白是S100家族中的一员。S100蛋白是一种钙结合蛋白，通过控制钙内流起到调节一系列细胞生物学效应的作用如：细胞收缩、程序性细胞死亡和基因表达[1]。1965年，在牛的体内发现S100蛋白，人类S100蛋白基因主要位于染色体1q21，并且以阿拉伯数字命名(A100A1-A100A16)[2]。S100A1蛋白单体的分子量10 kD(≈1.0×104)。S100A1蛋白在体内主要以由2个亚单位组成的同源二聚体形式存在，有2个EF手型结构，中间以铰链区链接，EF手型结构包括一个氨基末端和一个羧基末端，其中羧基末端为Ca2+结合位点。当Ca2+与EF手型结构结合后，S100A1蛋白将发生构型改变，从而暴露出疏水裂隙，这个疏水裂隙被认为是S100A1靶蛋白的结合位点。而且，A100A1蛋白对Ca2+的亲和力与羧基末端氧化还原及一氧化氮(nitric oxide, NO)的翻译后修饰有密切关系[3-4]。A100A1蛋白主要表达于心肌细胞，其中以左心室为主，右心室及心房仅有少量表达。S100A1蛋白在心肌细胞内以亚细胞定位，主要表达于肌质网、肌节及线粒体中。

2S100A1蛋白与心力衰竭的关系及机制

心力衰竭时S100A1蛋白的表达及其信使RNA(messenger RNA, mRNA)水平明显下降，且下降幅度与心力衰竭的程度呈正相关[5]。心力衰竭时，内皮素-1(endothelin-1，ET-1)和苯肾上腺素表达增加，而ET-1和苯肾上腺素可降低体内S100A1蛋白mRNA水平，导致心力衰竭时S100A1蛋白表达量下降。维持正常的心功能至少需要有50%的S100A1蛋白[6]。S100A1蛋白高表达能够阻止小鼠心肌缺血后心力衰竭的发展，降低心肌梗死后心力衰竭的病死率[7]，S100A1蛋白抗心力衰竭的作用机制主要有6点。

2.1调节心肌细胞Ca2+平衡

可概括为2点：(1)控制肌质网内Ca2+转运：S100A1蛋白可增强肌质网Ca2+-ATP酶(sarcoplasmic reticulum Ca2+ATPase，SERCA2)活性和调节心肌ryanodine受体(ryanodine receptor 2，RyR2)的功能，从而控制心肌细胞内Ca2+平衡，发挥调节心肌收缩与舒张的功能[8]。SERCA2可将释放入细胞质的Ca2+重新摄入至肌质网内，为下一次心室收缩提供Ca2+；同时，当肌质网摄入Ca2+时，胞质内Ca2+降低，使心室肌舒张[9]。当心力衰竭时，ET-1和苯肾上腺素可抑制SERCA2的mRNA表达，使得SERCA2介导的Ca2+循环减少，导致心脏的收缩与舒张功能下降。S100A1蛋白可以与SERCA2/受磷蛋白复合体相互作用，增强SERCA2活性[10]。RyR2是Ca2+通道释放受体，S100A1蛋白对RyR2的调节是双向的；在收缩期，S100A1蛋白可活化RyR2受体，促进肌质网释放Ca2+至胞质，增强心肌收缩功能；在舒张期，S100A1蛋白可抑制RyR2受体开放，减少肌质网Ca2+漏出，改善心肌舒张功能[11]。

2.2调节肌节的僵硬度及其对Ca2+的敏感性

肌联蛋白被称为巨蛋白，是介导心肌细胞产生被动张力的主要原因，具有维持肌原纤维松弛状态、协助舒张期心室充盈的作用。肌联蛋白有一个富含脯氨酸(Proline P)、谷氨酸(Glutamate E)、缬氨酸(Valine V)、赖氨酸(Kysine K)的结构域：PEVK几个区，肌联蛋白可通过该结构域与细肌丝相互作用，调节舒张期心肌的僵硬度[12]。高被动张力是舒张性心力衰竭的重要原因，在Ca2+参与下，S100A1蛋白可与PEVK区结合，降低被动张力，防止心室肌过度牵张[13]。此外，S100A1可调节肌丝对Ca2+的反应性及协调性，并成剂量依赖相关性[14]。

2.3调节线粒体的功能及能量代谢

维持正常的心功能不仅需要心肌细胞Ca2+平衡，而且需要充分的能量供应，当心力衰竭时，ATP与ADP比值明显下降。S100A1蛋白可与线粒体ATP酶的F1亚基结合，使ATP酶活性增加，促进心肌细胞ATP合成。同时，S100A1蛋白可与线粒体腺嘌呤核苷酸转运蛋白结合，调节线粒体基质及胞质中ADP与ATP之间的相互转化，促进线粒体中ATP释放入细胞质，调节心肌细胞能量代谢[15]。此外，S100A1蛋白还可通过增加胞质内Ca2+的转运来增加异柠檬酸脱氢酶活性和线粒体内还原型辅酶生成，从而促进三羧酸循环，为心肌细胞能量代谢提供能量[16]。

2.4抑制心肌程序性细胞死亡

Most等[9]通过实验发现：在体外，S100A1蛋白具有抑制心肌程序性细胞死亡的作用，其机制主要是S100A1蛋白可直接激活磷脂酶、C-蛋白激酶、C-丝裂原激活蛋白激酶1-细胞外信号调节激酶1/2(ERK1/2)信号通路，直接抑制过氧化氢介导的心肌程序性细胞死亡。此外，该实验还发现当心肌细胞表达S100A1蛋白时会抑制S100B蛋白表达，而S100B蛋白被认为是慢性心力衰竭的独立危险因素，具有促进心肌程序性细胞死亡的作用[17]。

2.5抑制心肌重构

心肌肥厚的过程也就是心肌重构的过程，S100A1蛋白被认为是抗心肌肥厚蛋白，其表达量与心肌细胞直径呈反比关系[18]。此外，S100A1蛋白高度表达时，心肌细胞肥厚标志物如心钠素和α-肌动蛋白明显减少。目前认为S100A1蛋白主要与通过抑制微血管聚集、改善心脏收缩功能有关。

2.6调节内皮型一氧化氮合酶活性

在心血管系统，生理剂量的NO具有抑制血小板聚集、扩张血管、抑制心肌程序性细胞死亡、维持心肌收缩功能的作用[19]。内皮型一氧化氮合酶(nitric oxide synthase,NOS)可促进血管内皮细胞释放NO，而S100A1蛋白可通过Ca2+依赖途径和蛋白激酶C途径调节内皮型NOS活性，使血管内皮细胞NO维持在稳态[20]，发挥抗心力衰竭作用。

3A100A1蛋白基因治疗心力衰竭模型及其临床前景

S100A1蛋白基因靶向治疗心力衰竭成为近10年基因治疗研究的热点。S100A1蛋白基因治疗起源于对比研究S100A1蛋白转基因[7]、基因敲除[21]和非转基因野生型[7, 22]小鼠的急性心肌梗死模型。实验发现，在同时遭遇心肌梗死后，S100A1蛋白转基因小鼠生存率明显高于非转基因野生型小鼠，而S100A1蛋白基因敲除的小鼠在遭遇心肌缺血时早期病死率极高，大多数小鼠死于心肌收缩功能下降和恶性心律失常。实验发现S100A1蛋白转基因的小鼠心肌梗死后心功能明显优于野生型小鼠，交感神经过度兴奋、病理性心肌重塑和应激诱导的心肌程序性细胞死亡均低于野生型。相反，S100A1蛋白基因敲除的小鼠左心室心肌重构加速，心肌程序性细胞死亡加重，左心室收缩功能障碍，心力衰竭进程加快。利用腺病毒作为载体，S100A1蛋白在心肌的转染率为30%～40%，这样也具有明显抑制心室重构，改善心肌缺血后左心室功能不全的作用[7]。 当S100A1蛋白以不同剂量(1.5～6倍)在遭受心肌梗死后的小鼠心肌细胞表达时，S100A1蛋白的残余质量浓度的高低与左心室长期的收缩功能呈正相关[15]。

为了研究S100A1蛋白的基因治疗心力衰竭的可行性及安全性，研究者选取了与人类心脏且基因治疗所需要剂量更相似的活体猪作为试验对象[22-23]，在气囊闭塞左回旋支冠状动脉致其心肌梗死2周后，当猪出现明显左心室收缩功能障碍时，以较腺病毒作用更稳定、转染更迅速、作用时间更长久且免疫反应更少的腺伴随病毒(adenoviral associated vectors,AAV)作为载体，经冠状静脉逆行输送AAV-S100A1蛋白至左心室心肌。以AAV荧光素酶和盐水治疗作为对照。在14周时，对照组心肌S100A1蛋白表达明显下降，随着左心室重构，心功能呈进行性恶化；AAV-S100A1蛋白治疗组心肌S100A1蛋白水平恢复至心力衰竭前，能有效地预防和逆转心肌重构，S100A1蛋白基因治疗后，心肌细胞内Ca2 +循环、内质网的钙处理和心肌能量供应趋于正常。同时，转基因的限制性表达在心脏组织和心脏外器官功能显示了良好的安全性[24]。

2011年，Brinks等[10]以27位严重心力衰竭患者的游离心肌细胞为标本，以腺病毒转染S100A1蛋白为试验组，单独腺病毒感染为对照组，分别检测两组的心肌细胞收缩力、线粒体功能。观察发现，转染S100A1蛋白基因后，心肌细胞的收缩力、细胞收缩时Ca2+瞬时振幅、肌质网Ca2+负载明显增加，标准化Ca2+瞬态衰减明显减少，致心律失常性肌质网 Ca2+漏出减少，此外，受损的线粒体功能明显改善，磷酸肌酸和三磷酸腺苷比值恢复。这个实验首次在人类心肌细胞上证实了S100A1蛋白的基因治疗的有效性。

当然，利用S100A1蛋白的基因治疗心力衰竭仍需要解决许多问题，如：患者对AVV可能存在的免疫反应、S100A1蛋白的基因治疗所需的安全有效剂量[25]、标准的动物模型不能充分反应心力衰竭患者在疾病不同阶段S100A1蛋白基因表达的差异性等。

综上所述，在临床前期的研究中，S100A1蛋白具有抑制心肌程序性细胞死亡、逆转心肌重构、平衡心肌能量代谢、改善心肌收缩与舒张功能等抗心力衰竭的作用，且无心肌毒性、致心律失常等不良反应[23]。虽然目前运用至临床仍有许多问题需要解决，但S100A1蛋白基因治疗心力衰竭仍具有良好的临床前景。

[ 参 考 文 献 ]

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作者简介：陈焕(1991— )，在读硕士，主要从事心力衰竭研究。Email: 947994139@ qq. com 通信作者：邓平( 1968—) ，主任医师，博士，硕士导师，主要从事心血管疾病研究。Email: 1229015862@ qq. com

【中图分类号】R394；R541.6+1

【文献标志码】A【DOI】10.16806/j.cnki.issn.1004-3934.2016.03.023

收稿日期：2015-12-14修回日期：2016-01-21

Research Progress in S100A1 Gene Therapy for Heart Failure

CHEN Huan1,2,DENG Ping2

【Abstract】Heart failure is the common endpoint of various cardiovascular diseases. S100A1 is abundantly present in normal human myocardial tissue,and its expression levels are diminished in failing myocardium. S100A1 protein can induce cardiomyocyte apoptosis, reverse myocardial remodeling,improve energy homeostasis and increase both systolic and diastolic cardiac function. In recent years, many studies have found that S100A1 over-expression in cardiomyocytes can be used in the treatment of heart failure.

【Key words】S100A1;Heart failure;Gene therapy