闰盘处蛋白质的相互作用以及相关心脏疾病

于　瀛(综述)　李毅刚(审校)

(上海交通大学医学院附属新华医院心内科　上海　200092)



闰盘处蛋白质的相互作用以及相关心脏疾病

于瀛(综述)李毅刚△(审校)

(上海交通大学医学院附属新华医院心内科上海200092)

【摘要】闰盘是相邻心肌细胞在纵轴方向上的连接,在心肌细胞机械偶联和电偶联中发挥重要作用。闰盘处的3种连接 (桥粒、黏着连接和缝隙连接)、离子通道和锚蛋白G在功能上相互影响、相互依存。其中任何一个的异常都会导致另几个的结构和功能改变,从而引起整个闰盘的结构和功能异常,甚至导致心脏疾病。目前,国内外对于闰盘处各种蛋白质相互作用的复杂性和重要性以及其对心脏疾病的意义的认识尚存不足,本文就近年来该方面的研究进展作一综述。

【关键词】闰盘;桥粒;黏着连接;缝隙连接;离子通道

*This work was supported by the Science and Technology Commission of Shanghai Municipality,China (14441902502).

闰盘是一种特殊的心肌结构,是相邻心肌细胞在纵轴方向上的连接。它参与了心脏的收缩和舒张过程,同时也参与了心脏的兴奋传导,并在心肌细胞的机械偶联和电偶联中发挥重要作用。闰盘处有多种衔接蛋白大量表达[1],也有钠离子通道[2-3]和钾离子通道[4]的表达。在空间上,桥粒、黏着连接、缝隙连接和离子通道彼此独立又相互靠近;在分子水平上,它们通过本身的附着蛋白、衔接蛋白或者其他蛋白质 (如锚蛋白G)相互连接;在功能上,这些蛋白质和结构相互影响和相互依存。其中一个结构的异常会导致其他结构发生改变,并导致闰盘结构和功能的异常,这与心脏疾病的发生发展密切相关。目前,国内外对于闰盘处各种蛋白质相互关联的复杂性和重要性以及其对心脏疾病的意义上的认识尚存不足,本文就近年来该方面的研究进展作一综述。

闰盘处的连接在闰盘处,心肌细胞膜出现了特殊的分化,凹凸镶嵌,并形成粘连连接 (adhering junction,AJ)和缝隙连接 (gap junction,GJ)[1,5]。

粘连连接又分为桥粒 (desmosome)和黏着连接 (adherens junction),它们是由多种附着蛋白和跨膜蛋白组成的微结构。

桥粒在电镜下呈斑状致密影,一端通过附着蛋白与细胞内的中间丝相连,另一端通过跨膜蛋白与相邻细胞桥粒的跨膜蛋白相连。桥粒的附着蛋白包括:斑珠蛋白 (plakoglobin)、桥粒斑蛋白 (desmoplakin)和亲斑蛋白2 (plakophilin-2);跨膜蛋白包括:桥粒芯蛋白 (desmoglein)和桥粒胶蛋白 (desmocollin),两者都属于N-钙黏着蛋白 (N-cadherin)家族[6]。

黏着连接在电镜下呈带状,一端通过附着蛋白与细胞内的肌动蛋白相连接,另一端通过跨膜蛋白与相邻细胞的黏着连接相连。它的附着蛋白包括:斑珠蛋白 (与桥粒相同)、α-连锁蛋白、β-连锁蛋白、黏着斑蛋白 (vinculin)和α-辅肌动蛋白 (α-actinin);跨膜蛋白是N-钙黏着蛋白[7]。

相邻细胞中的肌动蛋白和中间丝蛋白分别通过黏着连接和桥粒编织成了一个内外相连的骨架,这对维持心脏正常的张力和机械抵抗力至关重要。

缝隙连接缝隙连接由相邻细胞膜上的连接子 (connexin,Cx)对接构成,在心肌细胞中主要表达的有Cx43、Cx45和Cx40[8-9]。该通道允许小分子物质、信号分子以及兴奋电流的通过[8]。动作电位也通过缝隙连接在心肌细胞间快速传播。因此,缝隙连接在心脏的电偶联中发挥了重要作用。连接子在体内的代谢速度非常快[8,10],成年大鼠心肌细胞Cx43的半衰期约为1.3 h,原代乳鼠心肌细胞Cx43的半衰期仅为1.5～2 h[11]。慢性压力负荷引起的心衰同样会导致闰盘处Cx43表达的下降[9]。由此推测,无论是在急性还是慢性病理条件下,缝隙连接都可能发生改变,从而影响心肌细胞的电偶联特性,导致心律失常。

离子通道闰盘处不仅有上述多种衔接蛋白,还分布有钠离子通道Nav1.5[2]和钾离子通道Kv1.5[4]。闰盘处的钠离子通道Nav1.5与Cx43相邻,两者介导的电流共同影响了心肌细胞间的传导速度[3]。

锚蛋白G锚蛋白G是一种衔接蛋白,在心肌主要表达在闰盘处。它的膜结合结构域能与多种细胞膜蛋白结合。钠离子通道Nav1.5在闰盘上的定位和表达需要借助锚蛋白G[12]。锚蛋白G同时与Cx43和亲斑蛋白2相互连接[13],从而将离子通道、缝隙连接和桥粒固定在一起,形成了一个微结构域。此外,Cx43和Nav1.5从高尔基体合成后也需要在锚蛋白G的协助下呈递并表达在细胞膜上[14]。

闰盘处的连接、离子通道和锚蛋白G的相互作用离体培养的成年大鼠心室肌细胞研究表明,黏着连接的建立早于缝隙连接;不仅如此,缝隙连接相对僵硬,必须要有机械连接的支持才能在剪切应力下保持稳定的细胞间交通[15]。跨膜蛋白N-cadherin的缺失或抑制不仅导致了黏着连接的解聚,也导致了桥粒的解聚,Cx43表达的下降,以及钾离子通道Kv1.5功能的下降[16]。Cx43在细胞膜上的表达不仅需要微管和EB1 (一种微管正端跟踪蛋白)的协助,也离不开N-钙黏着蛋白、β-连环蛋白和p150这3个黏着连接蛋白[17]。桥粒中亲斑蛋白2的缺失或抑制可导致锚蛋白G的表达和分布异常,削弱Cx43的表达、分布和功能,影响Nav1.5的分布和电流,还可减慢细胞间兴奋的传导速度[13,18]。锚蛋白G表达缺失同样可以导致亲斑蛋白2和Cx43的分布以及表达异常,减弱细胞之间的黏附力[13]。

总之,桥粒、黏着连接、缝隙连接、锚蛋白G和离子通道中任何一个出现异常都会导致另几个的结构稳定性下降和功能改变[4,14],从而引起整个闰盘的结构和功能发生异常。这一过程可以被称为“闰盘重构”，它会导致心脏疾病,也可能是心脏电重构和/或机械重构过程中的一个部分。

闰盘异常引起的心脏疾病

致心律失常右心室心肌病致心律失常右心室心肌病 (arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy,ARVC)是一种染色体异常的遗传性疾病,主要是由于桥粒缺陷引起心肌细胞退化、凋亡并被纤维脂肪组织替代,临床表现为心脏扩大、心力衰竭和心律失常[19]。ARVC的发病机制为编码桥粒斑珠蛋白和亲斑蛋白2的基因突变,造成桥粒异常 (数量减少、长度增加和出现苍白桥粒),进而心肌细胞在闰盘处分离 (尤其在机械应力作用下),最终心肌细胞凋亡[20]。同时,受桥粒蛋白的影响,Cx43的表达下降,缝隙连接数量减少,细胞间的距离增大,进一步导致传导延迟和心室电不稳定,患者出现异常的心电图特征和致命性室性心律失常[19-20]。ARVC也因此被称为“细胞间连接异常心肌病”[19]。

Brugada综合征Brugada综合征患者Nav1.5基因上第1053位点的突变导致该离子通道不能与锚蛋白G偶联,钠离子通道Nav1.5在闰盘处的表达减少可能是患者室颤发生的机制之一[21]。

此外,闰盘处其他蛋白质表达缺失会导致小鼠心脏电学特性的改变甚至引起心律失常,比如N-钙黏着蛋白基因敲除小鼠容易出现猝死[22-23],Cx43基因敲除小鼠更容易在电生理检查中被诱发出多形性室速[24]。

结语闰盘不是一个简单的心肌细胞间的连接结构,而是一个“相互作用组”的场所,在这个场所里有一群相互作用的“闰盘相关的蛋白质组”,包括多种连接蛋白、附着蛋白、衔接蛋白、连接子和离子通道，它们构成了一张复杂的网络,精密调节着心肌细胞间的兴奋传导和机械偶联。闰盘重构可以直接引起心脏疾病,也可能是心脏电重构和/或机械重构的一个组成部分,是心脏结构异常和心律失常的机制之一,需要引起重视和进一步研究。

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上海市科学技术委员会科研计划项目 (14411950302)

The interaction of proteins in intercalated disc and related heart diseases

YU Ying, LI Yi-gang△

(DepartmentofCardiology,XinhuaHospital,ShanghaiJiaoTongUniversitySchoolofMedicine,Shanghai200092,China)

【Abstract】Intercalated disc is the longitudinal connection between myocytes,which plays an important role in the mechanical and electrical couplings of myocytes.There are 3 types of connections (desmosome,adherens junction and gap junction),as well as ion channels and ankyrin-G,located in intercalated disc which are interactional and interdependent in functions. Dysfunction of any one of them will cause the others to be unstable and disorderly,which leads to structural and functional abnormality of the whole intercalated disc,and even causes heart diseases. At present,complexities and importance of the interaction of proteins in intercalated disc and its significance of heart diseases are impercipient.This article reviews the recent development in the specific field.

【Key words】intercalated disc;desmosome;adherens junction;gap junction;ion channel

(收稿日期:2015-08-23;编辑:张秀峰)

【中图分类号】R541

【文献标识码】B

doi:10.3969/j.issn.1672-8467.2016.02.021

△Corresponding authorE-mail:drliyigang@outlook.com