利用果蝇模型研究运动对心脏L-型钙通道调节作用的进展

摘要：L-型钙通道是介导钙离子进入心肌细胞主要通道，对心脏正常功能的维持具有重要作用。研究表明L-型钙通道蛋白编码基因（CACNA1D）mRNA表达随年龄的增长其表达有所减弱，因钙稳态失衡的心脏疾病随之而来。如何减缓、逆转其衰退过程或是重塑心脏机能成为了心脏疾病研究的热点问题。适宜的运动可作为临床治疗心血管疾病的一种有效介入手段。心脏结构的复杂性，以及人体不能作为实验材料的局限性，利用模式生物进行心脏机能的研究愈发常见。

关键词：果蝇;心脏;L-型钙通道;运动

当前，心血管疾病是威胁人类健康最严重的疾病之一，其发病率和死亡率逐年上升。Ca2+是一种重要的生物信号分子，其稳态失衡可能通过导致细胞功能障碍和代谢紊乱进而导致心脏功能障碍。兰尼碱受体2 （RyR2）， L -型钙通道（LTCC）和钠钙交换体（NCX）和三磷酸腺苷依赖钙泵（SERCA2a）等都参与维持钙稳态， 深入认识它们在钙稳态过程中的调控机制和及其影响因素，对因其导致的心血管疾病的治疗与预防具有重要作用。

1. L-型钙通道与心肌钙稳态

L-型钙通道主要介导钙离子进入心肌细胞，产生L-型钙通道电流（ICa-L）， 和外向钾电流一起构成动作电位平台期，参与复极化过程。同时少量的Ca2+通过心肌细胞膜上的L-型钙通道进入心肌细胞后，能够与心肌细胞中肌浆网上的RyR2结合，使肌浆网上的通道开放，大量的Ca2+从心肌细胞中的肌浆网中释放进入胞浆，这一过程使心肌细胞胞浆内Ca2+浓度急剧上升，从肌浆网中释放的Ca2+与肌钙蛋白C结合而引起心肌的收缩，形成了心脏的每一次跳动。此外，L-型钙通道参与一些钙依赖过程，包括心肌收缩、神经肽释放、细胞分化与死亡及基因表达。研究显示多种心脏疾病的患者存在不同程度的心肌细胞钙调控异常，钙循环在心室重构和心力衰竭发病过程中起重要作用。

2.果蝇心脏与钙调控

果蝇的生命周期短，易于饲养，对其遗传背景、基因的定位与表型分析远胜于其它模式动物，具有比较成熟的遗传学分析方法，这些优势使它适合用于遗传与发育分析。目前遗传和发育研究已证实果蝇与哺乳动物的心脏发育具有显著且保守的分子发育机制，许多执行哺乳动物心脏功能的蛋白质也存在于果蝇心脏中并起着相似的作用。果蝇Ca-α1D基因与人类α1D（CACNA1D）、α1C（CACNA1C）、α1S（CACNA1S）、α1F（CACNA1F）基因同源，是编码L型钙通道的核心基因;L-型钙通道中α1亚基在脊椎动物和无脊椎动物体内的同源性较高，α1亚基缺失可使胚胎致死。研究发现将将全身转录调控果蝇品系（arm-Gal4）与Ca-α1D基因的RNAi果蝇品系构建Ca-α1D基因全身敲减模型，发现其后代为致死系，果蝇幼虫不能正常孵化。显示出该基因对果蝇的基本生命功能的维持是必需的。而前期实验采用GAL4/UAS系统选用心脏特异性转录调控品系（Hand-GAL4）与Ca-α1D基因的RNAi果蝇品系则成功构建Ca-α1D基因心脏特异性敲减模型。

3.运动与果蝇心脏L-型钙通道调节机制

目前关于运动对心脏L-型钙通道调节确切机制尚无定论。有学者从心脏收缩期Ca2+释放和舒张期Ca2+恢复两个方面对运动改善心肌L-型钙通道的机制进行了推测。认为随着运动训练后心肌动作电位延续时间明显变长，可能导致更多的Ca2+穿过胞膜进入胞浆，进而刺激RyR2释放更多Ca2+，引起收缩期钙瞬变速率升高。运动对舒张期Ca2+的调控主要表现为钙瞬变下降速率加快和游离Ca2+浓度降低。舒张期Ca2+的回收主要和SERCA 2a有关。运动后，CaMKⅡ（钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ） 会刺激PLN（受磷蛋白）磷酸化， PLN对SERCA 2a的抑制作用得以解除，进而使心肌SERCA 2a升高，肌浆网对游离Ca2+的回收增加，也可能因此增加了肌浆网中Ca2+含量，加快钙瞬变恢复速率。

果蝇体内编码L-型钙通道的基因是Ca-α1D。研究表明Ca-α1D基因表达下调可引起心律不齐、心脏收缩力下降，心脏泵血功能的减弱及心律不齐的发生，致使果蝇寿命的缩减。规律运动能够改善因Ca-α1D基因表达引起的心动过缓、提高运动能力。此外，有研究发现采用低氧运动干预对于果蝇心脏功能改善作用优于低氧或运动单一干预。低氧运动干预既能改善正常表达组的增龄性衰退，也能改善心脏特异性Ca-α1D基因表达下调果蝇的心脏功能损伤。

4.展望

心肌细胞钙调控异常存在于多种心脏疾病，所以我们一直在寻找合适的方法来维持机体钙离子稳态。伴随衰老的进行及疾病的发生，心肌细胞膜上的L-型钙通道电流密度下降、心肌细胞膜上的 L-型钙通道下调，可导致心肌收缩力下降等一系列不良反应，通过研究发现运动能改变L-型钙通道表达下调的影响来维持钙稳态，但关于不同运动干预形式对心脏L-型钙通道调节确切机制还有待进一步研究。

参考文献：

[1]倪柳，郑澜，文登台等.规律运动对心脏特异性Ca-α1D基因沉默老龄果蝇心脏节律和收缩功能的影响[J].武汉体育学院学报，2016，50（10）：77-83.

[2]Carneiro-Júnior MA， et al. Effect of exercisetraining on Ca2+release units of left ventricular myocytes of spontaneously hypertensive rats[J]. Braz J Med Biol Res. 2014， 47（11）：960-965.

[3]常壓低氧及规律运动对心脏特异性Ca-α1D基因沉默果蝇心脏功能和睡眠的影响[D].阮湘程.湖南师范大学 2018.

基金项目：

江西省体育局科研项目（编号：2018016）;萍乡学院青年科研基金项目（2018D0222）