钙通道α2δ2亚基生物学功能及对心脏节律和功能的影响

陆天一，韩薇

(哈尔滨医科大学附属第一医院心血管内科一科，哈尔滨 150001)

电压门控钙离子通道(voltage gated calcium channel，VGCC)在可兴奋细胞膜电位调节中发挥了重要作用，是第二信使钙离子进入细胞的重要途径。VGCC作为一种多蛋白聚体，其生物学功能主要决定于具有电压敏感性成孔α1亚基，根据α1亚基种类可将VGCC分为L型、T型、N型、P/Q型及R型钙离子通道。除α1亚基外，VGCC结构中还包括β亚基、γ亚基及α2δ亚基等辅助调控单元。α2δ2亚基作为α2δ亚基家族成员之一，主要存在于肌肉组织 L型VGCC及神经突触N型VGCC、P/Q型VGCC。研究发现，敲除胚胎期小鼠α2δ2亚基可导致其生长迟缓、癫痫频发、摄食障碍、共济失调及重症肌无力等病理现象，并可引发小鼠缓慢性心律失常[1]，使其存活率进一步降低，这一现象可能与神经突触兴奋性降低有关。由于α2δ2亚基在多种钙离子通道内表达，且在心脏内的富集度仅次于神经系统，这种心律失常可能与心脏自身α2δ2亚基缺失，L型 VGCC结构及功能改变有关。因此，明确α2δ2亚基的生物学功能及其对心脏节律和功能的作用可能为疾病的治疗提供新思路。现就VGCC α2δ2亚基生物学功能及对心脏节律和功能的影响予以综述。

1 α2δ2亚基结构与相关生物学功能

1.1α2δ2亚基的基本结构 α2δ家族蛋白是一类由糖基磷脂酰肌醇(glycosylphosphatidylinositol，GPI)锚定的VGCC结构亚单位，该家族包括α2δ1、α2δ2、α2δ3三种亚基，三者具有56%的相似氨基酸序列。CACNA2D2是VGCCα2δ2亚基的编码基因，该亚基定位于染色体3p21.3上。CACNA2D2经转录翻译后生成单个多肽前体，其裂解后形成α2肽和δ2肽，两者通过二硫键连接，α2肽位于细胞外，包含多个糖基化位点，δ2肽包含一个跨膜结构域定位于细胞膜表面。既往研究认为，α2δ2亚基过表达可增加细胞膜表面α1亚基锚定位点，进而增加细胞膜VGCC数量。但随着对α2δ2亚基结构研究的不断深入，发现其结构中存在一个特殊的VWA(Von Willebrand factor-A)结构域。VWA结构域存在于α2δ2亚基膜外部分，在α2δ2亚基向细胞膜转运过程中，该结构域中金属离子依赖的黏附位点首先与镁离子结合，再与α1亚基形成复合体，两者共同转运至细胞膜表面[2]，该研究首次揭示了α2δ2亚基细胞内协助转运功能，使学者对α2δ2亚基的认知从结构性蛋白转向功能性蛋白。

1.2α2δ2亚基激活T细胞活化核因子(nuclear factor of activated T-cells，NFAT)相关通路 CACNA2D2等位基因的下调或缺失可促进肺癌、胰腺癌等的发生发展，被认为是肿瘤抑癌基因[3-4]。Warnier等[5]研究发现，在前列腺癌细胞过表达后，并未发现CACNA2D2的保护性作用，在该基因过表达后，钙调神经磷酸酶/NFAT通路激活并促进血管内皮生长因子分泌，进而增强细胞分裂及血管生成。钙调神经磷酸酶/NFAT通路的激活对于前列腺癌具有促进作用。由此可见，CACNA2D2可能在不同细胞系中的作用存在差异。此外，钙调神经磷酸酶/NFAT通路在免疫、炎症和氧化应激[6]等多种病理过程均有重要作用，表明α2δ2亚基可能通过此途径对多种疾病的发生发展产生更广泛的影响。

1.3α2δ2亚基与神经功能 神经冲动传导过程中，突触前膜神经递质释放由P/Q型和(或)N型VGCC驱动，α2δ2亚基过表达能增加突触前膜α1亚基密度，提高神经兴奋性[7]。此外，保持α2δ2亚基金属离子依赖的黏附位点完整性能维持突触释放和胞吐作用。研究发现，具有完整金属离子依赖的黏附位点的α2δ2亚基过表达后，在不增加突触囊泡数量的前提下能使单一刺激后突触前膜的递质小泡释放率增加80%，并保护胞吐作用，防止其被细胞内钙离子螯合剂阻止。需要注意的是，α2δ2亚基也是轴突生长抑制和再生的开关，CACNA2D2过表达使轴突长度明显缩短，分支增多；而CACNA2D2缺失或沉默能促进轴突生长和轴突再生[8]，这一现象对于神经损伤后再生修复具有重要意义，表明α2δ2亚基不仅可影响钙离子通道，还具有细胞内生长调节功能。

Ducky突变体小鼠由CACNA2D2突变产生，这种小鼠可见癫痫频发、共济失调及小脑萎缩[9]，且小鼠颅内出现胱天蛋白酶3依赖性凋亡介导的颗粒细胞层耗竭，浦肯野细胞也随小鼠年龄增长而逐渐减少，这种现象归因于浦肯野细胞与颗粒细胞之间的正常连接被干扰，进而导致颗粒细胞的广泛凋亡[1]。在近期的人类基因组研究发现，CACNA2D2单独突变可引起儿童先天性癫痫性脑病[10-12]，与Ducky突变体小鼠的表型极其相似，表明α2δ2亚基可参与细胞内调节功能，对于神经发育及功能维持具有重要意义。

1.4α2δ2亚基与自噬 自噬是细胞防止有毒物质积累的重要途径，通过溶酶体介导分解错误折叠的蛋白质和受损的细胞器。自噬对神经细胞尤其重要，许多人类神经系统疾病，包括阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿病和肌萎缩性脊髓侧索硬化症中均可见自噬功能障碍[13]。Tian等[14]研究发现，P/Q型VGCC在神经细胞内溶酶体膜表面表达，并调控溶酶体与自噬体融合。CACNA2D2及CACNA1A(编码α1亚基)突变均可导致P/Q型VGCC异常，进而影响自噬功能，这种自噬障碍不受细胞膜表面钙离子通道亚基改变影响。一项研究发现，α2δ2亚基信使RNA(messenger RNA，mRNA)和蛋白量在枫糖尿症等一系列氨基酸代谢性疾病中明显下降[15]，这种氨基酸代谢障碍可能与α2δ2亚基异常造成的自噬障碍相关，但有待进一步研究的证实。

2 α2δ2亚基与心血管系统

心脏中的α2δ2亚基主要存在于L型VGCC。L型VGCC在心肌细胞膜上广泛分布，并作为心肌细胞兴奋收缩偶联的中间环节之一，主要控制心肌细胞外钙离子内流，诱发肌质网释放钙离子，引起心肌细胞收缩。心房中α2δ2亚基mRNA的表达量约为心室的5倍，但α1亚基mRNA的表达量较心室少[16]。有学者认为，α2δ2亚基mRNA在心房心室的特异性分布与心脏基础节律的维持有关[17]。但目前尚无法通过现有生物学功能解释α2δ2亚基分布的差异性。

2.1α2δ2亚基与心脏基础节律 心房肌细胞除极、激动信号向心室的传播及在心室肌群中的快速播散均需要心脏中的一种特殊组织——心脏起搏传导系统[18]。心脏起搏传导系统本质上是肌肉成分，与周围心肌工作细胞相比，心脏起搏传导系统的肌节和肌质网发育较差且代谢活性不同，通常被结缔组织包围，并受神经高度支配[19]。比较小鼠心脏发育不同阶段α2δ2亚基mRNA的分布显示，胚胎期心脏中α2δ2亚基mRNA的表达不均一，在窦房结、静脉窦、房室管、房室束分支及发育中的肺静脉等心脏起搏传导系统广泛分布部位高表达[20]。此外，胎儿期右心房α2δ2亚基mRNA表达量也高于左心房[20]。

在成熟个体中，CACNA2D2在窦房结和房室结中也存在高度富集[21]。由于激动心肌细胞兴奋收缩偶联电信号主要来自心脏起搏传导系统中的自律细胞，这种富集差异对于心脏基本节律及传导的维持可能具有重要意义。Volland等[22]发现，心率降低的FVB/N转基因小鼠α2δ2亚基mRNA表达量降低，这与Ivanov等[1]敲除CACNA2D2出现小鼠心率降低的结果相一致，表明α2δ2亚基参与维持心脏正常节律。但上述实验基因模型敲除或过表达均不局限于心脏单一器官，无法鉴别是否有部分心率调节机制来源于神经系统调控。随后，Behuliak等[23]通过阻断心脏交感神经并应用α2δ2抑制剂成功降低心率，与对照组自发性高血压大鼠相比，除基础心率偏低外，应用药物后的心率-时间变化曲线未见明显差异，表明α2δ2亚基抑制剂降低心率不完全依赖于神经系统调控，提示α2δ2亚基对心脏节律具有直接调控作用，但具体调节机制需要后续研究的证实。

T型VGCC是一种低电压激活通道，广泛表达于心脏起搏传导系统细胞中，在维持起搏细胞自主节律中有重要意义。在神经系统中，T型VGCC电流异常增加可引起颅内电信号同步异常，促进失神性癫痫的发生[24]。研究发现，α2δ2亚基与T型VGCC成孔α1亚基共同表达可增加T型VGCC电流密度，通道激活及失活时间也明显加快[25-26]。但T型VGCC是一种仅含有α1亚基的四聚体结构，α2δ2亚基不存于T型VGCC内，推测α2δ2亚基可能通过其他机制调节T型VGCC活性，改变电位时程，但心脏起搏信号由多种电流共同组成，α2δ2亚基对T型VGCC的调节作用是否作为改变起搏细胞节律的核心环节有待进一步确认。

2.2α2δ2亚基与心肌梗死后心律失常 急性心肌梗死是临床常见的急性心血管疾病，具有死亡率高、致残率高的特点。由于心脏组织广泛坏死，心脏起搏及传导功能迅速受累，导致心肌梗死后恶性心律失常频发，并成为心肌梗死后的主要致死原因。有研究发现，心肌梗死患者和动物模型的心肌细胞内微RNA(microRNA，miRNA/miR)-1231均呈特异性高表达。miR-1231作为一种非编码单链RNA，主要通过修饰α2δ2亚基mRNA的干扰翻译过程，降低α2δ2亚基蛋白表达量，增加心肌梗死后室性心动过速的发生可能[27]。此外，α2δ2亚基对心脏节律的维持有重要意义。人为敲除CACNA2D2也可增加心肌梗死个体室性心动过速的发生，与miR-1231表达量无关。miR-1231作用位点的发现也为未来心肌梗死后心律失常的治疗提供了新的思路。

2.3α2δ2亚基与心力衰竭 心力衰竭作为多种心血管疾病的晚期状态，常表现为心脏结构改变、心肌收缩功能障碍，近年研究主要集中于寻找干预心肌细胞内钙循环的有效措施。早期研究指出，外源性α2δ2能增加细胞内游离钙离子水平，激活钙离子信号下游通路；线粒体内钙离子增加，引起细胞色素C释放，线粒体膜溶解[28]，可能影响心肌细胞收缩时线粒体的能量供应，促进病理性心脏重构。此外，细胞内高水平钙离子也是成纤维细胞激活以及心肌纤维化的重要原因之一[29]，两者对于心力衰竭均有促进作用。Li等[30]研究亦显示，心力衰竭大鼠心肌细胞α2δ2亚基mRNA表达量显著高于正常大鼠，并且选择性兴奋β3型肾上腺素能受体导致心力衰竭大鼠心脏重构加重现象与α2δ2亚基无关，提示α2δ2亚基可不通过交感神经直接参与心力衰竭的病理过程。但α2δ2亚基可增加膜表面α1亚基丰度和VGCC电流，进而促进心肌细胞收缩。可见，α2δ2亚基mRNA在心力衰竭中的上调现象可部分归因于心肌细胞代偿性改变。

3 α2δ2亚基抑制剂与心血管疾病

加巴喷丁作为一种α2δ2亚基抑制剂已广泛应用于治疗神经性疼痛和癫痫症，对神经系统的传导具有抑制作用[31]。该药主要通过干扰α2δ2亚基从内质网向质膜的运输，降低功能性VGCC数量。由于其对钙离子通道的干扰作用，应用后出现可逆性听力损失等不良反应[32]。除应用于神经系统疾病外，Behuliak等[23]将加巴喷丁应用于自发高血压大鼠治疗的研究发现，加巴喷丁不仅可以降低大鼠血压，还可以阻断因低血压引起的反射性心动过速。且对血管平滑肌的干预作用较常规钙离子通道阻滞剂低，有望应用于临床高血压疾病治疗。

普瑞巴林是神经递质γ-氨基丁酸类似物，也是α2δ2亚基抑制剂，与加巴喷丁具有相似的作用机制，药物活性较加巴喷丁高3～10倍，但不良反应的发生率亦较高。一项关于普瑞巴林药物不良反应的研究显示，在诸多不良反应中，仅心力衰竭的发生率较空白组降低[33]。其原因可能与心力衰竭后α2δ2亚基mRNA表达量上调有关，通过抑制α2δ2亚基mRNA表达可延缓心力衰竭的发生。另有少量病例报道显示，普瑞巴林对心力衰竭可能有促进作用[34-35]，但个案的基础状态较差且普瑞巴林服用剂量较大，经调整剂量后不良反应症状好转，因此普瑞巴林对于心力衰竭治疗仍具有一定的可行性。因此，α2δ2亚基抑制剂在心血管疾病治疗中具有广泛的应用前景，但关于药物不良反应及药物干预时间等因素的临床应用前研究仍需大量实验验证。

4 小 结

α2δ2亚基不仅可以作为VGCC结构性亚单位，通过改变VGCC数量影响膜电位、递质释放及细胞收缩，还可以作为细胞内功能性蛋白，调节细胞生长。此外，α2δ2亚基mRNA及蛋白表达量的改变发生于神经系统、心血管系统诸多疾病中，并对疾病的发展产生影响。既往α2δ2亚基抑制剂广泛应用于神经系统疾病中，理论上，α2δ2亚基抑制剂对于心血管疾病也具有治疗意义。目前尚无法确定α2δ2亚基对心脏的具体调节机制，但已证实α2δ2亚基对维持心脏节律、能量代谢等基本功能具有重要作用，未来可成为心血管疾病治疗的新靶点。