S100A1蛋白与心血管疾病的研究进展

殷惠娇 何胜虎

1 江苏省苏北人民医院，江苏省扬州市 225001； 2 大连医科大学

心血管疾病(Cardiovascular disease，CVD)是世界范围内威胁人类健康的主要原因之一，世界卫生组织调查显示，与心血管疾病相关的死亡人数在2030年预计将达到2 300万。许多心血管疾病如急性冠脉综合征、高血压、炎性心肌病和瓣膜疾病等发展到终末期都会导致心肌细胞泵衰竭，并发生室性心律失常，最终导致患者死亡[1]。而心肌细胞Ca2+稳态的异常调节是发生病理生理变化的关键。因此，逆转功能失调的心肌细胞Ca2+可能具有治疗干预的潜在可行性。本文主要介绍钙结合蛋白S100A1，其在人心肌中的表达水平最高(主要为左心室)，在血管内皮细胞也有表达，而在骨骼肌、脑和肾脏中的表达水平较低，在心血管疾病中发挥了相当独特的治疗作用。

1 S100A1的蛋白结构及生物学特性

S100A1是多基因S100蛋白家族的成员，是EF-手型Ca2+结合蛋白超家族中最大的亚组，由两个亚单位组成的对称的反向平行二聚体组成。S100A1蛋白是细胞和分子基本功能的调节者，包括细胞增殖、分化、存活和运动，以及蛋白质磷酸化、酶活性、细胞骨架动力学、转录活性以及维持一氧化氮动态平衡和调节Ca2+动力学[2]。

2 S100A1对心肌细胞、内皮细胞的作用机制

2.1 调节心肌细胞钙稳态 (1)增强肌质网钙泵(Sarcoendoplasmic reticulum calcium-ATPace2，SERCA2)活性： S100A1与肌质网钙泵/受磷蛋白复合物以Ca2+依赖的方式相互作用，从而提高了SERCA2的活性，增强了肌质网 Ca2+摄取。(2)调节阿诺碱受体2(Ryanodine receptor，RYR2)的功能： S100A1调节RYR2功能具有双相效应，可减少舒张期肌质网 Ca2+渗漏，同时可增加收缩期肌质网释放Ca2+[3-4]。

2.2 调节肌节僵硬度和Ca2+的反应 肌联蛋白为S100A1的作用靶点，在Ca2+的介导下，通过其富含脯氨酸、谷氨酸、缬氨酸、赖氨酸的结构域与S100A1相互作用形成“恶性破坏”分子，这有助于防止发生心肌僵硬[5]。

2.3 调节线粒体功能和能量代谢 S100A1与线粒体ATP酶的F1亚基以Ca2+和pH依赖的方式直接相互作用。S100A1可能通过增加细胞内Ca2+的周转来增加柠檬酸脱氢酶活性和线粒体烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的生成。另外，S100A1可能通过促进腺嘌呤核苷酸转运体介导的ATP胞浆易位，增加ATP生成，以此适应因肌质网和肌丝活性升高引起的对ATP需求的增加[6]。

2.4 抑制心肌细胞凋亡 S100A1蛋白通过激活磷脂酶、C-蛋白激酶、C-丝裂原激活的细胞外信号蛋白激酶1/2通路，直接抑制心肌细胞凋亡[4]。S100A1会抑制S100B蛋白表达,而S100B蛋白有致心肌细胞凋亡作用[7]。

2.5 抑制心室重构 S100A1基因治疗在体内具有明显的抗肥厚作用，抑制了细胞外基质基因、α1-肾上腺素能介导的胎儿基因等基因的失控表达，并阻止了进行性心脏扩张[8]。此外，对心力衰竭中S100A1基因单独治疗组和与美托洛尔联合治疗组相比较，结果显示S100A1与美托洛尔联合治疗心力衰竭对心肌重塑具有协同作用[9]。

2.6 抗心律失常作用 肌质网RYR2功能异常会导致Ca2+不断流失，影响胞内Ca2+浓度梯度形成，频发自发性的Ca2+释放，引起膜电位振荡，当振幅达到一定阈值，则可触发电活动，这可能是出现心律失常的原因之一[10]。S100A1蛋白通过调节肌质网RYR2功能，可能有助于防止Ca2+浓度异常引起的心律失常，并降低心力衰竭心肌细胞心律失常易感性。

2.7 调节内皮细胞Ca2+的释放 S100A1在内皮细胞中的主要作用是控制肌质网Ca2+的摄取和释放[11]。Pleger等[12]首次发现敲除小鼠主动脉内皮细胞的S100A1后，这些细胞分别表现为毒蕈碱能受体和激肽能受体刺激的胞质内Ca2+释放和瞬时释放功能减弱，提示S100A1在内皮细胞中肌醇-3-磷酸受体调控的Ca2+信号转导中起关键作用。

2.8 调节内皮细胞一氧化氮平衡 研究证明S100A1能调节血管内皮细胞的一氧化氮稳态。Pleger等[12]证明了，血管内皮和血管S100A1-/-组与对照组相比基础一氧化氮产生减少，并且对血管扩张剂(如缓激肽、乙酰胆碱或凝血酶)反应受损。另外在内皮型一氧化氮合酶表达不变的情况下，内皮细胞S100A1蛋白缺失或减少可能会潜在地干扰Ca2+激活的钙调蛋白与内皮型一氧化氮合酶的结合，减少一氧化氮的生成。

3 S100A1与心脏疾病

3.1 S100A1与心力衰竭 心力衰竭是心脏疾病发展的终末阶段，会引发一些结构和功能失调，如心室重构、心肌细胞肥大、纤维化、凋亡和内皮功能障碍等。目前用于临床心力衰竭治疗的药物主要是减弱交感神经和肾素血管紧张素—醛固酮系统过度驱动的系统和心脏效应。研究表明，心力衰竭发生后，心肌细胞Ca2+运输异常，收缩期浓度低于正常，舒张期浓度高于正常，表明肌质网钙泵转运Ca2+能力减弱，更有研究显示肌质网钙泵在心力衰竭心肌细胞中表达和活性降低。相关实验检测了缺血性和扩张型心肌病引起的心力衰竭心肌细胞信使RNA和蛋白水平，发现S100A1转录和蛋白表达水平均下降。Pleger等[12]研究发现将心力衰竭大鼠的心肌细胞经腺病毒介导的基因转移后，S100A1蛋白表达水平恢复正常，收缩性能恢复，并能增强肌质网Ca2+的摄取和负荷。Brinks等[13]在缺血性心衰患者心室组织感染腺病毒S100A1并分离，结果显示恢复S100A1的表达可以改善衰竭心肌细胞的收缩率、舒张率和Ca2+浓度。此外，心衰患者心室组织感染腺病毒S100A1还改进了速率依赖性和肾上腺素介导的收缩储备，同时改善了离体心衰心肌细胞和线粒体能量代谢异常情况，降低了舒张期肌质网 Ca2+泄漏和异常去极化的倾向[14]。最近，以腺病毒伴随病毒(Adenoviral associated vectors, AAV)作为载体，在家猪心肌梗死心力衰竭模型中通过冠状动脉前静脉输送S100A1-AAV9病毒，有效防止了血流动力学进行性恶化，并使心功能改善至接近正常水平，最终成功挽救心力衰竭，这项实验证明了S100A1基因治疗在近临床环境中的疗效和可行性。这种采用心脏基因传递方式，应用基因剂量和治疗后分析直接适用于人类，并可能为首次非人类临床S100A1基因治疗安全试验铺平道路[15]。

3.2 S100A1与急性冠脉综合征 急性冠脉综合征(Acute coronary syndrome，ACS)是由于冠状动脉内存在不稳定斑块，在应激等诱因下斑块发生破裂或糜烂，继而血栓形成堵塞血管，心肌缺血坏死。ACS可分为急性ST段抬高型心肌梗死(Acute ST-segment elevation myocardial infarction，STEMI)，急性非ST段抬高型心肌梗死和不稳定性心绞痛,后两者合称为非ST段抬高型急性冠脉综合征(Acute Coronary Syndrome with Non-ST Elevation，NST-ACS)。有研究探讨了非ST段抬高型急性冠脉综合征患者血浆S100A1水平与全球急性冠状动脉事件注册(Global registration of acute coronary events，GRACE)评分之间的关系及S100A1蛋白对其30d预后的判断价值，结果显示不同GRACE评分分组的NST-ACS患者S100A1水平有显著性差异(P<0.05)，表明S100A1有助于NST-ACS患者早期危险分层及预后评估[16]。另一项研究证实了STEMI患者血浆S100A1水平显著提高，提示S100A1升高可能是发生STEMI的独立预测因子。并且与CK-MB、高敏心脏蛋白T、超敏C反应蛋白水平呈正相关，可反映STEMI患者心脏正处于炎症状态。此外还发现S100A1与NT-proBNP、左心室射血分数等心功能密切相关，尤其是在STEMI急性期[17]。

3.3 S100A1与心肌缺血再灌注损伤 心肌缺血后，应尽早使闭塞血管再通，但在缺血心肌重新获得血流灌注时，因其在缺血期间组织结构、能量代谢、电生理及心功能的改变使得组织损伤进一步加重，这一病理过程称为心肌缺血再灌注损伤。Brett等[18]研究了择期冠状动脉旁路移植术(Coronary artery bypass graft，CABG)或CABG联合瓣膜置换术的患者，利用共聚焦激光扫描显微镜观察体外循环开始前及结束时(即主动脉夹闭60min)、成功再灌注30min后S100A1在活检标本中的定位变化，结果显示在体外循环结束时(即心肌缺血60min)S100A1的定位发生了显著变化，而在成功再灌注30min后发生可逆性重新定位。进一步的半定量测量显示，在体外循环结束时荧光强度明显降低，成功再灌注30min后，伴随着可逆定位荧光强度水平明显升高。通过共聚焦显微镜观察，发现在心肌缺血时S100A1从细胞质到细胞表面有一个明显的错位。这表明缺血引起的S100A1在收缩细肌丝上从其主要位置释放可能影响心脏手术期间心肌细胞的收缩/松弛特性。通过比较体外循环前后S100A1亚细胞的定位变化，可以预测心肌再灌注损伤的发生，提前为预防心肌缺血再灌注心律失常的发生做准备。

4 S100A1与血管疾病

4.1 S100A1与动脉高压 动脉高压是指因遗传、自身免疫及血管内皮、平滑肌功能障碍发生的病理生理过程，常见的有肺动脉高压，肺动脉持续高压继而右心室结构或功能改变，最终会促使右心室扩大和右心衰竭的发生。一些实验应用免疫荧光显微镜证实了内皮细胞和血管平滑肌细胞中表达了S100A1，其同时存在于啮齿动物和人血管的毛细血管、冠状动脉、主动脉和股动脉内皮细胞中。共聚焦免疫荧光显微镜显示S100A1与内皮细胞肌质网钙泵以及肌醇-3-磷酸受体共定位。值得关注的是，实验中S100A1-/-小鼠最终会发展成动脉高压，并在体内完全缺乏对缓激肽的血管反应，同样剂量的缓激肽则使对照组小鼠动脉血压显著下降[19]。内皮细胞S100A1表达减少可能限制血管一氧化氮供应，并会进一步导致因血管壁氧化酶活性增加引起的一氧化氮/氧化还原失衡。从这个角度来看，S100A1可以被视为一个新的靶点，可以通过恢复NO/氧化还原平衡来治疗调节血管功能。这一新概念得到了数据的支持，数据显示，S100A1基因转染到人冠状动脉内皮细胞内增强了乙酰胆碱诱导的一氧化氮产生。因此，由于缺乏S100A1导致血管内皮细胞内一氧化氮生成不足，最终引起血管舒张功能异常并形成动脉高压的实验结果，可能为治疗高血压病和研究心力衰竭引起的血管收缩作用机制提供新视角。

4.2 S100A1与慢性严重肢体缺血 慢性严重肢体缺血(Chronic critical limb ischemia，CLI)是最严重的外周动脉闭塞性疾病，高达40%的患者在诊断1年内截肢，临床预后差。研究发现慢性严重肢体缺血患者缺氧组织中S100A1表达几乎完全丧失。Teichert等[20]对小鼠行股动脉切除术，并对实验组进行S100A1基因敲除，结果显示，与对照组相比，实验组小鼠腓肠肌活检标本S100A1信使RNA数量减少。对照组小鼠术后患肢活动情况下降，但在术后第7天情况有所改善最终恢复正常，而实验组小鼠由于患肢一氧化氮生成不足表现出较高的组织坏死率和缺血肢体自动截肢，并且用超声多普勒可观察到在术后15d左右，实验组小鼠缺血肢体血流减少了近80%。S100A1蛋白对内皮型一氧化氮合酶具有正向调节作用，S100A1基因敲除后，内皮型一氧化氮合酶功能受损，导致一氧化氮生成不足，这可能是直接导致实验组患肢截肢的原因。这项实验为临床治疗慢性严重肢体缺血疾病提供新思路。

5 结语

S100A1蛋白与心血管的关系为临床治疗方案提供新思路。动物实验的成功证明S100A1基因有望用于治疗人类终末期心力衰竭。但是考虑到临床中心力衰竭往往合并其他危险因素和疾病，使用药物方面也有许多差异，我们可以通过设计非自交系动物模型，尽可能完整模拟人类终末期心力衰竭模型来接近临床。总之，随着研究深入，经动物实验过渡， S100A1基因治疗最终可成为治疗心血管疾病的一种有效临床治疗方案。