昼夜节律与心律失常的研究进展

苏锦锋，杨 凡，邓 莉

荆门市第二人民医院心功能室，湖北荆门 448000

研究发现，室性心动过速、心室颤动和心源性猝死等威胁生命的快速性心律失常多发生于清晨及昼间交感兴奋之时，而缓慢性心律失常则多发生于夜间，提示心律失常的发生可能受到昼夜节律的调控[1-2]。昼夜更迭和光线刺激可调节昼夜节律基因及其编码的蛋白质组成转录-翻译环路，不仅通过神经-体液调节途径对生物体的多种生理、生化以及行为进行节律性调控，还可通过影响组织、器官的子钟基因调节心肌细胞膜离子通道以调控心律失常[3]。深入探讨昼夜节律对心律失常的调控作用，可为心律失常的预防和治疗提供新的思路。

昼夜节律概述

昼夜节律也称生物钟。生命体的昼夜节律是长期对光照、温度以及湿度等环境因素进行性适应逐渐演化而来，以近似24 h为1周期。昼夜节律主要由中枢神经系统的中央钟和各组织器官的子钟所调控。中央钟对光刺激敏感，光刺激在视网膜上由光信号转换为神经电信号，经视网膜下丘脑束传导至视交叉上核调控核心钟基因的转录，进而通过神经-体液途径或影响各组织器官的子钟基因表达，从而调控、协调各器官的功能[4]。

昼夜节律的主要反馈环路由正性调控因子和负性调控因子所构成。脑和肌肉Arnt样蛋白1(brain and muscle Arnt-like protein 1，BMAL1)和昼夜运动输出周期蛋白(circadian locomotor output cycles kaput，CLOCK)是主要的正性调控因子，而隐花色素(cryptochrome，CRY)蛋白家族以及周期(period，PER)蛋白家族为主要的负性调控因子。受光刺激后，BAML1/CLOCK形成异二聚体转运至细胞核中，通过与下游时钟基因PER和CRY的增强子相结合，从而激活PER和CRY的转录、翻译。而当PER和CRY蛋白在细胞质中含量上升，逐渐形成PER/CRY异二聚体转运至细胞核，从而抑制BMAL1/CLOCK对下游蛋白的转录活性。此外，BAML1/CLOCK异二聚体还可驱动视黄酸相关孤核受体(retinoid acid receptor-related orphan receptor，ROR)以及孤核受体Rev-Erbα的转录翻译，ROR和Rev-Erbα等孤核受体均可下调BAML1的转录水平，构成另一条负反馈环路。生物钟受到1条正反馈环路和2条反馈环路的调节，生命体形成约为24 h的昼夜节律[5]。

昼夜节律调控心律失常的分子基础

心血管系统的生理特性和电-机械活动均表现出明显的昼夜节律。如心率、血压以及心肌收缩力等均在清晨开始上升，午后达到峰值后逐渐降低，于夜间达到谷值[6]。此外，夜间的房室结传导、浦肯野纤维传导以及心室复极均较白天明显减慢，而P-R间期、R-R间期以及Q-T间期明显延长[7]。在昼夜变化的过程中，心血管系统的生理学改变不仅受到由自主神经功能、儿茶酚胺浓度的调控，中枢生物钟还可通过调控血管和心脏细胞中的子钟以调节心血管系统的节律性改变。

昼夜节律基因可调控心肌细胞膜上离子通道的活性以调节心律失常。心肌细胞中特异性敲除BAML1基因可导致小鼠心肌失去节律性的复极化、可导致窦性心动过缓、QRS持续时间延长和室性心律失常(ventricular arrhythmia，VA)发生频率增加[8]。荧光素酶报告基因结果提示，过表达BAML1可通过靶向调控Scn5a的mRNA水平，以调控心肌细胞电压门控钠通道(Nav1.5)，导致Nav1.5表达下降[8]。此外，Yamashita等[9]证明，心肌细胞的K+通道相关调节基因也呈现明显的昼夜节律变化，从6点至18点，心肌细胞电压门控钾通道(Kv1.5)的mRNA水平大约上升2倍，而阻断光刺激，可几乎阻断K+通道的昼夜节律变化，而自主神经阻滞仅能部分地减弱Kv1.5的昼夜节律。该研究证明，心肌细胞K+通道的昼夜节律不仅受到神经-体液调节，还受到中央钟对心肌细胞子钟基因的调控。同样的，Chen等[10]使用膜片钳技术检测到心肌细胞的L型Ca2+通道活性于凌晨3点达到峰值，而过表达CLOCK-BMAL1显著地抑制了L型Ca2+通道的α亚基表达，降低了L型Ca2+通道的电流水平。总之，昼夜节律的改变可影响心肌细胞多个离子通道活性，无论是持续过表达或敲除昼夜节律基因均会影响心肌细胞的电-机械活动，诱发心律失常。

昼夜节律与心肌去极化Nav1.5广泛表达于哺乳动物的窦房结、浦肯野纤维以及心肌细胞中，是介导心肌去极化的关键蛋白。Nav1.5全基因敲除小鼠因心室发育异常、结构缺陷而于宫内死亡，Nav1.5+/-杂合子小鼠可被正常分娩，但仍存在房室传导组织、心肌内传导延迟以及室性心动过速等心脏发育不足[11]。因此，Nav1.5的表达降低是导致心肌细胞去极化时程延长并介导VA的重要机制。Schroder等[8]发现，Nav1.5蛋白表达呈明显的昼夜节律变化，且与野生型小鼠相比，特异性敲除心肌细胞BAML1基因小鼠的心肌组织Nav1.5表达降低、内向电流下降、心率减慢、RR间期和QRS时程延长并对电刺激诱导的心律失常的敏感性增加。与正常饲养的小鼠相比，处于黑暗环境58 h的小鼠心肌组织中Nav1.5表达显著降低，证明环境光照的变化可通过影响中枢生物钟进而影响心肌中子钟基因的转录及表达[8]。因此，昼夜节律通过影响Nav1.5调控的心肌去极化过程，从而拮抗或导致VA的发生。

昼夜节律与心肌复极化心室动作电位的延长是介导VA发生和维持的关键机制，心室肌复极化过程的延长甚至可导致心室颤动或心源性猝死(sudden cardiac death，SCD)的发生。Jeyaraj等[3]发现，Krüppel样因子15(Krüppel-like factor 15，Klf15)可通过调节心肌细胞中负责复极化瞬时外向K+电流的调节性亚基K+通道相互作用蛋白2(K+channel interacting protein 2，KchIP2)以调节心脏复极化，有趣的是，Klf15的表达受CLOCK/BAMLI二聚体的靶向调控，提示心脏复极化可能受到昼夜节律基因的调控。在黑暗环境中饲养小鼠36 h发现，小鼠心肌瞬时外向K+电流的α亚基(Kv4.2)和调节性β亚基(KChIP2)的表达均呈明显的昼夜节律性，此外，敲除Klf15导致心室肌QT间期延长，而过表达Klf15则导致心室肌QT间期缩短和ST段改变，这与敲除或过表达BAML1的结果相似，证明昼夜节律基因通过调控Klf15的转录和蛋白表达以影响心肌细胞的复极化过程。同样的，Schroder等[12]发现，Kcnh2是心肌细胞中BAML1直接调控的K+离子通道靶点，负责调节心肌复极化时程，在正常光照的情况下，无论是敲除BAML1还是敲除Kcnh2的小鼠均会表现出显著延长的QT间期。以上研究证明，昼夜节律基因CLOCK/BMAL1的表达变化可通过调控心肌细胞中K+通道相关蛋白以影响心肌复极化，从而参与VA和SCD的发生及维持。

昼夜节律调控心律失常的表现

昼夜节律与心房颤动早在1997年，Yamashita等[13]分析了150例阵发性心房颤动(atrial fibrillation，AF)患者的AF发生、维持以及终止与昼夜节律的关系发现，AF在夜间发生逐渐增加，在午夜达到峰值后逐渐减少，大约在11点时达到最低点。与之一致的，Mitchell等[14]对50例AF患者进行了两年的随访发现，持续性AF的发作在夜间达到高峰，74%的患者在晚上8点到早上8点之间发作。以上研究提示，阵发性AF和持续性AF呈现出以夜间发作为主的昼夜节律。Chen等[15]发现，与阵发性AF患者相比，持续性AF患者外周血白细胞中昼夜节律基因BAML1、CRY2、NR1D等表达均显著降低，且左心房大小与昼夜节律基因表达呈明显的负相关，该研究提示昼夜节律基因表达的改变与AF的发生及左房重构存在密切关系。然而，目前关于昼夜节律和AF之间的研究甚少，仅能证明昼夜节律基因表达的改变可能与AF发生增加和心房重构之间存在关系，但其中的具体机制尚未被调查，这可能与AF对患者生命威胁与VA相比较小有关。

昼夜节律与VAVA常发生在清晨及昼间交感兴奋之时，与AF发生的昼夜节律正好相反，这可能与昼夜节律调节的自主神经兴奋有关。研究证明，缺血性心脏病的患者在夜间睡眠期间的室性期前收缩发生频率较清醒状态减少约一半，尤其是在凌晨12点到2点之间发生频率最低，因此室性期前收缩的发生呈现有明显的昼夜节律特性[16]。此外，室性心动过速和心室颤动均表现出类似的昼夜节律，24 h动态心电图检测和植入式心脏除颤仪的数据均显示，快速性VA更多地发生与上午6点到12点之间[17-18]。以上研究均证明，快速性VA的发生表现出明显的昼夜节律，昼夜的更迭可通过影响心肌细胞的动作电位以触发或抑制VA。

昼夜节律与缓慢型心律失常缓慢型心律失常包括窦性过缓、窦性停搏以及多种房室传导阻滞等心率缓慢的良、恶性心律失常，多发生于夜间睡眠状态。一项研究对18～64岁成年人进行持续心电监测发现，窦性过缓、一度房室传导阻滞以及二度Ⅰ型房室传导阻滞在夜间发生概率分别为16%、8.1%以及2.7%，而三者在白天清醒发生的概率分别为0%、2.4%以及0.3%[19]。因此，缓慢型心律失常的发生可能也存在明显的昼夜节律变化。视交叉上核是调控核心钟基因转录的关键部位，Otsuka等[20]发现，正常大鼠的心率在夜间减慢并伴随有缓慢型心律失常的发生，而对大鼠双侧视交叉进行热消融后大鼠的心率上升而缓慢型心律失常发生率降低，证明缓慢型心律失常的发生可能与中央钟基因的调节有关。此外，心率降低是缓慢型心律失常的主要表现，超极化激活环核苷酸门控非选择性阳离子通道4(hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated channel 4，HCN4)是窦房结中调控细胞起搏功能和节律调节的关键蛋白，HCN4表达下调可消除心率的昼夜变化。研究证明，窦房结中BMAL1可与HCN4的mRNA靶向结合并促进其转录，而特异性敲除BMAL1可消除HCN4表达和心率的昼夜节律变化，因此BMAL1的昼夜节律变化影响了HCN4的转录水平，从而调控了心率的昼夜节律[21]。以上研究证明缓慢型心律失常的发生呈明显的昼夜节律变化，视交叉上核的中央钟基因和心肌组织的子钟基因均参与了缓慢型心律失常的调控。

本文综述了昼夜节律基因通过神经-体液调节和生物中枢钟-子钟两种模式调控心肌细胞膜上Na+、K+以及Ca2+通道从而影响心肌细胞去极化和复极化的机制，并描述了昼夜节律与AF、VA以及缓慢型心律失常的发生关系。深入地探索昼夜节律与心律失常的调控机制，有助于为治疗多种心律失常提供潜在的靶点。