Bmal1与心血管疾病关系的研究进展

朱胜奎 丁家望 汪心安 王瑶

(1三峡大学第一临床医学院 宜昌市中心人民医院心内科，湖北 宜昌 443003；2三峡大学附属宜昌市第二人民医院)

昼夜节律是最常见的一种生物节律，在哺乳动物中，许多行为和生理过程都表现出近似24 h为周期的昼夜节律变化，昼夜节律发生的物质基础是分子计时器，即生物钟〔1〕。昼夜节律生物钟属于生物体内时间调控系统，是机体为了更好适应生存环境，在进化过程中自然条件下产生的〔2〕。昼夜节律分子反馈环路的核心部分是Clock/Bmal1组成的异二聚体，Bmal1是维持生物钟节律性振荡的关键基因，对维持24 h节律完整性是必不可少的〔3〕。生物钟基因Bmal1与心律失常、高血压、动脉粥样硬化的发生、发展的病理过程相关。结合近些年来对生物钟Bmal1基因的研究进展，本文对昼夜节律Bmal1基因与上述几种心血管疾病的相关性进行综述。

1 生物钟基因的简介及分子调控

生物节律的产生受“生物钟”所调控，生物钟基因(昼夜节律基因)是维持24 h周期节律完整性的分子振荡器。这些振荡器通过神经链接和激素信号调节生物钟发挥作用，进而维持每天的生物节律〔4〕。生物钟可以分为中枢生物钟和外周生物钟。中枢生物钟位于下丘脑的中央视交叉上核(SCN)，振荡器位于SCN单个神经元内，SCN内约含有20 000个神经元，主要通过调节自主神经功能和体液介质及未知因素来直接调控机体外周振荡器及日常周期节律。而外周生物钟在机体外周组织中表达，其表达部位主要包括心脏、肝脏，骨骼肌和脂肪组织，直接调控机体本身靶基因的表达协助中枢生物钟维持周期节律〔5，6〕。

目前对昼夜节律生物钟研究已经达到分子水平，分子机制是机体细胞自主昼夜节律振荡器的基础。在分子水平上，最受认可的是昼夜节律生物钟，分子核心是负反馈回路，主要由芳基碳氢化合物受体核易位体样蛋白(BMAL)1、昼夜运动输出周期蛋白kaput(CLOCK)、隐花色素(CRY)1和CRY2、周期昼夜运动蛋白同源物(PER)1、PER2和PER3组成〔7〕。在24 h周期开始时，Bmal1蛋白小泛素化修饰后，在cAMP/Ca2+反应元件结合蛋白(CBP)作用下形成Bmal1/CLOCK异质二聚体，结合到PER和CRY基因启动子区域的E-box元件，促进PER1，PER2和CRY1，CRY2基因的转录，转录后的蛋白质进入胞质后被CKI磷酸化，磷酸化的PER不稳定，被小泛素化降解，当CRY蛋白积聚在细胞质中形成的PER/CRY/CKI复合物进入细胞核后，该复合物能抑制BMAL1/CLOCK介导的转录激活〔8〕。Bmal1是所有时钟基因中最不可替代的基因，与昼夜节律的调控密切相关。

2 昼夜节律基因Bmal1与心血管疾病

2.1Bmal1与心律失常 心律失常是心血管疾病临床常见的一类疾病。影响心律失常的机制可分为两类，一类是自主神经的电活动、激素水平等细胞外因素的昼夜节律变化，另一类是心脏本身结构的生物钟基因活动所导致的〔9〕。生物钟基因可以通过调节心肌细胞膜上有关离子通道蛋白的节律性表达来使细胞膜表面离子通道的密度呈现昼夜节律现律性变化，从而使心肌的传导性、兴奋性也呈现出相应的节律，是心律失常具有昼夜节律的重要原因之一。在心室细胞中，Scn5a是电压门控型钠离子通道(INa)的主要编码者，Scn5a基因呈现昼夜节律规律。Schroder等〔10〕通过小鼠实验发现，在Bmal1敲出的小鼠心肌细胞中可见Scn5a基因表达降低并失去昼夜节律规律，INa所介导的Na+电流水平下降、心电图记录到RR间期延长、QRS波群增宽，心率减慢，增加了心律失常的风险，由此可见，Bmal1可以调控Scn5a的昼夜规律性影响INa进而参与调控心律失常的发生发展。一项实验研究表明，Bmal1可通过PI3K-AKT信号通路来调节Ⅰ型钙通道亚单位CACNA1C的表达和功能，而Ⅰ型钙通道所产生的电流在心电活动和心律失常中发挥重要作用〔11〕。生物钟与心律失常发生的关系具体机制很复杂，需要更多的深入研究去发现二者的深层次关系。

2.2Bmal1与高血压 近年来基因研究显示，时钟基因在血压的昼夜调节中发挥着关键作用。Bmal1敲除的小鼠在活跃期血压降低，导致血压昼夜节律失去平衡，一方面与Bmal1敲除导致内皮细胞功能障碍，一氧化氮解耦联引起超氧化物产量增加有关，另一方面与Bmal1敲除小鼠体内的NADPH氧化酶表达增加引起超氧化物含量增多有关〔12〕。有文献报道，其他参与血压调控的核心昼夜节律基因包括负性昼夜节律反馈调节因子CRY1和CRY2，与Bmal1基因缺失相比，CRY1和CRY2基因的复合缺失导致小鼠血压升高〔13〕。Chang等〔14〕研究发现，血管周围组织脂肪细胞(PVAT)中的时钟基因Bmal1表达与静息期血压下降呈正相关，随着Bmal1蛋白水平的恢复，血压也慢慢恢复正常，此外还发现Agt是PVAT中Bmal1发挥作用的一个新的转录靶点，此研究结果表明在PVAT中Bmal1及其相关靶基因Agt协同参与静息期血压的昼夜变化的调节。小鼠实验研究发现，Bmal1基因敲除的小鼠表现除低血压表型，血压的昼夜节律减弱，小鼠体内儿茶酚胺合成级联酶苯乙醇胺N-甲基单胺氧化酶B的表达降低，导致肾上腺素、去甲肾上腺素水平降低，这些结果表明，Bmal1对儿茶酚胺的合成具有正向调节作用，Bmal1表达的昼夜节律提前可能导致儿茶酚胺合成的昼夜循环紊乱〔15〕。一项动物研究表明，缬沙坦联合氨氯地平联合运用于自发性高血压大鼠(SHR)模型中，在治疗的过程中，观察到昼夜节律钟的核心成分Bmal1的水平在晚间给药后水平下降，可能是联合用药降压时，Bmal1有助于机体形成一种代偿机制，预防SHR在高血压进展过程中所导致的器官衰竭〔16〕。随着对时钟基因与血压节律性波动认识的不断深入，相信可以为更好地控制血压提供新的治疗靶点，从而减少不良事件的发生。

2.3Bmal1与动脉粥样硬化(AS) AS的病变基础是以脂质沉积于血管内膜为特征，其中糖脂代谢异常在AS发生发展中起重要作用。Pan等〔17〕发现全Bmal1基因敲除Apoe-/-小鼠高脂血症和AS的发生率明显增加，Bmal1的缺乏很大可能通过降低小异二聚体伴侣(Shp)表达和增加微粒体三酰甘油转运蛋白(MTP)表达水平来增加脂蛋白产生，此外，Bmal1缺乏可能通过降低结合蛋白Gata4表达，导致ATP结合蛋白超家族G成员(Abcg)5和Abcg8的表达减少，从而减少胆固醇排泄，而在Bmal1-/-Apoe-/-小鼠中过表达Bmal1会降低高脂血症和AS发生率。脂肪组织中Bmal1缺乏会导致肥胖，Bmal1敲除的小鼠表现出血脂异常，但是Bmal1如何调节血脂水平仍不清楚。昼夜节律紊乱与AS有密切关系，内皮-间质转化(EMT)是AS进展和斑块不稳定的主要特征。研究发现，在Bmal1缺乏的小鼠巨噬细胞中肿瘤坏死因子(TNF)-α诱导的核转录因子(NF)研究发现，在Bmal1缺乏的小鼠巨噬细胞中TNF-α诱导的NF-κB活性通路及TNF通路活性上调〔18〕。Huo等〔19〕研究发现Bmal1敲除的小鼠，单核细胞向病灶处募集增多，导致巨噬细胞含量大量增加，最终参与AS发生发展。Zhu等〔20〕发现，Bmal1缺乏显著增加了BMP信号活性通路，进而介导细胞内活性氧(ROS)积累诱导EMT，导致粥样斑块的形成。Bmal1-/-小鼠内皮细胞中内皮细胞型一氧化氮(NO)合酶活性减弱，导致NO产生减少，超氧化物生成增多。最新一项研究发现，予以Apoe-/-小鼠丙烯醛喂养，丙烯醛可以激活小鼠内皮细胞中的丝裂原活化蛋白(MAKP)通路并下调Bmal1进而诱导基质金属蛋白(MMP)9过表达，发现AS斑块与MMP9呈正相关，与Bmal1呈负相关，提示MMP9和Bmal1是AS危险因素〔21〕。相信随着有关Bmal1与AS关系的深入研究，将会为寻找AS的防治靶点提供新更充足的论理依据。

综上，昼夜节律基因Bmal1表达参与心律失常、高血压、AS发生发展。昼夜节律Bmal1在心血管的表达在维持其正常生理结构与功能中起着重要作用。更好地了解心血管疾病基于Bmal1的分子机制对治疗方法的改进起着重要作用。如果能够针对Bmal1靶向用药进而干预Bmal1表达，无疑将会对心血管疾病的防治提供一个新的思路。但是，对Bmal1与心血管疾病的具体深层次关系仍知之甚少，随着对生物钟Bmal1研究的进一步深入，Bmal1在心血管疾病中发挥的作用及其与心血管疾病关系的挖掘将为防治心血管疾病提供重要的依据。