劉 宇(綜述)，劉如秀(審校)

(中國中醫(yī)科學院廣安門醫(yī)院心內(nèi)科,北京 100053)

鈣離子/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ(Ca2+/Calmodulin-dependent protein kinaseⅡ，CaMKⅡ)是鈣調(diào)素的作用底物，屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶家族，其激活后可通過自身磷酸化增強對鈣調(diào)素的親和力，并磷酸化多種靶蛋白而產(chǎn)生廣泛的生物學效應，如突觸信息傳遞、調(diào)節(jié)基因表達、改變離子通道功能等。體外實驗、動物模型及人體實驗均提示CaMKⅡ是鈣離子信號變化的重要感受器，也是鈣離子調(diào)節(jié)蛋白及轉(zhuǎn)錄反應的重要效應器[1]。CaMKⅡ是記錄氧化應激及細胞內(nèi)鈣離子濃度變化并把信號轉(zhuǎn)化為相應細胞效應的重要酶，如細胞凋亡、非心肌細胞增殖等[2]。這些研究結(jié)果表明，CaMKⅡ信號通路在心臟組織重構(gòu)和電重構(gòu)中起著重要作用。對CaMKⅡ信號通路的深入研究，既有助于闡明心臟重構(gòu)的分子機制，亦可為開發(fā)防治心臟重構(gòu)的藥物提供新思路。

1 CaMKⅡ的生物學特點

鈣調(diào)素由148個氨基酸組成，相對分子質(zhì)為16.68×103，呈啞鈴狀，其兩端突出的EF臂為鈣結(jié)合位點。約50%的鈣調(diào)素結(jié)合在細胞膜上，其余分布在細胞質(zhì)和細胞核內(nèi)，一個鈣調(diào)素可結(jié)合4個鈣離子，其在靜息狀態(tài)下無活性，與鈣結(jié)合后因結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而激活，后作用于各種靶蛋白,如蛋白激酶、腺苷酸環(huán)化酶、磷酸酶、環(huán)核苷酸磷酸二酯酶、鈣泵、離子通道等，以調(diào)節(jié)胞內(nèi)鈣轉(zhuǎn)運、離子通道的活性、細胞收縮、基因表達等；當細胞內(nèi)鈣離子濃度降低時，鈣調(diào)素與靶蛋白則迅速分離[3]。

1.1CaMKⅡ的結(jié)構(gòu)和分布 CaMKⅡ是鈣離子/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶的成員之一[4]。CaMKⅡ有4個同工酶CaMKⅡα、β、γ和δ，分別由4個基因編碼，CaMKⅡα和CaMKⅡβ局限表達于神經(jīng)系統(tǒng)，CaMKⅡγ和δ則遍布各組織，心臟主要表達CaMKⅡδ，其有CaMKⅡδB和CaMKⅡδC兩種不同的剪接體。研究顯示,胞質(zhì)內(nèi)CaMKⅡδC過度表達所引起的心肌肥大較胞核中CaMKⅡδB過度表達所引起的更為嚴重[5]。CaMKⅡ由12或14個亞基組成。每個亞基均包含N端的催化域、中間的調(diào)節(jié)域、C端的結(jié)合域(可變區(qū))3個不同的單元域。CaMKⅡ被激活后，其分子構(gòu)象發(fā)生改變，催化域使鄰近亞基的抑制結(jié)構(gòu)域發(fā)生自身磷酸化，以激活CaMKⅡ，并依次磷酸化細胞中的靶蛋白，包括蘭尼丁受體、受磷蛋白(phospholamban，PLB)、肌質(zhì)網(wǎng)鈣ATP酶和L型鈣通道，從而發(fā)揮生物學活性，調(diào)節(jié)心肌細胞功能。

1.2CaMKⅡ信號通路的激活機制 CaMKⅡ在心臟主要通過作用肌質(zhì)網(wǎng)上的蘭尼堿受體(ryanodine receptor，RyR)和受磷蛋白來調(diào)節(jié)鈣信號。CaMKⅡ與鈣通道的IQ區(qū)結(jié)合后，使其磷酸化，離子通道開放延長，鈣電流增加。心肌細胞的L型鈣電流是觸發(fā)細胞內(nèi)鈣釋放的主要因素。當離子通道開放時，細胞膜外鈣離子順濃度差內(nèi)流，使細胞內(nèi)鈣離子濃度增加，并與肌質(zhì)網(wǎng)膜上RyR結(jié)合而激活肌質(zhì)網(wǎng)上鈣釋放通道，使肌質(zhì)網(wǎng)釋放鈣——鈣觸發(fā)鈣釋放(Ca2+-induced Ca2+release，CICR)[6]。在竇房結(jié)細胞中，鈣離子通道(Cav1.3)(α1D)占主要作用[7]，Cav1.3基因敲除的小鼠出現(xiàn)心動過緩和節(jié)律紊亂，這與L型鈣電流缺失有關(guān)。CaMKⅡ也可通過RyR增加鈣離子通道的開放度，增加鈣峰值，恢復心肌收縮力。CaMKⅡ使受磷蛋白磷酸化后，肌質(zhì)網(wǎng)對鈣的重攝取增加、頻率依賴性舒張加快[8]。在特異表達CaMKⅡ抑制的小鼠竇房結(jié)細胞中，發(fā)現(xiàn)其心率減慢與起搏電流無關(guān)，主要取決于β腎上腺素受體(beta-adrenergic receptor，β-AR)的刺激以及舒張期肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)鈣離子釋放；在給予異丙腎上腺素刺激后，CaMKⅡ通過影響竇房結(jié)細胞肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)鈣離子的儲存以及舒張期肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)鈣離子釋放，使舒張期除極速率加快，心率增加。Vinogradova等[9]研究表明，β-AR興奮依賴舒張期除極RyR鈣離子的釋放，激活鈉鈣交換電流，加速舒張除極以增加心率。當RyR被蘭尼堿阻滯，β-AR不能增加鈣離子的釋放，繼而不能增加舒張除極心率。Joung等[10]研究發(fā)現(xiàn)當β-AR刺激時，竇性心律增快伴晚舒張鈣離子流上升，晚舒張鈣離子流上升主要與自發(fā)性肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)鈣離子釋放有關(guān)。賴東武[11]研究發(fā)現(xiàn)，適當?shù)腃aMKⅡ生理活性水平對維持心肌細胞電活動的平衡有重要作用，長期CaMKⅡ活性過度降低會引起正常心肌細胞L型鈣通道、鈉鈣交換蛋白上調(diào)以及相應電流強度增加，從而導致細胞電不穩(wěn)定性增加。Wehrens等[12]研究表明，心率增加的過程中，鈣離子流增加導致與蘭尼堿受體2(ryanodine receptor，RyR2)聯(lián)系的CaMKⅡ的激活。

當細胞內(nèi)鈣離子流缺乏時,CaMKⅡ自身抑制區(qū)與催化域結(jié)合,以阻止底物Mg2+/ATP結(jié)合到酶的催化中心，維持激酶構(gòu)象處于自身抑制的無活性狀態(tài)。當鈣離子流水平升高時，鈣離子與鈣調(diào)素結(jié)合，引起激酶構(gòu)象的改變，使自身抑制區(qū)失活，Mg2+/ATP即可結(jié)合到酶催化域，從而使CaMKⅡ活化[13]。

2 在心臟結(jié)構(gòu)重構(gòu)中的作用

2.1CaMKⅡ與心力衰竭的關(guān)系 RyR2是巨分子復合物的組成部分，RyR2的磷酸化可使RyR2激活并增加舒張期鈣離子滲漏。CaMKⅡ?qū)yR上四個絲氨酸和兩個蘇氨酸殘基磷酸化后，可加快鈣通道的開放。肌質(zhì)網(wǎng)局部鈣釋放與RyR2磷酸化程度密切相關(guān)，RyR2磷酸化程度高則舒張期和收縮期肌質(zhì)網(wǎng)鈣離子釋放越多[14]，肌質(zhì)網(wǎng)鈣活化鈣釋放的頻率也增加[15]。研究發(fā)現(xiàn)，心力衰竭的家兔的心肌細胞CaMKⅡ表達增加，抑制CaMKⅡ的表達可減少舒張期鈣滲漏，蛋白激酶A的抑制則無此效果[16]。有研究顯示，過度表達CaMKⅡ小鼠的心肌細胞肌質(zhì)網(wǎng)自發(fā)性鈣釋放事件頻率增高，鈣滲漏亦增多[17]。Zhang等[18]實驗敲除受磷蛋白基因后，發(fā)現(xiàn)肌質(zhì)網(wǎng)攝鈣增加，肌質(zhì)網(wǎng)鈣儲備趨向正常，但是心力衰竭卻加重，病死率增加。抑制CaMKⅡ可使肌質(zhì)網(wǎng)鈣儲備恢復，但對鈣瞬變增加幅度的影響卻很小。

2.2CaMKⅡ與觸發(fā)性心律失常的關(guān)系 生理狀態(tài)下，CaMKⅡ?qū)︹}通道的磷酸化有助于鈣通道的開放，使流入細胞的鈣離子維持在適量的濃度[19]；心力衰竭時，CaMKⅡ活性過度增高，鈣通道的磷酸化水平顯著增高，導致開放時間延長，鈣離子流失活減慢，流入細胞內(nèi)的鈣離子增多，后細胞動作電位時程延長，導致心臟電觸發(fā)活動增加[20]。Koval等[21]發(fā)現(xiàn)，CaMKⅡ主要通過鈣通道蛋白Cavl.2的β2亞單位上的蛋白聯(lián)接位點(Leu493)和磷酸化位點(ThLr498)對鈣通道的磷酸化水平進行調(diào)控。過度表達β2a亞單位可引起心肌細胞早后除極增加，用鈣通道阻斷劑Nifedipine則可以阻斷早后除極的發(fā)生。心肌肥厚和心力衰竭的動物模型其后細胞動作電位延長，靜息膜電位和動作電位0期除極速率下降。采用膜片鉗技術(shù)證明，家兔陳舊性心肌梗死的心肌細胞鉀電流密度呈下降趨勢，包括瞬時外向鉀電流、鉀尾電流和內(nèi)向整理鉀電流、動作電位時程延長[22]，引起的傳導減慢和復極異質(zhì)性，此為心力衰竭心律失常發(fā)生和維持的基礎(chǔ)。心力衰竭發(fā)生心律失常歸因于折返機制和非折返機制，如早后除極、遲后除極以及異常自律性，以上機制皆與心肌細胞內(nèi)鈣的變化相關(guān)。方雁[23]使用CaMKⅡ特異性抑制劑 KN93 對心力衰竭的心肌細胞進行急性灌流，結(jié)果表明KN93可抑制遲后除極的產(chǎn)生，而Sag等[24]發(fā)現(xiàn)在高表達CaMKⅡ的小鼠的身上，使用異丙腎上腺素可增加細胞內(nèi)鈣儲備，增加遲后除極和觸發(fā)活動以及肌質(zhì)網(wǎng)鈣釋放鈣的頻率，使用CaMKⅡ特異性抑制劑KN93可減少鈣活化出現(xiàn)的頻率，這或許可以揭示CaMKⅡ在觸發(fā)性心律失常產(chǎn)生中的作用。

3 抑制CaMKⅡ的活性治療心力衰竭電重構(gòu)

有研究證明，急性抑制CaMKⅡ可改善心力衰竭的心肌細胞肌質(zhì)網(wǎng)鈣泄漏[25]等引起的心臟觸發(fā)活動，以降低心力衰竭動物模型心律失常的發(fā)生[24]。CaMKⅡ受到長期抑制后，相關(guān)蛋白的表達水平和功能均會發(fā)生改變。Zhang等[26]在心臟應用CaMKⅡ的特異性阻斷肽AC3-Ⅰ以造成心臟CaMKⅡ活性慢性抑制的模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)抑制肽可明顯減輕心肌梗死小鼠心肌肥厚以及心肌纖維化的程度，改善心肌細胞鈣穩(wěn)態(tài)，縮短心臟細胞動作電位。

賴東武[11]對CaMKⅡδ基因敲除小鼠心律失常的情況進行研究。正常狀態(tài)下，CaMKⅡδ基因敲除小鼠心肌細胞的觸發(fā)活動會增加，觸發(fā)活動的增加與心肌細胞L型鈣電流和鈉鈣交換電流電流密度增強相關(guān)。提示CaMKⅡ的活性受到長期抑制后，可能會造成心肌細胞電活動的失衡，從而引發(fā)觸發(fā)活動。這也表明盡管抑制CaMKⅡ治療心律失常具有較好療效，但應注意抑制程度和水平，應該將其活性控制在適當?shù)乃健?/p>

4 小 結(jié)

CaMKⅡ在心力衰竭、心律失常、心肌肥厚的發(fā)展過程中都發(fā)揮著重要的信號調(diào)節(jié)作用。隨著CaMKⅡ在心血管方面的生理功能和病理作用受到越來越廣泛的關(guān)注，從信號轉(zhuǎn)導的分子水平來研究和干預心律失常、心力衰竭，可為防治提供新的切入點。CaMKⅡ抑制劑可為未來治療心力衰竭、心律失常指明新的方向。

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