劉 宇(綜述)，劉如秀(審校)

(中國中醫(yī)科學院廣安門醫(yī)院心內科,北京 100053)

鈣離子/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ(Ca2+/Calmodulin-dependent protein kinaseⅡ，CaMKⅡ)是鈣調素的作用底物，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，也是鈣離子調節(jié)蛋白及轉錄反應的重要效應器[1]。CaMKⅡ是記錄氧化應激及細胞內鈣離子濃度變化并把信號轉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]。這些研究結果表明，CaMKⅡ信號通路在心臟組織重構和電重構中起著重要作用。對CaMKⅡ信號通路的深入研究，既有助于闡明心臟重構的分子機制，亦可為開發(fā)防治心臟重構的藥物提供新思路。

1 CaMKⅡ的生物學特點

鈣調素由148個氨基酸組成，相對分子質為16.68×103，呈啞鈴狀，其兩端突出的EF臂為鈣結合位點。約50%的鈣調素結合在細胞膜上，其余分布在細胞質和細胞核內，一個鈣調素可結合4個鈣離子，其在靜息狀態(tài)下無活性，與鈣結合后因結構發(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，以調節(jié)胞內鈣轉運、離子通道的活性、細胞收縮、基因表達等；當細胞內鈣離子濃度降低時，鈣調素與靶蛋白則迅速分離[3]。

1.1CaMKⅡ的結構和分布 CaMKⅡ是鈣離子/鈣調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,胞質內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、中間的調節(jié)域、C端的結合域(可變區(qū))3個不同的單元域。CaMKⅡ被激活后，其分子構象發(fā)生改變，催化域使鄰近亞基的抑制結構域發(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)、肌質網(wǎng)鈣ATP酶和L型鈣通道，從而發(fā)揮生物學活性，調節(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網(wǎng)上的蘭尼堿受體(ryanodine receptor，RyR)和受磷蛋白來調節(jié)鈣信號。CaMKⅡ與鈣通道的IQ區(qū)結合后，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流，使細胞內鈣離子濃度增加，并與肌質網(wǎng)膜上RyR結合而激活肌質網(wǎng)上鈣釋放通道，使肌質網(wǎng)釋放鈣——鈣觸發(fā)鈣釋放(Ca2+-induced Ca2+release，CICR)[6]。在竇房結細胞中，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。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抑制的小鼠竇房結細胞中，發(fā)現(xiàn)其心率減慢與起搏電流無關，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網(wǎng)內鈣離子釋放；在給予異丙腎上腺素刺激后，CaMKⅡ通過影響竇房結細胞肌質網(wǎng)內鈣離子的儲存以及舒張期肌質網(wǎng)內鈣離子釋放，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)性肌質網(wǎng)內鈣離子釋放有關。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。

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

2 在心臟結構重構中的作用

2.1CaMKⅡ與心力衰竭的關系 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將RyR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。肌質網(wǎng)局部鈣釋放與RyR2磷酸化程度密切相關，RyR2磷酸化程度高則舒張期和收縮期肌質網(wǎng)鈣離子釋放越多[14]，肌質網(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)肌質網(wǎng)攝鈣增加，肌質網(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)性心律失常的關系 生理狀態(tài)下，CaMKⅡ對鈣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性，此為心力衰竭心律失常發(fā)生和維持的基礎。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鈣的變化相關。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鈣儲備，增加遲后除極和觸發(fā)活動以及肌質網(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

有研究證明，急性抑制CaMKⅡ可改善心力衰竭的心肌細胞肌質網(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。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

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注，從信號轉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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