陳煥　綜述　鄧平　審校

(1.南華大學(xué)，湖南　衡陽(yáng)421001；2.長(zhǎng)沙市中心醫(yī)院心內(nèi)科，湖南 長(zhǎng)沙410004)

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S100A1蛋白基因治療心力衰竭的研究進(jìn)展

陳煥1,2綜述鄧平2審校

(1.南華大學(xué)，湖南衡陽(yáng)421001；2.長(zhǎng)沙市中心醫(yī)院心內(nèi)科，湖南 長(zhǎng)沙410004)

【摘要】心力衰竭是各種心臟疾病發(fā)展的終末階段。S100A1蛋白高度特異性表達(dá)于心肌細(xì)胞，在心力衰竭時(shí)，其表達(dá)明顯降低。S100A1蛋白可具有抑制心肌程序性細(xì)胞死亡、逆轉(zhuǎn)心肌重構(gòu)、改善心肌細(xì)胞能量供應(yīng)及增強(qiáng)心肌細(xì)胞收縮力的作用。近年來(lái)，許多研究發(fā)現(xiàn)S100A1蛋白高表達(dá)可用于治療心力衰竭。

【關(guān)鍵詞】S100A1蛋白；心力衰竭；基因治療

心力衰竭是各種心臟疾病發(fā)展的最終歸宿，也是心臟疾病主要的死亡原因。盡管心力衰竭的治療取得了很大的進(jìn)步，但目前心力衰竭仍有很高的患病率和病死率。鈣離子(Ca2+)循環(huán)失衡是心力衰竭發(fā)生發(fā)展的主要決定因素。S100A1蛋白是心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+結(jié)合的主要蛋白，可調(diào)節(jié)肌質(zhì)網(wǎng)、肌節(jié)、線粒體功能改善心功能。S100A1基因治療心力衰竭作為未來(lái)治療心力衰竭的新策略日益引起大家的關(guān)注?，F(xiàn)就S100A1蛋白的生物學(xué)特性及其基因治療心力衰竭的機(jī)制和臨床進(jìn)展做一綜述。

1S100A1蛋白的生物學(xué)特性

S100A1蛋白是S100家族中的一員。S100蛋白是一種鈣結(jié)合蛋白，通過(guò)控制鈣內(nèi)流起到調(diào)節(jié)一系列細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)的作用如：細(xì)胞收縮、程序性細(xì)胞死亡和基因表達(dá)[1]。1965年，在牛的體內(nèi)發(fā)現(xiàn)S100蛋白，人類(lèi)S100蛋白基因主要位于染色體1q21，并且以阿拉伯?dāng)?shù)字命名(A100A1-A100A16)[2]。S100A1蛋白單體的分子量10 kD(≈1.0×104)。S100A1蛋白在體內(nèi)主要以由2個(gè)亞單位組成的同源二聚體形式存在，有2個(gè)EF手型結(jié)構(gòu)，中間以鉸鏈區(qū)鏈接，EF手型結(jié)構(gòu)包括一個(gè)氨基末端和一個(gè)羧基末端，其中羧基末端為Ca2+結(jié)合位點(diǎn)。當(dāng)Ca2+與EF手型結(jié)構(gòu)結(jié)合后，S100A1蛋白將發(fā)生構(gòu)型改變，從而暴露出疏水裂隙，這個(gè)疏水裂隙被認(rèn)為是S100A1靶蛋白的結(jié)合位點(diǎn)。而且，A100A1蛋白對(duì)Ca2+的親和力與羧基末端氧化還原及一氧化氮(nitric oxide, NO)的翻譯后修飾有密切關(guān)系[3-4]。A100A1蛋白主要表達(dá)于心肌細(xì)胞，其中以左心室為主，右心室及心房?jī)H有少量表達(dá)。S100A1蛋白在心肌細(xì)胞內(nèi)以亞細(xì)胞定位，主要表達(dá)于肌質(zhì)網(wǎng)、肌節(jié)及線粒體中。

2S100A1蛋白與心力衰竭的關(guān)系及機(jī)制

心力衰竭時(shí)S100A1蛋白的表達(dá)及其信使RNA(messenger RNA, mRNA)水平明顯下降，且下降幅度與心力衰竭的程度呈正相關(guān)[5]。心力衰竭時(shí)，內(nèi)皮素-1(endothelin-1，ET-1)和苯腎上腺素表達(dá)增加，而ET-1和苯腎上腺素可降低體內(nèi)S100A1蛋白mRNA水平，導(dǎo)致心力衰竭時(shí)S100A1蛋白表達(dá)量下降。維持正常的心功能至少需要有50%的S100A1蛋白[6]。S100A1蛋白高表達(dá)能夠阻止小鼠心肌缺血后心力衰竭的發(fā)展，降低心肌梗死后心力衰竭的病死率[7]，S100A1蛋白抗心力衰竭的作用機(jī)制主要有6點(diǎn)。

2.1調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞Ca2+平衡

可概括為2點(diǎn)：(1)控制肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)：S100A1蛋白可增強(qiáng)肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+-ATP酶(sarcoplasmic reticulum Ca2+ATPase，SERCA2)活性和調(diào)節(jié)心肌ryanodine受體(ryanodine receptor 2，RyR2)的功能，從而控制心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+平衡，發(fā)揮調(diào)節(jié)心肌收縮與舒張的功能[8]。SERCA2可將釋放入細(xì)胞質(zhì)的Ca2+重新攝入至肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)，為下一次心室收縮提供Ca2+；同時(shí)，當(dāng)肌質(zhì)網(wǎng)攝入Ca2+時(shí)，胞質(zhì)內(nèi)Ca2+降低，使心室肌舒張[9]。當(dāng)心力衰竭時(shí)，ET-1和苯腎上腺素可抑制SERCA2的mRNA表達(dá)，使得SERCA2介導(dǎo)的Ca2+循環(huán)減少，導(dǎo)致心臟的收縮與舒張功能下降。S100A1蛋白可以與SERCA2/受磷蛋白復(fù)合體相互作用，增強(qiáng)SERCA2活性[10]。RyR2是Ca2+通道釋放受體，S100A1蛋白對(duì)RyR2的調(diào)節(jié)是雙向的；在收縮期，S100A1蛋白可活化RyR2受體，促進(jìn)肌質(zhì)網(wǎng)釋放Ca2+至胞質(zhì)，增強(qiáng)心肌收縮功能；在舒張期，S100A1蛋白可抑制RyR2受體開(kāi)放，減少肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+漏出，改善心肌舒張功能[11]。

2.2調(diào)節(jié)肌節(jié)的僵硬度及其對(duì)Ca2+的敏感性

肌聯(lián)蛋白被稱為巨蛋白，是介導(dǎo)心肌細(xì)胞產(chǎn)生被動(dòng)張力的主要原因，具有維持肌原纖維松弛狀態(tài)、協(xié)助舒張期心室充盈的作用。肌聯(lián)蛋白有一個(gè)富含脯氨酸(Proline P)、谷氨酸(Glutamate E)、纈氨酸(Valine V)、賴氨酸(Kysine K)的結(jié)構(gòu)域：PEVK幾個(gè)區(qū)，肌聯(lián)蛋白可通過(guò)該結(jié)構(gòu)域與細(xì)肌絲相互作用，調(diào)節(jié)舒張期心肌的僵硬度[12]。高被動(dòng)張力是舒張性心力衰竭的重要原因，在Ca2+參與下，S100A1蛋白可與PEVK區(qū)結(jié)合，降低被動(dòng)張力，防止心室肌過(guò)度牽張[13]。此外，S100A1可調(diào)節(jié)肌絲對(duì)Ca2+的反應(yīng)性及協(xié)調(diào)性，并成劑量依賴相關(guān)性[14]。

2.3調(diào)節(jié)線粒體的功能及能量代謝

維持正常的心功能不僅需要心肌細(xì)胞Ca2+平衡，而且需要充分的能量供應(yīng)，當(dāng)心力衰竭時(shí)，ATP與ADP比值明顯下降。S100A1蛋白可與線粒體ATP酶的F1亞基結(jié)合，使ATP酶活性增加，促進(jìn)心肌細(xì)胞ATP合成。同時(shí)，S100A1蛋白可與線粒體腺嘌呤核苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)合，調(diào)節(jié)線粒體基質(zhì)及胞質(zhì)中ADP與ATP之間的相互轉(zhuǎn)化，促進(jìn)線粒體中ATP釋放入細(xì)胞質(zhì)，調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞能量代謝[15]。此外，S100A1蛋白還可通過(guò)增加胞質(zhì)內(nèi)Ca2+的轉(zhuǎn)運(yùn)來(lái)增加異檸檬酸脫氫酶活性和線粒體內(nèi)還原型輔酶生成，從而促進(jìn)三羧酸循環(huán)，為心肌細(xì)胞能量代謝提供能量[16]。

2.4抑制心肌程序性細(xì)胞死亡

Most等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在體外，S100A1蛋白具有抑制心肌程序性細(xì)胞死亡的作用，其機(jī)制主要是S100A1蛋白可直接激活磷脂酶、C-蛋白激酶、C-絲裂原激活蛋白激酶1-細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2(ERK1/2)信號(hào)通路，直接抑制過(guò)氧化氫介導(dǎo)的心肌程序性細(xì)胞死亡。此外，該實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)當(dāng)心肌細(xì)胞表達(dá)S100A1蛋白時(shí)會(huì)抑制S100B蛋白表達(dá)，而S100B蛋白被認(rèn)為是慢性心力衰竭的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，具有促進(jìn)心肌程序性細(xì)胞死亡的作用[17]。

2.5抑制心肌重構(gòu)

心肌肥厚的過(guò)程也就是心肌重構(gòu)的過(guò)程，S100A1蛋白被認(rèn)為是抗心肌肥厚蛋白，其表達(dá)量與心肌細(xì)胞直徑呈反比關(guān)系[18]。此外，S100A1蛋白高度表達(dá)時(shí)，心肌細(xì)胞肥厚標(biāo)志物如心鈉素和α-肌動(dòng)蛋白明顯減少。目前認(rèn)為S100A1蛋白主要與通過(guò)抑制微血管聚集、改善心臟收縮功能有關(guān)。

2.6調(diào)節(jié)內(nèi)皮型一氧化氮合酶活性

在心血管系統(tǒng)，生理劑量的NO具有抑制血小板聚集、擴(kuò)張血管、抑制心肌程序性細(xì)胞死亡、維持心肌收縮功能的作用[19]。內(nèi)皮型一氧化氮合酶(nitric oxide synthase,NOS)可促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞釋放NO，而S100A1蛋白可通過(guò)Ca2+依賴途徑和蛋白激酶C途徑調(diào)節(jié)內(nèi)皮型NOS活性，使血管內(nèi)皮細(xì)胞NO維持在穩(wěn)態(tài)[20]，發(fā)揮抗心力衰竭作用。

3A100A1蛋白基因治療心力衰竭模型及其臨床前景

S100A1蛋白基因靶向治療心力衰竭成為近10年基因治療研究的熱點(diǎn)。S100A1蛋白基因治療起源于對(duì)比研究S100A1蛋白轉(zhuǎn)基因[7]、基因敲除[21]和非轉(zhuǎn)基因野生型[7, 22]小鼠的急性心肌梗死模型。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在同時(shí)遭遇心肌梗死后，S100A1蛋白轉(zhuǎn)基因小鼠生存率明顯高于非轉(zhuǎn)基因野生型小鼠，而S100A1蛋白基因敲除的小鼠在遭遇心肌缺血時(shí)早期病死率極高，大多數(shù)小鼠死于心肌收縮功能下降和惡性心律失常。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)S100A1蛋白轉(zhuǎn)基因的小鼠心肌梗死后心功能明顯優(yōu)于野生型小鼠，交感神經(jīng)過(guò)度興奮、病理性心肌重塑和應(yīng)激誘導(dǎo)的心肌程序性細(xì)胞死亡均低于野生型。相反，S100A1蛋白基因敲除的小鼠左心室心肌重構(gòu)加速，心肌程序性細(xì)胞死亡加重，左心室收縮功能障礙，心力衰竭進(jìn)程加快。利用腺病毒作為載體，S100A1蛋白在心肌的轉(zhuǎn)染率為30%～40%，這樣也具有明顯抑制心室重構(gòu)，改善心肌缺血后左心室功能不全的作用[7]。 當(dāng)S100A1蛋白以不同劑量(1.5～6倍)在遭受心肌梗死后的小鼠心肌細(xì)胞表達(dá)時(shí)，S100A1蛋白的殘余質(zhì)量濃度的高低與左心室長(zhǎng)期的收縮功能呈正相關(guān)[15]。

為了研究S100A1蛋白的基因治療心力衰竭的可行性及安全性，研究者選取了與人類(lèi)心臟且基因治療所需要?jiǎng)┝扛嗨频幕铙w豬作為試驗(yàn)對(duì)象[22-23]，在氣囊閉塞左回旋支冠狀動(dòng)脈致其心肌梗死2周后，當(dāng)豬出現(xiàn)明顯左心室收縮功能障礙時(shí)，以較腺病毒作用更穩(wěn)定、轉(zhuǎn)染更迅速、作用時(shí)間更長(zhǎng)久且免疫反應(yīng)更少的腺伴隨病毒(adenoviral associated vectors,AAV)作為載體，經(jīng)冠狀靜脈逆行輸送AAV-S100A1蛋白至左心室心肌。以AAV熒光素酶和鹽水治療作為對(duì)照。在14周時(shí)，對(duì)照組心肌S100A1蛋白表達(dá)明顯下降，隨著左心室重構(gòu)，心功能呈進(jìn)行性惡化；AAV-S100A1蛋白治療組心肌S100A1蛋白水平恢復(fù)至心力衰竭前，能有效地預(yù)防和逆轉(zhuǎn)心肌重構(gòu)，S100A1蛋白基因治療后，心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2 +循環(huán)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的鈣處理和心肌能量供應(yīng)趨于正常。同時(shí)，轉(zhuǎn)基因的限制性表達(dá)在心臟組織和心臟外器官功能顯示了良好的安全性[24]。

2011年，Brinks等[10]以27位嚴(yán)重心力衰竭患者的游離心肌細(xì)胞為標(biāo)本，以腺病毒轉(zhuǎn)染S100A1蛋白為試驗(yàn)組，單獨(dú)腺病毒感染為對(duì)照組，分別檢測(cè)兩組的心肌細(xì)胞收縮力、線粒體功能。觀察發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)染S100A1蛋白基因后，心肌細(xì)胞的收縮力、細(xì)胞收縮時(shí)Ca2+瞬時(shí)振幅、肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+負(fù)載明顯增加，標(biāo)準(zhǔn)化Ca2+瞬態(tài)衰減明顯減少，致心律失常性肌質(zhì)網(wǎng) Ca2+漏出減少，此外，受損的線粒體功能明顯改善，磷酸肌酸和三磷酸腺苷比值恢復(fù)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)首次在人類(lèi)心肌細(xì)胞上證實(shí)了S100A1蛋白的基因治療的有效性。

當(dāng)然，利用S100A1蛋白的基因治療心力衰竭仍需要解決許多問(wèn)題，如：患者對(duì)AVV可能存在的免疫反應(yīng)、S100A1蛋白的基因治療所需的安全有效劑量[25]、標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)物模型不能充分反應(yīng)心力衰竭患者在疾病不同階段S100A1蛋白基因表達(dá)的差異性等。

綜上所述，在臨床前期的研究中，S100A1蛋白具有抑制心肌程序性細(xì)胞死亡、逆轉(zhuǎn)心肌重構(gòu)、平衡心肌能量代謝、改善心肌收縮與舒張功能等抗心力衰竭的作用，且無(wú)心肌毒性、致心律失常等不良反應(yīng)[23]。雖然目前運(yùn)用至臨床仍有許多問(wèn)題需要解決，但S100A1蛋白基因治療心力衰竭仍具有良好的臨床前景。

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作者簡(jiǎn)介：陳煥(1991— )，在讀碩士，主要從事心力衰竭研究。Email: 947994139@ qq. com 通信作者：鄧平( 1968—) ，主任醫(yī)師，博士，碩士導(dǎo)師，主要從事心血管疾病研究。Email: 1229015862@ qq. com

【中圖分類(lèi)號(hào)】R394；R541.6+1

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A【DOI】10.16806/j.cnki.issn.1004-3934.2016.03.023

收稿日期：2015-12-14修回日期：2016-01-21

Research Progress in S100A1 Gene Therapy for Heart Failure

CHEN Huan1,2,DENG Ping2

【Abstract】Heart failure is the common endpoint of various cardiovascular diseases. S100A1 is abundantly present in normal human myocardial tissue,and its expression levels are diminished in failing myocardium. S100A1 protein can induce cardiomyocyte apoptosis, reverse myocardial remodeling,improve energy homeostasis and increase both systolic and diastolic cardiac function. In recent years, many studies have found that S100A1 over-expression in cardiomyocytes can be used in the treatment of heart failure.

【Key words】S100A1;Heart failure;Gene therapy