張帥 周立君 趙繼義

150000哈爾濱醫(yī)科大學附屬第一臨床醫(yī)學院心內(nèi)四科

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·綜述·

心臟NAv1.5通道蛋白與心律失常關系研究進展

張帥 周立君 趙繼義

150000哈爾濱醫(yī)科大學附屬第一臨床醫(yī)學院心內(nèi)四科

NAv1.5通道蛋白是一個復雜的大分子跨膜蛋白，核心由1個α亞基和1個或多個β亞基組成。NAv1.5通道蛋白由SCN5A基因編碼而成，參與心臟細胞動作電位的形成及電沖動的傳導。SCN5A基因突變后可引起NAv1.5通道蛋白功能的異常，臨床上一些致死性遺傳性心律失常的發(fā)生與SCN5A基因的突變相關，特別是心臟的離子通道性疾病，這個發(fā)現(xiàn)也為與NAv1.5通道蛋白相關的惡性心律失常的診治提供了新方向。本文主要闡述人類心臟鈉離子通道蛋白NAv1.5及與其相關的一些疾病的研究進展。

NAv1.5； 離子通道?。?SCN5A

Fund program： National Natural Science Foundation of Youth Foundation (No.81300134)；Doctoral Program of Higher Education Specialized Research Fund (No.20112307120014)；Heilongjiang Provincial Youth Science Foundation (No.QC2013C095)；China Postdoctoral Science Foundation (No.2013M540305)；Postdoctoral Funding of Heilongjiang Province (No.LBH- Z1264)

近幾十年來，人們發(fā)現(xiàn)了越來越多的遺傳性離子通道性疾病及其突變基因，逐漸明確了其發(fā)病機制，解釋了許多不明原因的致死性心律失常。電壓門控鈉離子通道負責心肌細胞動作電位的產(chǎn)生、傳導及持續(xù)時間，鑒于NAv1.5通道在心臟電興奮性、穩(wěn)定性及傳導性上扮演著關鍵角色，編碼NAv1.5基因的SCN5A發(fā)生突變將會導致遺傳性離子通道性疾病。對NAv1.5通道蛋白的深入研究將幫助我們了解離子通道性疾病的發(fā)病機制，有助于臨床上對致死性心律失常的治療和預防。本文主要闡述人類心臟鈉離子通道蛋白NAv1.5及與其相關的一些疾病的研究進展。

1 電壓門控鈉離子通道的結(jié)構(gòu)

電壓門控鈉離子通道是一個大的跨膜蛋白，在細胞動作電位的初始及快速階段起重要作用[1]。所有的鈉離子通道都是由α和β兩種亞基組成：α亞基構(gòu)成了電壓門控鈉離子通道的水孔，β亞基負責通道的調(diào)節(jié)和定位[2]。NAv1.5是心臟組織中特定表達的電壓門控鈉離子通道[1]，分布在心房和心室肌細胞及普肯野纖維上，是心臟動作電位的起始和心臟電傳導的必要參與者[3]。人類心臟鈉離子通道(NAv1.5)是電壓門控鈉離子通道家族中的一員，該家族有9名成員(NAv1.1～1.9)，并由9個基因編碼而成(SCN1-5A，SCN8-11A)；這些通道蛋白的氨基酸序列50%以上是一致的[4]。這些通道均由α亞基和β亞基組裝而成，其中α亞基是功能亞基，β亞基是輔助亞基，目前在哺乳動物中已經(jīng)證實存在5個β亞基(β1～β4和β1B)由4個基因編碼而成(SCN1B～SCN4B)[5]。α亞基能使鈉離子通過細胞膜并產(chǎn)生鈉離子電流(INA)，而β亞基只能在α亞基協(xié)助下才能產(chǎn)生INA，并且在α亞基協(xié)同下可以使鈉離子通道朝向細胞膜移動[4]。

NAv1.5位于常染色體3P21，由28個外顯子組成的基因SCN5A編碼而成[6]。NAv1.5的α亞基是一個大分子跨膜蛋白，該蛋白擁有4個相同的跨膜區(qū)(D1～D4)，由2016個氨基酸組成。這4個區(qū)域以特定的3D結(jié)構(gòu)形式組裝成一個交替正電荷的水孔，該水孔使細胞內(nèi)外的區(qū)域聯(lián)通起來[4]。這個3D結(jié)構(gòu)定位于細胞膜特殊位置并促使離子移動。4個區(qū)域中每一個區(qū)域都包含6個α反螺旋的膜片段(S1～S6)，并且通過區(qū)間連接器與周邊的區(qū)域相連。每個區(qū)域中的S4片段具有電壓傳感器的功能，含有每隔3或4個位置交替變化正電荷的氨基酸，S4的移動伴隨著電壓的變化可引發(fā)通道開放[4](圖1)。

P環(huán)位于高度保守水孔區(qū)域中，在S5與S6之間。嵌入磷脂雙分子層內(nèi)的P環(huán)構(gòu)成了允許鈉離子跨過細胞膜的孔道，這個孔道在鈉離子選擇性方面有著重要作用。對于孔道的傳導性和通透性而言，主要依賴天冬氨酸、谷氨酸、賴氨酸及丙氨酸氨基構(gòu)成的一個選擇性濾過裝置[7]。事實上，P環(huán)中一個氨基酸的變化就可以改變其對離子的選擇性[8]。

NAv1.5通道蛋白快速激活調(diào)節(jié)區(qū)域位于ID3與ID4之間，然而位于細胞內(nèi)的羧基端是一個蛋白質(zhì)相互作用的區(qū)域，NAv1.5在細胞膜上的精確定位是通過多種細胞膜蛋白調(diào)節(jié)的，其中就包括在調(diào)節(jié)鈉通道激活、失活及從失活中恢復方面發(fā)揮重要作用的β亞基[5]。

2 NAv1.5的功能和電壓依賴性的激活

NAv1.5通道產(chǎn)生0期，觸發(fā)了心臟的動作電位。一旦細胞受到臨近細胞電流的閾刺激，鈉離子通道便會開放，引起鈉離子快速進入細胞內(nèi)，鈉離子內(nèi)流就可以引起細胞膜快速去極化，使細胞膜從靜息電位變?yōu)閯幼麟娢?。從NAv1.5結(jié)構(gòu)上看，S4部分朝向S1-S2和S3方向運動，它按照自己的中軸旋轉(zhuǎn)最終和S4～S5的連接環(huán)接觸，NAv1.5可以產(chǎn)生和傳導心臟動作電位。由5個階段組成的心臟動作電位整個過程持續(xù)約200～300 ms。去極化稱為0期，是由鈉通道開放引起鈉離子快速內(nèi)流引起的。軸旋轉(zhuǎn)最終和S4-S5的連接環(huán)接觸。同時這個改變也驅(qū)使著S4-S5連接環(huán)的運動，這樣S1-S4的交替運動使鈉離子進入細胞內(nèi)[9]。

3 NAv1.5通道的快速失活

通道一旦失活離子就停止進入細胞內(nèi)。事實上，當細胞進入去極化期時通道就進入了失活關閉狀態(tài)[10]。當細胞膜去極化時，心臟鈉離子通道就會關閉進入失活的過程，NAv1.5失活有兩個明顯的過程：快失活和慢失活[11]。快失活與激活過程相耦合，快失活始于激活過程[12]。NAv1.5迅速關閉的機制是由ID3-4驅(qū)動，特殊之處是其由3個高度保守的氨基酸組成：異亮氨酸-苯丙氨酸-蛋氨酸。當發(fā)生谷氨酸替代上述3個氨基酸的突變時就會阻止離子通道的失活[13]。有54個氨基酸殘基組成的ID3-4區(qū)域的突變與離子通道失活的屬性調(diào)節(jié)相關。在上述區(qū)域發(fā)生基因突變或缺失后會減弱鈉離子通道失活的性能，從而導致心臟通道病和長QT綜合征(LQTS)[14]。NAv1.5通道快速失活是通過“球-鏈”機制發(fā)生的，這里封堵NAv1.5通道中心水孔的“球”是由鏈環(huán)ID3-4區(qū)域組成的。因此ID3-4可以中斷離子通道的轉(zhuǎn)運[15]。

A：NAv1.5示意圖：IFM表示依賴異亮氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸快速失活的區(qū)域，灰色圓形表示與β亞基相互作用的區(qū)域，VSD為電壓傳感器部分，ID1-2、ID2-3和ID3-4為區(qū)間鏈接器，最右邊為β亞基；B：NAv1.5立體結(jié)構(gòu)示意圖：藍、紅、黃和綠的部分分別代表1、2、3和4區(qū)域，灰色圓柱表示β亞基，中心圓柱表示α亞基

4 NAv1.5通道與心律失常

NAv1.5與長QT間期綜合征(long QT syndrome，LQTS)、Brugada綜合征(Brugada syndrome，BrS)、病態(tài)竇房結(jié)綜合征(sick sinus syndrome，SSS)、擴張型心肌病(dilated cardiomyopathy，DCM)、心房顫動(atrial fibrillation，AF)、進展性心臟傳導性疾病(progressive cardiac conduction disease，PCCD)等疾病的發(fā)病相關，SCN5A發(fā)生突變后會觸發(fā)NAv1.5通道蛋白生物物理特性的改變，與上述疾病的發(fā)生存在一定關系[16]。

4.1 NAv1.5通道與LQTS

LQTS是一種遺傳性心律失常疾病，在心臟結(jié)構(gòu)正常患者中，心電圖以QT間期非正常延長為特點[17]。其間期延長與心室復極延遲有關，此疾病的臨床表現(xiàn)主要是多形態(tài)室性心動過速、暈厥、猝死[18]。LQTS有13種類型，其中LQTS1-LQTS3是最常見的，它們的發(fā)病與編碼心臟離子通道基因的突變有關，LQTS3與SCN5A突變有關，并且LQTS3常在休息或睡眠中發(fā)病，而LQTS1-2常在運動或情緒激動時發(fā)病[19]。因此β受體阻滯劑對于LQTS3是無效的，而Ⅱb類鈉通道阻滯劑美西律則表現(xiàn)出較好的療效，LQTS1-2則更受益于β受體阻滯劑。

4.2 NAv1.5通道與BrS

BrS是一種常染色體遺傳的離子通道病，臨床上以突發(fā)暈厥、致死性室性心律失常為發(fā)病特點，常見于年齡小于40歲的青年，其中男性多于女性[20]。BrS的診斷是比較困難的，因為其ECG是動態(tài)變化的，依據(jù)其ECG的不同，BrS可分為3種類型，Ⅰ型是胸導聯(lián)V1～V3ST段拱形抬高，J波抬高同時T波倒置。Ⅱ型J波抬高與下斜抬高的ST段相連，T波正向或雙向。Ⅲ型是ST段抬高與抬高的J波形成馬鞍狀[21- 22]。SCN5A功能缺失性突變可以減弱INA，或改變鈉離子的轉(zhuǎn)運，也可導致細胞膜鈉通道的缺失，上述改變約20%～30%與BrS發(fā)病相關[23]。盡管SCN5A基因與BrS的發(fā)病相關，但一些亞族基因(CACNA1C和HERG)與其發(fā)病也存在一定關系[24]。BrS的治療主要依靠藥物、心臟導管射頻、埋藏式心律轉(zhuǎn)復除顫器，其中后者是唯一可以預防心臟猝死的方法[25]。

4.3 NAv1.5通道與SSS

SSS是竇房結(jié)功能紊亂引起的[26]。在SSS中，竇房結(jié)的正常功能被擾亂，影響心臟的正常傳導，患者會表現(xiàn)出多種心電圖變化，如不正常的竇性心動過緩、竇性停搏、竇房結(jié)和房室結(jié)傳導紊亂、房性心律失常等[27]?；虻母淖兣cSSS存在一定關系，通常是常染色體隱性遺傳，與SCN5A具有相關性。同時與SCN5A基因相關的顯性遺傳近來也有報道[28]。大多數(shù)與SCN5A基因突變相關的SSS，其生物物理學特性是竇房結(jié)與周圍心房電偶聯(lián)的功能喪失，從而導致竇房結(jié)電沖動傳出阻滯[29]。SCN5A基因獲得性突變所引起的SSS，延長了竇房結(jié)的動作電位并干擾了動作電位的復極，從而導致心率降低[30]。

4.4 NAv1.5通道與DCM

DCM是以心室腔擴大和心臟收縮性減低為主要特點的疾病。在臨床中可表現(xiàn)出心力衰竭和各種心律失常[31]。引起DCM有多種原因，其中包括冠心病、心臟毒性藥物和內(nèi)分泌疾病。30%先天性DCM有家族遺傳史，以常染色體顯性或隱性遺傳和伴X遺傳[32]。超過40個基因與DCM有關，其中1.7%的DCM與SCN5A的突變有關[33]。SCN5A突變后導致DCM的機制可能與H+滲透突變后的通道有關，從而影響了心臟正常的電活動[34]。

4.5 NAv1.5通道與AF

AF是臨床中最常見的心律失常，增加了患者的死亡率。該病的發(fā)生與多種原因有關，其中包括年齡、高血壓、結(jié)構(gòu)性心臟病、充血性心力衰竭及基因的異常，尤其在年輕患者中發(fā)生的孤立性AF往往與基因相關[35]。AF的發(fā)病機制主要有電重構(gòu)、結(jié)構(gòu)重構(gòu)及自主神經(jīng)重構(gòu)?；虻耐蛔円痣x子通道的異常，影響電流的改變從而導致電重構(gòu)誘發(fā)AF[36]。NAv1.5參與心臟動作電位的快速去極化，研究證實編碼NAv1.5的基因SCN5A突變后增加了患者對AF的易感性，并具有家族遺傳傾向[35]，Savio-Galimberti和Darbar研究揭示SCN5A基因突變可導致早期AF的發(fā)生。實驗證實，許多SCN5A基因突變的鼠模型也可誘導AF的發(fā)生。同時，NAv1.5作為分子靶點在AF的藥物治療中取得了較好的療效[36]。

4.6 NAv1.5通道與PCCD

PCCD是以心臟電傳導系統(tǒng)紊亂為特點的疾病，該疾病通過希氏束-普肯野纖維網(wǎng)絡影響沖動的傳導，并引起左右束支傳導阻滯及心電圖QRS波增寬。這些電傳導的改變可以引起患者暈厥及猝死。在患者心臟中發(fā)現(xiàn)纖維組織沉積及心室非正常傳導的電活動。起搏器植入可防止患者猝死[39]。在SCN5A基因上發(fā)生的功能缺失突變、點突變及單倍體不足可引起心臟上可利用的通道減少，其與PCCD相關。在一些案例中，發(fā)現(xiàn)SCN5A基因的突變可導致BrS或孤立性心臟傳導性缺陷或二者重疊的類型[39]。

利益沖突：無

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(本文編輯：譚瀟)

ZhouLijun，Email：Zhoulj0451@126.com

NAv1.5 channel protein is a complex transmembrane protein with macromolecules.Its core is composed of an α subunit and one or more β subunits.NAv1.5 channel protein is encoded by the SCN5A gene，further involved in the formation of action potential and electrical conduction.Mutations of SCN5A gene can cause dysfunction of NAv1.5 channel protein.SCN5A gene mutation could result in some fatal inherited arrhythmia，especially cardiac ion channel dysfunction.This finding also provides new ideas for diagnosis and treatment of NAv1.5 channel protein associated malignant arrhythmia.This review introduce the normal structure and function of NAv1.5 channel protein and reveal the relationship between the mutated NAv1.5 channel and arrhythmia.

NAv1.5； Channelopathies； SCN5A

周立君，電子信箱：Zhoulj0451@126.com

10.3969j.issn.1007-5410.2016.05.019

國家自然科學基金青年基金項目(81300134)；教育部高等學校博士學科點專項科研基金項目(20112307120014)；黑龍江省青年科學基金項目(QC2013C095)；中國博士后科學基金資助項目(2013M540305)；黑龍江省博士后資助經(jīng)費(LBH-Z1264)

2016-02-28)

Advances in relationship between cardiac NAv1.5 channel protein and arrhythmiaZhangShuai，ZhouLijun，ZhaoJiyi

CardiologyFourSubjectofAffiliatedFirstClinicalCollegeofHarbinMedicalUniversity，Harbin150000，China