蘇錦鋒，楊 凡，鄧 莉

荊門市第二人民醫(yī)院心功能室，湖北荊門 448000

研究發(fā)現(xiàn)，室性心動(dòng)過(guò)速、心室顫動(dòng)和心源性猝死等威脅生命的快速性心律失常多發(fā)生于清晨及晝間交感興奮之時(shí)，而緩慢性心律失常則多發(fā)生于夜間，提示心律失常的發(fā)生可能受到晝夜節(jié)律的調(diào)控[1-2]。晝夜更迭和光線刺激可調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律基因及其編碼的蛋白質(zhì)組成轉(zhuǎn)錄-翻譯環(huán)路，不僅通過(guò)神經(jīng)-體液調(diào)節(jié)途徑對(duì)生物體的多種生理、生化以及行為進(jìn)行節(jié)律性調(diào)控，還可通過(guò)影響組織、器官的子鐘基因調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞膜離子通道以調(diào)控心律失常[3]。深入探討晝夜節(jié)律對(duì)心律失常的調(diào)控作用，可為心律失常的預(yù)防和治療提供新的思路。

晝夜節(jié)律概述

晝夜節(jié)律也稱生物鐘。生命體的晝夜節(jié)律是長(zhǎng)期對(duì)光照、溫度以及濕度等環(huán)境因素進(jìn)行性適應(yīng)逐漸演化而來(lái)，以近似24 h為1周期。晝夜節(jié)律主要由中樞神經(jīng)系統(tǒng)的中央鐘和各組織器官的子鐘所調(diào)控。中央鐘對(duì)光刺激敏感，光刺激在視網(wǎng)膜上由光信號(hào)轉(zhuǎn)換為神經(jīng)電信號(hào)，經(jīng)視網(wǎng)膜下丘腦束傳導(dǎo)至視交叉上核調(diào)控核心鐘基因的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而通過(guò)神經(jīng)-體液途徑或影響各組織器官的子鐘基因表達(dá)，從而調(diào)控、協(xié)調(diào)各器官的功能[4]。

晝夜節(jié)律的主要反饋環(huán)路由正性調(diào)控因子和負(fù)性調(diào)控因子所構(gòu)成。腦和肌肉Arnt樣蛋白1(brain and muscle Arnt-like protein 1，BMAL1)和晝夜運(yùn)動(dòng)輸出周期蛋白(circadian locomotor output cycles kaput，CLOCK)是主要的正性調(diào)控因子，而隱花色素(cryptochrome，CRY)蛋白家族以及周期(period，PER)蛋白家族為主要的負(fù)性調(diào)控因子。受光刺激后，BAML1/CLOCK形成異二聚體轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞核中，通過(guò)與下游時(shí)鐘基因PER和CRY的增強(qiáng)子相結(jié)合，從而激活PER和CRY的轉(zhuǎn)錄、翻譯。而當(dāng)PER和CRY蛋白在細(xì)胞質(zhì)中含量上升，逐漸形成PER/CRY異二聚體轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞核，從而抑制BMAL1/CLOCK對(duì)下游蛋白的轉(zhuǎn)錄活性。此外，BAML1/CLOCK異二聚體還可驅(qū)動(dòng)視黃酸相關(guān)孤核受體(retinoid acid receptor-related orphan receptor，ROR)以及孤核受體Rev-Erbα的轉(zhuǎn)錄翻譯，ROR和Rev-Erbα等孤核受體均可下調(diào)BAML1的轉(zhuǎn)錄水平，構(gòu)成另一條負(fù)反饋環(huán)路。生物鐘受到1條正反饋環(huán)路和2條反饋環(huán)路的調(diào)節(jié)，生命體形成約為24 h的晝夜節(jié)律[5]。

晝夜節(jié)律調(diào)控心律失常的分子基礎(chǔ)

心血管系統(tǒng)的生理特性和電-機(jī)械活動(dòng)均表現(xiàn)出明顯的晝夜節(jié)律。如心率、血壓以及心肌收縮力等均在清晨開始上升，午后達(dá)到峰值后逐漸降低，于夜間達(dá)到谷值[6]。此外，夜間的房室結(jié)傳導(dǎo)、浦肯野纖維傳導(dǎo)以及心室復(fù)極均較白天明顯減慢，而P-R間期、R-R間期以及Q-T間期明顯延長(zhǎng)[7]。在晝夜變化的過(guò)程中，心血管系統(tǒng)的生理學(xué)改變不僅受到由自主神經(jīng)功能、兒茶酚胺濃度的調(diào)控，中樞生物鐘還可通過(guò)調(diào)控血管和心臟細(xì)胞中的子鐘以調(diào)節(jié)心血管系統(tǒng)的節(jié)律性改變。

晝夜節(jié)律基因可調(diào)控心肌細(xì)胞膜上離子通道的活性以調(diào)節(jié)心律失常。心肌細(xì)胞中特異性敲除BAML1基因可導(dǎo)致小鼠心肌失去節(jié)律性的復(fù)極化、可導(dǎo)致竇性心動(dòng)過(guò)緩、QRS持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)和室性心律失常(ventricular arrhythmia，VA)發(fā)生頻率增加[8]。熒光素酶報(bào)告基因結(jié)果提示，過(guò)表達(dá)BAML1可通過(guò)靶向調(diào)控Scn5a的mRNA水平，以調(diào)控心肌細(xì)胞電壓門控鈉通道(Nav1.5)，導(dǎo)致Nav1.5表達(dá)下降[8]。此外，Yamashita等[9]證明，心肌細(xì)胞的K+通道相關(guān)調(diào)節(jié)基因也呈現(xiàn)明顯的晝夜節(jié)律變化，從6點(diǎn)至18點(diǎn)，心肌細(xì)胞電壓門控鉀通道(Kv1.5)的mRNA水平大約上升2倍，而阻斷光刺激，可幾乎阻斷K+通道的晝夜節(jié)律變化，而自主神經(jīng)阻滯僅能部分地減弱Kv1.5的晝夜節(jié)律。該研究證明，心肌細(xì)胞K+通道的晝夜節(jié)律不僅受到神經(jīng)-體液調(diào)節(jié)，還受到中央鐘對(duì)心肌細(xì)胞子鐘基因的調(diào)控。同樣的，Chen等[10]使用膜片鉗技術(shù)檢測(cè)到心肌細(xì)胞的L型Ca2+通道活性于凌晨3點(diǎn)達(dá)到峰值，而過(guò)表達(dá)CLOCK-BMAL1顯著地抑制了L型Ca2+通道的α亞基表達(dá)，降低了L型Ca2+通道的電流水平。總之，晝夜節(jié)律的改變可影響心肌細(xì)胞多個(gè)離子通道活性，無(wú)論是持續(xù)過(guò)表達(dá)或敲除晝夜節(jié)律基因均會(huì)影響心肌細(xì)胞的電-機(jī)械活動(dòng)，誘發(fā)心律失常。

晝夜節(jié)律與心肌去極化Nav1.5廣泛表達(dá)于哺乳動(dòng)物的竇房結(jié)、浦肯野纖維以及心肌細(xì)胞中，是介導(dǎo)心肌去極化的關(guān)鍵蛋白。Nav1.5全基因敲除小鼠因心室發(fā)育異常、結(jié)構(gòu)缺陷而于宮內(nèi)死亡，Nav1.5+/-雜合子小鼠可被正常分娩，但仍存在房室傳導(dǎo)組織、心肌內(nèi)傳導(dǎo)延遲以及室性心動(dòng)過(guò)速等心臟發(fā)育不足[11]。因此，Nav1.5的表達(dá)降低是導(dǎo)致心肌細(xì)胞去極化時(shí)程延長(zhǎng)并介導(dǎo)VA的重要機(jī)制。Schroder等[8]發(fā)現(xiàn)，Nav1.5蛋白表達(dá)呈明顯的晝夜節(jié)律變化，且與野生型小鼠相比，特異性敲除心肌細(xì)胞BAML1基因小鼠的心肌組織Nav1.5表達(dá)降低、內(nèi)向電流下降、心率減慢、RR間期和QRS時(shí)程延長(zhǎng)并對(duì)電刺激誘導(dǎo)的心律失常的敏感性增加。與正常飼養(yǎng)的小鼠相比，處于黑暗環(huán)境58 h的小鼠心肌組織中Nav1.5表達(dá)顯著降低，證明環(huán)境光照的變化可通過(guò)影響中樞生物鐘進(jìn)而影響心肌中子鐘基因的轉(zhuǎn)錄及表達(dá)[8]。因此，晝夜節(jié)律通過(guò)影響Nav1.5調(diào)控的心肌去極化過(guò)程，從而拮抗或?qū)е耉A的發(fā)生。

晝夜節(jié)律與心肌復(fù)極化心室動(dòng)作電位的延長(zhǎng)是介導(dǎo)VA發(fā)生和維持的關(guān)鍵機(jī)制，心室肌復(fù)極化過(guò)程的延長(zhǎng)甚至可導(dǎo)致心室顫動(dòng)或心源性猝死(sudden cardiac death，SCD)的發(fā)生。Jeyaraj等[3]發(fā)現(xiàn)，Krüppel樣因子15(Krüppel-like factor 15，Klf15)可通過(guò)調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞中負(fù)責(zé)復(fù)極化瞬時(shí)外向K+電流的調(diào)節(jié)性亞基K+通道相互作用蛋白2(K+channel interacting protein 2，KchIP2)以調(diào)節(jié)心臟復(fù)極化，有趣的是，Klf15的表達(dá)受CLOCK/BAMLI二聚體的靶向調(diào)控，提示心臟復(fù)極化可能受到晝夜節(jié)律基因的調(diào)控。在黑暗環(huán)境中飼養(yǎng)小鼠36 h發(fā)現(xiàn)，小鼠心肌瞬時(shí)外向K+電流的α亞基(Kv4.2)和調(diào)節(jié)性β亞基(KChIP2)的表達(dá)均呈明顯的晝夜節(jié)律性，此外，敲除Klf15導(dǎo)致心室肌QT間期延長(zhǎng)，而過(guò)表達(dá)Klf15則導(dǎo)致心室肌QT間期縮短和ST段改變，這與敲除或過(guò)表達(dá)BAML1的結(jié)果相似，證明晝夜節(jié)律基因通過(guò)調(diào)控Klf15的轉(zhuǎn)錄和蛋白表達(dá)以影響心肌細(xì)胞的復(fù)極化過(guò)程。同樣的，Schroder等[12]發(fā)現(xiàn)，Kcnh2是心肌細(xì)胞中BAML1直接調(diào)控的K+離子通道靶點(diǎn)，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)心肌復(fù)極化時(shí)程，在正常光照的情況下，無(wú)論是敲除BAML1還是敲除Kcnh2的小鼠均會(huì)表現(xiàn)出顯著延長(zhǎng)的QT間期。以上研究證明，晝夜節(jié)律基因CLOCK/BMAL1的表達(dá)變化可通過(guò)調(diào)控心肌細(xì)胞中K+通道相關(guān)蛋白以影響心肌復(fù)極化，從而參與VA和SCD的發(fā)生及維持。

晝夜節(jié)律調(diào)控心律失常的表現(xiàn)

晝夜節(jié)律與心房顫動(dòng)早在1997年，Yamashita等[13]分析了150例陣發(fā)性心房顫動(dòng)(atrial fibrillation，AF)患者的AF發(fā)生、維持以及終止與晝夜節(jié)律的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，AF在夜間發(fā)生逐漸增加，在午夜達(dá)到峰值后逐漸減少，大約在11點(diǎn)時(shí)達(dá)到最低點(diǎn)。與之一致的，Mitchell等[14]對(duì)50例AF患者進(jìn)行了兩年的隨訪發(fā)現(xiàn)，持續(xù)性AF的發(fā)作在夜間達(dá)到高峰，74%的患者在晚上8點(diǎn)到早上8點(diǎn)之間發(fā)作。以上研究提示，陣發(fā)性AF和持續(xù)性AF呈現(xiàn)出以夜間發(fā)作為主的晝夜節(jié)律。Chen等[15]發(fā)現(xiàn)，與陣發(fā)性AF患者相比，持續(xù)性AF患者外周血白細(xì)胞中晝夜節(jié)律基因BAML1、CRY2、NR1D等表達(dá)均顯著降低，且左心房大小與晝夜節(jié)律基因表達(dá)呈明顯的負(fù)相關(guān)，該研究提示晝夜節(jié)律基因表達(dá)的改變與AF的發(fā)生及左房重構(gòu)存在密切關(guān)系。然而，目前關(guān)于晝夜節(jié)律和AF之間的研究甚少，僅能證明晝夜節(jié)律基因表達(dá)的改變可能與AF發(fā)生增加和心房重構(gòu)之間存在關(guān)系，但其中的具體機(jī)制尚未被調(diào)查，這可能與AF對(duì)患者生命威脅與VA相比較小有關(guān)。

晝夜節(jié)律與VAVA常發(fā)生在清晨及晝間交感興奮之時(shí)，與AF發(fā)生的晝夜節(jié)律正好相反，這可能與晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)的自主神經(jīng)興奮有關(guān)。研究證明，缺血性心臟病的患者在夜間睡眠期間的室性期前收縮發(fā)生頻率較清醒狀態(tài)減少約一半，尤其是在凌晨12點(diǎn)到2點(diǎn)之間發(fā)生頻率最低，因此室性期前收縮的發(fā)生呈現(xiàn)有明顯的晝夜節(jié)律特性[16]。此外，室性心動(dòng)過(guò)速和心室顫動(dòng)均表現(xiàn)出類似的晝夜節(jié)律，24 h動(dòng)態(tài)心電圖檢測(cè)和植入式心臟除顫儀的數(shù)據(jù)均顯示，快速性VA更多地發(fā)生與上午6點(diǎn)到12點(diǎn)之間[17-18]。以上研究均證明，快速性VA的發(fā)生表現(xiàn)出明顯的晝夜節(jié)律，晝夜的更迭可通過(guò)影響心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位以觸發(fā)或抑制VA。

晝夜節(jié)律與緩慢型心律失常緩慢型心律失常包括竇性過(guò)緩、竇性停搏以及多種房室傳導(dǎo)阻滯等心率緩慢的良、惡性心律失常，多發(fā)生于夜間睡眠狀態(tài)。一項(xiàng)研究對(duì)18～64歲成年人進(jìn)行持續(xù)心電監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，竇性過(guò)緩、一度房室傳導(dǎo)阻滯以及二度Ⅰ型房室傳導(dǎo)阻滯在夜間發(fā)生概率分別為16%、8.1%以及2.7%，而三者在白天清醒發(fā)生的概率分別為0%、2.4%以及0.3%[19]。因此，緩慢型心律失常的發(fā)生可能也存在明顯的晝夜節(jié)律變化。視交叉上核是調(diào)控核心鐘基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵部位，Otsuka等[20]發(fā)現(xiàn)，正常大鼠的心率在夜間減慢并伴隨有緩慢型心律失常的發(fā)生，而對(duì)大鼠雙側(cè)視交叉進(jìn)行熱消融后大鼠的心率上升而緩慢型心律失常發(fā)生率降低，證明緩慢型心律失常的發(fā)生可能與中央鐘基因的調(diào)節(jié)有關(guān)。此外，心率降低是緩慢型心律失常的主要表現(xiàn)，超極化激活環(huán)核苷酸門控非選擇性陽(yáng)離子通道4(hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated channel 4，HCN4)是竇房結(jié)中調(diào)控細(xì)胞起搏功能和節(jié)律調(diào)節(jié)的關(guān)鍵蛋白，HCN4表達(dá)下調(diào)可消除心率的晝夜變化。研究證明，竇房結(jié)中BMAL1可與HCN4的mRNA靶向結(jié)合并促進(jìn)其轉(zhuǎn)錄，而特異性敲除BMAL1可消除HCN4表達(dá)和心率的晝夜節(jié)律變化，因此BMAL1的晝夜節(jié)律變化影響了HCN4的轉(zhuǎn)錄水平，從而調(diào)控了心率的晝夜節(jié)律[21]。以上研究證明緩慢型心律失常的發(fā)生呈明顯的晝夜節(jié)律變化，視交叉上核的中央鐘基因和心肌組織的子鐘基因均參與了緩慢型心律失常的調(diào)控。

本文綜述了晝夜節(jié)律基因通過(guò)神經(jīng)-體液調(diào)節(jié)和生物中樞鐘-子鐘兩種模式調(diào)控心肌細(xì)胞膜上Na+、K+以及Ca2+通道從而影響心肌細(xì)胞去極化和復(fù)極化的機(jī)制，并描述了晝夜節(jié)律與AF、VA以及緩慢型心律失常的發(fā)生關(guān)系。深入地探索晝夜節(jié)律與心律失常的調(diào)控機(jī)制，有助于為治療多種心律失常提供潛在的靶點(diǎn)。