鈣通道α2δ2亞基生物學(xué)功能及對心臟節(jié)律和功能的影響

陸天一，韓薇

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院心血管內(nèi)科一科，哈爾濱 150001)

電壓門控鈣離子通道(voltage gated calcium channel，VGCC)在可興奮細胞膜電位調(diào)節(jié)中發(fā)揮了重要作用，是第二信使鈣離子進入細胞的重要途徑。VGCC作為一種多蛋白聚體，其生物學(xué)功能主要決定于具有電壓敏感性成孔α1亞基，根據(jù)α1亞基種類可將VGCC分為L型、T型、N型、P/Q型及R型鈣離子通道。除α1亞基外，VGCC結(jié)構(gòu)中還包括β亞基、γ亞基及α2δ亞基等輔助調(diào)控單元。α2δ2亞基作為α2δ亞基家族成員之一，主要存在于肌肉組織 L型VGCC及神經(jīng)突觸N型VGCC、P/Q型VGCC。研究發(fā)現(xiàn)，敲除胚胎期小鼠α2δ2亞基可導(dǎo)致其生長遲緩、癲癇頻發(fā)、攝食障礙、共濟失調(diào)及重癥肌無力等病理現(xiàn)象，并可引發(fā)小鼠緩慢性心律失常[1]，使其存活率進一步降低，這一現(xiàn)象可能與神經(jīng)突觸興奮性降低有關(guān)。由于α2δ2亞基在多種鈣離子通道內(nèi)表達，且在心臟內(nèi)的富集度僅次于神經(jīng)系統(tǒng)，這種心律失?？赡芘c心臟自身α2δ2亞基缺失，L型 VGCC結(jié)構(gòu)及功能改變有關(guān)。因此，明確α2δ2亞基的生物學(xué)功能及其對心臟節(jié)律和功能的作用可能為疾病的治療提供新思路。現(xiàn)就VGCC α2δ2亞基生物學(xué)功能及對心臟節(jié)律和功能的影響予以綜述。

1 α2δ2亞基結(jié)構(gòu)與相關(guān)生物學(xué)功能

1.1α2δ2亞基的基本結(jié)構(gòu) α2δ家族蛋白是一類由糖基磷脂酰肌醇(glycosylphosphatidylinositol，GPI)錨定的VGCC結(jié)構(gòu)亞單位，該家族包括α2δ1、α2δ2、α2δ3三種亞基，三者具有56%的相似氨基酸序列。CACNA2D2是VGCCα2δ2亞基的編碼基因，該亞基定位于染色體3p21.3上。CACNA2D2經(jīng)轉(zhuǎn)錄翻譯后生成單個多肽前體，其裂解后形成α2肽和δ2肽，兩者通過二硫鍵連接，α2肽位于細胞外，包含多個糖基化位點，δ2肽包含一個跨膜結(jié)構(gòu)域定位于細胞膜表面。既往研究認為，α2δ2亞基過表達可增加細胞膜表面α1亞基錨定位點，進而增加細胞膜VGCC數(shù)量。但隨著對α2δ2亞基結(jié)構(gòu)研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)中存在一個特殊的VWA(Von Willebrand factor-A)結(jié)構(gòu)域。VWA結(jié)構(gòu)域存在于α2δ2亞基膜外部分，在α2δ2亞基向細胞膜轉(zhuǎn)運過程中，該結(jié)構(gòu)域中金屬離子依賴的黏附位點首先與鎂離子結(jié)合，再與α1亞基形成復(fù)合體，兩者共同轉(zhuǎn)運至細胞膜表面[2]，該研究首次揭示了α2δ2亞基細胞內(nèi)協(xié)助轉(zhuǎn)運功能，使學(xué)者對α2δ2亞基的認知從結(jié)構(gòu)性蛋白轉(zhuǎn)向功能性蛋白。

1.2α2δ2亞基激活T細胞活化核因子(nuclear factor of activated T-cells，NFAT)相關(guān)通路 CACNA2D2等位基因的下調(diào)或缺失可促進肺癌、胰腺癌等的發(fā)生發(fā)展，被認為是腫瘤抑癌基因[3-4]。Warnier等[5]研究發(fā)現(xiàn)，在前列腺癌細胞過表達后，并未發(fā)現(xiàn)CACNA2D2的保護性作用，在該基因過表達后，鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶/NFAT通路激活并促進血管內(nèi)皮生長因子分泌，進而增強細胞分裂及血管生成。鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶/NFAT通路的激活對于前列腺癌具有促進作用。由此可見，CACNA2D2可能在不同細胞系中的作用存在差異。此外，鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶/NFAT通路在免疫、炎癥和氧化應(yīng)激[6]等多種病理過程均有重要作用，表明α2δ2亞基可能通過此途徑對多種疾病的發(fā)生發(fā)展產(chǎn)生更廣泛的影響。

1.3α2δ2亞基與神經(jīng)功能 神經(jīng)沖動傳導(dǎo)過程中，突觸前膜神經(jīng)遞質(zhì)釋放由P/Q型和(或)N型VGCC驅(qū)動，α2δ2亞基過表達能增加突觸前膜α1亞基密度，提高神經(jīng)興奮性[7]。此外，保持α2δ2亞基金屬離子依賴的黏附位點完整性能維持突觸釋放和胞吐作用。研究發(fā)現(xiàn)，具有完整金屬離子依賴的黏附位點的α2δ2亞基過表達后，在不增加突觸囊泡數(shù)量的前提下能使單一刺激后突觸前膜的遞質(zhì)小泡釋放率增加80%，并保護胞吐作用，防止其被細胞內(nèi)鈣離子螯合劑阻止。需要注意的是，α2δ2亞基也是軸突生長抑制和再生的開關(guān)，CACNA2D2過表達使軸突長度明顯縮短，分支增多；而CACNA2D2缺失或沉默能促進軸突生長和軸突再生[8]，這一現(xiàn)象對于神經(jīng)損傷后再生修復(fù)具有重要意義，表明α2δ2亞基不僅可影響鈣離子通道，還具有細胞內(nèi)生長調(diào)節(jié)功能。

Ducky突變體小鼠由CACNA2D2突變產(chǎn)生，這種小鼠可見癲癇頻發(fā)、共濟失調(diào)及小腦萎縮[9]，且小鼠顱內(nèi)出現(xiàn)胱天蛋白酶3依賴性凋亡介導(dǎo)的顆粒細胞層耗竭，浦肯野細胞也隨小鼠年齡增長而逐漸減少，這種現(xiàn)象歸因于浦肯野細胞與顆粒細胞之間的正常連接被干擾，進而導(dǎo)致顆粒細胞的廣泛凋亡[1]。在近期的人類基因組研究發(fā)現(xiàn)，CACNA2D2單獨突變可引起兒童先天性癲癇性腦病[10-12]，與Ducky突變體小鼠的表型極其相似，表明α2δ2亞基可參與細胞內(nèi)調(diào)節(jié)功能，對于神經(jīng)發(fā)育及功能維持具有重要意義。

1.4α2δ2亞基與自噬 自噬是細胞防止有毒物質(zhì)積累的重要途徑，通過溶酶體介導(dǎo)分解錯誤折疊的蛋白質(zhì)和受損的細胞器。自噬對神經(jīng)細胞尤其重要，許多人類神經(jīng)系統(tǒng)疾病，包括阿爾茨海默病、帕金森病、亨廷頓病和肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥中均可見自噬功能障礙[13]。Tian等[14]研究發(fā)現(xiàn)，P/Q型VGCC在神經(jīng)細胞內(nèi)溶酶體膜表面表達，并調(diào)控溶酶體與自噬體融合。CACNA2D2及CACNA1A(編碼α1亞基)突變均可導(dǎo)致P/Q型VGCC異常，進而影響自噬功能，這種自噬障礙不受細胞膜表面鈣離子通道亞基改變影響。一項研究發(fā)現(xiàn)，α2δ2亞基信使RNA(messenger RNA，mRNA)和蛋白量在楓糖尿癥等一系列氨基酸代謝性疾病中明顯下降[15]，這種氨基酸代謝障礙可能與α2δ2亞基異常造成的自噬障礙相關(guān)，但有待進一步研究的證實。

2 α2δ2亞基與心血管系統(tǒng)

心臟中的α2δ2亞基主要存在于L型VGCC。L型VGCC在心肌細胞膜上廣泛分布，并作為心肌細胞興奮收縮偶聯(lián)的中間環(huán)節(jié)之一，主要控制心肌細胞外鈣離子內(nèi)流，誘發(fā)肌質(zhì)網(wǎng)釋放鈣離子，引起心肌細胞收縮。心房中α2δ2亞基mRNA的表達量約為心室的5倍，但α1亞基mRNA的表達量較心室少[16]。有學(xué)者認為，α2δ2亞基mRNA在心房心室的特異性分布與心臟基礎(chǔ)節(jié)律的維持有關(guān)[17]。但目前尚無法通過現(xiàn)有生物學(xué)功能解釋α2δ2亞基分布的差異性。

2.1α2δ2亞基與心臟基礎(chǔ)節(jié)律 心房肌細胞除極、激動信號向心室的傳播及在心室肌群中的快速播散均需要心臟中的一種特殊組織——心臟起搏傳導(dǎo)系統(tǒng)[18]。心臟起搏傳導(dǎo)系統(tǒng)本質(zhì)上是肌肉成分，與周圍心肌工作細胞相比，心臟起搏傳導(dǎo)系統(tǒng)的肌節(jié)和肌質(zhì)網(wǎng)發(fā)育較差且代謝活性不同，通常被結(jié)締組織包圍，并受神經(jīng)高度支配[19]。比較小鼠心臟發(fā)育不同階段α2δ2亞基mRNA的分布顯示，胚胎期心臟中α2δ2亞基mRNA的表達不均一，在竇房結(jié)、靜脈竇、房室管、房室束分支及發(fā)育中的肺靜脈等心臟起搏傳導(dǎo)系統(tǒng)廣泛分布部位高表達[20]。此外，胎兒期右心房α2δ2亞基mRNA表達量也高于左心房[20]。

在成熟個體中，CACNA2D2在竇房結(jié)和房室結(jié)中也存在高度富集[21]。由于激動心肌細胞興奮收縮偶聯(lián)電信號主要來自心臟起搏傳導(dǎo)系統(tǒng)中的自律細胞，這種富集差異對于心臟基本節(jié)律及傳導(dǎo)的維持可能具有重要意義。Volland等[22]發(fā)現(xiàn)，心率降低的FVB/N轉(zhuǎn)基因小鼠α2δ2亞基mRNA表達量降低，這與Ivanov等[1]敲除CACNA2D2出現(xiàn)小鼠心率降低的結(jié)果相一致，表明α2δ2亞基參與維持心臟正常節(jié)律。但上述實驗基因模型敲除或過表達均不局限于心臟單一器官，無法鑒別是否有部分心率調(diào)節(jié)機制來源于神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控。隨后，Behuliak等[23]通過阻斷心臟交感神經(jīng)并應(yīng)用α2δ2抑制劑成功降低心率，與對照組自發(fā)性高血壓大鼠相比，除基礎(chǔ)心率偏低外，應(yīng)用藥物后的心率-時間變化曲線未見明顯差異，表明α2δ2亞基抑制劑降低心率不完全依賴于神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控，提示α2δ2亞基對心臟節(jié)律具有直接調(diào)控作用，但具體調(diào)節(jié)機制需要后續(xù)研究的證實。

T型VGCC是一種低電壓激活通道，廣泛表達于心臟起搏傳導(dǎo)系統(tǒng)細胞中，在維持起搏細胞自主節(jié)律中有重要意義。在神經(jīng)系統(tǒng)中，T型VGCC電流異常增加可引起顱內(nèi)電信號同步異常，促進失神性癲癇的發(fā)生[24]。研究發(fā)現(xiàn)，α2δ2亞基與T型VGCC成孔α1亞基共同表達可增加T型VGCC電流密度，通道激活及失活時間也明顯加快[25-26]。但T型VGCC是一種僅含有α1亞基的四聚體結(jié)構(gòu)，α2δ2亞基不存于T型VGCC內(nèi)，推測α2δ2亞基可能通過其他機制調(diào)節(jié)T型VGCC活性，改變電位時程，但心臟起搏信號由多種電流共同組成，α2δ2亞基對T型VGCC的調(diào)節(jié)作用是否作為改變起搏細胞節(jié)律的核心環(huán)節(jié)有待進一步確認。

2.2α2δ2亞基與心肌梗死后心律失常 急性心肌梗死是臨床常見的急性心血管疾病，具有死亡率高、致殘率高的特點。由于心臟組織廣泛壞死，心臟起搏及傳導(dǎo)功能迅速受累，導(dǎo)致心肌梗死后惡性心律失常頻發(fā)，并成為心肌梗死后的主要致死原因。有研究發(fā)現(xiàn)，心肌梗死患者和動物模型的心肌細胞內(nèi)微RNA(microRNA，miRNA/miR)-1231均呈特異性高表達。miR-1231作為一種非編碼單鏈RNA，主要通過修飾α2δ2亞基mRNA的干擾翻譯過程，降低α2δ2亞基蛋白表達量，增加心肌梗死后室性心動過速的發(fā)生可能[27]。此外，α2δ2亞基對心臟節(jié)律的維持有重要意義。人為敲除CACNA2D2也可增加心肌梗死個體室性心動過速的發(fā)生，與miR-1231表達量無關(guān)。miR-1231作用位點的發(fā)現(xiàn)也為未來心肌梗死后心律失常的治療提供了新的思路。

2.3α2δ2亞基與心力衰竭 心力衰竭作為多種心血管疾病的晚期狀態(tài)，常表現(xiàn)為心臟結(jié)構(gòu)改變、心肌收縮功能障礙，近年研究主要集中于尋找干預(yù)心肌細胞內(nèi)鈣循環(huán)的有效措施。早期研究指出，外源性α2δ2能增加細胞內(nèi)游離鈣離子水平，激活鈣離子信號下游通路；線粒體內(nèi)鈣離子增加，引起細胞色素C釋放，線粒體膜溶解[28]，可能影響心肌細胞收縮時線粒體的能量供應(yīng)，促進病理性心臟重構(gòu)。此外，細胞內(nèi)高水平鈣離子也是成纖維細胞激活以及心肌纖維化的重要原因之一[29]，兩者對于心力衰竭均有促進作用。Li等[30]研究亦顯示，心力衰竭大鼠心肌細胞α2δ2亞基mRNA表達量顯著高于正常大鼠，并且選擇性興奮β3型腎上腺素能受體導(dǎo)致心力衰竭大鼠心臟重構(gòu)加重現(xiàn)象與α2δ2亞基無關(guān)，提示α2δ2亞基可不通過交感神經(jīng)直接參與心力衰竭的病理過程。但α2δ2亞基可增加膜表面α1亞基豐度和VGCC電流，進而促進心肌細胞收縮?？梢?，α2δ2亞基mRNA在心力衰竭中的上調(diào)現(xiàn)象可部分歸因于心肌細胞代償性改變。

3 α2δ2亞基抑制劑與心血管疾病

加巴噴丁作為一種α2δ2亞基抑制劑已廣泛應(yīng)用于治療神經(jīng)性疼痛和癲癇癥，對神經(jīng)系統(tǒng)的傳導(dǎo)具有抑制作用[31]。該藥主要通過干擾α2δ2亞基從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向質(zhì)膜的運輸，降低功能性VGCC數(shù)量。由于其對鈣離子通道的干擾作用，應(yīng)用后出現(xiàn)可逆性聽力損失等不良反應(yīng)[32]。除應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病外，Behuliak等[23]將加巴噴丁應(yīng)用于自發(fā)高血壓大鼠治療的研究發(fā)現(xiàn)，加巴噴丁不僅可以降低大鼠血壓，還可以阻斷因低血壓引起的反射性心動過速。且對血管平滑肌的干預(yù)作用較常規(guī)鈣離子通道阻滯劑低，有望應(yīng)用于臨床高血壓疾病治療。

普瑞巴林是神經(jīng)遞質(zhì)γ-氨基丁酸類似物，也是α2δ2亞基抑制劑，與加巴噴丁具有相似的作用機制，藥物活性較加巴噴丁高3～10倍，但不良反應(yīng)的發(fā)生率亦較高。一項關(guān)于普瑞巴林藥物不良反應(yīng)的研究顯示，在諸多不良反應(yīng)中，僅心力衰竭的發(fā)生率較空白組降低[33]。其原因可能與心力衰竭后α2δ2亞基mRNA表達量上調(diào)有關(guān)，通過抑制α2δ2亞基mRNA表達可延緩心力衰竭的發(fā)生。另有少量病例報道顯示，普瑞巴林對心力衰竭可能有促進作用[34-35]，但個案的基礎(chǔ)狀態(tài)較差且普瑞巴林服用劑量較大，經(jīng)調(diào)整劑量后不良反應(yīng)癥狀好轉(zhuǎn)，因此普瑞巴林對于心力衰竭治療仍具有一定的可行性。因此，α2δ2亞基抑制劑在心血管疾病治療中具有廣泛的應(yīng)用前景，但關(guān)于藥物不良反應(yīng)及藥物干預(yù)時間等因素的臨床應(yīng)用前研究仍需大量實驗驗證。

4 小 結(jié)

α2δ2亞基不僅可以作為VGCC結(jié)構(gòu)性亞單位，通過改變VGCC數(shù)量影響膜電位、遞質(zhì)釋放及細胞收縮，還可以作為細胞內(nèi)功能性蛋白，調(diào)節(jié)細胞生長。此外，α2δ2亞基mRNA及蛋白表達量的改變發(fā)生于神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)諸多疾病中，并對疾病的發(fā)展產(chǎn)生影響。既往α2δ2亞基抑制劑廣泛應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病中，理論上，α2δ2亞基抑制劑對于心血管疾病也具有治療意義。目前尚無法確定α2δ2亞基對心臟的具體調(diào)節(jié)機制，但已證實α2δ2亞基對維持心臟節(jié)律、能量代謝等基本功能具有重要作用，未來可成為心血管疾病治療的新靶點。