中電導(dǎo)鈣離子激活鉀通道SK4與心律失常

何山青 趙慶彥

心肌的電生理活動與細(xì)胞膜上的離子通道活動密切相關(guān)，跨膜離子流決定靜息電位和動作電位的形成。心臟電生理的穩(wěn)態(tài)依賴鉀、鈣、鈉等多個離子通道的有序運轉(zhuǎn)。離子通道分為電壓依從性通道和化學(xué)依從性通道兩種。中電導(dǎo)鈣激活鉀通道SK4(intermediate conductance Ca2＋-activated K＋channel)是一種不受電壓調(diào)控，但對鈣離子濃度高度敏感的外向鉀離子通道[1]。近年來，有研究表明，SK4通道可以通過調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞自律性來影響心律失常的發(fā)生。筆者就兩者相互關(guān)系及作用機制予以綜述。

1 SK4概述

SK4中間鈣激活通道(kca3.1)由位于人類染色體19的q13.2區(qū)的kcnn 4基因編碼，在體內(nèi)廣泛分布[2]。1958年，SK4通道由Gárdos[3]在紅細(xì)胞中首先發(fā)現(xiàn)。在隨后的研究中，內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞中也都發(fā)現(xiàn)了同源性的SK4通道[4]。SK4 通道的亞基hSK4 與其他SK 通道多肽(約40%相同)具有相對較低的同源性。相比其他SK通道，SK4通道的亞基hSK4對于Ca2＋具有高親和性(EC50為95 nmol/L)。SK4通道與其他SK 通道電導(dǎo)大小也有顯著差別，SK1、SK2和SK3通道電導(dǎo)為5～10 pS，而SK4通道電導(dǎo)高達(dá)30～40 pS。這些數(shù)據(jù)表明hSK4屬于SK 通道的新亞家族[5－7]。SK4與其他SK 通道結(jié)構(gòu)上類似，是一個4個亞基組成的四聚體，每個亞基段包含6個跨膜疏水α螺旋結(jié)構(gòu)域(S1～S6)。在S5和S6之間有一個稱為p環(huán)的成孔區(qū)域，決定K＋的外流，c末端含有對鈣離子濃度變化敏感的鈣調(diào)蛋白，鈣調(diào)蛋白的磷酸化與SK4通道的激活密切相關(guān)[8]。此外，SK4 還 具 有 潛在的PKA 和PKC 磷 酸 化 位點[9]。之前的研究認(rèn)為SK4不在心臟中表達(dá)。但近來新的研究顯示SK4在人的右心房表達(dá)，心室不表達(dá)[5]。除了工作心肌細(xì)胞，心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)中也存在SK4 通道。羊心臟的浦肯野纖維中，小鼠竇房結(jié)細(xì)胞膜都被發(fā)現(xiàn)有SK4 表達(dá)[10－11]。

在藥理學(xué)方面，SK4通道對阿帕胺不敏感，但可以被蝎子毒素、梭毒素等藥物所阻斷。核苷二磷酸激酶b可以在T細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞中激動SK4通道[12－13]，蛋白質(zhì)組氨酸磷酸酶-1則對通道有顯著的抑制作用[14]。在P2Y2受體共表達(dá)時，ATP也可以激活SK4 通道[15]。近年來，一種新的高選擇性SK4通道阻滯劑TRAM-34 被研發(fā)，其對SK4 的阻滯作用比大電導(dǎo)鉀離子通道、Ca2＋、Na＋、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣通道和Cl-通道強200～1 500倍，因此在科研中被廣泛應(yīng)用。

2 SK4與心肌細(xì)胞自律性的作用

心肌細(xì)胞在胚胎早期都具有高度的自律性，但大多數(shù)心肌細(xì)胞最終分化為工作心肌，失去自主起搏的特性。只有少數(shù)胚胎心肌細(xì)胞可以形成竇房結(jié)、房室結(jié)和浦肯野傳導(dǎo)系統(tǒng)的纖維束維持高度自律性[16]。SK4通道已被證實是決定胚胎干細(xì)胞和小鼠多能干細(xì)胞在原始心臟中分化方向的關(guān)鍵因素[17－20]。Weisbrod等[21]報道了SK4高表達(dá)心肌細(xì)胞的搏動頻率明顯快于低表達(dá)的心肌細(xì)胞，并且在竇房結(jié)細(xì)胞的分化過程中，SK4的表達(dá)明顯上調(diào)，分化晚期(46～52天)的起搏細(xì)胞m RNA 水平是早期起搏細(xì)胞(15～18 天)的3.5倍。進(jìn)一步的研究還發(fā)現(xiàn)，在人胚胎干細(xì)胞源性心肌細(xì)胞中應(yīng)用SK4特異性阻滯劑TRAM-34，發(fā)現(xiàn)阻斷SK4通道后可抑制心率，延緩舒張期去極化速率，降低最大舒張期電位，但不影響動作電位時程。舒張期去極化發(fā)生在動作電位末端的舒張期，并負(fù)責(zé)觸發(fā)下一個動作電位，舒張期去極化一旦被阻滯，心臟將無法自發(fā)地搏動。實現(xiàn)節(jié)律自動化的關(guān)鍵是在舒張電位處存在內(nèi)向電流，并協(xié)調(diào)肌層離子通道、轉(zhuǎn)運蛋白和Ca2＋循環(huán)蛋白[22]。內(nèi)向電流需要足夠大的最大舒張期電位來驅(qū)動，最大舒張電位激活起搏電流和Ca2＋的內(nèi)向電流是舒張期去極化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實驗結(jié)果表明SK4對最大舒張期電位的形成至關(guān)重要，應(yīng)用SK4抑制劑后細(xì)胞最大舒張期電位明顯下降，反映內(nèi)向電流大小的舒張期去極化曲線下降，去極化速率減小，舒張期去極化時間延長。另外，Weisbrod等[21]還認(rèn)為SK4與起搏電流通道If、鈉鈣交換體NCX-1通道和鈣離子時鐘是一個協(xié)調(diào)平衡的整體，克霉唑或TRAM-34通過對SK4非常強烈的“非調(diào)諧”抑制作用，使舒張期最大電位迅速去極化，Ca2＋通道進(jìn)入失活狀態(tài)而停止自主起搏活動。

Kleger等[17]發(fā)現(xiàn)SK4 通道激動劑1-乙基-2-苯并咪唑啉酮(EBIO)可使小鼠胚胎干細(xì)胞分化為心肌細(xì)胞，并能較強地富集起搏細(xì)胞，在敲除了SK4通道后，EBIO 的促分化效應(yīng)顯著減弱。而SK4通道阻斷劑克霉唑抑制EBIO 誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞分化和起搏細(xì)胞轉(zhuǎn)錄本的上調(diào)[16]。Horsthuis等[23]發(fā)現(xiàn)SK4是鈣敏感鉀離子通道中唯一在房室結(jié)發(fā)育過程中明顯上調(diào)的離子通道，其表達(dá)是SK1-3的9倍。這些研究結(jié)果表明SK4通道參與心肌細(xì)胞自律性的產(chǎn)生和維持，主要機制為在復(fù)極化末期促進(jìn)舒張期最大電位的生成，促進(jìn)起搏電流If的激活和電壓門控Ca2＋通道失活的恢復(fù)，誘發(fā)內(nèi)向電流，進(jìn)而維持細(xì)胞的自律性。而SK4 通道抑制劑則通過抑制舒張期最大電位的產(chǎn)生從而減弱舒張期去極化時的內(nèi)向電流，導(dǎo)致舒張期去極化和P-R 間期延長。另外，SK4可以通過影響細(xì)胞自律性來調(diào)控胚胎干細(xì)胞分化成心肌細(xì)胞的方向，竇房結(jié)、房室結(jié)等心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)的SK4表達(dá)水平顯著高于普通心肌細(xì)胞。

3 SK4與心律失常

SK4對細(xì)胞自律性的影響在宏觀上表現(xiàn)為個體心律的改變。Olivan-Viguera等[24]分別選用野生小鼠和SK4相關(guān)基因缺失純合子小鼠，以加熱的花生油化合物為載體向小鼠腹腔注射30 mg/kg的SK4阻滯劑RA-2。結(jié)果顯示注射30～60 min后野生小鼠出現(xiàn)心律降低，P-R 間期延長，而SK4相關(guān)基因缺失純合子小鼠注射后心律無明顯變化。這提示SK4通道對穩(wěn)定心律和維持P-R 間期有重要作用。

Shiraz等[11]將SK4引入Kharche等[25]構(gòu)建的細(xì)胞離子通道數(shù)學(xué)模型中，產(chǎn)生了兩種效應(yīng)，一方面舒張期去極化后期電位上升變慢導(dǎo)致觸發(fā)頻率下降，另一方面復(fù)極化速度加快導(dǎo)致觸發(fā)頻率增加。由于通道激活和失活過程中產(chǎn)生的時間延遲，向模型中添加SK4的凈效應(yīng)為竇房結(jié)細(xì)胞的觸發(fā)頻率顯著增加。另外，Shiraz還探究了通道抑制劑與兒茶酚胺敏感性多形性室性心動過速的作用。兒茶酚胺敏感性多形性室性心動過速是一種由基因突變引起細(xì)胞內(nèi)Ca2＋局部增加，進(jìn)而通過鈉鈣交換體NCX-1通道觸發(fā)早搏和致命的多形性室性心動過速的遺傳性心律失常綜合征[26]，患者心肌細(xì)胞在應(yīng)激條件下容易發(fā)生室性心律失常。研究者選用相關(guān)基因敲除小鼠進(jìn)行了細(xì)胞實驗和動物實驗。細(xì)胞實驗中，在正常小鼠竇房結(jié)細(xì)胞中加入SK4 抑制劑TRAM-34，舒張期最大電位迅速去極化，舒張期去極化曲線斜率顯著降低，搏動率明顯下降。在突變組小鼠的竇房結(jié)細(xì)胞中，加入TRAM-34可后由異丙腎上腺素誘發(fā)的室性心律失常的發(fā)生率明顯減少。解剖后發(fā)現(xiàn)TRAM-34 可使產(chǎn)生鈣瞬變的竇房結(jié)細(xì)胞恢復(fù)正常。在動物實驗中，TRAM-34和克霉唑可使兩種小鼠靜息心率降低，P-R 間期延長。突變組小鼠的基礎(chǔ)心率低于野生型小鼠，但有不規(guī)則的竇性心律和室性早搏。研究發(fā)現(xiàn)這些心律失?？杀籗K4 抑制劑所緩解，TRAM-34和克霉唑注射可降低心律失常的發(fā)生率和嚴(yán)重程度。心電圖結(jié)果表明，TRAM-34和克霉唑能夠在減慢心律的同時消除室性早搏，恢復(fù)竇性心律。綜上所述，SK4的阻滯可以對個體產(chǎn)生減慢心律和延長P-Q 間期的效應(yīng)，這種效應(yīng)可以有效地緩解部分由離子通道異常導(dǎo)致的快速心律失常。

4 小結(jié)與展望

目前，在宏觀和微觀層面都有研究證實SK4 通道通過調(diào)節(jié)舒張期去極化時長來參與維持心律。雖然關(guān)于SK4通道的作用機制尚未完善，但通過在復(fù)極化末期參與形成舒張期最大電位，進(jìn)而觸發(fā)足夠大的內(nèi)向電流是已知的重要機制。另外，SK4通道通過與鈉鈣交換體NCX-1、起搏離子流If通道與Ca2＋時鐘相互作用，維持協(xié)調(diào)穩(wěn)定的舒張期去極化內(nèi)向電流的是另一種可能的作用途徑，但其具體作用過程尚在探究中。SK4通道抑制劑可在不影響動作電位時程的情況下延長PR 間期，延緩心率，并可以降低某些快速心律失常的發(fā)生率。這表明SK4通道有望成為治療快速心律失常新的作用靶點，探索SK4通道對心臟電生理穩(wěn)態(tài)的影響將可能在部分心律失常的治療策略中提供新的研究思路。