橋接整合因子1對心肌細(xì)胞橫管系統(tǒng)調(diào)節(jié)的研究進(jìn)展

李文靜，李樹仁，申澤雪，孫明超

心力衰竭（心衰）是不同心臟疾病的常見終末期綜合征，但其有效的早期診斷和治療仍受到限制，發(fā)病率和死亡率較高。因此，需進(jìn)一步了解心衰進(jìn)展的潛在機(jī)制以便開發(fā)新的診斷和治療工具。正常心臟收縮取決于心臟電活動的適當(dāng)擴(kuò)散，表現(xiàn)為細(xì)胞水平上的動作電位。動作電位是由一系列需離子通道與膜蛋白有效溝通的離子電流引發(fā)的。通過Na+通道快速進(jìn)入心肌細(xì)胞，使其去極化。去極化觸發(fā)電壓依賴性L型鈣離子通道（LTCC）的開放和細(xì)胞外鈣進(jìn)入細(xì)胞，增加細(xì)胞內(nèi)鈣離子的數(shù)量[1]。增加的細(xì)胞內(nèi)Ca2+激活了蘭尼堿受體（RyR），從肌漿網(wǎng)（JSR）存儲庫中釋放出大量的Ca2+，該過程稱為鈣觸發(fā)的鈣釋放（CICR）[2]。此過程需要橫管（T管）膜上的LTCC和肌漿網(wǎng)膜上的RyRs之間進(jìn)行特定聯(lián)系。CICR的同步性決定了鈣瞬變的強(qiáng)度及興奮收縮耦聯(lián)的效率。與興奮收縮脫偶聯(lián)的鈣瞬變減弱是心衰進(jìn)展的關(guān)鍵病理生理機(jī)制。許多膜支架蛋白包括junctophilin2（JPH2），小窩蛋白（cav-3）和含有Bin/Amphiphysin/Rvs（BAR）結(jié)構(gòu)域的橋接整合因子1（B1N1）在調(diào)節(jié)興奮收縮偶聯(lián)中起到重要作用[3]。其中，BIN1，cBIN1或BIN1+13+17的心臟同工型與T管膜微折疊的形成有關(guān)，從而使LTCC聚集，并募集磷酸化的RyR與LTCC耦聯(lián)。在這些cBIN1微結(jié)構(gòu)域形成功能性LTCC-RyR二聯(lián)體，控制CICR和興奮收縮耦聯(lián)[4]。最近一項研究發(fā)現(xiàn)，血漿中較低水平的心臟特異性BIN1水平與心衰嚴(yán)重程度有關(guān)，并能預(yù)測惡性心律失常[5]。因此，BIN1可作為一種潛在的新型心衰診斷和風(fēng)險分層的工具，在心衰發(fā)展過程中有效預(yù)測惡性心律失常的發(fā)生。本文對橋接整合因子1的結(jié)構(gòu)及其對心臟收縮、節(jié)律的調(diào)節(jié)以及對于心衰診斷及治療的潛在價值的相關(guān)研究做一論述。

1 心肌細(xì)胞橫管系統(tǒng)

1.1 T管形態(tài)和組成T小管是由肌膜向外延伸的連續(xù)的膜內(nèi)凹陷。心臟T小管的主要成分橫貫于肌細(xì)胞的長軸，形成復(fù)雜的管狀網(wǎng)絡(luò)。這種類型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)使諸如動作電位之類的細(xì)胞外信號迅速而同時傳播，激活所有的肌絲。Hong等[6]研究發(fā)現(xiàn)在心肌細(xì)胞中，T管在沿縱軸與Z盤重合的間隔為1.8 μm。心臟T管的大小密度在哺乳動物中有所不同，且與它們各自的心率相關(guān)。心率較高的小型鼠類嚙齒動物[7]，需要快速的動作電位才能穿透細(xì)胞內(nèi)部，其T形管更深更密。相比之下，心率＜100 次/min的大型哺乳類動物和人類[8]的T形管更大且更稀少。T管是具有特定跨膜和脂質(zhì)相關(guān)蛋白的脂質(zhì)雙分子層。T管的蛋白質(zhì)成分包括：膜支架蛋白、結(jié)構(gòu)蛋白、跨膜離子通道、離子處理蛋白和信號傳導(dǎo)分子等。特定的膜支架蛋白和細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)蛋白對于T管網(wǎng)絡(luò)和結(jié)構(gòu)的組織和調(diào)節(jié)是必需的。

1.2 二聯(lián)體和LTCC心臟T管的主要功能為心肌細(xì)胞電興奮、鈣信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與心肌細(xì)胞收縮。目前公認(rèn)的細(xì)胞內(nèi)鈣瞬變模型是鈣觸發(fā)的鈣釋放。由T小管的LTCC和SR膜上的RyR（比率約1:4）組成的復(fù)合物稱為二聯(lián)體。最佳的CICR需要肌膜上LTCC與SR膜上的RyR緊密結(jié)合。鈣的感應(yīng)和釋放通道，是通過LTCC在T管中的定位實現(xiàn)的。膜去極化后，最初的鈣通過LTCC流入，且LTCC和RyRs（約15 nm）在二聯(lián)體間緊密結(jié)合，從而允許有效的CICR和隨后的肌節(jié)收縮[9]。

引發(fā)鈣瞬變的LTCC由大的成孔α亞基與輔助β，α2δ1和γ亞基形成。輔助亞基在調(diào)節(jié)成孔α亞基的運輸和門控特性中至關(guān)重要[9]。心臟中表達(dá)的LTCCα亞基的剪接變體為CaV1.2，這對心臟的發(fā)育和功能非常關(guān)鍵。CaV1.2的整體缺失會誘發(fā)具有胚胎致死力的異常心臟形態(tài)改變而成年小鼠的心臟特異性缺失CaV1.2，導(dǎo)致收縮力降低，并增加對應(yīng)激性心衰的敏感性[10]。作為二聯(lián)體的T管成分，LTCC需在T管中富集才能使細(xì)胞內(nèi)的鈣瞬變正常進(jìn)行。80%的肌膜LTCC集中在T管表面，LTCC在T管上精確定位需要膜支架蛋白BIN1。

2 橋接整合因子

2.1 B1N1的結(jié)構(gòu)作為含有BAR結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)超家族的成員，BIN1包含由外顯子1-9編碼的N末端BAR結(jié)構(gòu)域（N-BAR）。N-BAR結(jié)構(gòu)域的晶體結(jié)構(gòu)揭示了每個單體的螺旋間的二聚體相互作用，從而在BIN1二聚體中形成螺旋束[11]，該結(jié)構(gòu)類似于細(xì)長的香蕉狀。因此，由于BIN1的BAR結(jié)構(gòu)域形狀及其作為膜曲率蛋白的一般功能，BIN1被稱為“香蕉”分子[12]。BIN1與許多細(xì)胞過程有關(guān)，這些不同的細(xì)胞功能在很大程度上依賴于由具有20個外顯子的單個Bin1基因的組織特異性替代剪接產(chǎn)生的各種BIN1蛋白同工型[2]。 十多種BIN1蛋白亞型以組織和疾病特異性編碼。通過PCR檢測B1N1中外顯子10和18之間包含交替剪接區(qū)域的cDNA片段。Hong等[4]在成年小鼠心肌細(xì)胞中克隆了B1N1 mRNA的四個蛋白質(zhì)編碼轉(zhuǎn)錄亞型：B1N1（不包括外顯子7、11和13-17）、B1N1+17（B1N1+外顯子17）、B1N1+13和B1N1+13+17（cBIN1）。早期研究發(fā)現(xiàn)小鼠心臟中最豐富的BIN1亞型是BIN1+13，已知與細(xì)胞增殖有關(guān)[13]。BINl+13+17亞型（cBIN1）定位于心肌橫管，在心臟上特異性分布，促進(jìn)N-WASP依賴性肌動蛋白聚合并誘導(dǎo)肌動蛋白依賴的致密小管膜微折疊[4]。BINl+13+17亞型，即cB1N1參與橫管膜上LTCC與肌漿網(wǎng)膜上RyR二聯(lián)體的形成，在心肌細(xì)胞鈣瞬變的調(diào)節(jié)和心肌興奮收縮耦聯(lián)中，發(fā)揮重要作用[14]。

2.2 B1N1在心臟調(diào)節(jié)中作用機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，LTCC聚集在T管膜上，與JSR膜上的RyR在空間上緊密相鄰，形成促進(jìn)CICR的LTCC-RyR二聯(lián)體[15]。 在膜微域上正確地組織LTCCRyR二聯(lián)體對于維持正常的心臟鈣信號傳導(dǎo)和心臟收縮至關(guān)重要。二聯(lián)體發(fā)生紊亂會損害CICR并減少鈣瞬變，從而限制心臟收縮力。研究發(fā)現(xiàn)，BIN1從四個方面調(diào)節(jié)心臟功能。首先，BIN1促進(jìn)LTCC定位于T管膜，LTCC運輸至T管的過程遵循“靶向遞送”的通道遞送模型，BIN1作為LTCC的膜錨定蛋白，將攜帶LTCC的微管轉(zhuǎn)運到在T管膜[16]。其次，BIN1促進(jìn)T管膜上的LTCC聚集成簇[14]。除了在T管膜上運輸和聚集LTCC外，cBIN1在將RyRs募集到JSR膜上也起著關(guān)鍵作用[14]。因此，cB1N1對于LTCC-RyR二聯(lián)體的形成和維持必不可少，后者對于正常的心肌興奮收縮耦聯(lián)至關(guān)重要。cBIN1在T管膜形成了一個“模糊空間”，即限制離子擴(kuò)散的緩慢擴(kuò)散區(qū)域[4]。由于胞外鈣離子在“模糊空間”中的擴(kuò)散受到限制，有效限制細(xì)胞外鈣離子的快速消耗，從而控制跨膜離子的驅(qū)動力，預(yù)防心律失常。

3 B1N1與心臟疾病

3.1 B1N1與心力衰竭心力衰竭可由心臟鈣瞬變減弱，這歸因于T管重塑和LTCC-RyR二聯(lián)體解耦聯(lián)[17]。BIN1是微管的膜錨定蛋白，能夠調(diào)節(jié)T管和LTCC-RyR二聯(lián)體的功能，它的缺失會影響鈣瞬變，最終影響心臟收縮。

在人和動物心衰模型中均報道了BIN1的下調(diào)。在斑馬魚中，B1N1基因敲除會引起嚴(yán)重的心臟收縮功能障礙和心肌病[18]。B1N1基因敲除的小鼠在年齡較大（從8～10個月開始）或壓力超負(fù)荷時會發(fā)展為擴(kuò)張型心肌病[19]。研究表明，BIN1在血液中可被檢到，且濃度與心臟健康相關(guān)。血漿cBIN1存在于心室心肌細(xì)胞起源的微粒中，并在BIN1基因敲除小鼠中顯著降低[20]。在一組致心律失常性右室心肌病患者中，有心衰癥狀的患者血漿BIN1減少[21]。BIN1在血液中的可檢測性，使cB1N1成為潛在的心衰診斷及反映疾病嚴(yán)重程度的生物標(biāo)志物。

3.2 B1N1與心律失常BIN1的下調(diào)不僅破壞了Cav1.2的轉(zhuǎn)運和LTCC-RyR二聯(lián)體耦聯(lián)，還造成了離子擴(kuò)散屏障的紊亂[22]。細(xì)胞外離子擴(kuò)散屏障的改變會影響細(xì)胞外離子濃度，改變局部電生理特性，增加室性心律失常的風(fēng)險[4]。Hong等[21]研究發(fā)現(xiàn)，血漿BIN1水平與心功能狀態(tài)和持續(xù)性室性心律失常的存在相關(guān)，并可預(yù)測未來發(fā)生室性心律失常事件。

4 總結(jié)

總之，BIN1作為心肌橫管系統(tǒng)管和LTCC-RyR二聯(lián)體的多功能調(diào)節(jié)因子，可控制健康心肌細(xì)胞中的鈣信號傳導(dǎo)，而BIN1的下調(diào)在引起心衰進(jìn)展和心衰的電不穩(wěn)定性中起著關(guān)鍵作用。心衰中BIN1下調(diào)這一特點，可能有助于確定心衰治療的新靶點，為探討心衰治療提供了新思路。cB1N1可釋放到血液中并可檢測，使其可能成為潛在的心衰診斷及對心衰患者進(jìn)行風(fēng)險分層的新型生物標(biāo)記物。