小電導(dǎo)鈣激活鉀離子通道對心房顫動的影響*

齊苗苗 錢玲玲 王如興

一些研究已經(jīng)證實,在人類和其他哺乳動物的心房中,小電導(dǎo)鈣激活鉀離子(SK)通道的表達明顯高于心室[1－3]。SK通道藥理調(diào)節(jié)劑在心房復(fù)極和心房顫動(簡稱房顫)的發(fā)生中起重要作用[4－5]。基因組相關(guān)性分析表明SK通道的變異與孤立性房顫的發(fā)生密切相關(guān)[6]。這些研究發(fā)現(xiàn)為房顫的治療開辟了新的視角,即SK通道可能是房顫治療的潛在靶點。筆者綜述SK通道的特性、功能、調(diào)控以及對房顫發(fā)生的影響。

1 SK通道

SK通道首先在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中報道,隨后發(fā)現(xiàn)在其他組織細胞,包括內(nèi)皮細胞、平滑肌細胞、血細胞和上皮細胞等均有存在[7]。K?hler等[8]最早克隆出了SK通道基因,并發(fā)現(xiàn)SK通道在體內(nèi)廣泛表達。蜂毒明肽(apamin)是一種多肽蜂毒,也是SK通道的特異性抑制劑。與SK通道結(jié)合后,蜂毒明肽抑制細胞超極化[9]。

1.1 SK通道的結(jié)構(gòu)和生理特征 SK通道包含SK1、SK2和SK3三個主要亞型,其中SK1由KCNN1基因編碼,SK2由KCNN2編碼,SK3由KCNN3編碼。在這三種亞型中,SK1對蜂毒明肽最不敏感(EC50～10 n M),SK3對蜂毒明肽中度敏感(EC50～1 n M),SK2對蜂毒明肽最敏感(EC50～40 p M)。SK通道是非電壓依賴性的鉀離子通道,細胞內(nèi)鈣離子(Ca2＋)增多可激活SK通道,使鉀離子外流,細胞膜電位發(fā)生改變[10]。SK通道的亞基由6個跨膜結(jié)構(gòu)域(S1-S6)和位于S5和S6之間的單個孔環(huán)組成(圖1)。SK通道的N末端和C末端均位于細胞質(zhì)內(nèi),4個亞基圍繞一個中心孔以同源或異源四聚體的形式組成一個功能通道。在表達多個SK亞型的細胞中,SK通道通常由異源四聚體構(gòu)成[11]。位于SK通道亞基C末端的卷曲螺旋結(jié)構(gòu)介導(dǎo)了亞基之間的相互作用和組裝[12]。鈣調(diào)蛋白結(jié)合域(CaMBD)位于SK亞基C末端的近端區(qū)域,是一個由92個氨基酸組成的高度保守序列。Ca MBD是Ca2＋結(jié)合蛋白鈣調(diào)蛋白(Ca M)結(jié)合位點。Ca2＋與Ca M結(jié)合后,SK通道的構(gòu)象發(fā)生改變,通道激活,導(dǎo)致鉀離子外流。

圖1 SK通道的結(jié)構(gòu)和相互作用

已有研究證實以下幾種細胞骨架蛋白直接與SK2通道相互作用,包括α-輔肌動蛋白2、肌球蛋白輕鏈2和細絲蛋白A。α-輔肌動蛋白2和肌球蛋白輕鏈2與SK通道的C末端相互作用,而細絲蛋白A與N末端相互作用[13]。Lu等[14]發(fā)現(xiàn)在心房肌細胞中,SK2通道通過一個物理連接橋α-輔肌動蛋白2與L型Ca2＋通道聯(lián)系,且L型Ca2＋通道的表達影響心房肌細胞SK2通道的功能。Zhang等[15]發(fā)現(xiàn)心室肌細胞中SK2通道、Cav1.2 Ca2＋通道和蘭尼堿受體2在空間上緊密分布,表明這些通道之間存在空間關(guān)系。這項研究表明,蘭尼堿受體2釋放的Ca2＋和經(jīng)由Ca2＋通道進入細胞內(nèi)的Ca2＋產(chǎn)生了一個鈣微域,是SK通道激活的必需。這些研究表明心肌細胞內(nèi)外鈣離子和鉀離子之間存在平衡,一旦失去平衡,心肌細胞將發(fā)生電重構(gòu),導(dǎo)致心肌細胞功能障礙。

1.2 SK通道對心房肌細胞電生理的作用 Li等[16]報道在SK2通道基因敲除的小鼠模型中,動作電位時程(APD)顯著延長,房顫易感性增加。APD的延長主要發(fā)生在SK2基因敲除小鼠的心房肌細胞復(fù)極晚期。但與野生型同窩小鼠相比,突變小鼠的心室肌細胞APD沒有顯著差異。研究表明,與心室肌細胞相比,SK2通道在心房肌細胞中高度表達。與之相對,過表達SK3通道的突變小鼠模型顯示,在心房肌細胞中復(fù)極化90%的APD(APD90)明顯縮短。在飲食中加入強力霉素后,SK3通道的表達下調(diào),突變小鼠的心房肌細胞APD90明顯延長。研究還發(fā)現(xiàn)SK3過表達的小鼠發(fā)生房顫的可能性更高[17]。APD的縮短或延長均可促進房性心律失常的發(fā)生。

Hsueh等[18]報道SK通道的抑制劑蜂毒明肽和UCL1684均可延長離體犬左房心肌細胞的APD。阻滯SK通道可增加APD的異質(zhì)性從而促進心律失常的發(fā)生。Qi等[5]通過快速心房起搏建立犬心房重構(gòu)模型,并運用膜片鉗實驗技術(shù)進行研究,發(fā)現(xiàn)快速心房起搏可增加SK通道的電流密度和開放概率。且與左房心肌細胞相比,犬肺靜脈肌袖中的細胞SK通道的表達和電流密度顯著增加。使用SK通道抑制劑NS8593抑制SK通道后,SK電流減少,APD延長,房顫持續(xù)時間縮短。SK通道抑制劑在正常結(jié)構(gòu)的心房中促進心律失常的發(fā)生,而在輕度重構(gòu)的心房中發(fā)揮抗心律失常的作用。SK通道抑制劑促心律失常的作用主要是通過延長APD,從而觸發(fā)房內(nèi)折返的發(fā)生,而抗心律失常作用則是通過終止折返,從而阻止房顫發(fā)生后的維持[19]。

Yu等[20]研究發(fā)現(xiàn)慢性房顫患者心房肌細胞中SK1和SK2表達降低,導(dǎo)致慢性房顫患者的心肌電重構(gòu)。同樣,Skibsbye等[21]發(fā)現(xiàn),與竇性心律患者相比,慢性房顫患者的心房組織中SK2和SK3的mRNA的表達降低了約50%。SK通道抑制劑ICAGEN和NS8593降低了竇性心律患者離體心房肌細胞的內(nèi)向整流鉀離子流電流,這種阻滯呈濃度依賴性,且ICAGEN對SK通道顯示出更高選擇性。兩種抑制劑還延長了竇性心律患者心房肌細胞的APD。但是,房顫患者心房肌細胞的APD在低濃度的ICAGEN中不受影響,這與重構(gòu)的房顫患者心房肌細胞中SK通道表達下調(diào)一致。最近,Shamsaldeen等[22]報道,人心房肌細胞表達兩種SK通道,同源SK2和異源SK2及SK3。異源SK2-SK3通道在形成動作電位中起關(guān)鍵作用。異源SK2-SK3通道對蜂毒明肽不敏感,但UCL1684可使其阻滯,提示心房動作電位僅受UCL1684影響,而不受蜂毒明肽影響。該現(xiàn)象同樣存在于小鼠心房細胞中。以上所有研究均支持SK通道不僅在哺乳動物心房肌細胞的復(fù)極化中起關(guān)鍵作用,而且在人心房肌細胞的復(fù)極化中也起著至關(guān)重要的作用。此外,SK通道抑制劑對重構(gòu)的心房具有保護作用,從而為房顫的治療開辟了新思路。

在中國和歐洲人群中,位于染色體1q21上的KCNN3基因的rs13376333單核苷酸多態(tài)性與房顫的發(fā)生相關(guān)[23]。而且,KCNN3基因表達的重要調(diào)節(jié)因子miRNA-499在房顫患者的心房中上調(diào)了2.33倍,導(dǎo)致SK3蛋白表達下調(diào)46%[24]。與基因組相關(guān)研究的結(jié)果一致,Mahida等[25]發(fā)現(xiàn)SK3通道的過表達增加了猝死的發(fā)生率,主要與心臟傳導(dǎo)阻滯和心動過緩相關(guān)。

2 SK通道的調(diào)節(jié)

SK通道的調(diào)節(jié)包括門控調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)運調(diào)節(jié),門控調(diào)節(jié)是SK通道的激活和失活,轉(zhuǎn)運調(diào)節(jié)改變細胞膜上的通道密度。SK通道的功能取決于通道的開放及其在細胞膜上的數(shù)量。進一步揭示SK通道調(diào)節(jié)的分子機制將會增加我們對心房肌細胞復(fù)極化的認識,并為研究用于治療房顫的高選擇性和高效的SK通道調(diào)節(jié)劑提供幫助。

2.1 門控調(diào)節(jié) SK通道是非電壓依賴性的離子通道,僅被細胞內(nèi)鈣離子激活。Xia等[26]首先證明Ca2＋與Ca M結(jié)合會激活SK通道。Ca MBD是Ca M的結(jié)合位點。天然SK通道是多蛋白復(fù)合物。兩種細胞骨架蛋白,蛋白磷酸酶2A和蛋白激酶酪蛋白激酶Ⅱ,在SK通道的C末端和N末端形成復(fù)合物,并通過Ca M在蘇氨酸80位點的磷酸化和去磷酸化調(diào)節(jié)SK通道對細胞內(nèi)Ca2＋的敏感性,磷酸化時降低對細胞內(nèi)Ca2＋的敏感性,促進通道失活,去磷酸化時增加對細胞內(nèi)Ca2＋的敏感性,增加SK電流[27]。

SK2通道與L型Ca2＋通道密切關(guān)聯(lián),主要通過L型Ca2＋通道與細胞骨架蛋白α-輔肌動蛋白2相互作用。SK2通道的功能很大程度上取決于SK2和Cav1.3的共定位。SK通道和Ca2＋通道的聯(lián)系表明SK通道的激活需要Ca2＋通道的開放。NMDA受體也通過與α-輔肌動蛋白2的直接相互作用而錨定在肌動蛋白細胞骨架上。在樹突棘中SK通道的激活抑制NMDA受體和L型Ca2＋通道介導(dǎo)的Ca2＋的流入。這些研究結(jié)果表明,Ca2＋通道和K＋通道之間存在反饋回路,這為細胞發(fā)揮正常生理功能提供了條件。

此外,SK通道的S6跨膜結(jié)構(gòu)域中帶電的內(nèi)孔殘基對SK通道電導(dǎo)、內(nèi)向整流和門控動力學(xué)起著重要作用。帶電的殘基還影響SK通道的固有開放概率以及SK通道對Ca2＋的敏感性。

最近,Fan等[28]發(fā)現(xiàn)了房顫患者SK電流增加,但SK通道的m RNA和蛋白表達降低。這種矛盾的現(xiàn)象主要是由于在Thr287處通過自身磷酸化激活了Ca2＋/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ,從而增加了SK通道的鈣敏感性,并導(dǎo)致房顫患者的SK電流增加。SK通道的激活不僅依賴于細胞內(nèi)Ca2＋,還依賴于SK通道對Ca2＋的敏感性。

2.2 轉(zhuǎn)運調(diào)節(jié) SK通道的生理功能主要取決于其轉(zhuǎn)運至細胞膜特定位置的數(shù)量。Adelman等[29]采用基因突變破壞SK2通道中Ca M和Ca MBD之間的相互作用,發(fā)現(xiàn)與Ca M的相互作用是SK通道表達的必要條件,且不依賴于Ca2＋。細胞內(nèi)Ca2＋不僅在調(diào)節(jié)SK通道門控中起重要作用,而且還調(diào)節(jié)SK通道在細胞膜上的表達。細胞內(nèi)Ca2＋的減少導(dǎo)致SK2通道在細胞膜上的表達減少。在兔肺靜脈中,通過心房起搏可增加細胞內(nèi)Ca2＋誘導(dǎo)SK通道向細胞膜的轉(zhuǎn)運并延長心房肌細胞APD[3]。Roncarati等[30]發(fā)現(xiàn)SK3通道的C末端參與SK的膜運輸和亞基組裝,而N末端參與從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基復(fù)合體的早期轉(zhuǎn)運。Jones等[31]首先報道細胞內(nèi)S4-S5環(huán)上的賴氨酸在SK通道膜轉(zhuǎn)運過程中起重要作用。

SK通道的運輸還取決于與細胞骨架蛋白(包括α-輔肌動蛋白2、肌球蛋白輕鏈2和細絲蛋白A)的相互作用。細胞骨架蛋白α-輔肌動蛋白2在確定SK2通道在細胞膜上的定位中起著至關(guān)重要的作用。SK2還可以通過內(nèi)吞循環(huán)回到細胞膜表面。細絲蛋白A增強SK2通道的細胞膜表達。細胞骨架蛋白α-輔肌動蛋2可能通過減少逆行運輸途徑并增強早期內(nèi)體的循環(huán)而促進SK向細胞膜表面運輸[32]。肌球蛋白輕鏈2對于細胞膜運輸和正確的SK2通道定位也是必需的。Li等[33]最近發(fā)現(xiàn)2型囊泡相關(guān)膜蛋白促進心房SK2通道的運輸和功能。此外,快速起搏可上調(diào)2型囊泡相關(guān)膜蛋白的表達,從而增加了培養(yǎng)新生乳鼠心房肌細胞中SK2的表達。

3 SK通道抑制劑治療房顫的潛在作用

由于SK通道抑制劑具有延長APD和減少折返發(fā)生的作用,因此在房顫模型中表現(xiàn)為抗心律失常作用。蜂毒明肽是SK通道的變構(gòu)抑制劑,它可以阻滯SK通道的所有亞型。除蜂毒明肽外,還發(fā)現(xiàn)了幾種具有不同SK通道抑制機制的小分子化合物。例如,NS8593和AP14145通過降低Ca M對細胞內(nèi)Ca2＋的敏感性來調(diào)節(jié)通道功能,而UCL1684和ICA則阻滯SK通道的孔結(jié)構(gòu)。

關(guān)于SK通道抑制劑對房顫發(fā)生的影響存在不同的研究結(jié)果。Hsueh等[18]使用光學(xué)測繪技術(shù)證實蜂毒明肽和UCL1684對離體犬左房具有促心律失常作用,表現(xiàn)為心房肌細胞APD異質(zhì)性增加；而Diness等[34]在大鼠、豚鼠和兔的房顫模型上使用UCL1684、ICA和NS8593三種不同SK通道抑制劑,發(fā)現(xiàn)SK通道抑制劑可通過延長心房有效不應(yīng)期而終止了房顫,但不影響心電圖QT間期。在急性起搏誘導(dǎo)的大鼠房顫模型中,SK通道抑制劑的抗心律失常作用與有效不應(yīng)期延長有關(guān)。NS8593的應(yīng)用減少了房顫的持續(xù)時間,且效應(yīng)呈劑量依賴型,最低有效劑量為1.5 mg/Kg。此外,NS8593還可以終止急性起搏誘導(dǎo)的房顫并減少房顫的易感性和持續(xù)時間而不影響心室復(fù)極和傳導(dǎo)[4]。ICA通過抑制SK通道延長APD,并通過直接阻滯SK通道使心房肌膜電位轉(zhuǎn)至進一步去極化狀態(tài)。同時,通過間接Na＋通道抑制作用減慢傳導(dǎo)并降低細胞興奮性。最近,Skibsbye等[35]發(fā)現(xiàn),在β-腎上腺素和毒蕈堿M2受體激活的大鼠心房中,SK通道抑制劑ICA可延長心房肌細胞APD90和有效不應(yīng)期,從而發(fā)揮抗心律失常作用。

房顫的發(fā)生常有一定危險因素,Diness等[34]研究SK通道抑制劑UCL1684和NS8593對老年自發(fā)性高血壓大鼠的抗心律失常作用。通過快速起搏誘導(dǎo)房顫,UCL1684和NS8593均顯著縮短正常和老年自發(fā)性高血壓大鼠房顫的持續(xù)時間,并延長心房有效不應(yīng)期,且其療效并未隨著年齡增長而降低。糖尿病也是房顫發(fā)生的危險因素,在鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病小鼠心房中,SK2和SK3表達分別下調(diào)了85%和92%,導(dǎo)致動作電位延長并促進了心律失常的發(fā)生。但在糖尿病小鼠心房肌中SK2的m RNA表達水平?jīng)]有降低,表明在糖尿病小鼠中泛素蛋白酶系統(tǒng)激活,泛素蛋白酶系統(tǒng)參與細胞內(nèi)蛋白質(zhì)降解。肌肉特異性E3連接酶F-box蛋白32在糖尿病小鼠心房中顯著上調(diào)。增加的F-box蛋白32與SK2蛋白表達下調(diào)有關(guān)[36]。二甲雙胍在恢復(fù)SK通道的電生理特性中起至關(guān)重要的作用,二甲雙胍增加SK電流和SK3的表達,減少SK2的表達,從而部分恢復(fù)SK通道的功能。

此外,聯(lián)合抑制SK通道和電壓門控的Na＋通道可減少房顫持續(xù)時間。Kirchhoff等[37]在豚鼠心臟模型上,采用乙酰膽堿和快速起搏誘發(fā)房顫,聯(lián)合使用較低濃度的SK通道和鈉通道抑制劑可表現(xiàn)出協(xié)同抗心律失常的作用,在抑制劑濃度較低時,不影響心室復(fù)極化。與該發(fā)現(xiàn)一致的是,Kirchhoff等進一步研究發(fā)現(xiàn)SK通道抑制劑ICA聯(lián)合Ⅲ類抗心律失常藥物胺碘酮或多非利特對豚鼠房顫具有協(xié)同的治療作用。當多非利特或胺碘酮與低于有效濃度的ICA聯(lián)合使用時,房顫的持續(xù)時間會減少。研究結(jié)果表明,低濃度的SK通道抑制劑與多非利特或胺碘酮的聯(lián)合使用可以發(fā)揮抗心律失常的作用,同時由于不影響QT間期而降低了室性心律失常的發(fā)生率。

最近,Diness等[38]報道在豬房顫模型中,SK通道抑制劑AP14145將維納卡蘭無效的房顫恢復(fù)為竇性心律。在該模型中,房顫同樣由心房快速起搏誘發(fā)。AP14145和維納卡蘭均可延長心房有效不應(yīng)期,并縮短房顫持續(xù)時間,但不影響心室復(fù)極和血壓水平。這項重大發(fā)現(xiàn)表明,SK通道抑制劑可能對藥物不敏感的持續(xù)性房顫具有治療作用。AP14145是SK2通道和SK3通道的新型變構(gòu)抑制劑,AP14145可以降低SK通道對Ca2＋的敏感性。AP14145以濃度依賴的方式延長心房有效不應(yīng)期,但不影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)[39],且SK2通道抑制劑AP30663也可將維納卡蘭無效的房顫轉(zhuǎn)復(fù)為竇性心律,并且可預(yù)防房顫的再發(fā)。AP30663同樣顯著延長心房有效不應(yīng)期,但不影響心室復(fù)極[40]。

4 小結(jié)

SK通道是心房選擇性離子通道,與心室相比,主要在心房中表達,在心房復(fù)極和房顫發(fā)生中起重要作用。SK通道門控和轉(zhuǎn)運調(diào)節(jié)的機制盡管較復(fù)雜,但最近越來越多的研究有望能闡明這些機制。SK通道抑制劑已在人類和動物模型中顯示出抗心律失常的作用。然而,在這些動物研究中,房顫多由急性心房起搏誘導(dǎo),其復(fù)雜性與臨床房顫發(fā)生機制可能不同,故SK通道抑制劑能否轉(zhuǎn)復(fù)臨床患者的房顫仍有待進一步研究。