S100A1蛋白與心血管疾病的研究進(jìn)展

殷惠嬌 何勝虎

1 江蘇省蘇北人民醫(yī)院，江蘇省揚州市 225001； 2 大連醫(yī)科大學(xué)

心血管疾病(Cardiovascular disease，CVD)是世界范圍內(nèi)威脅人類健康的主要原因之一，世界衛(wèi)生組織調(diào)查顯示，與心血管疾病相關(guān)的死亡人數(shù)在2030年預(yù)計將達(dá)到2 300萬。許多心血管疾病如急性冠脈綜合征、高血壓、炎性心肌病和瓣膜疾病等發(fā)展到終末期都會導(dǎo)致心肌細(xì)胞泵衰竭，并發(fā)生室性心律失常，最終導(dǎo)致患者死亡[1]。而心肌細(xì)胞Ca2+穩(wěn)態(tài)的異常調(diào)節(jié)是發(fā)生病理生理變化的關(guān)鍵。因此，逆轉(zhuǎn)功能失調(diào)的心肌細(xì)胞Ca2+可能具有治療干預(yù)的潛在可行性。本文主要介紹鈣結(jié)合蛋白S100A1，其在人心肌中的表達(dá)水平最高(主要為左心室)，在血管內(nèi)皮細(xì)胞也有表達(dá)，而在骨骼肌、腦和腎臟中的表達(dá)水平較低，在心血管疾病中發(fā)揮了相當(dāng)獨特的治療作用。

1 S100A1的蛋白結(jié)構(gòu)及生物學(xué)特性

S100A1是多基因S100蛋白家族的成員，是EF-手型Ca2+結(jié)合蛋白超家族中最大的亞組，由兩個亞單位組成的對稱的反向平行二聚體組成。S100A1蛋白是細(xì)胞和分子基本功能的調(diào)節(jié)者，包括細(xì)胞增殖、分化、存活和運動，以及蛋白質(zhì)磷酸化、酶活性、細(xì)胞骨架動力學(xué)、轉(zhuǎn)錄活性以及維持一氧化氮動態(tài)平衡和調(diào)節(jié)Ca2+動力學(xué)[2]。

2 S100A1對心肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞的作用機制

2.1 調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞鈣穩(wěn)態(tài) (1)增強肌質(zhì)網(wǎng)鈣泵(Sarcoendoplasmic reticulum calcium-ATPace2，SERCA2)活性： S100A1與肌質(zhì)網(wǎng)鈣泵/受磷蛋白復(fù)合物以Ca2+依賴的方式相互作用，從而提高了SERCA2的活性，增強了肌質(zhì)網(wǎng) Ca2+攝取。(2)調(diào)節(jié)阿諾堿受體2(Ryanodine receptor，RYR2)的功能： S100A1調(diào)節(jié)RYR2功能具有雙相效應(yīng)，可減少舒張期肌質(zhì)網(wǎng) Ca2+滲漏，同時可增加收縮期肌質(zhì)網(wǎng)釋放Ca2+[3-4]。

2.2 調(diào)節(jié)肌節(jié)僵硬度和Ca2+的反應(yīng) 肌聯(lián)蛋白為S100A1的作用靶點，在Ca2+的介導(dǎo)下，通過其富含脯氨酸、谷氨酸、纈氨酸、賴氨酸的結(jié)構(gòu)域與S100A1相互作用形成“惡性破壞”分子，這有助于防止發(fā)生心肌僵硬[5]。

2.3 調(diào)節(jié)線粒體功能和能量代謝 S100A1與線粒體ATP酶的F1亞基以Ca2+和pH依賴的方式直接相互作用。S100A1可能通過增加細(xì)胞內(nèi)Ca2+的周轉(zhuǎn)來增加檸檬酸脫氫酶活性和線粒體煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的生成。另外，S100A1可能通過促進(jìn)腺嘌呤核苷酸轉(zhuǎn)運體介導(dǎo)的ATP胞漿易位，增加ATP生成，以此適應(yīng)因肌質(zhì)網(wǎng)和肌絲活性升高引起的對ATP需求的增加[6]。

2.4 抑制心肌細(xì)胞凋亡 S100A1蛋白通過激活磷脂酶、C-蛋白激酶、C-絲裂原激活的細(xì)胞外信號蛋白激酶1/2通路，直接抑制心肌細(xì)胞凋亡[4]。S100A1會抑制S100B蛋白表達(dá),而S100B蛋白有致心肌細(xì)胞凋亡作用[7]。

2.5 抑制心室重構(gòu) S100A1基因治療在體內(nèi)具有明顯的抗肥厚作用，抑制了細(xì)胞外基質(zhì)基因、α1-腎上腺素能介導(dǎo)的胎兒基因等基因的失控表達(dá)，并阻止了進(jìn)行性心臟擴(kuò)張[8]。此外，對心力衰竭中S100A1基因單獨治療組和與美托洛爾聯(lián)合治療組相比較，結(jié)果顯示S100A1與美托洛爾聯(lián)合治療心力衰竭對心肌重塑具有協(xié)同作用[9]。

2.6 抗心律失常作用 肌質(zhì)網(wǎng)RYR2功能異常會導(dǎo)致Ca2+不斷流失，影響胞內(nèi)Ca2+濃度梯度形成，頻發(fā)自發(fā)性的Ca2+釋放，引起膜電位振蕩，當(dāng)振幅達(dá)到一定閾值，則可觸發(fā)電活動，這可能是出現(xiàn)心律失常的原因之一[10]。S100A1蛋白通過調(diào)節(jié)肌質(zhì)網(wǎng)RYR2功能，可能有助于防止Ca2+濃度異常引起的心律失常，并降低心力衰竭心肌細(xì)胞心律失常易感性。

2.7 調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞Ca2+的釋放 S100A1在內(nèi)皮細(xì)胞中的主要作用是控制肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+的攝取和釋放[11]。Pleger等[12]首次發(fā)現(xiàn)敲除小鼠主動脈內(nèi)皮細(xì)胞的S100A1后，這些細(xì)胞分別表現(xiàn)為毒蕈堿能受體和激肽能受體刺激的胞質(zhì)內(nèi)Ca2+釋放和瞬時釋放功能減弱，提示S100A1在內(nèi)皮細(xì)胞中肌醇-3-磷酸受體調(diào)控的Ca2+信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中起關(guān)鍵作用。

2.8 調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞一氧化氮平衡 研究證明S100A1能調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮細(xì)胞的一氧化氮穩(wěn)態(tài)。Pleger等[12]證明了，血管內(nèi)皮和血管S100A1-/-組與對照組相比基礎(chǔ)一氧化氮產(chǎn)生減少，并且對血管擴(kuò)張劑(如緩激肽、乙酰膽堿或凝血酶)反應(yīng)受損。另外在內(nèi)皮型一氧化氮合酶表達(dá)不變的情況下，內(nèi)皮細(xì)胞S100A1蛋白缺失或減少可能會潛在地干擾Ca2+激活的鈣調(diào)蛋白與內(nèi)皮型一氧化氮合酶的結(jié)合，減少一氧化氮的生成。

3 S100A1與心臟疾病

3.1 S100A1與心力衰竭 心力衰竭是心臟疾病發(fā)展的終末階段，會引發(fā)一些結(jié)構(gòu)和功能失調(diào)，如心室重構(gòu)、心肌細(xì)胞肥大、纖維化、凋亡和內(nèi)皮功能障礙等。目前用于臨床心力衰竭治療的藥物主要是減弱交感神經(jīng)和腎素血管緊張素—醛固酮系統(tǒng)過度驅(qū)動的系統(tǒng)和心臟效應(yīng)。研究表明，心力衰竭發(fā)生后，心肌細(xì)胞Ca2+運輸異常，收縮期濃度低于正常，舒張期濃度高于正常，表明肌質(zhì)網(wǎng)鈣泵轉(zhuǎn)運Ca2+能力減弱，更有研究顯示肌質(zhì)網(wǎng)鈣泵在心力衰竭心肌細(xì)胞中表達(dá)和活性降低。相關(guān)實驗檢測了缺血性和擴(kuò)張型心肌病引起的心力衰竭心肌細(xì)胞信使RNA和蛋白水平，發(fā)現(xiàn)S100A1轉(zhuǎn)錄和蛋白表達(dá)水平均下降。Pleger等[12]研究發(fā)現(xiàn)將心力衰竭大鼠的心肌細(xì)胞經(jīng)腺病毒介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移后，S100A1蛋白表達(dá)水平恢復(fù)正常，收縮性能恢復(fù)，并能增強肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+的攝取和負(fù)荷。Brinks等[13]在缺血性心衰患者心室組織感染腺病毒S100A1并分離，結(jié)果顯示恢復(fù)S100A1的表達(dá)可以改善衰竭心肌細(xì)胞的收縮率、舒張率和Ca2+濃度。此外，心衰患者心室組織感染腺病毒S100A1還改進(jìn)了速率依賴性和腎上腺素介導(dǎo)的收縮儲備，同時改善了離體心衰心肌細(xì)胞和線粒體能量代謝異常情況，降低了舒張期肌質(zhì)網(wǎng) Ca2+泄漏和異常去極化的傾向[14]。最近，以腺病毒伴隨病毒(Adenoviral associated vectors, AAV)作為載體，在家豬心肌梗死心力衰竭模型中通過冠狀動脈前靜脈輸送S100A1-AAV9病毒，有效防止了血流動力學(xué)進(jìn)行性惡化，并使心功能改善至接近正常水平，最終成功挽救心力衰竭，這項實驗證明了S100A1基因治療在近臨床環(huán)境中的療效和可行性。這種采用心臟基因傳遞方式，應(yīng)用基因劑量和治療后分析直接適用于人類，并可能為首次非人類臨床S100A1基因治療安全試驗鋪平道路[15]。

3.2 S100A1與急性冠脈綜合征 急性冠脈綜合征(Acute coronary syndrome，ACS)是由于冠狀動脈內(nèi)存在不穩(wěn)定斑塊，在應(yīng)激等誘因下斑塊發(fā)生破裂或糜爛，繼而血栓形成堵塞血管，心肌缺血壞死。ACS可分為急性ST段抬高型心肌梗死(Acute ST-segment elevation myocardial infarction，STEMI)，急性非ST段抬高型心肌梗死和不穩(wěn)定性心絞痛,后兩者合稱為非ST段抬高型急性冠脈綜合征(Acute Coronary Syndrome with Non-ST Elevation，NST-ACS)。有研究探討了非ST段抬高型急性冠脈綜合征患者血漿S100A1水平與全球急性冠狀動脈事件注冊(Global registration of acute coronary events，GRACE)評分之間的關(guān)系及S100A1蛋白對其30d預(yù)后的判斷價值，結(jié)果顯示不同GRACE評分分組的NST-ACS患者S100A1水平有顯著性差異(P<0.05)，表明S100A1有助于NST-ACS患者早期危險分層及預(yù)后評估[16]。另一項研究證實了STEMI患者血漿S100A1水平顯著提高，提示S100A1升高可能是發(fā)生STEMI的獨立預(yù)測因子。并且與CK-MB、高敏心臟蛋白T、超敏C反應(yīng)蛋白水平呈正相關(guān)，可反映STEMI患者心臟正處于炎癥狀態(tài)。此外還發(fā)現(xiàn)S100A1與NT-proBNP、左心室射血分?jǐn)?shù)等心功能密切相關(guān)，尤其是在STEMI急性期[17]。

3.3 S100A1與心肌缺血再灌注損傷 心肌缺血后，應(yīng)盡早使閉塞血管再通，但在缺血心肌重新獲得血流灌注時，因其在缺血期間組織結(jié)構(gòu)、能量代謝、電生理及心功能的改變使得組織損傷進(jìn)一步加重，這一病理過程稱為心肌缺血再灌注損傷。Brett等[18]研究了擇期冠狀動脈旁路移植術(shù)(Coronary artery bypass graft，CABG)或CABG聯(lián)合瓣膜置換術(shù)的患者，利用共聚焦激光掃描顯微鏡觀察體外循環(huán)開始前及結(jié)束時(即主動脈夾閉60min)、成功再灌注30min后S100A1在活檢標(biāo)本中的定位變化，結(jié)果顯示在體外循環(huán)結(jié)束時(即心肌缺血60min)S100A1的定位發(fā)生了顯著變化，而在成功再灌注30min后發(fā)生可逆性重新定位。進(jìn)一步的半定量測量顯示，在體外循環(huán)結(jié)束時熒光強度明顯降低，成功再灌注30min后，伴隨著可逆定位熒光強度水平明顯升高。通過共聚焦顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)在心肌缺血時S100A1從細(xì)胞質(zhì)到細(xì)胞表面有一個明顯的錯位。這表明缺血引起的S100A1在收縮細(xì)肌絲上從其主要位置釋放可能影響心臟手術(shù)期間心肌細(xì)胞的收縮/松弛特性。通過比較體外循環(huán)前后S100A1亞細(xì)胞的定位變化，可以預(yù)測心肌再灌注損傷的發(fā)生，提前為預(yù)防心肌缺血再灌注心律失常的發(fā)生做準(zhǔn)備。

4 S100A1與血管疾病

4.1 S100A1與動脈高壓 動脈高壓是指因遺傳、自身免疫及血管內(nèi)皮、平滑肌功能障礙發(fā)生的病理生理過程，常見的有肺動脈高壓，肺動脈持續(xù)高壓繼而右心室結(jié)構(gòu)或功能改變，最終會促使右心室擴(kuò)大和右心衰竭的發(fā)生。一些實驗應(yīng)用免疫熒光顯微鏡證實了內(nèi)皮細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞中表達(dá)了S100A1，其同時存在于嚙齒動物和人血管的毛細(xì)血管、冠狀動脈、主動脈和股動脈內(nèi)皮細(xì)胞中。共聚焦免疫熒光顯微鏡顯示S100A1與內(nèi)皮細(xì)胞肌質(zhì)網(wǎng)鈣泵以及肌醇-3-磷酸受體共定位。值得關(guān)注的是，實驗中S100A1-/-小鼠最終會發(fā)展成動脈高壓，并在體內(nèi)完全缺乏對緩激肽的血管反應(yīng)，同樣劑量的緩激肽則使對照組小鼠動脈血壓顯著下降[19]。內(nèi)皮細(xì)胞S100A1表達(dá)減少可能限制血管一氧化氮供應(yīng)，并會進(jìn)一步導(dǎo)致因血管壁氧化酶活性增加引起的一氧化氮/氧化還原失衡。從這個角度來看，S100A1可以被視為一個新的靶點，可以通過恢復(fù)NO/氧化還原平衡來治療調(diào)節(jié)血管功能。這一新概念得到了數(shù)據(jù)的支持，數(shù)據(jù)顯示，S100A1基因轉(zhuǎn)染到人冠狀動脈內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)增強了乙酰膽堿誘導(dǎo)的一氧化氮產(chǎn)生。因此，由于缺乏S100A1導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)一氧化氮生成不足，最終引起血管舒張功能異常并形成動脈高壓的實驗結(jié)果，可能為治療高血壓病和研究心力衰竭引起的血管收縮作用機制提供新視角。

4.2 S100A1與慢性嚴(yán)重肢體缺血 慢性嚴(yán)重肢體缺血(Chronic critical limb ischemia，CLI)是最嚴(yán)重的外周動脈閉塞性疾病，高達(dá)40%的患者在診斷1年內(nèi)截肢，臨床預(yù)后差。研究發(fā)現(xiàn)慢性嚴(yán)重肢體缺血患者缺氧組織中S100A1表達(dá)幾乎完全喪失。Teichert等[20]對小鼠行股動脈切除術(shù)，并對實驗組進(jìn)行S100A1基因敲除，結(jié)果顯示，與對照組相比，實驗組小鼠腓腸肌活檢標(biāo)本S100A1信使RNA數(shù)量減少。對照組小鼠術(shù)后患肢活動情況下降，但在術(shù)后第7天情況有所改善最終恢復(fù)正常，而實驗組小鼠由于患肢一氧化氮生成不足表現(xiàn)出較高的組織壞死率和缺血肢體自動截肢，并且用超聲多普勒可觀察到在術(shù)后15d左右，實驗組小鼠缺血肢體血流減少了近80%。S100A1蛋白對內(nèi)皮型一氧化氮合酶具有正向調(diào)節(jié)作用，S100A1基因敲除后，內(nèi)皮型一氧化氮合酶功能受損，導(dǎo)致一氧化氮生成不足，這可能是直接導(dǎo)致實驗組患肢截肢的原因。這項實驗為臨床治療慢性嚴(yán)重肢體缺血疾病提供新思路。

5 結(jié)語

S100A1蛋白與心血管的關(guān)系為臨床治療方案提供新思路。動物實驗的成功證明S100A1基因有望用于治療人類終末期心力衰竭。但是考慮到臨床中心力衰竭往往合并其他危險因素和疾病，使用藥物方面也有許多差異，我們可以通過設(shè)計非自交系動物模型，盡可能完整模擬人類終末期心力衰竭模型來接近臨床。總之，隨著研究深入，經(jīng)動物實驗過渡， S100A1基因治療最終可成為治療心血管疾病的一種有效臨床治療方案。