hERG1a突變H70R對(duì)hERG1a單源四聚體和hERG1a/hERG1b二源四聚體通道功能的影響

馮 莉 楊佳雪 李 新 賈長(zhǎng)琪 蔣晨曦

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院心內(nèi)科， 北京 100029)

先天性長(zhǎng)QT綜合征(congenital long QT syndromes, LQTs)屬編碼心肌細(xì)胞離子通道基因缺陷致心室復(fù)極延長(zhǎng)的心電生理疾病，具有靜息心電圖QT間期延長(zhǎng)、惡性室性心律失常發(fā)生、心臟結(jié)構(gòu)正常及家族分布性和遺傳傾向等特征。臨床癥狀可表現(xiàn)為心悸、黑朦，典型心律失常發(fā)作時(shí)呈現(xiàn)尖端扭轉(zhuǎn)性室速，可誘發(fā)暈厥和心源性猝死。自1995年首例LQTs致病基因突變位點(diǎn)發(fā)現(xiàn)以來(lái)，目前已確認(rèn)致病基因17個(gè)，均為離子通道/通道復(fù)合體蛋白編碼基因[1]。依據(jù)致病基因，LQTs臨床上分為17型，其中LQT2最為常見(jiàn)，約占所有LQTs的35%～40%。相關(guān)致病基因KCNH2編碼心肌細(xì)胞快速延遲整流鉀離子通道(rapidly activating delayed rectifier K+channel, IKr)α亞基(the human ether-à-go-go-related gene，hERG)，全長(zhǎng)1 159個(gè)氨基酸，包含6個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域、N末端和C末端兩個(gè)細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為Ikr結(jié)構(gòu)為單源四聚體結(jié)構(gòu)，通道主體由4個(gè)a亞基(hERG1a)構(gòu)成(圖1)，目前相關(guān)致病突變功能學(xué)研究結(jié)果多源自hERG1a單源四聚體通道。

圖1 KCNH2、hERG1a、 hERG1b結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1997年,Lees-Miller等[2]和London等[3]同年分別證實(shí)了人、犬心肌中均存在KCNH2的其他轉(zhuǎn)錄本：hERG1b，提示組成IKr通道四聚體存在hERG1a/hERG1b二源四聚體可能。hERG1b轉(zhuǎn)錄起始于KCNH2外顯子5與外顯子6之間，形成特有hERG1b 外顯子1，其氨基酸構(gòu)成相對(duì)于hERG1a缺少其N(xiāo)末端340氨基酸[4-5](圖1)。hERG1b的發(fā)現(xiàn)推動(dòng)IKr通道結(jié)構(gòu)研究進(jìn)入另一個(gè)新的階段。2008年，Sale等[6]通過(guò)體外共轉(zhuǎn)染hERG1a/hERG1b，發(fā)現(xiàn)IhERG1a/hERG1b較IhERG1a通道在激活、失活后恢復(fù)以及滅活速度方面顯著加快，更接近IKr生理特性；且hERG1b獨(dú)有突變亦可致LQT2發(fā)生, 表明了hERG1b參與形成的二源四聚體對(duì)維持IKr生理功能的重要性。后續(xù)研究[7-8]相繼證明了IhERG1a/hERG1b二源四聚體通道是人體心肌細(xì)胞IKr電流調(diào)控的重要靶點(diǎn)，并參與心力衰竭等病理過(guò)程中心律失常的發(fā)生。既往LQT2致病基因功能學(xué)研究多圍繞hERG1a單源四聚體通道(IhERG1a)，鮮有致病突變對(duì)hERG1a/hERG1b二源四聚體通道(IhERG1a/hERG1b)功能影響的研究。McPate等[9]對(duì)hERG突變N588K功能學(xué)的研究顯示，該突變對(duì)IhERG1a和IhERG1a/hERG1b功能學(xué)影響存在差異，提示hERG突變相關(guān)研究，應(yīng)同時(shí)考慮突變表達(dá)hERG1a/1b通道功能的影響。

KCNH2c. 209核苷酸位點(diǎn) A>G雜合子錯(cuò)義突變，導(dǎo)致第70位密碼子由組氨酸替換精氨酸(H70R)，位于hERG1b缺失的340氨基酸內(nèi)，hERG1a獨(dú)有的PAS結(jié)構(gòu)域內(nèi)。已有研究[10-11]顯示，H70R可導(dǎo)致IhERG電流密度下降，且可能加快通道滅活。因H70R屬hERG1a特有突變，變異不影響hERG1b編碼，對(duì)IhERG1a/hERG1b二源四聚體功能的影響尚不清楚。本研究旨在已有報(bào)道研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)H70R二源四聚體功能進(jìn)行探討，比較hERG1a特有突變對(duì)二源四聚體與單源四聚體功能的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

DMEM 高糖培養(yǎng)基及胎牛血清(Gibco公司，美國(guó));Lipo-fectamineTM2000 試劑(Invitrogen 公司，美國(guó))。細(xì)胞內(nèi)外液試劑(NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2、D-glucose、HEPES、NaOH、EGTA、MgATP、KOH)(Sigma 公司，美國(guó))。攜帶KCNH2 c. 209 A>G突變pcDNA3.1質(zhì)粒及野生型KCNH2 cDNA的pcDNA3.1質(zhì)粒(美國(guó)Wisconsin大學(xué)CMARP實(shí)驗(yàn)組贈(zèng)予)，Axopatch 700B膜片鉗放大器(Axon公司,美國(guó))，Digidata 1322數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Axon公司,美國(guó))。Sutter p-97微電極拉制儀(Sutter公司,美國(guó))，MF-830微電極拋光儀(Narishige公司,日本)。

1.2 突變誘導(dǎo)，載體表達(dá)

應(yīng)用定點(diǎn)突變誘導(dǎo)試劑盒，對(duì)攜帶有野生型KCNH2 cDNA的pcDNA3.1進(jìn)行c. 209 A>G突變誘導(dǎo)。突變誘導(dǎo)后進(jìn)行DNA測(cè)序證實(shí)c. 209 A>G突變存在。采用脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染技術(shù)，應(yīng)用人胚腎(human embryonic kidney, HEK)293細(xì)胞分別轉(zhuǎn)染入KCNH2(c. 209 A>G)突變型、野生型KCNH2-1a、KCNH2-1b質(zhì)粒；應(yīng)用pEGFP基因與目的基因共轉(zhuǎn)染作為熒光指示劑。

1.3 全細(xì)胞膜片鉗記錄

在HEK293細(xì)胞瞬時(shí)轉(zhuǎn)染后24～48 h，采用全細(xì)胞膜片鉗記錄細(xì)胞IKr通道電流，并分析通道功能。應(yīng)用Axopatch 700B放大器記錄通道電流；Digidata1322數(shù)模轉(zhuǎn)化器對(duì)采集電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換(采樣頻率 50 kHz，濾波 5 kHz)；所有實(shí)驗(yàn)均在室溫(20 ℃～24 ℃)下進(jìn)行。以pClampex 10.0軟件設(shè)計(jì)電壓刺激程序、采集電流數(shù)據(jù)；設(shè)定鉗制電壓為-80 mV，在不同去極化電壓-80～60 mV之間鉗制4 s，以10 mV階躍，使通道激活，記錄通道激活電流; 階躍后保持電壓-50 mV持續(xù)5 s，記錄尾電流。滅活曲線記錄：鉗制電壓-80 mV，短暫去極化至+40 mV并自-40 mV～-110 mV以-10 mV階躍獲得不同激活電壓尾電流。電極阻抗于2～4 MΩ。電流密度以電流值除以細(xì)胞電容得出。細(xì)胞外液(mmol/L)：NaCl 135、KCl 5.4、CaCl21.8、MgCl21、D-glucose 10和HEPES 10，用NaOH液將pH值調(diào)至7.4，細(xì)胞內(nèi)液(mmol/L)： KCl 130、MgCl2l、HEPES 5、EGTA 10、MgATP 5，用KOH液將pH值調(diào)至7.2。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

應(yīng)用pClampex 10.0和Orgin 6.0軟件擬合分析數(shù)據(jù)并繪圖。穩(wěn)態(tài)激活曲線應(yīng)用Boltzmann方程擬合獲得：I-V=Gmax×(V-Erev)/(1 + exp(V-V)/k),Gmax代表最大電導(dǎo)，Erev代表反轉(zhuǎn)電位，V代表半激活電壓，k為斜率因子。應(yīng)用SPSS 11.5統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，所有數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用t檢驗(yàn)或方差分析(組間兩兩比較采用Tukey檢驗(yàn))，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 H70R突變對(duì)IhERG1a單源四聚體通道功能的影響

分別瞬時(shí)轉(zhuǎn)染野生型hERG1a(WT)以及突變型hERG1a(H70R)質(zhì)粒入HEK293細(xì)胞。利用全細(xì)胞膜片鉗記錄IhERG1a電流，結(jié)果顯示，H70R突變型IhERG1a較野生型峰電流密度[(27.55±6.69)PA/PFvs(48.56 ±9.45)PA/PF]及尾電流密度[(24.09±7.08)PA/PFvs(60.46±9.19)PA/PF,P<0.001]顯著降低約42%(圖2)。穩(wěn)態(tài)激活曲線分析顯示IhERG1a(H70R)曲線較IhERG1a(WT)明顯左移，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示,IhERG1a(H70R)顯著降低半激活電壓[IhERG1a(H70R): (-15.07±0.59) mVvsIhERG1a(WT):(-7.05±0.51)mV,P< 0.05]，通道動(dòng)力學(xué)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

圖2 HEK293細(xì)胞表達(dá)KCNH2 (H70R)正常對(duì)照電流圖及I-V曲線

表1 hERG通道動(dòng)力學(xué)激活/滅活參數(shù)

2.2 H70R突變對(duì)IhERG1a/hERG1b二源四聚體通道功能的影響

分別共轉(zhuǎn)染野生型hERG1a(WT)/hERG1b及突變型hERG1a(H70R)/hERG1b質(zhì)粒入HEK293細(xì)胞。全細(xì)胞膜片鉗記錄Ikr電流結(jié)果顯示，突變型IhERG1a(H70R)/hERG1b較野生型IhERG1a(WT)/hERG1b峰電流密度[(44.31±15.24) PA/PFvs(130.41 ±13.75) PA/PF)]及尾電流密度[(42.07 ±12.42) PA/PFvs(97.10 ±7.28) PA/PF])顯著降低約61%(圖3)。穩(wěn)態(tài)激活曲線分析顯示突變型IhERG1a(H70R)/hERG1b較野生型IhERG1a(WT)/hERG1b通道左移，半激活電壓顯著下降[(-15.14± 0.72) mVvs(-8.77±1.36) mV]。

圖3 HEK293細(xì)胞表達(dá)KCNH2 (H70R)及正常對(duì)照 hERG1a/1b二源四聚體通道電流圖及I-V曲線

2.3 H70R突變對(duì)IhERG1a與IhERG1a/hERG1b滅活動(dòng)力學(xué)研究

應(yīng)用全細(xì)胞膜片鉗記錄IKr滅活曲線(圖4A)，結(jié)果顯示,H70R對(duì)IhERG1a與IhERG1a/hERG1b滅活速度無(wú)顯著影響，快速及緩慢滅活時(shí)間常數(shù)差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。IhERG1a/hERG1b較IhERG1a滅活速度顯著加快，快速及緩慢滅活時(shí)間常數(shù)顯著縮短(圖4B,C,D)。

圖4 HEK 293細(xì)胞表達(dá)hERG通道滅活電流曲線

3 討論

LQT2是最早發(fā)現(xiàn)的LQTs之一，已有超過(guò)200個(gè)以上KCNH2突變證實(shí)與LQT2發(fā)病相關(guān)，我國(guó)目前報(bào)道LQT2相關(guān)KCNH2突變10余個(gè)[12]。致病突變往往影響IKr功能，通過(guò)負(fù)顯性效應(yīng)或單倍體不足最終導(dǎo)致患者心肌細(xì)胞IKr電流減弱，復(fù)極時(shí)間延長(zhǎng)而致病。目前LQT2發(fā)病機(jī)制歸納為四類(lèi)：(1)突變影響hERG1轉(zhuǎn)錄/翻譯，至IKr表達(dá)減少，電流減弱。(2)突變影響蛋白結(jié)構(gòu)，無(wú)法轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞膜，滯留并降解于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)；(3)突變?cè)斐赏ǖ绖?dòng)力學(xué)障礙，直接導(dǎo)致電流減弱；(4)突變致通道對(duì)鉀離子通透性降低，電流減弱[13]。約40%的LQT2相關(guān)突變屬于無(wú)意突變、移碼突變、插入、缺失或形成截短蛋白影響hERG合成或翻譯屬于1類(lèi)機(jī)制。錯(cuò)意突變占LQT2已知突變的約60%，往往通過(guò)改變hERG單個(gè)氨基酸造成hERG轉(zhuǎn)運(yùn)障礙或通道動(dòng)力學(xué)改變致病，屬2,3,4類(lèi)機(jī)制。

IKr為單源/二源四聚體結(jié)構(gòu)，通道主體由4個(gè)a亞基(hERG1)構(gòu)成。其全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄本hERG1a含有1 159個(gè)氨基酸，包含6個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域以及N末端、C末端2個(gè)細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域。N末端含有PerArntSim結(jié)構(gòu)域(PASD)并含有PAS帽，形成EAG鉀通道所特有的保守“EAG”結(jié)構(gòu)域[14]。C末端包含環(huán)核苷酸結(jié)構(gòu)域(cyclic-nucleotid-binding-domain,CNBHD),以及C 末端內(nèi)質(zhì)網(wǎng)滯留信號(hào)結(jié)構(gòu)域(ER retention signal，RXR)和卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域(coiled-coil，CCD)。

目前對(duì)PAS結(jié)構(gòu)域突變致病機(jī)制尚存在爭(zhēng)議，1999年Chen等[10]對(duì)8個(gè)PAS結(jié)構(gòu)域突變(F29L、 N33T、 G53R、 R56Q、 C66G、 H70R、 A78P、 L86R)利用爪蟾卵母細(xì)胞進(jìn)行體外表達(dá)，全細(xì)胞膜片鉗研究結(jié)果提示，8個(gè)突變(包括H70R)均顯著加速I(mǎi)Kr電流滅活，部分突變同時(shí)減慢了IKr失活后恢復(fù)速度,從而認(rèn)為PAS結(jié)構(gòu)域功能參與調(diào)節(jié)IKr滅活速度。2011年， Gianulis 等[11]應(yīng)用HEK293細(xì)胞表達(dá)體系對(duì)11個(gè)PAS突變的膜片鉗研究結(jié)果顯示，包括H70R在內(nèi)的3個(gè)突變致病機(jī)制為HERG轉(zhuǎn)運(yùn)障礙，對(duì)IKr通道滅活速度無(wú)影響。同樣作為IKr的a亞基hERG1a和hERG1b最大區(qū)別之處即為是否含有PAS結(jié)構(gòu)域， hERG1b全長(zhǎng)890個(gè)氨基酸，缺少N末端PAS結(jié)構(gòu)域。IKr單源四聚體與二源四聚體最主要不同為PAS數(shù)量，hERG1a單源四聚體含有4個(gè)PAS結(jié)構(gòu)域，hERG1a/hERG1b二源四聚體可含1～3個(gè)PAS結(jié)構(gòu)域。PAS結(jié)構(gòu)域具有高度保守特點(diǎn)，其功能學(xué)研究一直是IKr功能的重點(diǎn)[15]。本研究突變H70R位點(diǎn)位于PAS結(jié)構(gòu)域內(nèi)，因此推測(cè)H70R可能僅導(dǎo)致hERG1a異常，進(jìn)而出現(xiàn)IKr單源四聚體與二源四聚體功能的改變不同。且已有研究[9]顯示，HERG突變對(duì)IKr單源四聚體與二源四聚體功能影響存在不一致性。因此本研究進(jìn)一步比較了已知hERG1a突變H70R對(duì)hERG1a單源四聚體及hERG1a/hERG1b二源四聚體通道功能改變的影響。

結(jié)果顯示，H70R可顯著抑制IhERG1a及IhERG1a/hERG1b峰電流及尾電流密度；對(duì)IhERG1a/hERG1b電流抑制程度更為顯著。H70R可使IhERG1a及IhERG1a/hERG1b穩(wěn)態(tài)激活曲線左移，均顯著降低半激活電壓。對(duì)IKr滅活功能分析結(jié)果顯示，hERG1a(H70R)對(duì)IhERG1a及IhERG1a/hERG1b滅活無(wú)顯著影響，而IhERG1a/hERG1b較IhERG1a滅活顯著加快。與既往研究相比，本研究結(jié)果顯示，H70R并不加快hERG1a單源四聚體滅活，與Gianulis 等[11]報(bào)道一致，支持H70R致LQT2機(jī)制為轉(zhuǎn)運(yùn)障礙。進(jìn)一步對(duì)hERG1a/hERG1b二源四聚體功能的研究顯示，H70R對(duì)IhERG1a/hERG1b與IhERG1a功能的改變趨勢(shì)一致，但更顯著抑制IhERG1a/hERG1b電流密度(61%vs42%；P<0.001)，此結(jié)果是對(duì)H70R致LQT2機(jī)制的重要補(bǔ)充。本研究的局限性在于體外轉(zhuǎn)染HEK293細(xì)胞不能準(zhǔn)確表達(dá)hERG1a與1b的生理狀態(tài)比例，無(wú)法精確控制表達(dá)探索雜合狀態(tài)H70R對(duì)HERG二源四聚體功能的改變，這也是異源表達(dá)系統(tǒng)的局限性限制。2006年人類(lèi)多能誘導(dǎo)干細(xì)胞衍化成功奠定了建立自體細(xì)胞模型的基礎(chǔ)，LQT1、 LQT2 hiPSC-CMs模型功能學(xué)研究結(jié)果先后被報(bào)道，證實(shí)了患者特異hiPSC-CM LQTs模型在表型模擬和機(jī)制研究中的可靠性[16-17]，包括藥物治療和進(jìn)一步功能探索也有進(jìn)展[18-19]，望今后能通過(guò)同源表達(dá)系統(tǒng)進(jìn)一步明確此機(jī)制。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明馮莉: 研究設(shè)計(jì),主要膜片鉗實(shí)驗(yàn),論文撰寫(xiě); 楊佳雪: 細(xì)胞培養(yǎng),轉(zhuǎn)染, 參與論文撰寫(xiě)投稿; 李新: 基因信息檢索, 細(xì)胞培養(yǎng); 賈長(zhǎng)琪: 臨床咨詢(xún), 論文撰寫(xiě); 蔣晨曦: 研究設(shè)計(jì), 論文撰寫(xiě)。