Bmal1與心血管疾病關(guān)系的研究進(jìn)展

朱勝奎 丁家望 汪心安 王瑤

(1三峽大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院 宜昌市中心人民醫(yī)院心內(nèi)科，湖北 宜昌 443003；2三峽大學(xué)附屬宜昌市第二人民醫(yī)院)

晝夜節(jié)律是最常見(jiàn)的一種生物節(jié)律，在哺乳動(dòng)物中，許多行為和生理過(guò)程都表現(xiàn)出近似24 h為周期的晝夜節(jié)律變化，晝夜節(jié)律發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)是分子計(jì)時(shí)器，即生物鐘〔1〕。晝夜節(jié)律生物鐘屬于生物體內(nèi)時(shí)間調(diào)控系統(tǒng)，是機(jī)體為了更好適應(yīng)生存環(huán)境，在進(jìn)化過(guò)程中自然條件下產(chǎn)生的〔2〕。晝夜節(jié)律分子反饋環(huán)路的核心部分是Clock/Bmal1組成的異二聚體，Bmal1是維持生物鐘節(jié)律性振蕩的關(guān)鍵基因，對(duì)維持24 h節(jié)律完整性是必不可少的〔3〕。生物鐘基因Bmal1與心律失常、高血壓、動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生、發(fā)展的病理過(guò)程相關(guān)。結(jié)合近些年來(lái)對(duì)生物鐘Bmal1基因的研究進(jìn)展，本文對(duì)晝夜節(jié)律Bmal1基因與上述幾種心血管疾病的相關(guān)性進(jìn)行綜述。

1 生物鐘基因的簡(jiǎn)介及分子調(diào)控

生物節(jié)律的產(chǎn)生受“生物鐘”所調(diào)控，生物鐘基因(晝夜節(jié)律基因)是維持24 h周期節(jié)律完整性的分子振蕩器。這些振蕩器通過(guò)神經(jīng)鏈接和激素信號(hào)調(diào)節(jié)生物鐘發(fā)揮作用，進(jìn)而維持每天的生物節(jié)律〔4〕。生物鐘可以分為中樞生物鐘和外周生物鐘。中樞生物鐘位于下丘腦的中央視交叉上核(SCN)，振蕩器位于SCN單個(gè)神經(jīng)元內(nèi)，SCN內(nèi)約含有20 000個(gè)神經(jīng)元，主要通過(guò)調(diào)節(jié)自主神經(jīng)功能和體液介質(zhì)及未知因素來(lái)直接調(diào)控機(jī)體外周振蕩器及日常周期節(jié)律。而外周生物鐘在機(jī)體外周組織中表達(dá)，其表達(dá)部位主要包括心臟、肝臟，骨骼肌和脂肪組織，直接調(diào)控機(jī)體本身靶基因的表達(dá)協(xié)助中樞生物鐘維持周期節(jié)律〔5，6〕。

目前對(duì)晝夜節(jié)律生物鐘研究已經(jīng)達(dá)到分子水平，分子機(jī)制是機(jī)體細(xì)胞自主晝夜節(jié)律振蕩器的基礎(chǔ)。在分子水平上，最受認(rèn)可的是晝夜節(jié)律生物鐘，分子核心是負(fù)反饋回路，主要由芳基碳?xì)浠衔锸荏w核易位體樣蛋白(BMAL)1、晝夜運(yùn)動(dòng)輸出周期蛋白kaput(CLOCK)、隱花色素(CRY)1和CRY2、周期晝夜運(yùn)動(dòng)蛋白同源物(PER)1、PER2和PER3組成〔7〕。在24 h周期開(kāi)始時(shí)，Bmal1蛋白小泛素化修飾后，在cAMP/Ca2+反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CBP)作用下形成Bmal1/CLOCK異質(zhì)二聚體，結(jié)合到PER和CRY基因啟動(dòng)子區(qū)域的E-box元件，促進(jìn)PER1，PER2和CRY1，CRY2基因的轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)錄后的蛋白質(zhì)進(jìn)入胞質(zhì)后被CKI磷酸化，磷酸化的PER不穩(wěn)定，被小泛素化降解，當(dāng)CRY蛋白積聚在細(xì)胞質(zhì)中形成的PER/CRY/CKI復(fù)合物進(jìn)入細(xì)胞核后，該復(fù)合物能抑制BMAL1/CLOCK介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄激活〔8〕。Bmal1是所有時(shí)鐘基因中最不可替代的基因，與晝夜節(jié)律的調(diào)控密切相關(guān)。

2 晝夜節(jié)律基因Bmal1與心血管疾病

2.1Bmal1與心律失常 心律失常是心血管疾病臨床常見(jiàn)的一類疾病。影響心律失常的機(jī)制可分為兩類，一類是自主神經(jīng)的電活動(dòng)、激素水平等細(xì)胞外因素的晝夜節(jié)律變化，另一類是心臟本身結(jié)構(gòu)的生物鐘基因活動(dòng)所導(dǎo)致的〔9〕。生物鐘基因可以通過(guò)調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞膜上有關(guān)離子通道蛋白的節(jié)律性表達(dá)來(lái)使細(xì)胞膜表面離子通道的密度呈現(xiàn)晝夜節(jié)律現(xiàn)律性變化，從而使心肌的傳導(dǎo)性、興奮性也呈現(xiàn)出相應(yīng)的節(jié)律，是心律失常具有晝夜節(jié)律的重要原因之一。在心室細(xì)胞中，Scn5a是電壓門控型鈉離子通道(INa)的主要編碼者，Scn5a基因呈現(xiàn)晝夜節(jié)律規(guī)律。Schroder等〔10〕通過(guò)小鼠實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在Bmal1敲出的小鼠心肌細(xì)胞中可見(jiàn)Scn5a基因表達(dá)降低并失去晝夜節(jié)律規(guī)律，INa所介導(dǎo)的Na+電流水平下降、心電圖記錄到RR間期延長(zhǎng)、QRS波群增寬，心率減慢，增加了心律失常的風(fēng)險(xiǎn)，由此可見(jiàn)，Bmal1可以調(diào)控Scn5a的晝夜規(guī)律性影響INa進(jìn)而參與調(diào)控心律失常的發(fā)生發(fā)展。一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究表明，Bmal1可通過(guò)PI3K-AKT信號(hào)通路來(lái)調(diào)節(jié)Ⅰ型鈣通道亞單位CACNA1C的表達(dá)和功能，而Ⅰ型鈣通道所產(chǎn)生的電流在心電活動(dòng)和心律失常中發(fā)揮重要作用〔11〕。生物鐘與心律失常發(fā)生的關(guān)系具體機(jī)制很復(fù)雜，需要更多的深入研究去發(fā)現(xiàn)二者的深層次關(guān)系。

2.2Bmal1與高血壓 近年來(lái)基因研究顯示，時(shí)鐘基因在血壓的晝夜調(diào)節(jié)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。Bmal1敲除的小鼠在活躍期血壓降低，導(dǎo)致血壓晝夜節(jié)律失去平衡，一方面與Bmal1敲除導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙，一氧化氮解耦聯(lián)引起超氧化物產(chǎn)量增加有關(guān)，另一方面與Bmal1敲除小鼠體內(nèi)的NADPH氧化酶表達(dá)增加引起超氧化物含量增多有關(guān)〔12〕。有文獻(xiàn)報(bào)道，其他參與血壓調(diào)控的核心晝夜節(jié)律基因包括負(fù)性晝夜節(jié)律反饋調(diào)節(jié)因子CRY1和CRY2，與Bmal1基因缺失相比，CRY1和CRY2基因的復(fù)合缺失導(dǎo)致小鼠血壓升高〔13〕。Chang等〔14〕研究發(fā)現(xiàn)，血管周圍組織脂肪細(xì)胞(PVAT)中的時(shí)鐘基因Bmal1表達(dá)與靜息期血壓下降呈正相關(guān)，隨著Bmal1蛋白水平的恢復(fù)，血壓也慢慢恢復(fù)正常，此外還發(fā)現(xiàn)Agt是PVAT中Bmal1發(fā)揮作用的一個(gè)新的轉(zhuǎn)錄靶點(diǎn)，此研究結(jié)果表明在PVAT中Bmal1及其相關(guān)靶基因Agt協(xié)同參與靜息期血壓的晝夜變化的調(diào)節(jié)。小鼠實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，Bmal1基因敲除的小鼠表現(xiàn)除低血壓表型，血壓的晝夜節(jié)律減弱，小鼠體內(nèi)兒茶酚胺合成級(jí)聯(lián)酶苯乙醇胺N-甲基單胺氧化酶B的表達(dá)降低，導(dǎo)致腎上腺素、去甲腎上腺素水平降低，這些結(jié)果表明，Bmal1對(duì)兒茶酚胺的合成具有正向調(diào)節(jié)作用，Bmal1表達(dá)的晝夜節(jié)律提前可能導(dǎo)致兒茶酚胺合成的晝夜循環(huán)紊亂〔15〕。一項(xiàng)動(dòng)物研究表明，纈沙坦聯(lián)合氨氯地平聯(lián)合運(yùn)用于自發(fā)性高血壓大鼠(SHR)模型中，在治療的過(guò)程中，觀察到晝夜節(jié)律鐘的核心成分Bmal1的水平在晚間給藥后水平下降，可能是聯(lián)合用藥降壓時(shí)，Bmal1有助于機(jī)體形成一種代償機(jī)制，預(yù)防SHR在高血壓進(jìn)展過(guò)程中所導(dǎo)致的器官衰竭〔16〕。隨著對(duì)時(shí)鐘基因與血壓節(jié)律性波動(dòng)認(rèn)識(shí)的不斷深入，相信可以為更好地控制血壓提供新的治療靶點(diǎn)，從而減少不良事件的發(fā)生。

2.3Bmal1與動(dòng)脈粥樣硬化(AS) AS的病變基礎(chǔ)是以脂質(zhì)沉積于血管內(nèi)膜為特征，其中糖脂代謝異常在AS發(fā)生發(fā)展中起重要作用。Pan等〔17〕發(fā)現(xiàn)全Bmal1基因敲除Apoe-/-小鼠高脂血癥和AS的發(fā)生率明顯增加，Bmal1的缺乏很大可能通過(guò)降低小異二聚體伴侶(Shp)表達(dá)和增加微粒體三酰甘油轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(MTP)表達(dá)水平來(lái)增加脂蛋白產(chǎn)生，此外，Bmal1缺乏可能通過(guò)降低結(jié)合蛋白Gata4表達(dá)，導(dǎo)致ATP結(jié)合蛋白超家族G成員(Abcg)5和Abcg8的表達(dá)減少，從而減少膽固醇排泄，而在Bmal1-/-Apoe-/-小鼠中過(guò)表達(dá)Bmal1會(huì)降低高脂血癥和AS發(fā)生率。脂肪組織中Bmal1缺乏會(huì)導(dǎo)致肥胖，Bmal1敲除的小鼠表現(xiàn)出血脂異常，但是Bmal1如何調(diào)節(jié)血脂水平仍不清楚。晝夜節(jié)律紊亂與AS有密切關(guān)系，內(nèi)皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)是AS進(jìn)展和斑塊不穩(wěn)定的主要特征。研究發(fā)現(xiàn)，在Bmal1缺乏的小鼠巨噬細(xì)胞中腫瘤壞死因子(TNF)-α誘導(dǎo)的核轉(zhuǎn)錄因子(NF)研究發(fā)現(xiàn)，在Bmal1缺乏的小鼠巨噬細(xì)胞中TNF-α誘導(dǎo)的NF-κB活性通路及TNF通路活性上調(diào)〔18〕。Huo等〔19〕研究發(fā)現(xiàn)Bmal1敲除的小鼠，單核細(xì)胞向病灶處募集增多，導(dǎo)致巨噬細(xì)胞含量大量增加，最終參與AS發(fā)生發(fā)展。Zhu等〔20〕發(fā)現(xiàn)，Bmal1缺乏顯著增加了BMP信號(hào)活性通路，進(jìn)而介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)活性氧(ROS)積累誘導(dǎo)EMT，導(dǎo)致粥樣斑塊的形成。Bmal1-/-小鼠內(nèi)皮細(xì)胞中內(nèi)皮細(xì)胞型一氧化氮(NO)合酶活性減弱，導(dǎo)致NO產(chǎn)生減少，超氧化物生成增多。最新一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，予以Apoe-/-小鼠丙烯醛喂養(yǎng)，丙烯醛可以激活小鼠內(nèi)皮細(xì)胞中的絲裂原活化蛋白(MAKP)通路并下調(diào)Bmal1進(jìn)而誘導(dǎo)基質(zhì)金屬蛋白(MMP)9過(guò)表達(dá)，發(fā)現(xiàn)AS斑塊與MMP9呈正相關(guān)，與Bmal1呈負(fù)相關(guān)，提示MMP9和Bmal1是AS危險(xiǎn)因素〔21〕。相信隨著有關(guān)Bmal1與AS關(guān)系的深入研究，將會(huì)為尋找AS的防治靶點(diǎn)提供新更充足的論理依據(jù)。

綜上，晝夜節(jié)律基因Bmal1表達(dá)參與心律失常、高血壓、AS發(fā)生發(fā)展。晝夜節(jié)律Bmal1在心血管的表達(dá)在維持其正常生理結(jié)構(gòu)與功能中起著重要作用。更好地了解心血管疾病基于Bmal1的分子機(jī)制對(duì)治療方法的改進(jìn)起著重要作用。如果能夠針對(duì)Bmal1靶向用藥進(jìn)而干預(yù)Bmal1表達(dá)，無(wú)疑將會(huì)對(duì)心血管疾病的防治提供一個(gè)新的思路。但是，對(duì)Bmal1與心血管疾病的具體深層次關(guān)系仍知之甚少，隨著對(duì)生物鐘Bmal1研究的進(jìn)一步深入，Bmal1在心血管疾病中發(fā)揮的作用及其與心血管疾病關(guān)系的挖掘?qū)榉乐涡难芗膊√峁┲匾囊罁?jù)。