心力衰竭中心脏结构与功能异常的调控研究

作者:徐明[1] 
单位:北京大学第三医院[1]
   心力衰竭作为各种心血管疾病发展的终末阶段严重危害着人类的健康和生命。流行病学资料显示,目前全球心力衰竭患者人数已高达2250万,并且仍以每年200万的速度递增。对于心力衰竭机制的探讨和研究是临床预防和治疗心力衰竭的重要基础。自20世纪90年代Greenberg提出心肌重塑是心力衰竭的决定性机制以来,越来越多的学者开始从整体、细胞和分子等不同水平研究心力衰竭发生、发展过程中心脏结构与功能的变化及其可能的调控机制。心肌细胞是心脏收缩和舒张的基本结构单元,由细胞膜结构、肌纤维、线粒体、细胞核等多种细胞器构成。多种原因所致的心肌重塑发生时,这些结构出现了一系列的改变,并且细胞功能亦出现明显的紊乱。由此,全面了解心肌细胞及其亚细胞超微结构的变化与细胞功能紊乱之间的关系以及在心力衰竭发展过程中上述变化的调控机制对心力衰竭的早期诊断和治疗具有重要的意义。
   1 细胞膜结构与功能变化
   心肌细胞膜又称肌纤维膜(sarcolemma),简称肌膜。肌膜主要参与细胞信号的识别与传递、物质转运、动作电位传导等过程。心肌细胞膜向内呈漏斗状凹陷形成的闭合管道,即横管(transverse tubule,TT)参与心肌细胞电信号传导。横管上L型钙通道(L-type Ca2+ channel,LCC)可以与肌质网(sarcoplasmic reticulum,SR)上的兰尼丁受体(ryanodine receptor,RyR)形成膜联接复合物或称心肌二联体(cardiac dyad),共同构成心肌兴奋-收缩耦联的结构基础。实验表明,在多种不同病因引起的晚期心力衰竭中可以观察到横管结构的缺失和紊乱。Wei等[1]应用激光共聚焦显微镜和亲脂性膜荧光染料,发现心力衰竭的自发性高血压大鼠心肌细胞的横管系统发生结构性破坏,而这种横管系统的结构破坏可以直接导致心肌细胞钙致钙释放功能异常,从而导致心肌收缩功能减弱。在此基础上,Wei等[1]发现心肌细胞横管系统的重构在心肌肥大代偿期即已发生,表现为左心室细胞局部小灶性缺失和轻度紊乱;但随着疾病进程,横管系统紊乱和缺失加重,并由左心室向右心室发展。说明横管的重塑在心力衰竭早期就已经发生。Wu等[2]采用电子显微镜技术研究心力衰竭模型兴奋收缩耦联超微结构变化并进行分析,发现横管密度及横管与肌质网耦联结构的密度显著下降,并观察到L型钙通道与肌质网兰尼丁受体间的耦联效率下降。为了验证该变化的临床意义,Zhang等[3]检测了心力衰竭患者的组织标本,并得到相似的结果。可见,横管与肌质网超微结构的改变,造成钙释放过程失稳及兴奋-收缩耦联效率下降及兴奋-收缩耦联时间延长,从而导致心力衰竭的发生。
   Xu等[4]的研究表明,junctophilin-2(JP2)蛋白下调是导致上述心肌二联体结构破坏导致兴奋-收缩“脱耦联”的主要机制。junctophilin蛋白是由Takeshima等发现,维持细胞膜与内质网/肌质网(ER/SR)膜联接复合物的关键分子。Junctophilin蛋白家族包括4个成员(JP1-4),JP2是心肌细胞所表达的惟一亚型。我们近期利用JP2RNA干扰技术在培养的正常心肌细胞中下调JP2蛋白的表达,结果发现横管和肌质网耦联的密度也明显下降,而耦联距离明显增加。采用携带JP2的腺病毒表达系统并侵染培养的心力衰竭细胞,适量表达JP2后,心力衰竭细胞在兴奋收缩耦联效率还没有发生变化的时候,其钙至钙释放分子耦联效率已明显增加,来自横管钙通道(LCC)的钙信号触发肌质网上钙通道(RyR)钙释放所需的平均时间从2.2 ms缩短为1.2 ms。其钙储量没有发生明显变化。由此可见JP2是维持二联体结构稳定的基础,对维持钙致钙释放分子耦联效率起着至关重要的作用。随后Xu等[5]经过生物信息学分析和实验证明,发现miR-24的异常升高可以显著抑制JP2的表达。在代偿性心肌肥厚模型和失代偿的心力衰竭模型中,miR-24水平发生上调的同时,还伴随JP2表达量减少和心肌二联体大小与体积密度的降低。随后Li等[6]又在小鼠主动脉缩窄心力衰竭模型上验证了抑制miR-24保护心力衰竭过程中兴奋-收缩耦联结构和功能受损,该研究为心力衰竭的防治提供了新的线索。
   2 肌小节结构与功能变化
   肌小节(sarcomere)是肌肉收缩和舒张的基本结构单位。肌小节减少和结构错乱可以直接导致心脏舒缩功能的紊乱。肌小节形态和结构的改变普遍见于各种病因导致的心力衰竭。肌联蛋白(Titin)的减少是造成肌小节减少的一个主要机制[7]。Titin是一个巨大的肌小节蛋白,它的分子量为2700 kDa,长度为1 μm,约占肌节的一半,具有复杂的、分子折叠的功能。Titin高度弹性的分子,伸展时比原长度多出3 μm,是心肌细胞中的分子弹簧。Person等[8]在2000年曾证明,在分离的成人心肌细胞中Titin的表达和正确的排布是形成完整肌小节的前提条件。Titin的减少或缺失将影响肌小节的形成,并最终导致心力衰竭。Ellis等[9]利用Pavetamine(一种带阳离子的多聚胺类物质,具有心脏毒性)处理乳大鼠心肌细胞48小时,利用荧光免疫检验法观察到Titin和Myosin数量降低,收缩蛋白和细胞骨架蛋白的表达异常造成心肌超微结构发生改变,肌小节排列混乱并从Z线脱离。并最终导致心肌收缩力下降和心力衰竭的发生。近年来研究显示,心脏舒张期室壁僵硬度增加可能与Titin的异构体增加和磷酸化有关。Hamdani等[10]的研究表明,Ca2+/钙调蛋白依赖的蛋白激酶Ⅱ(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase-II,CaMKⅡ)参与了对Titin磷酸化的调控,晚期心力衰竭CaMKⅡ表达和活性升高,导致CaMKⅡ依赖的Titin磷酸化水平升高,并导致心室舒张期压力增加。Schaper等[11]利用荧光染色发现细胞骨架蛋白Desmin在心力衰竭时出现堆积并排列错乱,而同样的现象出现在一种定位于心肌肌膜的蛋白Dystrophin上,提示细胞骨架的扩大可能是肌小节减少而造成心肌收缩力下降的一种代偿机制。Myocardin是一种特异性表达与心肌和平滑肌细胞的转录激活蛋白,对维持心肌细胞结构和肌小节排列有重要作用,心肌细胞自发性Myocardin减少可触发程序性细胞死亡[12]。
   3 线粒体结构与功能变化
   线粒体(mitochondria)是细胞内氧化磷酸化和合成三磷酸腺苷(ATP)的主要场所,不仅为心肌细胞活动提供能量供应,也参与对细胞凋亡的调控作用。心力衰竭发生时将导致心肌组织缺氧和ATP合成能力下降[13],从而引发活性氧(ROS)产生增加、Ca2+超载和氧化应激等一系列病理刺激产生。在这些病理刺激下,位于线粒体内膜的线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore,MPTP)开放。若MPTP持续性开放将致使线粒体膜通透性增高,一方面可以导致离子平衡紊乱,线粒体膜电位去极化,氧化磷酸化脱耦联和ATP生成减少水解增加。另一方面可以导致线粒体肿胀,外膜破裂,细胞色素C、凋亡诱导因子、核酸内切酶等释放入胞质,最后诱导细胞凋亡。MPTP由三种结构蛋白构成,位于线粒体基质的亲环蛋白(Cyclophilin-D,CyP-D),位于线粒体内膜的腺嘌呤核苷酸转位酶(the adenine nucleotide translocase,ANT)和磷酸盐载体(phosphate carrier,PiC)[14]。三种蛋白都可以通过与其配体结合而调控MPTP的开闭状态[15]。最近,Elrod等[16]的研究表明MPTP除在病理条件下发挥作用外,也具有一定的生理功能。他们利用Ppif基因(Cyclophilin-D由Ppif基因编码,Cyclophilin-D与ANT结合使ANT构象发生变化,诱导MPTP开放)敲除小鼠在压力超负荷刺激下较正常小鼠更易形成心肌肥厚、纤维化和心功能下降。当在该小鼠心肌细胞中特异性转入Ppif基因后,上述变化得到改善。作者认为MPTP介导的Ca2+流出受阻导致线粒体基质内Ca2+超载,Ca2+依赖性脱氢酶活性提高导致线粒体内能量代谢紊乱,从而引发上述现象。说明在生理条件下,MPTP对维持线粒体Ca2+浓度稳定起到了一定的作用。
   在普通细胞中线粒体以融合-分裂方式进行物质和信号交换,以维系线粒体群的均质性和正常功能。可是,心肌细胞中呈晶格状排列的肌丝限制了线粒体运动,难以实现线粒体融合-分裂。Huang等[17]的研究显示静止不动的心肌线粒体会在其表面生发出直径约100 nm的双层膜结构的纳米管,通过该纳米管可瞬态接通相邻的或较远距离的线粒体,实现相连线粒体的物质交换,称之为线粒体“纳米通道”(Nanotunneling)。该研究组还发现,与纳米通道并存的另一种通讯方式为相邻两静止不动的线粒体间短暂的接通,称之为线粒体“吻合”(kissing)。心肌细胞线粒体通过纳米通道与吻合机制,可在约10小时左右,将局部物质和信号扩布至整个线粒体群落,从而构成一个动态的连续线粒体功能网络。他们在初步的实验中已经证明,在心力衰竭心脏中,线粒体纳米通道与吻合机制有显著减退。
   4 细胞核结构与功能变化
   目前细胞核在心力衰竭发展过程中的作用尚不十分明确,Cortes等[18]的研究证明,心力衰竭可影响核质运输,并使细胞核膜上的核孔复合物(nuclear pore complex,NPC)发生形态和组成的改变。发现心力衰竭患者的心脏组织中的NPC密度较非心力衰竭患者并无明显变化,但是输入蛋白(importins)和输出蛋白(exportins)的表达却显著提高。他们还发现在一部分NPC的中央孔道被一些“致密物质”占据,该结构被认为是中央转运体,并可增加转运效率。心脏发生重塑时,伴随着心肌细胞的死亡和间质成分的再生,核内遗传物质表达和转运增加,与该项研究的结果不谋而合。随后Tarazon等[19]又验证了心力衰竭时多种NPC结构蛋白表达升高,说明心力衰竭时NPC的结构和功能都发生了改变。
   5 展望
   近年来临床研究提示,心脏超微结构和分子水平的病变远早于心功能受损。如能通过进一步的临床试验发现和验证结构改变在心力衰竭发生、发展过程中的重要作用,将有希望为心力衰竭的早期评价提供新的指标。而深入了解影响心肌细胞结构稳态的调控蛋白的作用,将为心力衰竭的防治提供重要理论基础。


    2013/4/26 10:43:18     访问数:1648
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