張恩圓 李廣平

.綜述.

鈣-鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ在心力衰竭發(fā)生發(fā)展中的作用

張恩圓 李廣平

鈣-鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶類； 心肌肥厚；心力衰竭

近來發(fā)現(xiàn)，鈣-鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ(Calcium-Calmodulin-dependent protein kinaseⅡ，CaMKⅡ)在諸多心血管疾病的發(fā)生發(fā)展中起到重要作用。越來越多的證據(jù)表明，CaMKⅡ通路的激活會加速某些心血管疾病的發(fā)展進程，尤其在心力衰竭中，我們將就兩者關(guān)系做一綜述。

1 CaMKⅡ的激活

CaMKⅡ是一個在心臟和腦組織廣泛表達的復(fù)合受體絲氨酸-蘇氨酸激酶，通過結(jié)合Ca2+或CaM導(dǎo)致其調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域的Thr-287自身磷酸化或Met-281/282的部分可逆性氧化兩條途徑達到持續(xù)激活狀態(tài)，影響下游受體如受磷蛋白(phospholamban，PLB)、蘭尼堿受體(ryanodine receptor，RyR2)的表達，破壞細胞內(nèi)鈣離子穩(wěn)態(tài)。

CaMKⅡ家族中，CaMKⅡδC可以直接調(diào)節(jié)胞漿內(nèi)鈣轉(zhuǎn)運過程，CaMKⅡδB定位于細胞核，與CaMKⅡδC共同調(diào)節(jié)肌細胞增強因子2基因的表達，導(dǎo)致心肌肥厚，并誘導(dǎo)核組蛋白去乙酰化酶4(histone deacetylase-4，HDAC4)磷酸化，使其由胞核易位至胞漿［1］。心力衰竭時，CaMKⅡδA也會相應(yīng)上調(diào)，而且伴隨著心房利鈉因子(atrial natriuretic factor，ANF)、β肌球蛋白重鏈(myosin heavy chain，β-MHC)等致心肌肥厚基因再活化，若對CaMKⅡδA進行基因沉默或者選擇性干擾HDAC4-MEF2信號通路可緩解心力衰竭時的機械重構(gòu)［2］。

壓力負荷、氧化應(yīng)激、血管緊張素Ⅱ、去甲腎上腺素或電場刺激都可以降低肌漿網(wǎng)鈣負荷和鈣瞬變幅度，誘導(dǎo)舒張期肌漿網(wǎng)鈣漏，釋放的鈣離子使心肌細胞ANF、β-MHC及CaMKⅡδC過表達，并以CaMKⅡ為第二信使磷酸化一系列鈣轉(zhuǎn)運蛋白，從而使心肌細胞體積增大，肌節(jié)重裝配，逐漸影響正常的電-機械狀態(tài)。

2 CaMKⅡ?qū)﹄x子通道的影響

2.1 鈉通道及交換體

Ashpole等［3］和Wagner等［4］均發(fā)現(xiàn)，心力衰竭時過表達的CaMKⅡ可以作用于Thr-594和Ser-516等多個磷酸化位點，引起心肌鈉通道持續(xù)開放，形成晚鈉電流，QRS間期和QT間期延長，心室有效不應(yīng)期縮短，室性心動過速風(fēng)險增加。鈉鈣交換體(Na+/Ca2+exchanger，NCX)為泵出過多的鈉離子造成鈣離子持續(xù)內(nèi)流，強迫心肌細胞超負荷工作，使心功能惡化，抑制晚鈉電流可以逆轉(zhuǎn)由CaMKⅡδC過表達引起的舒張功能障礙和心律失常［5］。Nakamura等［6］發(fā)現(xiàn)，單純激活鈉氫交換體也可以活化CaMKⅡ/HDAC通路，PLB磷酸化，肌漿網(wǎng)內(nèi)鈣超載，引起心肌肥厚甚至心力衰竭。

2.2 鉀通道

生理狀態(tài)下，CaMKⅡ與瞬時外向鉀離子通道的Kv4.3亞基結(jié)合在一起，通過占據(jù)其與鈣調(diào)蛋白的結(jié)合位點抑制CaMKⅡ的活化，而當(dāng)瞬時外向鉀離子通道受到影響，與CaMKⅡ分離，即造成CaMKⅡ磷酸化，動作電位時程延長，從而引發(fā)一系列電-機械活動異常，甚至發(fā)展成心力衰竭［7］。短期內(nèi)CaMKⅡ過表達動作電位時程的延長也被證明與鉀離子通道的下調(diào)密切相關(guān)［8］。

2.3 鈣通道及交換體

心力衰竭時CaMKⅡ活性顯著增強并且伴隨著NCX1表達上調(diào)［9］，β腎上腺素受體激動的NCX1上調(diào)是由CaMKⅡ/ AP-1信號通路介導(dǎo)完成的［10］。實驗證明，轉(zhuǎn)染了活性CaMKⅡδB后的小鼠NCX1表達提高，抑制CaMKⅡδB可以一定程度上緩解鈉鈣交換體/肌漿網(wǎng)鈣離子ATP酶(sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase，SERCA)失衡，改善心功能［11］。然而，急性CaMKⅡ過表達時細胞內(nèi)鈣離子異常分布主要由肌漿網(wǎng)鈣漏引起，NCX所起的作用則非常?。?］。另外，心力衰竭時特異性鈣通道Ca(V)1.2的β2a亞基數(shù)目增加，其上Leu493被認為是CaMKⅡ的結(jié)合位點，而Thr498則對CaMKⅡ的磷酸化至關(guān)重要，CaMKⅡ的激活造成了細胞內(nèi)鈣超載，細胞膜電位波動，進而發(fā)生各種心律失常并加重心力衰竭［12］。

L型鈣通道(L type calcium channel，Ca-L)是鈣離子進入心肌細胞的主要途徑，細胞膜去極化時通道蛋白開放，整個平臺期鈣離子流入細胞內(nèi)，直至下次收縮，而衰竭心肌CaMKⅡ?qū)a-L調(diào)節(jié)失控，QT間期延長，極易誘發(fā)心律失常。Chen等［13］通過體內(nèi)基因轉(zhuǎn)染和體外細胞培養(yǎng)技術(shù)分別在器官、組織、細胞和分子水平證明了Ca-L的上調(diào)可通過鈣神經(jīng)素/核因子活性T細胞和CaMKⅡ/HDAC通路誘導(dǎo)心肌細胞肥大和心力衰竭的發(fā)生，這個過程是由胞質(zhì)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-細胞核鈣池共同參與的。Hashambhoy等［14］通過建立生物-數(shù)學(xué)模型發(fā)現(xiàn)，在降低舒張期鈣漏、維持正常的興奮-收縮耦聯(lián)和動作電位時程方面，抑制Ca-L磷酸化的獲益可能要多于單純保護RyR2的磷酸化位點。

3 蛋白激酶A與CaMKⅡ

蛋白激酶A(proteinkinase A，PKA)與CaMKⅡ兩條通路聯(lián)系甚多，可以交叉激活，但是CaMKⅡ介導(dǎo)的RyR2的磷酸化位點在S2814，而PKA多在S2808。但是關(guān)于RyR2的磷酸化失活，目前存在著不盡相同的結(jié)論，有些人認為RyR2磷酸化，靜息狀態(tài)鈣漏增加是依賴CaMKⅡ的，而非由PKA介導(dǎo)完成［15］；而Morimoto等［16］發(fā)現(xiàn)，刺激β受體導(dǎo)致的RyR2磷酸化以及隨之發(fā)生的肌漿網(wǎng)鈣漏是單純依賴PKA的，隨后PLB的磷酸化位點也從PKA的Ser16遷移到CaMKⅡ的Thr17，激活了CaMKⅡ，卻降低了cAMP/PKA信號通路的敏感性，此時，心肌對交感神經(jīng)刺激的收縮應(yīng)答降低，呈現(xiàn)心力衰竭的早期失代償狀態(tài)［17］。

心力衰竭發(fā)展伴隨著慢性的β受體刺激，傳統(tǒng)治療中選擇性β受體阻滯劑的作用已被廣為接受，可以抑制交感神經(jīng)興奮誘導(dǎo)的CaMKⅡ活化并可以緩解RyR2過磷酸化，從而以一個新的角度解釋了β受體阻滯劑在心力衰竭治療中的作用［18］。選擇性阻滯PKA，可以通過阻礙cAMP/EPAC/ Rap1/Rac/ERK通路防止CaMKⅡ的激活以及胞漿和肌漿網(wǎng)鈣超載，減緩心肌肥厚、纖維化以及細胞凋亡的進程，維持心肌功能。雖然心力衰竭時CaMKⅡ水平也有所提高，并且被證實與心力衰竭的發(fā)展相關(guān)，但是針對CaMKⅡ抑制的治療效果卻不如經(jīng)典治療效果明顯，這仍需進一步探明發(fā)生機制以及確切的關(guān)聯(lián)性。

4 其他研究進展

近些年來有許多研究試圖在分子水平闡明CaMKⅡ在心力衰竭發(fā)展中所起到的作用。Respress等［19］給實驗鼠RyR2植入一個滅活的S2814磷酸化位點，發(fā)現(xiàn)心力衰竭模型鼠舒張期鈣漏減少，心力衰竭也相對改善，從而證實了CaMKⅡ?qū)е碌腞yR2磷酸化在心力衰竭發(fā)展中起重要作用。此外，CaMKⅡ可以磷酸化肌聯(lián)蛋白的絲氨酸/蘇氨酸保守位點，改變EVK/N2Bus結(jié)構(gòu)域，降低被動收縮力，最終導(dǎo)致心力衰竭［20］。而心力衰竭時，富含組氨酸的鈣結(jié)合蛋白部分解體，鈣漏增加，胞質(zhì)局部鈣離子濃度上升，激活CaM/ CaMKⅡ通路，CaMKⅡ、RyR2、PLB及p38 MAPK磷酸化增加，加上大量氧自由基的產(chǎn)生，線粒體凋亡通路也隨之開啟，位于線粒體膜蛋白上的CaM去極化，線粒體內(nèi)膜鈣離子單輸送體電流增加，促進線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開放，鈣離子大量進入以致鈣超載，心肌發(fā)生不可逆損傷［21-22］。CaMKⅡ的激活同樣促進右心衰竭，Meoli和White［23］肯定了CaMKⅡ在凝血酶誘導(dǎo)的肺毛細血管內(nèi)皮細胞遷移過程中發(fā)揮的重要作用，這一過程使得損傷的內(nèi)皮增生，血管過度收縮，阻力增加，逐漸形成肺動脈高壓并最終發(fā)展為右心室心力衰竭。

5 治療學(xué)展望

左心室功能障礙者死因大多為心力衰竭或者突發(fā)的惡性心律失常，在這樣的失代償作用中CaMKⅡ的激活起著關(guān)鍵的作用。

針對擴張型心肌病和缺血性心肌病患者終末期衰竭心肌中胞質(zhì)CaMKⅡδC和細胞核CaMKⅡδB的表達上調(diào)，CaMKⅡ抑制治療可以通過糾正異常鈣轉(zhuǎn)運狀態(tài)，在不影響正常心肌細胞的情況下，改善衰竭心肌的收縮力，減少心律失常的發(fā)生，從而在心力衰竭治療方面為我們提供了一個新的選擇［24］。Ferreira等［25］發(fā)現(xiàn)，在交感興奮誘導(dǎo)的心力衰竭模型中，ARB類藥物可以降低CaMKⅡ的Thr-286磷酸化水平，改善細胞內(nèi)異常的鈣調(diào)狀態(tài)和已經(jīng)缺陷的左心室功能。

眾所周知，毒毛花苷在心力衰竭治療中充當(dāng)非常重要的角色，但其中毒劑量可以誘導(dǎo)心肌細胞凋亡。Sapia等［26］發(fā)現(xiàn)，低于中毒劑量的毒毛花苷也會導(dǎo)致一定程度的細胞活性下降，不過這個不良反應(yīng)可以被CaMKⅡ抑制劑(KN93，AIP)消除，這不僅提示了細胞活性的下降可能通過CaMKⅡ發(fā)揮作用，也為CaMKⅡ抑制劑在心力衰竭治療中的應(yīng)用找到了新的依據(jù)。然而Huke等［27］對此持相反的觀點，他們發(fā)現(xiàn)AIP可以通過修飾PLB跨膜結(jié)構(gòu)域選擇性抑制肌漿網(wǎng)CaMKⅡ，減少鈣漏和鈣火花的釋放，然而卻加速了心肌細胞的重構(gòu)，可能因為激活了肌漿網(wǎng)以外的CaMKⅡ，促使心肌肥大和心力衰竭的發(fā)展。Ather等［28］發(fā)現(xiàn)，阻滯CaMKⅡ或者使RyR2的S2814基因片段突變導(dǎo)致磷酸化受到抑制確實會減少肌漿網(wǎng)自發(fā)性鈣漏的發(fā)生，抑制鈣火花，有效控制室性心動過速的發(fā)生，但是這樣的結(jié)果卻限于沒有發(fā)生心力衰竭的情況下，并且當(dāng)牽拉刺激激活鈣離子流，動作電位時程延長，此時的心律失常不能被CaMKⅡ抑制劑很好的控制［29］。敲除CaMKⅡ基因后，心力衰竭相關(guān)的血流動力學(xué)并未得到改善，反而對β-腎上腺能刺激的心力儲備下降了，并且呈現(xiàn)出舒張功能的惡化和左心室心肌細胞凋亡［30］。由此可見在預(yù)防心力衰竭及惡性心律失常進展方面，對CaMKⅡ的干預(yù)在今后一段時間內(nèi)仍將會是一個研究熱點，藥物研發(fā)將著眼于更加具有針對性的CaMKⅡ抑制劑，所以，我們有必要進一步了解CaMKⅡ各個亞型在心力衰竭發(fā)展中發(fā)揮的確切作用。

［1］Zhang T，Kohlhaas M，Backs J，et al.CaMKⅡδ isoforms differentially affect calcium handling but similarly regulate HDAC/MEF2 transcriptional responses［J］.J Biol Chem，2007，282:35078-35087.

［2］Li C，Cai X，Sun H，et al.The δA isoform of calmodulin kinaseⅡmediates pathological cardiac hypertrophy by interfering with the HDAC4-MEF2 signaling pathway［J］.Biochem Biophys Res Commun，2011，409:125-130.

［3］Ashpole NM，Herren AW，Ginsburg KS，et al.Ca2+/ calmodulin-dependent protein kinaseⅡ(CaMKⅡ)regulates cardiac sodium channel NaV1.5 gating by multiple phosphorylation sites［J］.J Biol Chem，2012，287:19856-19869.

［4］Wagner S，Dybkova N，Rasenack EC，et al.Ca2+/calmodulindependent protein kinaseⅡregulates cardiac Na+channels［J］.J Clin Invest，2006，116:3127-3138.

［5］Hashambhoy YL，Winslow RL，Greenstein JL.CaMKⅡ-dependent activation of late INa contributes to cellular arrhythmia in a model of the cardiac myocyte［J］.Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc，2011:4665-4668.

［6］Nakamura TY，Iwata Y，Arai Y，et al.Activation of Na+/H+exchanger 1 is sufficient to generate Ca2+signals that induce cardiac hypertrophy and heart failure［J］.Circ Res，2008，103: 891-899.

［7］Keskanokwong T，Lim HJ，Zhang P，et al.Dynamic Kv4.3-CaMKⅡunit in heart:an intrinsic negative regulator for CaMKⅡactivation［J］.Eur Heart J，2011，32:305-315.

［8］Zang Y，Dai L，Zhan H，et al.Theoretical investigation of the mechanism of heart failure using a canine ventricular cell model: especially the role of up-regulated CaMKⅡand SR Ca2+leak［J］.J Mol Cell Cardiol，2012，56:34-43.

［9］Curran J，Brown KH，Santiago DJ，et al.Spontaneous Ca waves in ventricular myocytes from failing hearts depend on Ca2+-calmodulin-dependent protein kinaseⅡ［J］.J Mol Cell Cardiol，2010，49:25-32.

［10］Mani SK，Egan EA，Addy BK，et al.β-Adrenergic receptor stimulated Ncx1 up-regulation is mediated via a CaMKⅡ/AP-1 signaling pathway in adult cardiomyocytes［J］.J Mol Cell Cardiol，2010，48:342-351.

［11］Lu YM，Huang J，Shioda N，et al.CaMKⅡδB mediates aberrant NCX1 expression and the imbalance of NCX1/SERCA in transverse aortic constriction-induce failing heart［J］.PLoS One，2011，6:e24724.

［12］Koval OM，Guan X，Wu Y，et al.CaV1.2 β-subunit coordinates CaMKⅡ-triggered cardiomyocyte death and after depolarizations［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2010，107:4996-5000.

［13］Chen X，Nakayama H，Zhang X，et al.Calcium influx through Cav1.2 is a proximal signal for pathological cardiomyocyte hypertrophy［J］.J Mol Cell Cardiol，2011，50:460-470.

［14］Hashambhoy YL，Greenstein JL，Winslow RL.Role of CaMKⅡin RyR leak，EC coupling and action potential duration:a computational model［J］.J Mol Cell Cardiol，2010，49:617-624.

［15］Guo T，Zhang T，Mestril R，et al.Ca2+/Calmodulin-dependent protein kinaseⅡphosphorylation of ryanodine receptor does affect calcium sparks in mouse ventricular myocytes［J］.Circ Res，2006，99:398-406.

［16］Morimoto S，O-Uchi J，Kawai M，et al.Protein kinase A-dependent phosphorylation of ryanodine receptors increases Ca2+leak in mouse heart［J］.Biochem Biophys Res Commun，2009，390:87-92.

［17］Mills GD，Kubo H，Harris DM，et al.Phosphorylation of phospholamban at threonine-17 reduces cardiac adrenergic contractile responsiveness in chronic pressure overload-induced hypertrophy［J］.Am J Physiol Heart Circ Physiol，2006，291: H61-70.

［18］Zhang SJ，Liu ZH，Zou C，et al.Effect of metoprolol on sarcoplasmic reticulum Ca2+leak in a rabbit model of heart failure［J］.Chin Med J(Engl)，2012，125:815-822.

［19］Respress JL，van Oort RJ，Li N，et al.Role of RyR2 phosphorylation at S2814 during heart failure progression［J］. Circ Res，2012，10:1474-1483.

［20］Hamdani N，Krysiak J，Kreusser MM，et al.Crucial Role for Ca2+/Calmodulin-Dependent Protein Kinase-Ⅱin Regulating Diastolic Stress of Normal and Failing Hearts via Titin Phosphorylation［J］.Circ Res，2013；112:664-674.

［21］Joiner ML，Koval OM，Li J，et al.CaMKⅡdetermines mitochondrial stress responses in heart［J］.Nature，2012，491: 269-273.

［22］Park CS，Cha H，Kwon EJ，et al.AAV-mediated knock-down of HRC exacerbates transverse aorta constriction-induced heart failure［J］.PLoS One，2012，7:e43282.

［23］Meoli DF，White RJ.Thrombin induces fibronectin-specific migration of pulmonary microvascular endothelial cells: requirement of calcium/calmodulin-dependent protein kinaseⅡ［J］.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2009，297:L706-714.

［24］Yang LZ，Kocksk?mper J，Khan S，et al.cAMP-and Ca2+/ calmodulin-dependent protein kinases mediate inotropic，lusitropic and arrhythmogenic effects of urocortin 2 in mouse ventricular myocytes［J］.Br J Pharmacol，2011，162:544-556.

［25］Ferreira JC，Moreira JB，Campos JC，et al.Angiotensin receptor blockade improve the net balance of cardiac Ca2+handlingrelated proteins in sympathetic hyper-activity-induced heart failure［J］.Life Sci，2011，88:578-585.

［26］Sapia L，Palomeque J，Mattiazzi A，et al.Na+/K+-ATPase inhibition by ouabain induces CaMKⅡ-dependent apoptosis in adult rat cardiac myocytes［J］.J Mol Cell Cardiol，2010，49: 459-468.

［27］Huke S，Desantiago J，Kaetzel MA，et al.SR-targeted CaMKⅡinhibition improve SR Ca2+handling，but accelerates cardiac remodeling in mice overexpressing CaMKⅡδC［J］.J Mol Cell Cardiol，2011，50:230-238.

［28］Ather S，Wang W，Wang Q，et al.Inhibition of CaMKⅡPhosphorylation of RyR2 Prevents Inducible Ventricular Arrhythmiasin Mice with Duchenne Muscular Dystrophy［J］. Heart Rhythm，2012，10:592-599.

［29］Lai D，Xu L，Cheng J，et al.Stretch Current-Induced Abnormal Impulses in CaMKⅡδ Knockout Mouse Ventricular Myocytes［J］.J Cardiovasc Electrophysiol，2012，24:457-463.

［30］Cheng J，Xu L，Lai D，et al.CaMKⅡinhibition in heart failure，beneficial，harmful，or both［J］.Am J Physiol Heart Circ Physiol，2012，302:H1454-1465.

Function of CaMKⅡin the genesis and development of heart failure

Zhang Enyuan1，Li Guangping2.
1 Tianjin Medical University，Tianjin 300070，China；2 Department of Cardiology，Tianjin Institute of Cardiology，the Second Hospital of Tianjin Medical University

Calcium-Calmodulin-dependent protein kinases； Hypertrophy； Heart failure

Li Guangping，Email:tjcardiol@ tijmu.edu.cn

2013-05-02)

(本文編輯:譚瀟)

10.3969/j.issn.1007-5410.2014.02.019

300070天津醫(yī)科大學(xué)(張恩圓)；天津醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院心臟科天津心臟病學(xué)研究所(李廣平)

李廣平，電子信箱:tjcardiol@tijmu.edu.cn