缝隙连接蛋白43对心衰进程作用的研究进展
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缝隙连接蛋白43对心衰进程作用的 研究进展 康曼,袁风波 (安徽省红十字朝阳医院,安徽淮南232007) 山东医药2017年第57卷第1期 摘要:缝隙连接蛋白43(Cx43)作为心室缝隙连接主要的构成成分,它的结构、表达、分布影响着心脏功能。在 心衰代偿阶段至失代偿阶段,Cx43在结构、表达、分布、磷酸化水平以及功能等方面均发生改变。Cx43的改变会导 致心室肌细胞的传导速度和传导各向异性的改变,影响物质的交换与信息的传递,对心衰发生进程有重要影响。 关键词:心力衰竭;缝隙连接蛋白43;缝隙连接;心肌重构 doi:10.3969/j.issn.1002-266X.2017.01.038 中图分类号:R541.6 文献标志码:A 文章编号:1002-266X(2017)叭-0106-03 缝隙连接是介导心肌细胞间信息交流和能量传 导的重要膜结构,缝隙连接蛋白43(Cx43)作为心室 缝隙连接主要的构成成分,它的结构、表达、分布影 响着心脏功能。研究Cx43在心衰发生进程中所扮 演的角色,对心衰的诊断、治疗及新药的研发有重要 意义。 1 缝隙连接与Cx43 缝隙连接分布广泛,几乎存在于所有的动物细 胞中。它是一种特殊的连接细胞间细胞质的膜结 构,是相邻细胞间直接的电通道和代谢通道,从而同 步化生理活动…。通过缝隙连接,可以完成细胞间 的物质运输,允许分子量在1.2 kD以下的分子通 过,比如氨基酸、葡萄糖、ATP;离子ca¨、Na 、C1一; 细胞信号分子IP3和cAMP以及潜在的功能性miR. NAs 等。缝隙连接是一种动态结构,细胞内的pH 值、ca 浓度和细胞膜电位的改变等都会影响通道 的开放和关闭,而这种开与关通过蛋白磷酸化或蛋 白激酶调节和控制。 缝隙连接由连接子构成,连接子是一种跨膜蛋 白。每个连接子由4或6个相同或相似的连接蛋白 亚基环绕中央形成孔径为1.5~2 nm的水性通道, 相邻两细胞分别用各自的连接子相互对接形成细胞 间的通道,来完成细胞间信息交流和能量传递。迄 今,在哺乳动物中发现的缝隙连接蛋白有20多种, 在不同的组织中其表达存在差异性,其中Cx43主要 存在于心室中。研究表明,Cx43在内质网核糖体合 成之后,运输至高尔基复合体,最终在细胞膜聚集形 成缝隙连接结构 。Cx43由382个氨基酸组成,羧 基末端(C端)与氨基末端(N端)位于胞质内,从C 106 端至N端,连续跨膜4次,形成了两个胞外环和一 个胞内环_3 J。四个跨膜亲水片段称为M1~4,为d 螺旋结构,两个胞外环分别称为E1~2和一个胞质 环。 Cx43的N端相对保守,而C端的丝氨酸、苏氨 酸及酪氨酸残基的磷酸化与去磷酸化水平影响着缝 隙连接的形成及功能状态。它们能够感受胞内的信 息变化而改变构象,从而调节缝隙连接传导性。 Cx43在心脏中的动态转运可能是对细胞间偶联和 冲动传导的重要调节机制。Cx43C末端241~382 位点为其主要的磷酸化区,受到多种蛋白激酶的调 节,也是多种激素的识别位点,对缝隙连接通道的组 装和功能的调节起到至关重要的作用 J。例如, Cx43C端的丝氨酸残基通过磷酸化去上调Ser325、 Ser328、Ser364、Ser365、Ser330和Ser373,或下调 Ser255、Ser279、Ser282、Ser262和Ser368缝隙连接 介导的细胞间通讯功能 J,这些都是重要的磷酸化 位点。在稳态细胞的生命周期中,Cx43的不同位点 都可以发生磷酸化,主要的磷酸化途径包括:蛋白激 酶C、PKA和PKG、蛋白酪氨酸激酶、MAPK和酪氨 酸激酶1等。Cx43的各种磷酸化参与Cx43的整个 代谢周期,包括转运、组装、解离、降解以及缝隙连接 半通道和全通道的门控,从而影响Cx43正常的生理 功能以及缝隙连接的细胞间通讯功能,进一步影响 各种疾病的发生和发展。在多种心脏疾病的病例和 模型中 ,包括缺血、心肌肥厚和心动过速诱导 的心肌病等,都存在着心室肌细胞中Cx43表达和磷 酸化的改变。 2
心衰代偿期Cx43的变化 东医药2017年第57卷第1期 慢性心衰是一个多因素综合作用的长期又复杂 的过程。通常心脏发生病变时,首先会启动代偿机 制,使心脏功能维持在与正常相当的水平,但通常有 心肌肥大的表现,即心肌细胞的长度和宽度增加,伴 随着间质增生。心肌肥大时功能虽得到代偿,但会出 现心肌重构和一些组织、细胞或调节因子、信号通路 等的变化,引发重构的特殊机制可能涉及到化学或体 液介导的信号转导通路的激活。在肥大心肌中,缝隙 连接的重构过程复杂,包括干扰缝隙连接基因表达和 蛋白的合成与降解以及其他空间结构的改变。 Cx43分布以及表达在心肌重构中发挥着重要 的作用。细胞膜主动和被动转运特性的改变,会引 起异常的自主性、触发活动以及折返性,这些都是肥 大心室中致心律失常的底物,而缝隙连接是构成膜 被动转运的主要决定因素,它们组成的跨膜通道直 接与相邻细胞相联系。在肥厚型心肌病人中,左心 室中的Cx43会出现重塑,表达增加,出现侧分 布 。在扩张型心肌病人中,也有报道标记的 Cx43表达减少,异质性增加,这会增加发生心律失 常的风险。在缺血性心肌病中,远离边界区的Cx43 表达下降 。在这些病理条件下,心室中不正常的 传导特性可能会归因于或至少部分归因于缝隙连接 的重构。在大量的动物模型中对Cx43的研究也得 到了相似的结果。例如,野百合碱诱导的肺动脉高 压模型中,肥大的右心室显示在缝隙连接处典型 Cx43分布紊乱。在肥厚右心室分离下来的心肌细 胞中,Cx43并不是限定在闰盘处,而是广泛离散分 布在细胞表面。在肥大心室的组织切片中,Cx43分 布在侧面增加 j。在一个肌钙蛋白I突变引起肥厚 性心肌病(HCM)的转基因兔模型中,Cx43分布具 有异质性,Cx43水平增加,磷酸化水平发生改变。 在转基因兔中,除了复极化时相的改变,没有检测到 心电图的异常,也就是说异质性表达的Cx43没有导 致心律失常加强,此可能缘于全部Cx43水平的增 加 。在另一个HCM兔模型(B.肌球蛋白重链) 中,检测到Cx43水平的上调,但是仅是在中层心肌 细胞中,对动作电位时程、传导速率以及各向异性都 没有影响 。大鼠的HCM模型(野百合碱诱导的 肺动脉高压或者压力负荷)表明,无论左、右心室, 在闰盘处,桥粒斑蛋白分布正常,总Cx43水平正常, 尽管之前有报道Cx43会在闰盘处重新分布到细胞 质和心肌细胞的侧面以及Cx43去磷酸化增加 ’ j。 在心脏的代偿期,由于造模的方法不同,观测的 时间点不同,所使用的实验动物不同等,出现的结果 不尽相同。Cx43的表达增加或者减少,分布从端分 布到侧分布,无功能的Cx43增加,但在代偿情况下, 能够维持正常的心脏功能。 3心衰失代偿期Cx43的变化 各种心血管疾病发展的终末期即心力衰竭,表 现为心脏收缩或舒张功能障碍,心输出量降低,心脏 射血不足引起心肌重构及心室重塑,从而不能满足 组织器官的代谢需求,心脏发生衰竭。心衰时,心肌 收缩力下降,表现为非同步收缩功能下降。心肌收 缩下降可能归因于心脏组织的重塑、细胞间缝隙连 接的脱偶联和重新分布。缝隙连接在建立心肌同步 收缩中至关重要,阻断它使缝隙连接脱偶联即可使 收缩变为非同步。鉴于Cx43是缝隙连接的主要组 成蛋白,有文献报道Cx43在心肌缺血/再灌注损伤、 心肌保护和神经保护方面是一个新兴的治疗靶 点 。 3.1 Cx43表达的变化心衰时传导紊乱与缝隙连 接病变存在着很大关系,究其原因是严重的Cx43异 质性。首先,表达量降低明显。Poelzing等 报道, 大量免疫原性的Cx43减少,伴随着细胞间偶联和传 导速度的下降,APD的跨壁离散增强;在一个慢性主 动脉狭窄豚鼠模型中观察到从肥大代偿期过渡到失 代偿时,左心室Cx43减少,闰盘重构,心肌细胞的形 状也发生了改变 ;在另一篇用传统的腹主动脉缩窄 所致的兔心衰模型中 281,Cx43在三个心肌层表达明 显下降,尤其是中肌层的下降更有意义,增加的跨壁 异质性Cx43可能会增强穿过心室壁的复极化分散, 从而诱导恶性心律失常 引。由先天性扩张心肌病或 者缺血性心脏病发展而来的终末期心衰病人,Cx43 表达量下调 ;在压力超负荷引起的失代偿病人的心 脏中(伴随瓣膜性主动脉狭窄),Cx43明显下降。其 他人类心脏疾病的研究报道显示,除了肌纤维的紊 乱,闰盘处Cx43的重新分布到心肌细胞的侧面,都导 致了Cx43在闰盘处分布的减少 。与之前Cx43下 调形成对比,近来有报道在JCM病人的左心室活组 织检查发现,Cx43表达是增加的 。 3.2 Cx43分布的改变 心衰时,侧分布更加明 显 ,即Cx43、闰盘、N.钙黏素共区域的减少,Cx43 向无缝隙连接处移动。这种侧化是通过蛋白激酶C 来调控的。正常的端分布用于快速传导电冲动,而 侧分布有利于平衡侧面相连的心肌细胞问电冲动的 提前和滞后,调节电冲动沿着肌束的纵轴进行连续 传导。分布紊乱会发生传导方向变化、传导速度降 低、传导阻断等,易发生心律失常。在右心室检测传 导速度发现,与正常组相比,纵向传导速率减慢,而 横向传导速度不变,从而导致异质性的比率减
107 少 ]。纵向传导速率的减慢很有可能是由于闰盘 处Cx43的减少,而不变的横向传导速率可能是因为 无功能的侧面Cx43,它可能会引起Cx43去磷酸化 增加。 3.3 Cx43磷酸化水平的改变在一篇犬心衰模型 中Akar等 提出,不仅Cx43蛋白量发生下降,出现 侧分布,还会发生磷酸化水平的减少;Severs等 也 提出慢性心脏疾病包括心肌肥大和心衰都与心律失 常密切相关,伴随着整体Cx43的下降和Cx43的去磷 酸化。磷酸化是Cx43的功能形式,它的降低会造成 细胞间缝隙连接通讯功能缺陷。Cx43羟基端有众多 不同的磷酸化位点,这些磷酸化位点可能都参与了心 衰进程。同一个位点的磷酸化可能受到不同蛋白激 酶的调节,而不同的位点又可能同时受同—个蛋白激 酶的调节。所不同的是在不同疾病模式中起主导作 用的位点和所经的激酶途径不尽相同,并且心肌细胞 内Cx43与各种骨架蛋白形成复杂的蛋白网络,而这 个蛋白复合体也正是细胞内各个激酶发生作用的结 构性载体场所。因此Cx43与各个激酶之间形成了复 杂的相互影响、调节的网络。心衰时非磷酸化Cx43 增加,到底Cx43的去磷酸化在多大程度上影响缝隙 连接,这需要更多的实验来进行评估。有文献提出在 衰竭心脏中,PP.1可能会增加Cx43磷酸化水平,从 而使得心脏收缩功能重建 J,这对于心衰的治疗和 药物的研发提供了新的靶点。 综上所述,Cx43在心衰的发展进程中发挥着至 关重要的作用。但是,缝隙连接和缝隙连接蛋白重 构的调节机制、直接参与分子水平调节信号分子和 离子通路、Cx43不同的磷酸化位点的作用等都有待 于进一步探讨。相信Cx43引起的缝隙连接变构和 构成心脏结构和功能改变的机制将逐步被人类认 识,并可能最终成为药物作用的新靶点。 参考文献: [1]Jassim A,Aoyama H,Ye WG,et a1.Engineered Cx40 variants increased docking and function of heterotypic Cx40/Cx43 gap june— tion channels[J].J Mol Cell Cardiol,2016(90):11—20. [2]Katakowski M,Buller B,Wang X,et a1.Functional microRNA is transferred between glioma cells[J].Cancer Res,2010,70 (21):8259-8263. [3]Willecke K,Eiberger J,Degen J,et a1.Structural and functional diversity‘of connexin genes in the mouse and human genome[J]. Biol Chem,2002,383(5):725-737. [4]Johnson RG,Reynhout JK,TenBroek EM,et a1.Gap junction as- sembly:roles for the formation piaque and regulation by the C-ter- minus of connexin43[J].Mol Biol Cell,2012,23(1):71 86. [5]Fong JT,Nimlamool w,Falk MM.EGF induces efficient Cx43 gap junction endocytosis in mouse embryonic stem cell colonies via— l08 山东医药2017年第57 phosphorylation of Ser262,Ser279/282,and Ser368[J].FEBS Lett,2014,588(5):836—844. [6]Akar FG,Spragg DD,Tunin RS,et a1.Mechanisms undedying conduction slowing and arrhythmogenesis in nonischemic dilated cardiomyopathy[J].Circ Res,2004,95(7):717-725. [7]Severs NJ,Coppen SR,Dupont E,et a1.Gap junction alterations in human cardiac disease[J].Cardiovasc Res,20o4,62(2): 368-377. [8]Uzzaman M,Honjo H,Takagishi Y,et a1.Remodeling of gap junctional coupling in hypertrophied right ventricles of rats with monocrotaline—induced pulmonary hypertension[J].Circ Res, 2000,86(8):871—878. [9]Fontes MS,。vail Veen TA,de Bakker JM,et a1.Functional conse- quenees of abnormal Cx43 expression in the heart[J].Biochim Biophys Acta,2012,1818(8):2020-2029. [1O]WuT,Wu D,Wu Q,et a1.Effect andmechanism ofIrbesartan on occurrence of ventrieular arrhythmias in rats with myocardial ische mia through eonnexin43(cx43)[J].Asian Pac J Trop Med, 2016,9(10):1007—1012. [1 1]Salameh A,Krautblatter S,Karl S,et a1.The signal transduction cascade regulating the expression of the gapjunction protein connex— in43 by beta-adrenoeeptors[J].Br J Pharmacol,2009,158(1): 198.208. [12]Kostin S,Rieger M,Dammer S,et a1.Gap junction remodeling and altered connexin43 expression in thefailing human heart[J]. Mol Cell Biochem,2003,242(1-2):135—144. [13]Sanbe A,James J,Tuzcu V,et a1.Transgenie rabbit model for human troponin I-based hypertrophic cardiomyopathy[J].Circula— tion,2005,111(18):2330-2338. [14]Ripplinger CM,Li W,Hadley J,et a1.Enhanced transmural fiber rotation and connexin 43 heterogeneity are associated with an in— creased upper limit of vulnerability in a transgenic rabbit model of human hypertrophic cardiomyopathy[J].Circ Res,2007,101 (10):1049.1057. [15]Sasano C,Honjo H,Takagishi Y,et a1.Intemalization and dephos— phorylation of conne)【in43 in hypertrophied right ventricles of rats with pulmonary hypertension[J].Circ J,2007,71(3):382-389. [16]Schtdz R,Grge PM,Grbe A,et a1.Cormexin43 is an emergingthera- peutic target in ischemia/reperfnsion injury,cardioproteetion and neu— roproteetion[J].Pharmaeol Ther,2015,153:90-106. [17]Poelzing S,Rosenbaum DS.Altered connexin43 expression pro- duces arrhythmia substrate in heart failure[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol,2004,287(4):H1762一H1770. [1 8]Zhong JH,Lu SJ.Changes of transmural heterogeneity of CX43 ex— pression in chronic heart failure[J].J Am Coil Cardiol,2014,64 (16):CA5. [19]Severs NJ,BrueeAF,Dupont E,et a1.Remodelling of gap june— tions andeonnexin expression in diseased myocardium[J].Cardio— vasc Res,2008,80(1):9—19. [20]Pathak A,del Monte F,Zhao W,et a1.Enhancement of cardiac function and suppression of heart failure progression byinhibition of protein phosphatase 1[J].Circ Res,2005,96(7):756-766. (收稿日期:2016-09-25)