缝隙连接与心脏疾病的研究进展

林国伟(综述)，张　俊(审校)

(川北医学院附属医院心内科，四川 南充 637000)

缝隙连接与心脏疾病的研究进展

林国伟△(综述)，张俊※(审校)

(川北医学院附属医院心内科，四川 南充 637000)

摘要：缝隙连接是存在于相邻细胞间特殊的膜结构通道，它连接相邻细胞间的细胞质，介导细胞间的电化学信号。越来越多的研究显示，缝隙连接与各种心脏疾病的发生、发展及治疗均有密切联系。深入研究缝隙连接蛋白的靶向治疗，可能为各种心脏疾病的治疗提供一种新思路。该文就缝隙连接与心脏疾病关系的研究进展予以综述。

关键词：冠心病；缝隙连接；缝隙连接蛋白；心律失常

缝隙连接作为相邻细胞间一种特殊膜通道结构，具有亲水性、低选择性和低电阻等特点，介导细胞间的电化学信号。缝隙连接与各种心脏疾病的发生、发展均有密切联系，深入分析缝隙连接的微观构成和功能，进一步认识某些心脏疾病的发生机制，具有非常重要的临床价值。心肌缺血发生时，缝隙连接蛋白(conne-xin，Cx)43的开放可以增加心肌梗死的面积，而Cx43的缺失会导致心律失常的发生，表明缝隙连接的数量、结构、分布和功能的变化均可影响心肌细胞间的信息转导，从而导致心脏疾病的发生，或者影响各种心脏疾病的发展[1-2]。目前对于心脏缝隙连接的研究还处于初级阶段，相信随着对缝隙连接更深入的认识，针对Cx的靶向治疗将可能成为治疗某些心脏疾病的一种新途径。现就Cx与心脏疾病的研究进展予以综述。

1心脏中缝隙连接的结构、功能与分布

缝隙连接，又称间隙连接、通讯连接，是存在于相邻组织细胞间的特殊膜通道结构，由两个对称的半通道(或者连接子)端-端连接而成。每个半通道由6个同型或者异型的Cx组成，为六聚体结构。同型连接子由一种Cx组成，异型连接子由不同的Cx组成。由同型连接子构成的缝隙连接称为同型缝隙连接通道，由异型连接子构成的缝隙连接成为异型缝隙连接通道；一侧为同型连接子，另一侧为异型连接子构成的缝隙连接通道称为单侧异型缝隙连接通道；双侧均为异型连接子构成的缝隙连接通道称为双侧异型缝隙连接通道[3]。缝隙连接通道连接着两个相邻细胞，除加强机械连接的作用外，更重要的是具有电偶联和代谢偶联的功能，是目前发现的唯一一种允许相邻细胞间直接进行物质交换的细胞膜通道；缝隙连接只允许相对分子质量较小的物质自由通过，如无机离子、小分子物质(氨基酸、葡萄糖等)和第二信使(环磷酸腺苷、环磷酸鸟苷、钙离子)等[4]。Cx有磷酸化和非磷酸化两种状态，由Cx羧基末端丝/苏氨酸及酪氨酸残基的磷酸化和去磷酸化水平调节Cx的形成和功能状态。有实验显示，通过增加心脏中Cx43羧基末端在Ser368位置上的磷酸化会引起小鼠心电图表现出延长的、振幅增高的QRS波群[5]。Liao等[6]的实验证实，溶血磷脂酰胆碱能诱导心肌细胞内蛋白激酶ε的激活，导致Cx43的磷酸化，引起Cx43在空间上的重新分布，导致心肌细胞收缩节律的紊乱和收缩频率的减少，而予以一种特殊的蛋白激酶ε抑制剂eV1-2可以阻止这一效应的发生。在哺乳动物的心脏中至少存在5种类型的Cx，即Cx37、Cx40、Cx43、Cx45和Cx46，其中被认为较重要且目前研究较多的是Cx40、Cx43和Cx45。Cx40主要在心房肌、窦房结、房室结、希氏浦肯野纤维中表达；Cx43几乎表达于所有成熟的哺乳动物，是Cx中含量最多的，其主要在心房肌和心室肌及传导系统远端表达；Cx45在整个心脏均有少量表达，但在心脏传导系统内的表达显著高于其他区域，特别是在窦房结中，Cx45的表达相对于其他Cx占优势[7]。

2缝隙连接与冠心病

心脏缝隙连接的重构与冠心病的发生、发展以及心肌梗死后心律失常的发生有密切的相关性。Beardslee等[8]研究发现，在心肌组织急性缺血时，细胞间出现解偶联作用，Cx43的数量在总量上并无明显减少，但是去磷酸化状态的Cx43增加，同时在分布上出现不均一性，端-端分布减少，部分Cx43向胞质侧移位；他们认为心肌缺血导致心肌细胞之间的解偶联作用是由去磷酸化Cx43积累和Cx43移位共同导致的。研究表明，在心肌缺血区域内，缝隙连接表达的改变导致其电活动传导减慢以及心律失常的发生，定向地改变Cx43蛋白的表达水平可以提高局部电活动的传导速度，并可减少心律失常的发生[9-11]。Greener等[9]通过心肌缺血/再灌注模型，获得可诱导持续的单型室性心动过速猪心脏模型，通过转染Cx43基因提高了缺血区域内Cx43的表达，使其电活动传导速度较对照组明显增快，而其可诱导的室性心律失常也大幅度降低。王德国[10]将经Cx43基因修饰后的骨髓间充质干细胞移植入大鼠心肌梗死区域，结果发现，提高骨髓间充质干细胞Cx43蛋白表达有助于促进细胞移植对梗死心功能的保护作用，并且有助于降低Ⅰ型胶原在心肌中的沉积，减少心肌纤维化，从而减少梗死后心肌重构。Zhao等[11]的实验也证明，提高心肌梗死部位Cx43的表达可以减少心肌梗死后心律失常的发生。研究显示，心肌细胞膜上的Cx43存在两种形式，一种即传统的连接相邻细胞间的缝隙连接，另一种为未配对的Cx43Hc，它们并不连接在细胞之间，而是存在于肌纤维膜上，主要介导细胞与细胞外液之间离子和其他一些小分子代谢物质,在正常情况下，Cx43Hc处于关闭状态，而在缺血状态或其他一些外部刺激下，Cx43Hc会大量开放[12]。Decrock等[1]的研究显示，Cx43和Cx43Hc在细胞凋亡的信息传递过程中具有非常重要的作用，他们利用细胞色素C诱导经转染并稳定表达Cx43的胶质瘤细胞凋亡，结果凋亡信号通过Cx43和Cx43Hc传递至周围细胞，导致细胞凋亡面积扩大，而抑制Cx43和Cx43Hc的开放可以显著减少周围细胞的死亡数量。Johansen等[13]通过构建小鼠心脏和心肌培养细胞缺血/再灌注模型证实,在心肌缺血/再灌注损伤过程中Cx43Hc大量开放，而抑制其开放可以显著减小小鼠心肌梗死面积。类似的实验，Hawat等[14]使用一种可以特异性抑制Cx43Hc开放而不影响Cx43合成的仿生肽——Gap26，通过Gap26对Cx43Hc抑制作用可以使形态完整的心脏具有更强的抗缺血能力；在心肌缺血前予Gap26处理可以显著减小心肌梗死的面积，在心肌缺血发生以后予Gap26处理亦可明显改善缺血后的心肌功能。顾国萍[15]的研究显示，在急性心肌梗死后结区组织中Cx30.2和Cx45表达增加，且分布紊乱；左心室心肌梗死后心肌组织中Cx43降解，分布紊乱，Cx45的表达相应增高，分布出现紊乱；盐酸阿罗洛尔对于心肌梗死后结区组织中和左心室心室肌组织中缝隙连接的重构均有影响，其可以减少结区组织中Cx30.2和Cx45的表达，抑制左心室组织中Cx43的降解和重新分布，减轻缺血性损伤。

3缝隙连接与心律失常

缝隙连接通道是维持心肌电活动的同步性及冲动在心肌细胞内快速传导的主要结构基础。缝隙连接通道结构和分布异常可导致心肌局部电活动的不平衡、改变动作电位传布的方向和速度等，可形成传导阻滞或者折返传导，导致心律失常的发生和维持。Cx43对于心脏正常心律的维持是必不可少的，Cx43的缺失或表达减少均会导致心律失常的发生。缝隙连接的解偶联与离子通道重构密切相关，细胞间电偶联改变导致局部离子通道电流改变，可加速折返性心律失常的发生[16]。有实验通过研究Cx43基因剔除小鼠发现，小鼠均由于致死性的心律失常而死亡，其心脏横向及纵向传导速度均明显降低，且横向传导速度较纵向传导速度降低更加明显[2]。Lubkemeier等[17]通过基因突变制造Cx43最末5-C端氨基酸残基缺陷的Cx43D378stop小鼠，新生和成年的Cx43D378stop小鼠表现出多样的电活动功能变化，且均由于严重的室性心律失常而死亡，其表现与Cx43缺陷小鼠的表现相似；通过膜片钳技术分析Cx43D378stop小鼠心肌细胞发现，钠和钾电流密度显著降低；另外，还观察到在Cx43D378stop心脏闰盘上的Na1.5蛋白显著减少，由此认为小鼠心律失常的发生及死亡可能是由于钠钾电流的影响所致。除Cx43外，Cx40与Cx45的改变同样会导致相应的心律失常发生。有研究发现，在小鼠心脏，Cx40的缺乏会导致左右束支传导速度减慢[18]；含有无效Cx40等位基因的小鼠心房的传导速度变慢，而对于心室则无影响[19]。另有研究显示，在剔除了Cx40基因的小鼠心电图中出现了延长的P波和延长的PR间期及增宽的QRS波群，这些均表明，Cx40在维持正常心律方面的重要性[20-22]。Paul等[23]的研究发现，在致心律失常性右心室心肌病患者心肌中Cx40和Cx45的表达显著减少，而Cx43的表达无明显变化。Betsuyaku等[24]通过研究转染Cx45基因的小鼠发现，心室肌过表达Cx45会改变心肌细胞间的电偶联而增加室性心律失常的发生，但并不导致心脏其他功能和结构的改变。Yamada等[25]的研究表明，心力衰竭心脏各种致死性心律失常的发生与Cx43的下调和Cx45的表达上调有密切关系。

4缝隙连接与生物起搏

各种原因导致的缓慢性心律失常在临床上非常常见，包括病态窦房结综合征和房室传导阻滞，均严重影响心脏的射血功能，威胁患者的生命安全。目前对于缓慢性心律失常的治疗主要是植入电子起搏器，而电子起搏器仍存在许多缺点，如出血、感染、穿孔、电池寿命有限，不能随着人的情绪波动自行调节等。因此，利用细胞生物学技术构建生物起搏越来越成为该领域的研究热点。已有许多实验成功地在体外将胚胎干细胞、骨髓干细胞或心肌干细胞定向诱导分化为具有起搏功能的起搏细胞[26-29]。Tong等[30]通过在大鼠间充质干细胞中过表达Cx45构建生物起搏器的模型中发现，所获得的心脏生物起搏器自律性明显提高。推测这可能是由于Cx45和Cx43之间形成了异型缝隙连接通道造成的。Fahrenbach等[31]研究由胚胎干细胞衍变而来的心肌起搏样细胞发现，下调Cx43的表达可增加生物起搏器自发搏动的频率。

5小结

随着人口老龄化的快速发展，心脑血管疾病的发病率呈逐年上升趋势，严重地威胁着人们的健康和生命，深入对心脑血管疾病的研究已刻不容缓。随着对缝隙连接的深入研究，人们在一定程度上逐步认识了缝隙连接与冠心病、心律失常等心脏疾病的关系，为探讨心脏各种疾病的发生、发展以及治疗对策提供了新的理论依据。对于缝隙连接与心脏疾病的具体机制还需要更多的基础及临床研究进一步证实。

参考文献

[1]Decrock E,De Vuyst E,Vinken M,etal.Connexin 43 hemichannels contribute to the propagation of apoptotic cell death in a rat C6 glioma cell model[J].Cell Death Differ，2009,16(1):151-163.

[2]Gutstein DE,Morley GE,Tamaddon H,etal.Conduction slowing and sudden arrhythmic death in mice with cardiac-restricted inactivation of connexin43[J].Circ Res，2001,88(3):333-339.

[3]Kanter HL,Laing JG,Beyer EC,etal.Multiple connexins colocalize in canine ventricular myocyte gap junctions[J].Circ Res，1993,73(2):344-350.

[4]Mese G,Richard G,White TW.Gap junctions:basic structure and function[J].J Invest Dermatol， 2007,127(11):2516-2524.

[5]Zhuo L,Liu Q,Liu L,etal.Roles of 3,4-methylenedioxymethamphetamine (MDMA)-induced alteration of connexin43 and intracellular Ca(2+) oscillation in its cardiotoxicity[J].Toxicology，2013,310:61-72.

[6]Liao CK,Cheng HH,Wang SD,etal.PKCε mediates serine phosphorylation of connexin43 induced by lysophosphatidylcholine in neonatal rat cardiomyocytes[J].Toxicology，2013,314(1):11-21.

[7]Davis LM,Rodefeld ME,Green K,etal.Gap junction protein phenotypes of the human heart and conduction system[J].J Cardiovasc Electrophysiol，1995,6(10 Pt 1):813-822.

[8]Beardslee MA,Lerner DL,Tadros PN,etal.Dephosphorylation and intracellular redistribution of ventricular connexin43 during electrical uncoupling induced by ischemia[J].Circ Res，2000,87(8):656-662.

[9]Greener ID,Sasano T,Wan X,etal.Connexin43 gene transfer reduces ventricular tachycardia susceptibility after myocardial infarction[J].J Am Coll Cardiol，2012,60(12):1103-1110.

[10]王德国.Cx43基因修饰骨髓间充质干细胞移植对心肌梗死大鼠心功能及电生理影响的实验研究[D].南京：南京医科大学,2010.

[11]Zhao Q,Shao L,Hu X,etal.Lipoxin a4 preconditioning and postconditioning protect myocardial ischemia/reperfusion injury in rats[J].Mediators Inflamm，2013,2013:231351.

[12]Goodenough DA,Paul DL.Beyond the gap:functions of unpaired connexon channels[J].Nat Rev Mol Cell Biol，2003,4(4):285-294.

[13]Johansen D,Cruciani V,Sundset R,etal.Ischemia induces closure of gap junctional channels and opening of hemichannels in heart-derived cells and tissue[J].Cell Physiol Biochem，2011,28(1):103-114.

[14]Hawat G,Benderdour M,Rousseau G,etal.Connexin 43 mimetic peptide Gap26 confers protection to intact heart against myocardial ischemia injury[J].Pflugers Arch，2010,460(3):583-592.

[15]顾国萍.Cx30.2、Cx43和Cx45在急性心肌梗死大鼠心脏组织中的表达及阿尔马尔对其影响[D].郑州：郑州大学,2011.

[16]顾长海.缝隙连接蛋白在心肌疾病时的重构及其与运动性心律失常的关系[J].天津体育学院学报,2009,24(6):518-521.

[17]Lubkemeier I,Requardt RP,Lin X,etal.Deletion of the last five C-terminal amino acid residues of connexin43 leads to lethal ventricular arrhythmias in mice without affecting coupling via gap junction channels[J].Basic Res Cardiol，2013,108(3):348.

[18]Verheule S,Van Kempen MJ,te Welscher PH,etal.Characterization of gap junction channels in adult rabbit atrial and ventricular myocardium[J].Circ Res，1997,80(5):673-681.

[19]Verheule S,Van Batenburg CA,Coenjaerts FE,etal.Cardiac conduction abnormalities in mice lacking the gap junction protein connexin40[J].J Cardiovasc Electrophysiol，1999,10(10):1380-1389.

[20]Kirchhoff S,Nelles E,Hagendorff A,etal.Reduced cardiac conduction velocity and predisposition to arrhythmias in connexin40-deficient mice[J].Curr Biol，1998,8(5):299-302.

[21]Hagendorff A,Schumacher B,Kirchhoff S,etal.Conduction disturbances and increased atrial vulnerability in Connexin40-deficient mice analyzed by transesophageal stimulation[J].Circulation，1999,99(11):1508-1515.

[22]Simon AM,Goodenough DA,Paul DL.Mice lacking connexin40 have cardiac conduction abnormalities characteristic of atrioventricular block and bundle branch block[J].Curr Biol，1998,8(5):295-298.

[23]Paul M,Wichter T,Gerss J,etal.Connexin expression patterns in arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy[J].Am J Cardiol，2013,111(10):1488-1495.

[24]Betsuyaku T,Nnebe NS,Sundset R,etal.Overexpression of cardiac connexin45 increases susceptibility to ventricular tachyarrhythmias in vivo[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol，2006,290(1):163-171.

[25]Yamada KA,Rogers JG,Sundset R,etal.Up-regulation of connexin45 in heart failure[J].J Cardiovasc Electrophysiol，2003,14(11):1205-1212.

[26]Jun C,Zhihui Z,Lu W,etal.Canine bone marrow mesenchymal stromal cells with lentiviral mHCN4 gene transfer create cardiac pacemakers[J].Cytotherapy，2012,14(5):529-539.

[27]于风旭，方易冰，刘炫，等.重组慢病毒介导超极化激活的环核苷酸门控阳离子通道4基因转染BMSCs的实验研究[J].中国修复重建外科杂志，2013,27(12):1512-1516.

[28]Hashem SI,Claycomb WC.Genetic isolation of stem cell-derived pacemaker-nodal cardiac myocytes[J].Mol Cell Biochem，2013,383(1/2):161-171.

[29]Zhang J,Huang C,Wu P,etal.Cardiac stem cells differentiate into sinus node-like cells[J].Tohoku J Exp Med，2010,222(2):113-120.

[30]Tong M,Yang XJ,Geng BY,etal.Overexpression of connexin 45 in rat mesenchymal stem cells improves the function as cardiac biological pacemakers[J].Chin Med J(Engl)，2010,123(12):1571-1576.

[31]Fahrenbach JP,Ai X,Banach K.Decreased intercellular coupling improves the function of cardiac pacemakers derived from mouse embryonic stem cells[J].J Mol Cell Cardiol，2008,45(5):642-649.

The Research Progress of Gap Junctions and Heart DiseasesLINGuo-wei，ZHANGJun.(DepartmentofCardiology,NorthSichuanMedicalCollegeAffiliatedHospital，Nanchong637000，China)

Abstract：Gap junction is a special membrane channel between adjacent cells,which connects cytoplasm,mediates electrochemical signals between the adjacent cells.More and more studies have shown that gap junctions is closely associated with the occurrence,development and treatment of all kinds of heart disease.In-depth understanding of targeted therapy for gap junction protein,may provide a new train of thoughts for the treatment of various heart disease.Here is to make a review of the research progress of the correlation between gap junction and heart diseases in recent years.

Key words:Coronary heart disease; Gap junction; Gap junction protein; Arrhythmia

收稿日期：2014-10-27修回日期：2015-02-06编辑：郑雪

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.17.015

中图分类号：R543.3； R331.38

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)17-3110-04