小电导钙激活钾离子通道对心房颤动的影响*

齐苗苗 钱玲玲 王如兴

一些研究已经证实,在人类和其他哺乳动物的心房中,小电导钙激活钾离子(SK)通道的表达明显高于心室[1－3]。SK通道药理调节剂在心房复极和心房颤动(简称房颤)的发生中起重要作用[4－5]。基因组相关性分析表明SK通道的变异与孤立性房颤的发生密切相关[6]。这些研究发现为房颤的治疗开辟了新的视角,即SK通道可能是房颤治疗的潜在靶点。笔者综述SK通道的特性、功能、调控以及对房颤发生的影响。

1 SK通道

SK通道首先在中枢神经系统中报道,随后发现在其他组织细胞,包括内皮细胞、平滑肌细胞、血细胞和上皮细胞等均有存在[7]。Köhler等[8]最早克隆出了SK通道基因,并发现SK通道在体内广泛表达。蜂毒明肽(apamin)是一种多肽蜂毒,也是SK通道的特异性抑制剂。与SK通道结合后,蜂毒明肽抑制细胞超极化[9]。

1.1 SK通道的结构和生理特征 SK通道包含SK1、SK2和SK3三个主要亚型,其中SK1由KCNN1基因编码,SK2由KCNN2编码,SK3由KCNN3编码。在这三种亚型中,SK1对蜂毒明肽最不敏感(EC50～10 n M),SK3对蜂毒明肽中度敏感(EC50～1 n M),SK2对蜂毒明肽最敏感(EC50～40 p M)。SK通道是非电压依赖性的钾离子通道,细胞内钙离子(Ca2＋)增多可激活SK通道,使钾离子外流,细胞膜电位发生改变[10]。SK通道的亚基由6个跨膜结构域(S1-S6)和位于S5和S6之间的单个孔环组成(图1)。SK通道的N末端和C末端均位于细胞质内,4个亚基围绕一个中心孔以同源或异源四聚体的形式组成一个功能通道。在表达多个SK亚型的细胞中,SK通道通常由异源四聚体构成[11]。位于SK通道亚基C末端的卷曲螺旋结构介导了亚基之间的相互作用和组装[12]。钙调蛋白结合域(CaMBD)位于SK亚基C末端的近端区域,是一个由92个氨基酸组成的高度保守序列。Ca MBD是Ca2＋结合蛋白钙调蛋白(Ca M)结合位点。Ca2＋与Ca M结合后,SK通道的构象发生改变,通道激活,导致钾离子外流。

图1 SK通道的结构和相互作用

已有研究证实以下几种细胞骨架蛋白直接与SK2通道相互作用,包括α-辅肌动蛋白2、肌球蛋白轻链2和细丝蛋白A。α-辅肌动蛋白2和肌球蛋白轻链2与SK通道的C末端相互作用,而细丝蛋白A与N末端相互作用[13]。Lu等[14]发现在心房肌细胞中,SK2通道通过一个物理连接桥α-辅肌动蛋白2与L型Ca2＋通道联系,且L型Ca2＋通道的表达影响心房肌细胞SK2通道的功能。Zhang等[15]发现心室肌细胞中SK2通道、Cav1.2 Ca2＋通道和兰尼碱受体2在空间上紧密分布,表明这些通道之间存在空间关系。这项研究表明,兰尼碱受体2释放的Ca2＋和经由Ca2＋通道进入细胞内的Ca2＋产生了一个钙微域,是SK通道激活的必需。这些研究表明心肌细胞内外钙离子和钾离子之间存在平衡,一旦失去平衡,心肌细胞将发生电重构,导致心肌细胞功能障碍。

1.2 SK通道对心房肌细胞电生理的作用 Li等[16]报道在SK2通道基因敲除的小鼠模型中,动作电位时程(APD)显著延长,房颤易感性增加。APD的延长主要发生在SK2基因敲除小鼠的心房肌细胞复极晚期。但与野生型同窝小鼠相比,突变小鼠的心室肌细胞APD没有显著差异。研究表明,与心室肌细胞相比,SK2通道在心房肌细胞中高度表达。与之相对,过表达SK3通道的突变小鼠模型显示,在心房肌细胞中复极化90%的APD(APD90)明显缩短。在饮食中加入强力霉素后,SK3通道的表达下调,突变小鼠的心房肌细胞APD90明显延长。研究还发现SK3过表达的小鼠发生房颤的可能性更高[17]。APD的缩短或延长均可促进房性心律失常的发生。

Hsueh等[18]报道SK通道的抑制剂蜂毒明肽和UCL1684均可延长离体犬左房心肌细胞的APD。阻滞SK通道可增加APD的异质性从而促进心律失常的发生。Qi等[5]通过快速心房起搏建立犬心房重构模型,并运用膜片钳实验技术进行研究,发现快速心房起搏可增加SK通道的电流密度和开放概率。且与左房心肌细胞相比,犬肺静脉肌袖中的细胞SK通道的表达和电流密度显著增加。使用SK通道抑制剂NS8593抑制SK通道后,SK电流减少,APD延长,房颤持续时间缩短。SK通道抑制剂在正常结构的心房中促进心律失常的发生,而在轻度重构的心房中发挥抗心律失常的作用。SK通道抑制剂促心律失常的作用主要是通过延长APD,从而触发房内折返的发生,而抗心律失常作用则是通过终止折返,从而阻止房颤发生后的维持[19]。

Yu等[20]研究发现慢性房颤患者心房肌细胞中SK1和SK2表达降低,导致慢性房颤患者的心肌电重构。同样,Skibsbye等[21]发现,与窦性心律患者相比,慢性房颤患者的心房组织中SK2和SK3的mRNA的表达降低了约50%。SK通道抑制剂ICAGEN和NS8593降低了窦性心律患者离体心房肌细胞的内向整流钾离子流电流,这种阻滞呈浓度依赖性,且ICAGEN对SK通道显示出更高选择性。两种抑制剂还延长了窦性心律患者心房肌细胞的APD。但是,房颤患者心房肌细胞的APD在低浓度的ICAGEN中不受影响,这与重构的房颤患者心房肌细胞中SK通道表达下调一致。最近,Shamsaldeen等[22]报道,人心房肌细胞表达两种SK通道,同源SK2和异源SK2及SK3。异源SK2-SK3通道在形成动作电位中起关键作用。异源SK2-SK3通道对蜂毒明肽不敏感,但UCL1684可使其阻滞,提示心房动作电位仅受UCL1684影响,而不受蜂毒明肽影响。该现象同样存在于小鼠心房细胞中。以上所有研究均支持SK通道不仅在哺乳动物心房肌细胞的复极化中起关键作用,而且在人心房肌细胞的复极化中也起着至关重要的作用。此外,SK通道抑制剂对重构的心房具有保护作用,从而为房颤的治疗开辟了新思路。

在中国和欧洲人群中,位于染色体1q21上的KCNN3基因的rs13376333单核苷酸多态性与房颤的发生相关[23]。而且,KCNN3基因表达的重要调节因子miRNA-499在房颤患者的心房中上调了2.33倍,导致SK3蛋白表达下调46%[24]。与基因组相关研究的结果一致,Mahida等[25]发现SK3通道的过表达增加了猝死的发生率,主要与心脏传导阻滞和心动过缓相关。

2 SK通道的调节

SK通道的调节包括门控调节和转运调节,门控调节是SK通道的激活和失活,转运调节改变细胞膜上的通道密度。SK通道的功能取决于通道的开放及其在细胞膜上的数量。进一步揭示SK通道调节的分子机制将会增加我们对心房肌细胞复极化的认识,并为研究用于治疗房颤的高选择性和高效的SK通道调节剂提供帮助。

2.1 门控调节 SK通道是非电压依赖性的离子通道,仅被细胞内钙离子激活。Xia等[26]首先证明Ca2＋与Ca M结合会激活SK通道。Ca MBD是Ca M的结合位点。天然SK通道是多蛋白复合物。两种细胞骨架蛋白,蛋白磷酸酶2A和蛋白激酶酪蛋白激酶Ⅱ,在SK通道的C末端和N末端形成复合物,并通过Ca M在苏氨酸80位点的磷酸化和去磷酸化调节SK通道对细胞内Ca2＋的敏感性,磷酸化时降低对细胞内Ca2＋的敏感性,促进通道失活,去磷酸化时增加对细胞内Ca2＋的敏感性,增加SK电流[27]。

SK2通道与L型Ca2＋通道密切关联,主要通过L型Ca2＋通道与细胞骨架蛋白α-辅肌动蛋白2相互作用。SK2通道的功能很大程度上取决于SK2和Cav1.3的共定位。SK通道和Ca2＋通道的联系表明SK通道的激活需要Ca2＋通道的开放。NMDA受体也通过与α-辅肌动蛋白2的直接相互作用而锚定在肌动蛋白细胞骨架上。在树突棘中SK通道的激活抑制NMDA受体和L型Ca2＋通道介导的Ca2＋的流入。这些研究结果表明,Ca2＋通道和K＋通道之间存在反馈回路,这为细胞发挥正常生理功能提供了条件。

此外,SK通道的S6跨膜结构域中带电的内孔残基对SK通道电导、内向整流和门控动力学起着重要作用。带电的残基还影响SK通道的固有开放概率以及SK通道对Ca2＋的敏感性。

最近,Fan等[28]发现了房颤患者SK电流增加,但SK通道的m RNA和蛋白表达降低。这种矛盾的现象主要是由于在Thr287处通过自身磷酸化激活了Ca2＋/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ,从而增加了SK通道的钙敏感性,并导致房颤患者的SK电流增加。SK通道的激活不仅依赖于细胞内Ca2＋,还依赖于SK通道对Ca2＋的敏感性。

2.2 转运调节 SK通道的生理功能主要取决于其转运至细胞膜特定位置的数量。Adelman等[29]采用基因突变破坏SK2通道中Ca M和Ca MBD之间的相互作用,发现与Ca M的相互作用是SK通道表达的必要条件,且不依赖于Ca2＋。细胞内Ca2＋不仅在调节SK通道门控中起重要作用,而且还调节SK通道在细胞膜上的表达。细胞内Ca2＋的减少导致SK2通道在细胞膜上的表达减少。在兔肺静脉中,通过心房起搏可增加细胞内Ca2＋诱导SK通道向细胞膜的转运并延长心房肌细胞APD[3]。Roncarati等[30]发现SK3通道的C末端参与SK的膜运输和亚基组装,而N末端参与从内质网到高尔基复合体的早期转运。Jones等[31]首先报道细胞内S4-S5环上的赖氨酸在SK通道膜转运过程中起重要作用。

SK通道的运输还取决于与细胞骨架蛋白(包括α-辅肌动蛋白2、肌球蛋白轻链2和细丝蛋白A)的相互作用。细胞骨架蛋白α-辅肌动蛋白2在确定SK2通道在细胞膜上的定位中起着至关重要的作用。SK2还可以通过内吞循环回到细胞膜表面。细丝蛋白A增强SK2通道的细胞膜表达。细胞骨架蛋白α-辅肌动蛋2可能通过减少逆行运输途径并增强早期内体的循环而促进SK向细胞膜表面运输[32]。肌球蛋白轻链2对于细胞膜运输和正确的SK2通道定位也是必需的。Li等[33]最近发现2型囊泡相关膜蛋白促进心房SK2通道的运输和功能。此外,快速起搏可上调2型囊泡相关膜蛋白的表达,从而增加了培养新生乳鼠心房肌细胞中SK2的表达。

3 SK通道抑制剂治疗房颤的潜在作用

由于SK通道抑制剂具有延长APD和减少折返发生的作用,因此在房颤模型中表现为抗心律失常作用。蜂毒明肽是SK通道的变构抑制剂,它可以阻滞SK通道的所有亚型。除蜂毒明肽外,还发现了几种具有不同SK通道抑制机制的小分子化合物。例如,NS8593和AP14145通过降低Ca M对细胞内Ca2＋的敏感性来调节通道功能,而UCL1684和ICA则阻滞SK通道的孔结构。

关于SK通道抑制剂对房颤发生的影响存在不同的研究结果。Hsueh等[18]使用光学测绘技术证实蜂毒明肽和UCL1684对离体犬左房具有促心律失常作用,表现为心房肌细胞APD异质性增加；而Diness等[34]在大鼠、豚鼠和兔的房颤模型上使用UCL1684、ICA和NS8593三种不同SK通道抑制剂,发现SK通道抑制剂可通过延长心房有效不应期而终止了房颤,但不影响心电图QT间期。在急性起搏诱导的大鼠房颤模型中,SK通道抑制剂的抗心律失常作用与有效不应期延长有关。NS8593的应用减少了房颤的持续时间,且效应呈剂量依赖型,最低有效剂量为1.5 mg/Kg。此外,NS8593还可以终止急性起搏诱导的房颤并减少房颤的易感性和持续时间而不影响心室复极和传导[4]。ICA通过抑制SK通道延长APD,并通过直接阻滞SK通道使心房肌膜电位转至进一步去极化状态。同时,通过间接Na＋通道抑制作用减慢传导并降低细胞兴奋性。最近,Skibsbye等[35]发现,在β-肾上腺素和毒蕈碱M2受体激活的大鼠心房中,SK通道抑制剂ICA可延长心房肌细胞APD90和有效不应期,从而发挥抗心律失常作用。

房颤的发生常有一定危险因素,Diness等[34]研究SK通道抑制剂UCL1684和NS8593对老年自发性高血压大鼠的抗心律失常作用。通过快速起搏诱导房颤,UCL1684和NS8593均显著缩短正常和老年自发性高血压大鼠房颤的持续时间,并延长心房有效不应期,且其疗效并未随着年龄增长而降低。糖尿病也是房颤发生的危险因素,在链脲佐菌素诱导的糖尿病小鼠心房中,SK2和SK3表达分别下调了85%和92%,导致动作电位延长并促进了心律失常的发生。但在糖尿病小鼠心房肌中SK2的m RNA表达水平没有降低,表明在糖尿病小鼠中泛素蛋白酶系统激活,泛素蛋白酶系统参与细胞内蛋白质降解。肌肉特异性E3连接酶F-box蛋白32在糖尿病小鼠心房中显著上调。增加的F-box蛋白32与SK2蛋白表达下调有关[36]。二甲双胍在恢复SK通道的电生理特性中起至关重要的作用,二甲双胍增加SK电流和SK3的表达,减少SK2的表达,从而部分恢复SK通道的功能。

此外,联合抑制SK通道和电压门控的Na＋通道可减少房颤持续时间。Kirchhoff等[37]在豚鼠心脏模型上,采用乙酰胆碱和快速起搏诱发房颤,联合使用较低浓度的SK通道和钠通道抑制剂可表现出协同抗心律失常的作用,在抑制剂浓度较低时,不影响心室复极化。与该发现一致的是,Kirchhoff等进一步研究发现SK通道抑制剂ICA联合Ⅲ类抗心律失常药物胺碘酮或多非利特对豚鼠房颤具有协同的治疗作用。当多非利特或胺碘酮与低于有效浓度的ICA联合使用时,房颤的持续时间会减少。研究结果表明,低浓度的SK通道抑制剂与多非利特或胺碘酮的联合使用可以发挥抗心律失常的作用,同时由于不影响QT间期而降低了室性心律失常的发生率。

最近,Diness等[38]报道在猪房颤模型中,SK通道抑制剂AP14145将维纳卡兰无效的房颤恢复为窦性心律。在该模型中,房颤同样由心房快速起搏诱发。AP14145和维纳卡兰均可延长心房有效不应期,并缩短房颤持续时间,但不影响心室复极和血压水平。这项重大发现表明,SK通道抑制剂可能对药物不敏感的持续性房颤具有治疗作用。AP14145是SK2通道和SK3通道的新型变构抑制剂,AP14145可以降低SK通道对Ca2＋的敏感性。AP14145以浓度依赖的方式延长心房有效不应期,但不影响中枢神经系统[39],且SK2通道抑制剂AP30663也可将维纳卡兰无效的房颤转复为窦性心律,并且可预防房颤的再发。AP30663同样显著延长心房有效不应期,但不影响心室复极[40]。

4 小结

SK通道是心房选择性离子通道,与心室相比,主要在心房中表达,在心房复极和房颤发生中起重要作用。SK通道门控和转运调节的机制尽管较复杂,但最近越来越多的研究有望能阐明这些机制。SK通道抑制剂已在人类和动物模型中显示出抗心律失常的作用。然而,在这些动物研究中,房颤多由急性心房起搏诱导,其复杂性与临床房颤发生机制可能不同,故SK通道抑制剂能否转复临床患者的房颤仍有待进一步研究。