縫隙連接/連接蛋白重構在心臟疾病發病中的作用研究進展

王學惠，劉善庭

(1新鄉醫學院第一附屬醫院，河南新鄉453100；2鄭州大學臨床醫學系)

?

縫隙連接/連接蛋白重構在心臟疾病發病中的作用研究進展

王學惠1，劉善庭2

(1新鄉醫學院第一附屬醫院，河南新鄉453100；2鄭州大學臨床醫學系)

縫隙鏈接(GJ)是心肌細胞之間連接的主要方式，主要存在于閏盤處。連接蛋白43(Cx43)是構成心室GJ的主要結構蛋白。GJ/Cx43重構包括GJ結構受損、數量減少、分布改變及Cx43表達改變。GJ重構是心臟重構的重要組成部分，是心肌梗死、心力衰竭等多種心臟疾病的共同分子特征，與胚胎心臟發育、心律失常、心衰惡化、猝死等密切相關。GJ有望成為心力衰竭治療的新靶點。

縫隙鏈接；連接蛋白；心臟重構；心臟疾病；心力衰竭；心律失常

縫隙連接(GJ)是心肌細胞之間連接的主要方式，主要存在于閏盤處。GJ在相鄰的兩個細胞間形成一個低電阻通道，在細胞間耦聯起重要作用，并為細胞間電傳導和化學傳導提供物質基礎。GJ由相

鄰細胞膜上兩個連接子對接組成，其中每個連接子由6個亞單位-連接蛋白(Cx)六聚體圍繞一個中央水性孔道構成[1]。哺乳動物心肌組織中的Cx家族成員主要有三種，分別為Cx40、Cx43和Cx45[1～3]。成年人心室工作心肌細胞的GJ主要包含Cx43，呈簇狀顆粒位于細胞兩端的閏盤處[2]。閏盤由橋粒、黏附膜和GJ組成[4]。橋粒、黏附膜位于心肌細胞的垂直面，而大部分GJ與細胞縱向平行，一些體積較大的GJ環繞于閏盤周圍[1]。GJ的這種分布特征，使沖動沿細胞的縱軸傳播，形成正常心肌細胞的各向異性的傳播模式[2]。GJ形成的細胞間電傳導通路具有傳導速度快、低電阻和延擱時間短特點，保證心臟整體活動的協調性和同步性[3]。近年來研究表明，心律失常的發生不僅與心肌細胞興奮性異常有關，還與細胞間電耦聯障礙有密切聯系[4,5]。大部分心血管疾病發展到晚期階段進展為心力衰竭(后簡稱心衰)。心衰時不但發生心肌組織的重構，GJ也發生了明顯的改變。GJ/Cx43重構包括GJ結構受損、數量減少、分布改變及Cx43表達改變。GJ重構是心臟重構的重要組成部分，與心衰時心律失常的發生及心功能的惡化密切相關。現就GJ/Cx43重構在心臟疾病發病中的作用研究進展做一綜述。

1 GJ/Cx43重構在缺血性心肌病、心肌肥厚、心衰發病中的作用

構成心室肌的縫隙連接蛋白主要為Cx43。多項研究發現在缺血性心肌病、心肌肥厚及心衰的發病過程中伴隨著GJ/Cx43的重構。正常情況下，心室肌細胞間端-端相鄰部位GJ/Cx43明顯多于側-側相鄰的部位。GJ/Cx43重構主要表現為在疾病狀態下GJ出現連續性中斷、內在化、側緣化等，Cx43在基因轉錄水平及蛋白水平表達量均下降，Cx43磷酸化水平降低。

研究表明，心肌梗死后GJ/Cx43發生重構現象。Matsuahita等[6]利用急性缺血大鼠模型研究發現，結扎左冠狀動脈前降支6～12 h后，梗死區Cx43表達顯著減少，分布紊亂無序，梗死邊緣區Cx43表達下降，分布紊亂；24～48 h 后，邊緣區Cx43表達急劇下降(不足對照組的5%)；Cx43表達水平在8～15 d 后恢復至正常，60 d后又逐漸下降。Kaprielian等[7]對缺血性心肌病患者的冬眠心肌進行心肌活檢發現，GJ數目較正常組減少了23%，Cx43表達量則下調了32.6%，提示GJ/Cx43改變使沖動傳導異常與冬眠心肌電-機械功能受損密切相關。Beardslee等[8]利用Langendorff裝置研究大鼠缺血/再灌注心臟模型，發現正常情況下心肌中Cx43都是磷酸化狀態的。進行缺血處理時，Cx43出現脫磷酸化，隨缺血時間延長，脫磷酸化的Cx43比例增加。再灌注時，磷酸化Cx43的表達升高，隨之心肌細胞功能逐漸恢復。由此得出，缺血導致的解偶聯與Cx43的脫磷酸化作用、GJ內非磷酸化Cx43的累積以及Cx43從GJ到胞內轉移均相關。

心肌肥厚是左室重構的重要特征，在左室由代償性肥大向失代償性肥大轉變過程中，GJ/Cx43有一定變化。Kostin等[9]指出在主動脈狹窄患者，Cx43在代償期表達上調是心臟對負荷增加的應激反應，而在失代償期表達下調及分布異質性改變是適應性不良，這在心衰及室性心律失常的發生中起到重要作用。Formigli等[10]研究容量超負荷心衰豬模型，也得出相似的結論。Hesketh等[11]從細胞水平及亞細胞水平研究GJ的形態、結構及分布，研究對象為犬心衰模型，電鏡下觀察發現心室肌GJ出現結構受損、分布不規則、邊緣化及內在化；Cx43表達下調，分布紊亂，在細胞側膜及胞質內表達增多，與電鏡結果相符，得出心衰時GJ的內在化及降解是GJ重構的表現形式之一。Dupont等[12]也證實原發病為擴張性心肌病的晚期心衰患者，左心室心肌中Cx43 mRNA及蛋白表達均下調。我們近期研究容量超負荷心衰大鼠左室心肌GJ/Cx43重構，用透射電鏡觀察GJ的超微結構顯示心衰時GJ結構受損，部分結構溶解消失，連續性中斷，電子密度降低；Cx43的分布模式發生了明顯改變，不再集中于細胞兩端的閏盤處，而是散在分布于細胞的側面和胞質內；Cx43表達總量明顯下降[13]。

上述研究表明，在心臟重構過程中，GJ出現空間結構、分布及數量的改變，Cx43表達、分布與GJ一致，GJ/Cx43重構伴隨著心臟疾病的發生發展，是多種心血管疾病的典型特征。

2 GJ/Cx43重構在室性心律失常發病中的作用

Cx43表達異常與室性心律失常的發生密切相關，心室肌Cx43嚴重缺乏能導致心律失常甚至猝死。Vaidya等[14]研究了Cx43純合子基因敲除(Cx43-/-)小鼠心室肌的電生理特性，發現在交配后17.5 d時，心室肌電傳導速度明顯減慢，證明Cx43與心臟胚胎發育中電傳導功能有關，且其對新生小鼠正常心律的維持起著至關重要的作用。Lerner等[15]制作Cx43雜合子基因敲除(Cx43+/-)小鼠急性缺血模型，心室肌Cx43的表達量為Cx43+/+小鼠的50%，發現與Cx43+/+小鼠相比，Cx43+/-小鼠更易發生室性心律失常，而且持續時間更久。QTc是心室除極到復極的電位變化時程，是評估心室收縮同步化的重要指標。心力衰竭時延長的QTc是其特征性改變，能增加心律失常的易感性。近來研究表明，延長的QTc與心衰時惡性心律失常的發生密切相關，并與左室收縮功能下降的指標呈負相關[16]。Kirchhoff等[17]報道，Cx43+/-小鼠，表現為心肌細胞傳導異常及心電圖出現QTc延長。我們的研究結果也顯示心衰大鼠的QTc較對照組明顯延長，伴隨著Cx43表達下調及分布模式異常及心功能下降。

Cx43表達異質性的改變易引起折返性心律失常的發生。心肌梗死后易于發生心律失常，尤其是室性惡性心律失常，室性心動過速是導致患者發生梗死后猝死的主要原因，梗死邊緣區形成的折返環路是室性心動過速的結構基礎，而GJ重構是折返環形成的解剖學基礎。正常Cx43主要表達于細胞端-端連接處，在側-側連接處表達很少，這有助于保證沖動沿細胞縱軸傳導且傳導速度快于橫軸；而Cx43表達的再分布表現為端-端連接處表達大量丟失，側-側連接處表達增加，會使沖動出現“Zig-Zig”傳導，易于形成折返[4]。Cabo等[18]制作了心肌梗死犬模型，發現在心肌梗死邊緣區Cx43表達明顯下調，同時在該區檢測到折返環，并應用計算機模擬研究發現，Cx43呈異質性分布，使梗死邊緣區折返環穩定，易于發生室性心動過速。

心衰時Cx43表達異常與心衰時心律失常高易發性密切相關。心臟負荷增加時，機體產生一系列代償機制，心肌肥厚、交感神經及腎素-血管緊張素系統(RAAS)系統興奮，但各種代償最終產生負面影響，加重心臟重構，導致心衰發生。有研究發現GJ的異質性重構導致心室肌非合胞體性收縮，Cx蛋白的破壞可以引起惡性心動過速，這是引起心衰患者死亡的主要原因。Akar等[19]研究起搏誘發的犬心衰模型，結果顯示模型組心室肌細胞的傳導速度減慢，心臟易于發生多形性室速。Cx43出現由閏盤到細胞邊緣處的再分布，Cx43磷酸化程度明顯下調，得出Cx43表達異常是心衰時心律失常發生的病理生理基礎。Boulaksil等[20]在對小鼠和心衰患者的研究中也得出相似結論：在伴或不伴有室性心動過速(簡稱室速)的心衰患者中，Cx43表達量無明顯差異，但Cx43表達異質性增強。

3 GJ/Cx43重構在心肌收縮力及心功能下降發生中的作用

由Cx43組成的GJ在心室組織中大量表達，其具有低電阻、高轉導的特點，使得心臟成為一個功能性合胞體同步收縮。GJ/Cx43重構使心臟失去合胞體式同步收縮，泵血功能下降。Cx43表達異常與心功能下降亦明顯相關。Gutstein等[21]觀察了Cx43-/-嵌合子小鼠心臟的電生理特性，結果顯示心臟GJ/Cx43非均質性表達導致區域性心肌傳導減慢，易于發生室速，同時伴有心肌收縮功能下降。心衰時GJ重構和Cx43表達異常導致心肌細胞間電耦聯障礙，進一步引起心室肌非同步收縮及收縮功能下降、心功能惡化。

Kimura等[22]培養新生大鼠心室肌細胞，發現阻斷GJ能引起細胞中Ca2+電流變化的非同步，同時導致細胞非同步收縮。心臟收縮不同步時，滯后的心肌收縮時室壁張力增加，引起室壁不斷擴張，導致心力衰竭。Akar等[19]報道，在心衰發展過程中，GJ/Cx43重構引起心室肌電傳導速度減慢，導致左室舒張末壓降低，提示心衰時GJ重構可使心功能惡化。肌漿網轉運Ca2+功能下降是心衰發生的重要環節，而Chu等[23]研究發現，單純增加肌漿網鈣泵表達可加強Ca2+轉運功能，卻不能阻止動物模型發生心衰，主要原因是心衰時Cx43表達下調、Cx43脫磷酸化和重新分布導致心肌細胞間GJ失耦聯。

目前，臨床上抗心律失常治療主要應用抗心律失常藥，但抗心律失常藥大多都有嚴重不良反應，主要為致心律失常作用。因此，臨床上迫切需要新的抗心律失常藥物出現。抑制GJ/Cx43重構，能恢復心肌細胞間電耦聯，改善沖動在細胞間傳導，使心臟電活動趨于同步，減少心律失常發生，進一步使收縮同步，改善心功能。Iravania等[24]研究表明，抑制RAAS能上調Cx43表達，縮短QRS及QTc，改善心肌電重構，同時降低室性心律失常發生的易感性，減少猝死發生。Liu等[25]在兔心衰模型的研究中發現，抑制氧化應激導致的Cx43下調能改善電重構，縮短QRS，減少心律失常發生。Sovari等[26]也得出類似結論。Xie等[27]報道，心衰患者心功能改善與QT/QTc縮短有關，逆轉GJ/Cx43重構可縮短QT/QTc、恢復心臟機械收縮同步性從而改善心功能。Greener等[28]栓塞豬前降支制備心肌梗死模型，用轉基因技術提高梗死邊緣區Cx43的表達，發現轉基因組心肌細胞傳導速度明顯提高，只有40%易于誘發室性心動過速，而對照組100%易于誘發室性心動過速。由此得出上調梗死邊界Cx43表達量可以降低室性心動過速易感性。

1880年Aonuma等從牛心房中分離出一種肽類物質可明顯改善心肌細胞簇的節律性，因而將其命名為抗心律失常肽(AAP)。AAP抗心律失常的機理為改善細胞間的耦聯，加快動作電位在細胞間的傳導，使心肌細胞間的電活動趨向一致化。Muller等[29]研究表明，AAP10可增加離體豚鼠心肌細胞間GJ電傳導性，加強細胞間的耦聯。Jennifer等[30]發現AAP10主要通過PKC通路經Cx43改善細胞間代謝耦聯，而對Cx40的作用很小。由于AAP只改善細胞間傳導，對心肌細胞膜離子通道及細胞本身電生理特性沒有影響，所以不會產生致心律失常作用，亦不會使原有的心律失常惡化。因此，以GJ為靶點的抗心律失常藥的研究應用，將為心律失常的防治提供新的方向。

[1] Sohl G, Willecke K. Gap junctions and the connexin protein family[J]. Cardiovasc Res, 2004,62(2):228-232.

[2] Nielsen MS, Axelsen LN, Sorgen PL, et al. Gap junctions[J]. Compr Physiol, 2012,2(3):1981-2035.

[3] 梁慶,吉進,李玉光.縫隙連接、連接蛋白43及其與心律失常的關系[J].中國心血管雜志,2006,11(1)：59-61．

[4] Ponnaluri AV, Perotti LE, Liu M, et al. Electrophysiology of Heart Failure Using a Rabbit Model: From the Failing Myocyte to Ventricular Fibrillation[J]. PLoS Comput Biol, 2016,12(6):e1004968.

[5] Patel PM，PlotnikoVA，Kanagaratnam P, et al. Altering ventricular activation remodels gap junction distribution in canine heart[J].J Cardiovas Electriphysiol, 2001,12(5):570-577.

[6] Matsuahita T, Oyamada M, Fujimoto K, et al. Remodeling of cellcell and cell-extracellular matrix interactions at the border zone of rat myocardial infarcts[J]. Cire Res, 1999,85(11):1046-1055．

[7] Kaprielian RR, Gunning M, Dupont E, et al. Downregulation of immuno-detectable connexin43 and decreased gap junction size in the pathogenesis of chronic hibernation in the human left ventricle[J]. Circulation, 1998,97(7):651-660.

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

[9] Kostin S, Dammer S, Hein S, et al. Connexin 43 expression and distribution in compensated and decompensated cardiac hypertrophy in patients with aortic stenosis[J]. Cardiovas Res, 2004,62(2):426-436.

[10] Formigli L, Ibba-Manneschi L, Perna AM, et al. Altered Cx43 expression during myocardial adaptation to acute and chronic volume overloading[J]. Histol Histopathol, 2003,18(2):359-369.

[11] Hesketh GG, Shah MH, Halperin VL, et al. Ultrastructure and Regulation of Lateralized Connexin43 in the Failing Heart[J]. Circ Res, 2010,106(6):1153-1163.

[12] Dupont E, Matsushita T, Kaba RA, et al. Altered connexin expression in human congestive heart failure[J]. J Mol Cell Cardiol, 2001,33(2):359-371.

[13] Wang XH, Zhuo XZ, Ni YJ, et al. Improvement of cardiac function and reversal of gap junction remodeling by Neuregulin-1β in volume-overloaded rats with heart failure[J]. J Geriatric Cardiol, 2012,9(2):172-179.

[14] Vaidya D, Tamaddon HS, Lo CW, et al. Null mutation of connexin43 causes slow propagation of ventricular activation in the late stages of mouse embryonic development[J]. Circ Res, 2001,88(11):1196-1120.

[15] Xie RQ, Cui W, Liu F, et al. Statin therapy shortens QTc, QTcd, and improves cardiac function in patients with chronic heart failure[J]. Int J Cardiol, 2010,140(2):255-257.

[16] Kirchhoff S, Kim JS, Hagendorff A, et al. Abnormal Cardiac Conduction and Morphogenesis in Connexin40 and Connexin43 Double-Deficient Mice[J]. Circ Res, 2000,87(5):399-405.

[17] Lerner DL, Yamada KA, Schluessler RB, et al. Accelerated onset and increased incidence of ventricular arrhythmias induced by ischemia in Cx43-deficient mice[J]. Circulation, 2000,101(5):547-552.

[18] Cabo C, Boyden PA. Heterogeneous gap junction remodeling stabilizes reentrant circuits in the epicardial border zone of the healing canine infarct: a computational study[J]. Am J Physiol Heart Circ Physiol, 2006,291(6):2606-2616.

[19] Akar D, Spragg DD, Tunin RS, et al. Mechanisms underlying conduction slowing and arrhythmogenesis in nonischemic dilated cardiomyopathy[J]. Circ Res, 2004,95(7):717-725.

[20] Boulaksil M, Stephan Winckels KG, Engelen MA, et al. Heterogeneous Connexin43 distribution in heart failure is associated with dispersed conduction and enhanced susceptibility to ventricular arrhythmias[J]. Eur J Heart Fail, 2010,12(9):913-921.

[21] Gutstein DE, Morley GE, Vaidya D, et al. Heterogeneous expression of gap junction channels in the heart leads to conduction defects and ventricular dysfunction[J]. Circulation, 2001,104(10):1194-1199.

[22] Kimura H, Oyamaa Y, Ohshika H, et al. Reversible inhibition of gap junctional intercellular communication, synchronous contraction, and synchronism of intracellular Ca2+fluctuation in cultured neonatal rat cardiac myocytes by heptanol[J]. Exp Cell Res, 1995, 220(2):348-356.

[23] Chu GX, Carr AN, Young KB, et al. Enhanced myocyte contractility and Ca2+handling in a calcineurin transgenic model of heart failure[J]. Cardiovas Res, 2002,54(1):105-116.

[24] Iravanian S, Sovari AA, Lardin HA, et al. Inhibition of renin-angiotensin system (RAS) reduces ventricular tachycardia risk by altering connexin43[J]. J Mol Med, 2011,89(7):677-687.

[25] Liu Y, Huang H , Xia WF, et al. Inhibition of NADPH oxidase up-regulates connexin 43 and ameliorates electrical remodeling in rabbits with heart failure[J]. Biomed Pharmacother, 2011, 1(1):33-38.

[26] Greener ID, Sasano T, Wan X, et al. Connexin43 gene transfer reduces ventricular tachycardia susceptibility after myocardial infarction[J]. J Am Coll Cardiol, 2012,60(12)：l103-1110.

[27] Sovari AA, Iravanian S, Dolmatova E, et al. Inhibition of c-Src tyrosine kinase prevents Agiotensin II-mediated connexin-43 remodeling and sudden cardiac death[J]. J Am Coll Cardiol, 2011,58(22):2332-2339.

[28] Xie RQ Cui W, Liu F, et al. Statin therapy shortens QTc, QTcd, and improves cardiac function in patients with chronic heart failure[J]. Int J Cardiol, 2010,140(2):255-257.

[29] Muller A, Gottwald M, Tudyka T, et al. Increase in gap junction conductance by all antiarrhythmic peptide[J]. Eur J Pharmacol, 1997,327(1):65-72.

[30] Jennifer A, Jorgen SA, Patricia EP, et al. The anti-arrhythmic peptide AAP10 remodels Cx43 and Cx40 expression and function[J]. Naunyn-Schmied Arch Pharmacol, 2009,380(1):11-24.

河南省基礎與前沿技術研究計劃項目(142300410191)。

10.3969/j.issn.1002-266X.2016.39.036

R54

A

1002-266X(2016)39-0106-04

2016-07-06)