鈉離子通道基因多態性與心房顫動易感性的研究進展*

何鳳珍，陳宇晴，周尚蓉，鄧百路 綜述，黃妹丹,劉 莉△,潘興壽 審校

(1.右江民族醫學院，廣西百色 533000；2.右江民族醫學院附屬醫院心內科，廣西百色 533000)

心房顫動(atrial fibrillation，AF)是指電信號隨著竇房結沖動發放而傳導，脈沖不規則地傳導到心室，導致心率加快和收縮不協調，是嚴重的心房電活動紊亂。不規律地激活心室充盈和減少心輸出量，是最常見的心律失常，其可引起心力衰竭和卒中的危險，使住院率、病死率升高，給家庭和社會帶來巨大的經濟負擔。孤立性AF指臨床檢查、心電圖、超聲心動圖和甲狀腺功能檢查所確定的發生于65歲、無血壓、明顯器質性心臟病或甲狀腺功能障礙的患者，其中占AF的11%；繼發性AF的基礎疾病包括結構性心臟病、高血壓、糖尿病，但AF本身也會進行性地導致心房結構重塑[1]。大多數AF患者存在心血管疾病，如高血壓、心力衰竭、糖尿病、瓣膜疾病、心肌缺血、心室功能障礙、腎功能損害、多支冠狀動脈疾病和左心室射血分數較低等基礎疾病[2]。AF的主要發病機制包括心房纖維化、不全收縮、脂肪浸潤、炎癥、血管重塑、局部缺血、離子通道功能障礙和Ca2+缺乏等，各種病因可引起心房發生復雜的病理生理變化，這些變化增強了異位起搏和傳導紊亂，增加心房形成AF的傾向[1]。目前AF病因及發病機制未完全明確，尚缺乏特異性的治療手段。基因突變所致AF是近期研究熱點。近期，國外學者對超過100萬人進行了全基因組關聯研究，發現151個基因與AF有關[3]。關注較多的是鈉離子通道基因多態性。2011年，WILDE等[4]發現鈉離子通道基因突變可引起先天性長QT綜合征(LQTS)、Brugada syndrome(Br S)、傳導障礙和家族性AF等。此外，SHANG等[5]發現抑制心臟鈉電流(cardiac sodium current,INa)可減慢心房傳導速度(atrial -conduction velocity,CV)，其可降低波長，誘導AF的發生。尋找各種途徑去了解AF的發病機制及探討AF早期診斷、早期干預的研究工作具有十分重要的意義。

1 電壓門控鈉離子通道(voltage-gated sodium channels，VGSCs)

VGSCs是細胞膜上形成動作電位的重要組成結構，根據膜電位去極化而改變構象的膜蛋白，可以打開跨膜孔，并向內導入鈉離子以啟動和傳播動作電位，其具有產生復活及瞬時和持續電流的能力[6]。因此，其由β亞基輔助蛋白與α亞單位相互作用，調節門控、細胞定位、細胞內轉運和降解，它傳導引起動作電位去極化的內向INa，對動作電位在心臟中的傳播至關重要，但也影響復極和不應期[7]。它含有保守的電壓敏感和孔隙形成結構域，但它們是相同亞基上的同源四聚體，而不是偽四聚體，這2個結構捕獲了緊閉和開放的狀態，并且可以在單個電壓門控鈉通道中完成關閉-開放-失活的構象循環，并為鈉通道阻滯劑的結合狀態提供了結構基礎[8]。其中心臟鈉離子通道由α亞基和β亞基組成，見圖1。脊椎動物鈉離子通道α亞基是含有離子選擇性的單一多肽鏈(相對分子質量約為260×103)，是功能性亞基。目前可知，其由Nav1.1、Nav1.2、Nav1.3、Nav1.4、 Nav1.5、 Nav1.6、Nav1.7、Nav1.8、Nav1.9等蛋白構成鈉電流通過的孔道，產生動作電位；所有β亞基是細胞黏附分子免疫球蛋白(Ig)結構域家族的成員，是輔助亞基，調節電壓門控性鈉通道，并在控制神經元興奮性方面發揮關鍵作用，由β-1、β-2、β-3和β-4亞單位基因組成[9]。β亞基對α亞基起到輔助調節作用并充當黏附分子。

圖1 心臟鈉離子通道α亞基和β亞基的分子結構

2 心臟鈉通道的α亞基

2.1SCN5A基因多態性與AF SCN5A基因位于3q21人類染色體并編碼心臟鈉通道Nav1.5蛋白，主要存在心肌細胞中，該通道蛋白負責鈉離子內向電流的峰值，影響心房、心室細胞和特殊傳導組織(浦肯野細胞等)的興奮性和傳導、再極化、晚期鈉離子通道[10]。Nav1.5蛋白是由 2 016個氨基酸組成，共有28個外顯子，Nav1.5 的4個結構域是 DⅠ、DⅡ、DⅢ和 DⅣ，分別由連接蛋白鏈接，在每個結構域中有6個跨膜片段(S1～S6)，形成2個胞內環和3個胞外環，其中 S5 和 S6 主要形成中央孔結構域[4]。已知SCN5A基因突變引起氨基酸序列的變化影響鈉離子通道的功能，因此，了解最常見于人類心肌上的SCN5A突變確切序列和功能很重要。SCN5A基因引起AF的新的和罕見的突變比率為6%，其控制啟動心臟動作電位的INa，其突變可分獲得性和失用性[11]。獲得性突變可增加細胞鈉通道，增加興奮性，從而降低動作電位閾值，加速動作電位去極化，進而形成AF心電圖表型[12]。例如，M1851V突變體使電壓依賴曲線轉變為去極化失活，加速0期階段的去極化，加速再激活，增加鈉通道的使用率并增加窗口電流，這些因素增加鈉通道功能從而引起AF的易感性[13]。獲得性突變R1860G可導致INa密度降低70%，引起由穩態失活向持續電流的轉變,延緩動作電位上升速度，持續時間顯著延長，引起AF的發生[14]。MUSAD等[15]在AF患者中發現SCN5A基因H184R變異使心肌細胞中的成纖維生產因子降解可導致穩態失活變成超極化，導致動作電位持續時間延長和細胞膜自發性去極化。SCN5A基因的失用性突變可降低動作電位1期的鈉電流，但可相對增加動作電位2期Ito外流，進而明顯縮短復極時間最后導致平臺期缺失,從而產生2相折返并引起嚴重的心律失常。如SCN5A的突變體R986Q為失用性突變可顯著減少鈉峰電流密度，并使不應期和傳導速度縮短，從而導致AF發生[16]。WATANABE等[17]在AF患者中發現鈉通道α亞基功能缺失引起鈉電流減少，故心臟鈉通道中α亞單位基因SCN5A的突變與AF相關。有學者對125例AF患者進行SCN5A基因篩查，發現9個SCN5A基因SNP位點，即A364S、A29A、F1206F、N1387N、D1818D、H558R、P1089L、R1192Q、M1486I。其中，N1387N和M1486I是新的突變位點。SCN5A-D1275N突變首先在1個患有心房停搏的大型荷蘭家庭中被發現[18]。2017年VANNINEN等[19]學者在有43名成員的芬蘭家庭的DNA中發現13名成員攜帶有SCN5A D1275N突變可能易發生AF，其第1 275個天冬氨酸被天冬酰胺取代。但該研究未分析這個變異的生理物理特性。同年HAYANO等[20]在AF患者中通過電生理分析SCN5A基因突變D1275N引起NaV1.5蛋白表達水平的降低，從而降低INa減少，使動作電位上升速度變慢。具體作用于動作電位哪個平臺期未指出。有關學者進行了針對基因治療的相關研究，如SCN5A Y1103等位基因與心律失常有關，鈉離子阻滯劑美西律可縮短動物模型和成人LQTS 3型的QT間期，該研究結果提出了一種預防性治療的策略，即用阻滯劑來治療晚期去極化[21]。此外，有關研究發現GS967降低了小鼠SCN5A-1798INSD心肌細胞延遲后去極化的振幅，并阻止了觸發電位，故晚鈉電流(INaL)抑制劑GS967可減少復極化異常，在不影響心臟傳導的情況下具有抗心律失常作用[22]。因此，選擇性抑制INaL是一種有希望治療與INaL相關的心臟通道病變的藥理學治療。ZAKRZEWSKA-KOPERSKA等[23]通過全外顯子組測序揭示了SCN5A中的雜合子R222Q突變，經奎尼丁治療后，觀察到室性心律失常顯著降低和心肌功能的改善，其中，奎尼丁主要通過阻斷快速INa和Ito。該案例突出了基因型治療策略價值。這些發現強調了基因靶向治療在發展中的重要性。

2.2SCN10A基因多態性與AF 含有27個外顯子的SCN10A基因可編碼Nav1.8α蛋白，該基因位于人類染色體3p22-24。最近的研究表明，Nav1.8對心臟電生理特性的影響是其對內源性心臟神經節神經元的影響所介導的[24]。已知SCN10A基因突變可增加窗口電流，抑制激活，引起明顯的去極化激活電壓依賴性，主要影響電壓門控性鈉通道驅動動作電位(AP)的上行和傳導[25]。MAIER等[26]使用蛋白質印跡和免疫組織化學發現終末期心力衰竭患者SCN10A明顯上調，這與晚期INa增加、細胞性心律失常和動作電位持續時間延長有關，而在敲除NAv1.8的小鼠中，晚期INa降低，因此細胞內Na+和Ca2+負荷降低，可導致自發性舒張期Ca2+釋放減少，從而抑制細胞心律失常的發生。以往的研究表明，一些SCN10A變異與P波持續時間、PR間期和QRS持續時間的變化相關，增加心室肌細胞的INaL，并加快心內神經元的動作電位放電，并且常見的功能獲得性、功能失用性變異與心臟傳導阻滯和AF有關[27]。如功能獲得性變異體rs6795970可降低SCN10A基因的表達，從而增加鈉通道峰電流和持續電流，使細胞膜快速失活速度減慢[28-30]。SCN10A功能獲得性變異體Y158D、R814H、Y158D-R814H和A1886V與鈉離子峰值電流相關，均可增加窗口電流，并且同一等位基因上的2種變體同時存在時產生的峰值電流顯著增加，峰值電流的幅度接近于每個變量的峰值電流的平均值的總和[31]。也有研究發現Nav1.8選擇性抑制劑可以降低孤立性AF的發生率[32]。但Nav1.8在心律失常中的確切作用仍有很長的路要走。針對SCN10A基因靶向治療，HAN等[33]用一種新的口服生物可利用的Nav1.8的選擇性阻滯劑pf-01247324，并證明在浦肯野神經元和野生型腦脊髓炎的小鼠中表達Nav1.8的基因內，小鼠的運動協調性和小腦樣癥狀得到改善。SCN10A變異與心臟傳導異常和心律失常的關聯需要進一步研究，特別是在其機制基礎方面。靶向Nav1.8的治療策略是否可用于心臟疾病仍有待確定。

3 心臟鈉通道的β亞基

3.1SCN1B基因多態性與AF SCN1B基因位于19q13.1染色體上，目前已知的2個變異體β1和β1B，β1亞基的高度表達增加了α亞基 mRNA和蛋白質水平，從而增加INa密度，其可與SCN5A共表達后增加INa密度。大量研究證明，SCN1B的獲得性突變或缺失性突變都增加AF的易感性，SCN1B-4b編碼心臟鈉通道的修飾性β亞單位[34]。WATANABE等[17]在480例AF患者中發現了SCN1B D153N和R85H的非同義功能缺失突變可使鈉通道電流功能喪失，使電流振幅明顯減小，并且還可增強瞬時外向鉀電流功能。另外，有研究顯示，SCN1Bb R214Q中的缺失性突變可降低INa，該變體被認為可增加AF的易感性[35]。2017年，國外學者發現SCN1B E87Q突變減少INa，影響Nav1.5蛋白表達，從而抑制細胞膜中成熟Nav1.5α亞基的表達，最終導致個體易發生心室顫動[36]。從而表明β1亞基對整個鈉離子通道復合物的成熟和表達有重要的作用。鈉離子通道β亞基也是調節心臟興奮性的重要因子，從SCN1B缺失的小鼠心肌細胞中發現動作電位的持續時間都顯著延長，并且心肌細胞的最大復極速率降低了25%～30%，從而使持續INa增加[37]。HAYASHI等[16]通過細胞電生理學研究表明T189M是一種獲得性突變，這是關于AF相關SCN1B變體的第一份報告，其可導致峰值INa密度增加并且改變Na+通道的穩態快速激活的電壓依賴性，此外，該研究還表明鈉通道阻滯劑吡西卡尼對有SCN1B的功能獲得性變異的實驗組的AF有效。

3.2SCN2B基因多態性與AF SCN2B基因定位于11q23上，電壓門控鈉通道β2亞基是Ig CAM超家族的成員，并且是電壓門控鈉通道的黏附分子和輔助亞基。其中，編碼β2的SCN2B突變與人類AF和Br S相關[17]。有研究證明，SCN2B缺失性導致INa密度降低，并且可降低心室肌細胞中的鉀電流密度，隨后右心室傳導減慢和復極延長，增加AF的易感性[38]。已報道SCN2B中僅有2種與心功能不全相關的其他致病突變，即R28Q和R28W，均與AF相關[9,17]。與SCN5A/SCN2B共表達相比，SCN5A和SCN2B R28Q或R28W的共表達使內向INa密度降低30%，但在這種情況下可影響通道的生理物理機制[17]。上述研究支持了SCN2B變異體與AF的關聯。

3.3SCN3B基因多態性與AF SCN3B基因位于11q23.3染色體上。其中，具有215個氨基酸殘基的鈉通道SCN3B編碼b3亞基[39]，假設基于以下證據，心臟鈉通道β3亞基基因SCN3B中的突變與AF相關。如WANG等[40]對來自中國漢族人群的477例AF患者(28.5%孤立性AF)的SCN3B的所有編碼外顯子和外顯子-內含子進行了大規模的測序分析，在46歲孤立性AF患者中發現新的A130V突變，但在500個對照組中沒有這個突變，并且還表明突變體A130V能顯著降低心臟INa密度，但對通道的激活、失活的動力學沒有影響。也有相關研究證實，SCN3B與其他基因共表達可增加AF的易感性，如SCN3B基因的突變體與 SCN5A和SCN1B基因共表達，可顯著降低INa[41]。也有學者在192例孤立性AF患者中，發現SCN3B 3個非同義突變體R6K、L10P、M161T，所有突變都影響跨物種進化保守的殘基，并且這3種SCN3B突變體可導致鈉通道電流功能性降低，增加AF的易感性[42]。這些發現表明，SCN3B缺乏會導致顯著的電生理異常，增加AF的易感性。

3.4SCN4B基因多態性與AF SCN4B基因位于11q23.3人類染色體上，它具有蛋白質拓撲結構和細胞外免疫球蛋白樣結構域，將鈉通道運輸至質膜，調節門控依賴性通道、電壓依賴性通道，并在胞漿蛋白如錨蛋白-G中的細胞黏附和募集中發揮作用[43]。最近研究表明，β4Ig結構域以平行方式相互作用，影響半胱氨酸殘基之間的二硫鍵。SCN4B基因編碼β4蛋白，其突變與鈉通道病相關[44]，突變的SCN4B基因可引起鈉通道功能失調易發生AF。如LI等[45]發現SCN4B突變體V162G和I166L可能改變INa密度和電壓依賴性，從而改變鈉通道激活或失活，突變改變了跨物種進化高度保守的氨基酸，并且都被認為是致病的，該研究還發現了AF與先天性長QT綜合征及嬰兒猝死有共同遺傳基礎，這些發現為心律失常的分子機制提供了重要的依據，并為心律失常的早期預防和個性化治療提供了潛在的治療策略。

隨著分子生物學技術的進步和人類基因組研究的程度不斷加深，基因多態性和AF的相關性研究已取得突破性進展。識別與AF相關的遺傳變異有助于理解AF的病理生理機制，隨著更便宜、更強大的測序技術的出現，對AF可遺傳成分的認識將迅速增長。