心肌內(nèi)向整流鉀電流的調(diào)控因素及相關(guān)心律失常

霍照美 田龍海 楊龍

(1.貴州醫(yī)科大學，貴州 貴陽 550025； 2.貴州省人民醫(yī)院心內(nèi)科，貴州 貴陽 550002)

心肌細胞的電活動是心臟興奮性、自律性、傳導(dǎo)性和收縮性的基礎(chǔ)，由細胞的跨膜電位決定，包括靜息電位和動作電位的形成[1-2]。在心肌工作細胞中，靜息電位被稱為K+平衡電位，主要由K+外流形成細胞膜內(nèi)帶負電、膜外帶正電的電位平衡[1]。參與K+外流的離子通道眾多，內(nèi)向整流鉀通道(inward rectifier potassium channel，Kir通道)是其中重要的成員[1]。

Kir通道有7個亞家族(Kir1.x～7.x)，分布于多種組織和器官[3]。在心肌細胞膜上，主要存在三種Kir通道：經(jīng)典Kir通道、ATP-敏感性鉀通道和乙酰膽堿敏感性鉀通道[3]。此三種Kir通道中，經(jīng)典Kir通道屬于Kir2.x亞家族，在心肌中分布的主要為Kir2.1亞型，具有強大的內(nèi)向整流特性，主導(dǎo)心肌細胞內(nèi)向整流鉀電流(inward rectifier potassium current，IK1)[4]。

在心肌細胞靜息電位水平時Kir2.1通道處于開放狀態(tài)，K+外流；而當膜去極化時，Kir2.1通道的通透性降低，K+外流減少。Kir通道對K+的通透性因膜的去極化而降低的現(xiàn)象稱為內(nèi)向整流特性[5]。IK1的內(nèi)向整流特性在心肌工作細胞動作電位復(fù)極末期的作用至關(guān)重要，是影響動作電位時程(action potential duration，APD)的重要離子通道。IK1增大或減小，是短QT綜合征和Andersen-Tawil綜合征患者易出現(xiàn)惡性室性心律失常的主要原因[6-8]。了解Kir2.1通道的功能和調(diào)節(jié)因素，對于理解其相關(guān)心律失常的機制和針對性治療具有重要意義。

1 Kir通道的構(gòu)成

Kir通道的構(gòu)成皆是由四個互不相連的孔道構(gòu)成蛋白亞基單體組成，Kir2.1通道的孔道構(gòu)成蛋白即為Kir2.1亞基。每個亞基中有M1和M2兩個跨膜結(jié)構(gòu)域，其α螺旋與P區(qū)連接構(gòu)成通道的核心[9]；M1與M2之間的膜外連接鏈向通道孔內(nèi)延伸，形成內(nèi)孔環(huán)鏈，稱為H5環(huán)；α螺旋的構(gòu)象變化通過影響H5環(huán)控制對K+的通透性[10]。G蛋白耦聯(lián)受體激活的Kir3.x通道和經(jīng)典的Kir2.x通道之間的比較表明，M2 α螺旋構(gòu)象改變有助于Kir通道開放[11]。

Kir通道的門控機制是由通道的細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域交替擴張和收縮變化決定。K+通過跨膜腔通道前有一個完整的水化膜，阻礙其通過腔隙；采用原子分子動力學方法模擬K+沿著跨膜腔與細胞質(zhì)之間的途徑轉(zhuǎn)運，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，完全水合的K+無法通過狹窄的Kir通道孔隙，每個K+在通過Kir通道時都會暫時失去其水化膜中的部分水分子[12]。通過Kir分子結(jié)構(gòu)分析，帶負電荷的microRNA-1(microRNA家族成員，主要在心臟中表達，且特異性表達于心肌細胞，在心肌細胞的多種病理狀態(tài)下可通過轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)多種離子通道表達和心肌電活動來參與心律失常的發(fā)生)可通過與Kir2.1通道細胞外帶正電的結(jié)構(gòu)域結(jié)合，阻止離子通道構(gòu)象變化，從而阻斷Kir2.1通道[13]。

2 IK1的調(diào)控

2.1 Mg2+和多胺對IK1的影響

早期研究[14]表明，Kir通道的內(nèi)向整流是由于細胞內(nèi)Mg2+和多胺與通道孔內(nèi)結(jié)構(gòu)相互作用的結(jié)果；Mg2+和多胺與Kir通道的跨膜結(jié)構(gòu)域和細胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域的殘基結(jié)合，阻止K+通過。多胺存在于細胞內(nèi)，以電壓依賴性方式與Kir通道空隙可逆性結(jié)合，其對Kir通道的阻滯及解除過程緩慢，形成去極化過程中IK1外向電流隨時間而減少的現(xiàn)象；在超極化過程中，Mg2+對Kir通道的阻滯快速解除和多胺對Kir通道的阻滯緩慢解除，使IK1增大表現(xiàn)出時間依賴性[15]。Mg2+和多胺對Kir通道輸出的電流大小至關(guān)重要，改變Mg2+和多胺與Kir通道之間的親和力可顯著影響Kir通道活性[16]。Mg2+和多胺對Kir通道M2 α螺旋結(jié)構(gòu)和通道的細胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域殘基的親和力決定了IK1內(nèi)向整流的程度。后來的研究[17]表明，內(nèi)向整流特性可能是由于Mg2+電壓依賴性和多胺濃度依賴性的方式阻塞通道而形成。氟卡尼與Kir通道中半胱氨酸殘基結(jié)合從而減少多胺對通道的親和力，可增大IK1[15]。Kir2.1-M301K突變(位于Kir2.1基因301位點的蛋氨酸突變?yōu)橘嚢彼?，不僅破壞細胞內(nèi)多胺/Mg2+對離子通道亞基的作用[18]，也解除了microRNA-1對Kir通道的抑制作用，使IK1增大而出現(xiàn)短QT綜合征[19]和心房顫動(房顫)[18]。以上研究發(fā)現(xiàn)提示，對多胺結(jié)合位點調(diào)控的藥物可能成為治療Kir通道相關(guān)心律失常的方法。

2.2 Na+對IK1的影響

細胞外Na+和Ca2+濃度增加皆可減弱IK1的外向鉀電流，其機制可能為細胞膜的表面靜電效應(yīng)[20]。快鈉通道電流(fast sodium channel current，INa)和IK1之間也有著密切的關(guān)聯(lián)。在心肌損傷的動物和細胞模型中，觀察到編碼快鈉通道的Nav1.5和 Kir2.1蛋白表達的同步下調(diào)，伴隨著INa和IK1的減小，二者共同接受肝源性成纖維細胞生長因子21的調(diào)控[21]。在Brugada綜合征SCN5A基因缺陷細胞模型研究中發(fā)現(xiàn)，在沒有明顯改變Kir2.1/2.2通道的情況下，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Nav1.5通道轉(zhuǎn)運功能缺陷能顯著減小IK1電流密度；并且，高爾基體Nav1.5突變致Na+轉(zhuǎn)運功能缺陷明顯影響Kir2.1/2.2通道功能，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Nav1.5通道轉(zhuǎn)運功能缺陷的基礎(chǔ)上增加了對IK1的抑制作用，該研究結(jié)果提示Na+的轉(zhuǎn)運能增大IK1電流密度[22]。IK1增加同樣可增大INa，Kir2.1對Nav1.5密度的正向調(diào)節(jié)依賴于Kir2.1特殊的PDZ結(jié)構(gòu)域(一種蛋白質(zhì)中的肽結(jié)合區(qū)域，名稱來源于最早發(fā)現(xiàn)含有此結(jié)構(gòu)的3個蛋白質(zhì)：突觸后致密蛋白-95、果蠅腫瘤抑制因子和緊密連接蛋白)，而在Nav1.5通道的N末端內(nèi)部存在一個類似PDZ綁定域的結(jié)構(gòu)，在Nav1.5-Kir2.x相互作用中起著關(guān)鍵作用[23]。

2.3 Ca2+對IK1的影響

Ca2+對IK1的影響存在兩面性。如前文所述，細胞外Ca2+濃度增加可能通過細胞膜的表面靜電效應(yīng)機制減小IK1，且K+外流減少[20]。在兔心力衰竭模型中，心肌細胞Ca2+/鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶Ⅱ(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinaseⅡ，CaMKⅡ)的激活可誘導(dǎo)Kir2.1 mRNA表達下調(diào)和IK1減小[24-25]。但另有研究[26]顯示，細胞內(nèi)Ca2+濃度的升高可通過激活CaMKⅡ增大IK1，縮短APD；給予CaMKⅡ抑制劑干預(yù)可抑制該效應(yīng)。雖然細胞內(nèi)Ca2+的顯著增加可導(dǎo)致心律失常，但Ca2+誘導(dǎo)的IK1增大可使心室復(fù)極縮短和復(fù)極儲備能力增強，這可能是一種內(nèi)源性負反饋，可減弱Ca2+增加的致心律失常作用[26-27]。

2.4 腎上腺素能受體激活對IK1的影響

長期的腎上腺素能受體激活可導(dǎo)致心臟重構(gòu)，包括心臟結(jié)構(gòu)、功能和心電學的重構(gòu)，后者包括離子通道的重構(gòu)。腎上腺素能活性增強可通過激活蛋白激酶A和蛋白激酶C而使IK1減小[28]。Koumi等[29]通過在豚鼠心室肌細胞中的研究表明，異丙腎上腺素通過激活腎上腺素能受體，使下游信號蛋白激酶A介導(dǎo)IK1通道磷酸化，從而使IK1減小。對KCNJ2基因突變雜合體小鼠的研究[30]發(fā)現(xiàn)，心室肌細胞腎上腺素能依賴的IK1在復(fù)極末期缺失，給予腎上腺素和異丙腎上腺素刺激，易誘發(fā)出動作電位3期早期后除極和多形性室性心動過速。

2.5 腎素-血管緊張素系統(tǒng)對IK1的影響

在TG1306/1R轉(zhuǎn)基因小鼠[該小鼠心肌組織中心臟特異性血管緊張素Ⅱ(angiotensin Ⅱ，AngⅡ)含量顯著增加]的研究[31]中發(fā)現(xiàn)，心室肌Kir2.1和Kir2.2的mRNA表達下調(diào)，心室肌細胞IK1電流密度減小，心電圖表現(xiàn)出QT間期延長。大鼠心房肌細胞中，百日咳毒素可通過激活G蛋白受體，抑制AngⅡ?qū)K1的抑制作用[32]。也有研究得出不一致的結(jié)果，Alvin等[33]報道，在動靜脈分流導(dǎo)致的心臟容量負荷增加的大鼠動物模型中，AngⅡ可通過激活磷脂酰肌醇3激酶使心室肌細胞IK1增大。

2.6 磷脂酰肌醇4，5-雙磷酸對IK1的影響

磷脂酰肌醇4，5-雙磷酸(phosphatidylinositol 4，5-bisphosphate，PIP2)是Kir2.x通道的主要激動劑。PIP2通過促進Kir通道M2結(jié)構(gòu)域發(fā)生構(gòu)象變化而使通道開放，并能穩(wěn)定已處于開放狀態(tài)的結(jié)構(gòu)域[34]。硫化氫通過降低PIP2與通道結(jié)合的敏感性而抑制Kir2和Kir3通道功能[35]。在一些Kir通道基因突變的疾病(如Andersen綜合征和Bartter綜合征)中發(fā)現(xiàn)，Kir通道與PIP2相互作用減弱，IK1減小，導(dǎo)致細胞膜興奮性升高，對刺激的敏感性增加，發(fā)生室性心律失常的風險增大[36]。卡維地洛也可通過干擾PIP2與通道相互作用來抑制Kir2.3通道功能[37]。陰離子脂質(zhì)可通過輔助作用促進PIP2與Kir通道結(jié)合位點之間結(jié)合更加緊密，使Kir通道的功能增強[34，38]。奎尼丁能干擾Kir2.x通道與PIP2的相互作用而影響通道的穩(wěn)定性[39]。

2.7 Ryanodine受體和IK1

2型Ryanodine受體(type 2 ryanodine receptor，RyR2)是心肌細胞肌質(zhì)網(wǎng)上的鈣釋放通道。心力衰竭時心肌細胞RyR2對Ca2+釋放的敏感性增加[40]。Myles等[41]在兔離體灌注心臟模型研究中發(fā)現(xiàn)，當RyR2敏感性增加并伴有IK1減小時，易誘發(fā)出局灶性室性期前收縮和室性心動過速；而僅有RyR2敏感性增加或IK1減小時，室性心律失常的誘發(fā)成功率明顯降低；因此認為，RyR2敏感性增加和IK1減小可能是通過二者協(xié)同作用促進局灶性室性心律失常的發(fā)生。

2.8 牽張刺激對IK1的影響

牽張刺激可致大鼠肥大心室肌細胞IK1電流密度增大，APD縮短[42]，與AngⅡ誘導(dǎo)的肥大心肌細胞IK1電流密度減小[31-32]作用相反。目前尚不清楚此兩種致肥大因子作用對IK1電流密度影響相反的機制。

2.9 糖原合成酶激酶3β對Kir2.1通道表達的調(diào)控

有研究[43]發(fā)現(xiàn)，在大鼠心肌梗死模型中，心室肌Kir2.1 mRNA和蛋白的表達下調(diào)，給予糖原合成酶激酶3β特異性抑制劑SB216763干預(yù)明顯上調(diào)心肌梗死時Kir2.1 mRNA和蛋白的表達；并且，SB216763可消除缺氧條件下H9c2細胞中Kir2.1 mRNA和蛋白表達的下調(diào)，說明糖原合成酶激酶3β具有調(diào)控Kir2.1通道表達的作用。但該研究未檢測IK1，不能反映Kir2.1通道功能的變化。

3 外源性因素對IK1的影響

3.1 氨茶堿對IK1的影響

氨茶堿是臨床常用的支氣管解痙藥物和治療緩慢心律失常藥物，治療期間存在致心律失常的風險。茶堿可增強心房自律性和傳導(dǎo)性，從而增加房顫和房性心動過速的發(fā)生。Ramalho等[44]研究發(fā)現(xiàn)，氨茶堿對IK1通道功能具有雙重效應(yīng)，即同一濃度的氨茶堿對單個大鼠心室肌細胞IK1既有抑制作用也有激活作用，其機制尚不明確，推測可能是氨茶堿先直接作用于Kir2.x的同源四聚體亞基，繼之間接作用于Kir2.x的異源四聚體亞基而產(chǎn)生的不同效果。

3.2 乙醇對IK1的影響

乙醇對IK1的影響有濃度依賴性，給予大鼠右心室心肌細胞0.8 mmol/L乙醇刺激，IK1明顯減小；當乙醇濃度≥20 mmol/L時，IK1會明顯增大[45]。Bébarová等[46]在大鼠和豚鼠的心房肌細胞發(fā)現(xiàn)，乙醇(濃度8～20 mmol/L)對乙酰膽堿敏感性延遲整流鉀電流(IKAch)的影響也有雙重效應(yīng)：即對于基礎(chǔ)IKAch較小的細胞，乙醇刺激能增大IKAch；而對于基礎(chǔ)IKAch較大的細胞，乙醇刺激則減小IKAch。

3.3 扎考比利對IK1的作用

扎考比利(zacopride)是一個選擇性的IK1激動劑，通過增強IK1可緩解缺血和缺氧誘導(dǎo)的大鼠心室肌細胞靜息電位去極化，從而可防治急性心肌缺血誘發(fā)的室性心律失常[47]。近期研究[48]發(fā)現(xiàn)，在大鼠心肌缺血再灌注模型中，扎考比利通過上調(diào)Kir2.1蛋白表達、增大IK1、維持靜息電位和縮短APD，能顯著減輕鈣超載和氧化應(yīng)激引起的再灌注心律失常。

3.4 新型抗心律失常藥VU0468554

在小鼠心房肌細胞中，增強G蛋白門控Kir通道活性與室上性心律失常(包括房顫)的發(fā)病機制有關(guān)；VU0468554能有效地抑制心臟G蛋白門控Kir通道，可能對于房顫的治療有一定療效[49]。

4 IK1與心律失常

4.1 房顫

在國內(nèi)一個房顫家系中發(fā)現(xiàn)，Kir2.1通道的編碼基因KCNJ2的93位(V93I)纈氨酸-異亮氨酸突變。對V93I突變體的功能分析表明，Kir2.1通道的活性增加，認為Kir2.1 V93I突變可能通過增加Kir2.1通道的活性來啟動和/或維持房顫[50]。在房顫患者的右心房肌細胞的研究[51]中發(fā)現(xiàn)，IK1電流密度在超極化狀態(tài)顯著增加。短QT綜合征 3型是編碼Kir2.1通道的KCNJ2基因突變，使IK1增大，APD縮短，導(dǎo)致房顫的發(fā)生，這為靶向藥物及Ⅲ類抗心律失常藥治療房顫提供了有力證據(jù)[52]。在馬的房顫模型中發(fā)現(xiàn)，與IK1同屬心肌Kir通道電流的IKAch也與房顫有關(guān)。給予IKAch抑制劑 XAF-1407能有效延長馬的心房有效不應(yīng)期，顯著降低房顫的發(fā)生率，提高房顫的轉(zhuǎn)復(fù)成功率[53]。

4.2 室性心律失常

在苯腎上腺素誘導(dǎo)的肥大乳鼠心室肌細胞中，發(fā)現(xiàn)IK1電流密度減小，APD延長，復(fù)極末期易損期延長，通過沉默心室肌細胞的鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶Aβ亞基基因，可顯著抑制苯腎上腺素誘導(dǎo)的上述效應(yīng)[54]。KCNJ2突變導(dǎo)致的短QT，表現(xiàn)為IK1電流密度增大，容易誘發(fā)惡性心律失常[6，8]。在KCNJ2突變雜合體小鼠模型中，易誘發(fā)多形性室性心動過速[30]。在Andersen-Tawil綜合征中，KCNJ2突變導(dǎo)致IK1電流密度減小，QT間期延長，而氟卡尼通過增加Kir2.1通道表達使心室肌細胞IK1增大，對Andersen-Tawil綜合征有一定療效[55-56]。但也有研究[57]表明，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)構(gòu)建Kir2.1表達下調(diào)和表達上調(diào)模型，前者IK1減小，后者IK1增大；在Kir2.1表達上調(diào)小鼠中更容易誘發(fā)出室性心律失常，而在Kir2.1表達下調(diào)的小鼠中，動作電位去極化的離散度顯著減小，降低了室性心律失常的誘發(fā)成功率，提示心肌細胞中的Kir2.1通道阻斷也可能是一種潛在的抗心律失常方法。

5 結(jié)語與展望

IK1在靜息膜電位和動作電位復(fù)極末期起著關(guān)鍵作用，其變化對動作電位的影響顯著。Kir2.1通道表達無論是上調(diào)或是下調(diào)(對應(yīng)IK1增大或減小)，均可誘發(fā)心律失常。IK1及Kir2.1通道相關(guān)的調(diào)控因素眾多。目前，部分心臟疾病中已探明Kir2.1分子水平的表達和IK1的電流變化，并對部分改變導(dǎo)致的心律失常疾病有了一定的針對性治療。但在不同疾病、同一疾病不同狀態(tài)下Kir2.1通道結(jié)構(gòu)和功能變化及其致病機制仍有諸多未明，需更深入的研究。