心肌收缩相关蛋白的基因在心力衰竭中表达变化
作者：吴晓霞
单位：吴晓霞(100853 北京市,中国人民解放军总医院 心内科)；吴晓霞(现在北京市中西医结合医院 心内科(100039))；智光(100853 北京市,中国人民解放军总医院 心内科)；吴加金(中国人民解放军军事医学科学院 基础医学研究所)
关键词：
中国循环杂志000138 智光 吴加金 审校
摘 要：心力衰竭与多种蛋白质基因表达变化相关。肌球蛋白重链基因表达变化与三磷酸腺苷(ATP)酶活性相关;肌球蛋白轻链亚型基因表达上调增加心肌横桥循环动力及对Ca2+的敏感性;肌钙蛋白T4基因表达上调增加肌原纤维ATP酶活性;肌浆网Ca2+—ATP酶基因表达下调使肌浆网吸收Ca2+减少。
, 百拇医药
关键词：心力衰竭 蛋白质 表达变化 心肌功能
分类号：R541.6 文献标识码：A
文章编号：1000—3614(2000)01—0060—02▲
近年来通过动物实验及对人类衰竭心肌标本检测发现:慢性充血性心力衰竭(心衰)与多种编码蛋白质的信使核糖核酸(mRNA)表达变化相关,这些变化与蛋白质及心肌功能状态的改变呈总体平行关系。因此测定心衰患者心肌中mRNA水平,可提供有关疾病状态和评判治疗效果或预后的信息。现已发现心衰时基因表达变化的蛋白质有:肌球蛋白重链和轻链;β1肾上腺能受体[1～3];肌钙蛋白T[4];肌浆网蛋白[1];心钠肽[1];血管紧张素Ⅱ的Ⅰ型受体亚型;Na+—Ca2+交换器及心肌胶原蛋白等。现就与肌肉收缩相关的蛋白质的变化简述如下:
, 百拇医药
1 肌球蛋白重链
心脏表达肌球蛋白重链有α、β两种亚型,两者的基因串联排列在染色体14q11.2～q13上,依电泳泳动速率递减顺序分3种同工型:V1(α同型二聚体),V2(α和β杂二聚体),V3(β同型二聚体)。含V1的心肌纤维具有高效的三磷酸腺苷(ATP)酶活性和有力的肌纤维收缩,V3则相反。α-亚型ATP酶活性较β-亚型高3～4倍,心脏α-亚型表达较多,会有较快的收缩速度[5]。
动物实验证实α-亚型向β-亚型转换可作为衰竭心肌的分子生物学标记。Nakao等[5]在正常人和接受心脏移植患者中测定左心室游离壁心肌α-亚型mRNA占总mRNA的比率,结果表明正常心脏有大量α-亚型(30%),心衰时明显减少(<5%)。Lowes等[2]检测原发性肺动脉高压和特发性扩张型心肌病患者及正常组右心室心肌标本,证实α-亚型基因表达下调的同时β-亚型上调。但Mittmann等[1]的研究未发现β-亚型变化。这种不一致的结果可能是实验方法不同所致。Lowes等[2]进一步测出前述两类患者α-亚型mRNA分别下调了67%和76%,基于α-亚型在收缩速度上具有3倍优势,其下调将分别降低患者右心室缩短速度21%和24%。这种理论上缩短速度的减低与患者实际的射血分数值相对应,说明收缩速度的中度减低与收缩功能的中度减低相一致。已证实许多刺激可以改变啮齿类动物心脏肌球蛋白重链成分:如甲状腺激素水平升高,运动等都可增加α-亚型基因的表达。Feldman实验室曾报道1例左心室功能不全合并甲状腺机能减退症的患者,给予甲状腺素治疗后,其α-亚型mRNA增加11倍,同时左心室射血分数从0.16升至0.37。
, http://www.100md.com
2 肌球蛋白轻链
人类心脏肌球蛋白轻链存在5种亚型,2种碱性亚型为心室和心房特异性亚型。心房亚型在胎儿全心均表达,在心室中于生后已无法测得。但心衰患儿肥厚的左心室中却有大量心房亚型直到成年。心脏瓣膜病和扩张型及缺血性心脏病所致心衰患者左心室标本中也证实心房亚型基因的再次表达。经过外科手术成功置换瓣膜,改善血液动力学参数并使其正常化后,心房亚型随之下降,该亚型基因的再次表达被认为是心肌肥厚过程中一种适应性反应。Morano等[6]证实表达不同碱性轻链亚型可以调节肌球蛋白横桥的循环动力,改变其对Ca2+的敏感性。心脏心房亚型表达较多,比无或有少量该亚型的肌纤维具有较高的分离率和较强的收缩力,这与碱性轻链氨基末端伸展区与肌动蛋白羧基末端间的相互作用有关。这种作用相当于在肌球蛋白横桥上增加了一个“分子负荷”。如果减轻这个负荷，即可加速横桥循环动力并提高每个横桥的张力输出，增加心肌收缩力。心房亚型4～13残基对应的10肽与肌动蛋白的亲和力只是心室亚型的一半，这个较弱的结合力与其较快的横桥循环动力相平行。因此心脏再次表达心房亚型，可以提供较心室亚型更快的心肌横桥循环动力从而改善心脏收缩状态。
, 百拇医药
摄取Ca2+异常对收缩功能失常有促进作用。已知涉及细胞内Ca2+平衡的蛋白质在心衰时处于低水平，如肌浆网Ca2+-ATP酶及其调节蛋白，肌浆网Ca2+结合蛋白，肌浆网Ca2+释放通道。心衰时Na+-Ca2+交换增加使衰竭的心肌细胞排Ca2+增多，出现Ca2+耗竭，心肌收缩能力减弱。虽然心肌肥厚过程中对较高儿茶酚胺水平的反应频率可增高，但此时增加收缩力的能力不足。心房亚型与心肌纤维Ca2+敏感性相关，表达心房亚型越多，其Ca2+敏感性越高，它可以依据增快的心率在收缩期较低Ca2+水平上产生一个较快较强的收缩力，说明心衰时心房亚型的存在是有益的[3]。
3 心肌肌钙蛋白T
, 百拇医药 心肌肌钙蛋白T由位于染色体1q32上单一基因编码，在人类心脏表达4种亚型，依分子大小递减顺序，分别为T1～T4，各亚型差别为5’编码区两个外显子选择性拼接不同。T1、T2、T4在胎儿心脏表达；T3是正常成人心脏主要亚型。心衰发生时T4基因再次表达。Anderson等[4]证实肌钙蛋白T4与人类左室心肌肌原纤维ATP酶的最大活性相关，并推论：在人类心脏中，与疾病相关的亚型转换改变了肌丝功能。但T4 mRNA上调并非在全部心衰患者都出现。Mesnard-Rouiller等[7]仅在半数衰竭心室中发现T4 mRNA和蛋白质水平增加，提示这种表达的增加可能不是左心室衰竭的一般特征，而与压力负荷相关。
4 肌浆网Ca2+-三磷酸腺苷
肌浆网Ca2+-ATP酶由3条基因编码，表达5种亚型，亚型2a是心肌亚型。动物实验观察到心肌肥厚及心衰时亚型2a mRNA明显减低，扩张型及缺血性心肌病患者心肌标本中也有类似发现[1]。由于肌节缩短速度与该酶mRNA水平相关，因此亚型2a基因表达下调所致肌浆网吸收Ca2+减少可能引起收缩功能障碍和Ca2+瞬值的改变[8]。将携带亚型2a的腺病毒导入其水平低的新生鼠的心肌中，可以重建核亚型水平。通过腺病毒在转基因小鼠中过量表达亚型2a的实验证实了小鼠心肌收缩性增加。由于存在种属差异，尚难预测在人类衰竭心肌中过量表达亚型2a的结果，但这一方法不失为改善心衰患者心功能的有益尝试。
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综上所述，在心衰患者代偿性心肌肥厚期及随后的心衰终末期中均观察到多种影响收缩功能的蛋白质在mRNA水平上的变化。未来的研究方向：①进一步研究心衰与蛋白质基因表达的关系；②寻找更特异和敏感的分子生物学指标以协助临床医生对心衰进行诊断，对心功能进行较为准确的量化评估；③通过调控蛋白质转录及翻译过程，调节与收缩功能相关的蛋白质表达，探索心衰基因治疗的新方法。
作者简介：吴晓霞(1971—) 女 住院医师 硕士 主要从事心内科方面研究
参考文献
[1] Mittmann C,M
nstermann U,Weil J,et al.Analysis of gene expression patterns in small amounts of human ventricular myocardium by a multiplex RNase protection assay.J Mol Med,1998,76:133—140.
, 百拇医药
[2] Lowes BD,Minobe W,Abraham WT,et al.Changes in gene expression in the intact human heart.Downregulation of α-myosin heavy chain in hypertrophied,failing ventricular myocardium.J Clin Invest,1997,100:2315—2324.
[3] Morano I,H
dicke K,Haase H,et al.Changes in essential myosin light chain isoform expression provide a molecular basis for isometric force regulation in the failing human heart.J Mol Cell Cardiol,1997,29:1177—1187.
, 百拇医药
[4] Anderson PAW,Greig A,Mark TM,et al.Molecular basis of human cardiac troponin T isoforms expressed in the developing,adult,and failing heart.Circ Res,1995,76:681—686.
[5] Nakao K,Minobe W,Roden R,et al.Myosin heavy chain gene expression in human heart failure.J Clin Invest,1997,100:2362—2370.
[6] Morano I,Haase H.Different actin affinities of human cardiac essential myosin light chain isoforms.FEBS Lett,1997,408:71—74.
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[7] Mesnard-Rouiller L,Mercadier JJ,Butler-Browne G,et al.Troponin T mRNA and protein isoforms in the human left ventricle:Pattern of expression in failing and control hearts.J Mol Cell Cardiol,1997,29:3043—3055.
[8] Igarashi-Saito K,Tsutsui H,Yamamoto S,et al.Role of SR Ca2+-ATPase in contractile dysfuncion of myocytes in tachycardia-induced heart failure.Am J Physiol,1998,275(1 Pt 2):H31—H40.
收稿：1999-07-20
修回：1999-11-24, 百拇医药
单位：吴晓霞(100853 北京市,中国人民解放军总医院 心内科)；吴晓霞(现在北京市中西医结合医院 心内科(100039))；智光(100853 北京市,中国人民解放军总医院 心内科)；吴加金(中国人民解放军军事医学科学院 基础医学研究所)
关键词：
中国循环杂志000138 智光 吴加金 审校
摘 要：心力衰竭与多种蛋白质基因表达变化相关。肌球蛋白重链基因表达变化与三磷酸腺苷(ATP)酶活性相关;肌球蛋白轻链亚型基因表达上调增加心肌横桥循环动力及对Ca2+的敏感性;肌钙蛋白T4基因表达上调增加肌原纤维ATP酶活性;肌浆网Ca2+—ATP酶基因表达下调使肌浆网吸收Ca2+减少。
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关键词：心力衰竭 蛋白质 表达变化 心肌功能
分类号：R541.6 文献标识码：A
文章编号：1000—3614(2000)01—0060—02▲
近年来通过动物实验及对人类衰竭心肌标本检测发现:慢性充血性心力衰竭(心衰)与多种编码蛋白质的信使核糖核酸(mRNA)表达变化相关,这些变化与蛋白质及心肌功能状态的改变呈总体平行关系。因此测定心衰患者心肌中mRNA水平,可提供有关疾病状态和评判治疗效果或预后的信息。现已发现心衰时基因表达变化的蛋白质有:肌球蛋白重链和轻链;β1肾上腺能受体[1～3];肌钙蛋白T[4];肌浆网蛋白[1];心钠肽[1];血管紧张素Ⅱ的Ⅰ型受体亚型;Na+—Ca2+交换器及心肌胶原蛋白等。现就与肌肉收缩相关的蛋白质的变化简述如下:
, 百拇医药
1 肌球蛋白重链
心脏表达肌球蛋白重链有α、β两种亚型,两者的基因串联排列在染色体14q11.2～q13上,依电泳泳动速率递减顺序分3种同工型:V1(α同型二聚体),V2(α和β杂二聚体),V3(β同型二聚体)。含V1的心肌纤维具有高效的三磷酸腺苷(ATP)酶活性和有力的肌纤维收缩,V3则相反。α-亚型ATP酶活性较β-亚型高3～4倍,心脏α-亚型表达较多,会有较快的收缩速度[5]。
动物实验证实α-亚型向β-亚型转换可作为衰竭心肌的分子生物学标记。Nakao等[5]在正常人和接受心脏移植患者中测定左心室游离壁心肌α-亚型mRNA占总mRNA的比率,结果表明正常心脏有大量α-亚型(30%),心衰时明显减少(<5%)。Lowes等[2]检测原发性肺动脉高压和特发性扩张型心肌病患者及正常组右心室心肌标本,证实α-亚型基因表达下调的同时β-亚型上调。但Mittmann等[1]的研究未发现β-亚型变化。这种不一致的结果可能是实验方法不同所致。Lowes等[2]进一步测出前述两类患者α-亚型mRNA分别下调了67%和76%,基于α-亚型在收缩速度上具有3倍优势,其下调将分别降低患者右心室缩短速度21%和24%。这种理论上缩短速度的减低与患者实际的射血分数值相对应,说明收缩速度的中度减低与收缩功能的中度减低相一致。已证实许多刺激可以改变啮齿类动物心脏肌球蛋白重链成分:如甲状腺激素水平升高,运动等都可增加α-亚型基因的表达。Feldman实验室曾报道1例左心室功能不全合并甲状腺机能减退症的患者,给予甲状腺素治疗后,其α-亚型mRNA增加11倍,同时左心室射血分数从0.16升至0.37。
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2 肌球蛋白轻链
人类心脏肌球蛋白轻链存在5种亚型,2种碱性亚型为心室和心房特异性亚型。心房亚型在胎儿全心均表达,在心室中于生后已无法测得。但心衰患儿肥厚的左心室中却有大量心房亚型直到成年。心脏瓣膜病和扩张型及缺血性心脏病所致心衰患者左心室标本中也证实心房亚型基因的再次表达。经过外科手术成功置换瓣膜,改善血液动力学参数并使其正常化后,心房亚型随之下降,该亚型基因的再次表达被认为是心肌肥厚过程中一种适应性反应。Morano等[6]证实表达不同碱性轻链亚型可以调节肌球蛋白横桥的循环动力,改变其对Ca2+的敏感性。心脏心房亚型表达较多,比无或有少量该亚型的肌纤维具有较高的分离率和较强的收缩力,这与碱性轻链氨基末端伸展区与肌动蛋白羧基末端间的相互作用有关。这种作用相当于在肌球蛋白横桥上增加了一个“分子负荷”。如果减轻这个负荷，即可加速横桥循环动力并提高每个横桥的张力输出，增加心肌收缩力。心房亚型4～13残基对应的10肽与肌动蛋白的亲和力只是心室亚型的一半，这个较弱的结合力与其较快的横桥循环动力相平行。因此心脏再次表达心房亚型，可以提供较心室亚型更快的心肌横桥循环动力从而改善心脏收缩状态。
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摄取Ca2+异常对收缩功能失常有促进作用。已知涉及细胞内Ca2+平衡的蛋白质在心衰时处于低水平，如肌浆网Ca2+-ATP酶及其调节蛋白，肌浆网Ca2+结合蛋白，肌浆网Ca2+释放通道。心衰时Na+-Ca2+交换增加使衰竭的心肌细胞排Ca2+增多，出现Ca2+耗竭，心肌收缩能力减弱。虽然心肌肥厚过程中对较高儿茶酚胺水平的反应频率可增高，但此时增加收缩力的能力不足。心房亚型与心肌纤维Ca2+敏感性相关，表达心房亚型越多，其Ca2+敏感性越高，它可以依据增快的心率在收缩期较低Ca2+水平上产生一个较快较强的收缩力，说明心衰时心房亚型的存在是有益的[3]。
3 心肌肌钙蛋白T
, 百拇医药 心肌肌钙蛋白T由位于染色体1q32上单一基因编码，在人类心脏表达4种亚型，依分子大小递减顺序，分别为T1～T4，各亚型差别为5’编码区两个外显子选择性拼接不同。T1、T2、T4在胎儿心脏表达；T3是正常成人心脏主要亚型。心衰发生时T4基因再次表达。Anderson等[4]证实肌钙蛋白T4与人类左室心肌肌原纤维ATP酶的最大活性相关，并推论：在人类心脏中，与疾病相关的亚型转换改变了肌丝功能。但T4 mRNA上调并非在全部心衰患者都出现。Mesnard-Rouiller等[7]仅在半数衰竭心室中发现T4 mRNA和蛋白质水平增加，提示这种表达的增加可能不是左心室衰竭的一般特征，而与压力负荷相关。
4 肌浆网Ca2+-三磷酸腺苷
肌浆网Ca2+-ATP酶由3条基因编码，表达5种亚型，亚型2a是心肌亚型。动物实验观察到心肌肥厚及心衰时亚型2a mRNA明显减低，扩张型及缺血性心肌病患者心肌标本中也有类似发现[1]。由于肌节缩短速度与该酶mRNA水平相关，因此亚型2a基因表达下调所致肌浆网吸收Ca2+减少可能引起收缩功能障碍和Ca2+瞬值的改变[8]。将携带亚型2a的腺病毒导入其水平低的新生鼠的心肌中，可以重建核亚型水平。通过腺病毒在转基因小鼠中过量表达亚型2a的实验证实了小鼠心肌收缩性增加。由于存在种属差异，尚难预测在人类衰竭心肌中过量表达亚型2a的结果，但这一方法不失为改善心衰患者心功能的有益尝试。
, http://www.100md.com
综上所述，在心衰患者代偿性心肌肥厚期及随后的心衰终末期中均观察到多种影响收缩功能的蛋白质在mRNA水平上的变化。未来的研究方向：①进一步研究心衰与蛋白质基因表达的关系；②寻找更特异和敏感的分子生物学指标以协助临床医生对心衰进行诊断，对心功能进行较为准确的量化评估；③通过调控蛋白质转录及翻译过程，调节与收缩功能相关的蛋白质表达，探索心衰基因治疗的新方法。
作者简介：吴晓霞(1971—) 女 住院医师 硕士 主要从事心内科方面研究
参考文献
[1] Mittmann C,M
nstermann U,Weil J,et al.Analysis of gene expression patterns in small amounts of human ventricular myocardium by a multiplex RNase protection assay.J Mol Med,1998,76:133—140., 百拇医药
[2] Lowes BD,Minobe W,Abraham WT,et al.Changes in gene expression in the intact human heart.Downregulation of α-myosin heavy chain in hypertrophied,failing ventricular myocardium.J Clin Invest,1997,100:2315—2324.
[3] Morano I,H
dicke K,Haase H,et al.Changes in essential myosin light chain isoform expression provide a molecular basis for isometric force regulation in the failing human heart.J Mol Cell Cardiol,1997,29:1177—1187., 百拇医药
[4] Anderson PAW,Greig A,Mark TM,et al.Molecular basis of human cardiac troponin T isoforms expressed in the developing,adult,and failing heart.Circ Res,1995,76:681—686.
[5] Nakao K,Minobe W,Roden R,et al.Myosin heavy chain gene expression in human heart failure.J Clin Invest,1997,100:2362—2370.
[6] Morano I,Haase H.Different actin affinities of human cardiac essential myosin light chain isoforms.FEBS Lett,1997,408:71—74.
, http://www.100md.com
[7] Mesnard-Rouiller L,Mercadier JJ,Butler-Browne G,et al.Troponin T mRNA and protein isoforms in the human left ventricle:Pattern of expression in failing and control hearts.J Mol Cell Cardiol,1997,29:3043—3055.
[8] Igarashi-Saito K,Tsutsui H,Yamamoto S,et al.Role of SR Ca2+-ATPase in contractile dysfuncion of myocytes in tachycardia-induced heart failure.Am J Physiol,1998,275(1 Pt 2):H31—H40.
收稿：1999-07-20
修回：1999-11-24, 百拇医药