中国心脏起搏与心电生理杂志2013年第27卷第3期 ・263・ 心脏钾通道各离子流之间的相互作用 陈美烟 综述李泱 张建成 审校 [摘要] 心脏钾通道种类繁多,各通道间存在相互作用,这可能是正常心电活动的基础,也是发生心律失常的细胞 学机制。离子流之间的相互作用通过调节通道功能,改变电流特性,进而影响着动作电位的形状,构成复极储备。 相互作用异常将诱发心律失常。 [关键词] 电生理学;钾离子流;综述;相互作用;心肌细胞 DOI:10.7695/zgxzqb201303021 网络出版时间:2013—6—7 14:48 网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1421.R.20130607.1448.021.html 中图分类号R331.3 8 文献标识码A 文章编号1007—2659(2013)03-0263—03 心肌细胞钾离子流由钾通道家族的诸多亚型组成。近 药理学的敏感性无差异 J。生理条件下,KCNH2组的电流 年发现,各种钾离子流不是孤立地行使各自的功能,也非若 特征与野生型I 相似,提示hERG可能是I 通道的基本构 干个离子流简单加合或内外向离子流之间简单的平衡,而是 成,而MIRP1起着重要调节作用。 存在复杂的、动态的相互影响和相互作用。其中某种离子流 1.3瞬时性外向钾电流(I 。)通道亚基问的相互作用I 的变化,将会影响到其它离子流。主要类型包括同一通道内 通道依据恢复特征分为I【0(f)和I ),由Kv4.2/Kv4.3和 各组成亚基之间和不同通道间的相互作用。笔者就钾离子 Kv1.4等亚基构成。Kv4.2的辅助亚基为MiRP1和KChlPs, 流相互作用的特点及与心律失常的关系作一综述。 Kv4.3则有Kv13x和KChlP2等多种辅助亚基。KChlPs可增 加Kv4.2电流密度和提高通道失活后恢复速率,其分子机制 1钾通道各亚基间的相互作用 可能是KChlPs增加Kv4.2通道蛋白迁移和在细胞膜表 1.1慢激活的延迟整流钾电流(I )通道亚基间的相互作 达 J。Kv4.3的辅助亚基主要通过调节门控特性来改变离 子流密度,Kv131.2虽然对通道门控特性无影响,但可消除 用I 通道超基因家族的KCNQ1和KCNE1分别编码其 KChlP2对Kv4.3电流的增加效应 ’ 。Xv13 则改变Kv4.3 亚基和B亚基。KCNQ1和KCNE1间相互协同,共同决定着 的稳态失活并减缓失活后恢复速率。 该通道的功能 。Sangutinetti等 将KCNQ1与KCNE1共 1.4超快激活的延迟整流钾电流(I )通道亚基间的相互 同导人细胞,记录到类似I 的电流,而将KCNE1导人缺乏 作用IKur通道主要由Kv1.5和Kv13亚基组成。Kv13亚基和 内源性KCNQ1基因的哺乳动物细胞,则记录不到任何电 Kv1.x仅亚基间长期固定的相互作用,形成了I 通道,决定 流,提示上述两种蛋白通过相互作用,共同形成功能性的离 着该通道的门控特性 J。 子通道复合体。Silva等 通过数学模拟的方式证实了KC— 1.5 ATP敏感钾电流(I )通道亚基间的相互作用 NQ1与KCNE1亚基间存在相互作用,共同参与动作电位 KⅢ通道由Kir亚基和ATP偶联基因(ATP-binding cassette, (AP)复极过程形成,并且推演出两者在AP快、慢速率中的 ABC)蛋白组成,其中心脏中K TP通道为Kit6.2/SUR2A。 动力学行为。 Aittoniemi等 指出SUR1与Kir6.2存在结构上的相互作用 1.2快激活的延迟整流钾电流(I )通道亚基间的相互作 位点,SUR1通过引起ATP结合位点变构效应,增强IK_^ 。 用IK 通道由hERG基因编码的Ct亚基KCNH2和KCNE2 1.6 乙酰胆碱激活钾电流(I )通道亚基间的相互作用 基因编码的B亚基MiRP1构成。通过共表达KCNH2. K 通道编码蛋白Kir3.1和Kir3.4,分别由2个GIRK1亚 MIRP1组和单纯KCNH2组比对时,发现KCNH2一MIRP1组 基和2个GIRK4亚基组成。新近发现 …,两种G蛋白信号 显著加快I 电流的失活,且激活电压正移。但是两组对于 调节蛋白(RGS4,RGS6)是心脏M R信号的主要调节蛋白。 缺乏RGS6/RGS4的小鼠表现出明显的心动过缓,电生理结 国家自然科学基金资助项目(项目编号:NO8l170177) 果表明I 的快激活和快失活动力学改变及电流密度下 作者单位:1 福建医科大学省立临床医学院 降。Navarro—Polanco等 发现电压改变可导致配体结合位 2解放军总医院老年心血管病研究所 点的构象改变,说明激动剂一M:R间相互作用具有配体依赖 3福建省立医院心内科 性特点。 作者简介:陈美烟(1988一),女(汉族),福建莆田人,硕士研究生,研 究方向为心脏电生理。 2钾离子流间的相互作用 通讯作者:张建成,E・mail:fjzhangjiancheng@yahoo.corn.cn 2.1 Ix 和Ix。通道Ot亚基间的相互作用诸多文献发现I ・264・ 和I 电流间存在密切联系,当I 降低时,动作电位时程 (APD)增加,而此时可发现I 激活,使电流增加,从而避免 复极的过度延长” 。Ehrlich等 发现在共表达KCNQ1和 KCNH2哺乳动物的细胞上,I 电流密度较其单独表达时增 加近一倍,其膜上的hERG蛋白表达量明显增加。而突变的 KCNQ1基因使转基因兔hERG蛋白表达下调,电流减低 。 新近报道 在离子通道生物起源过程中,hERG通道与Kc. NQ1通道存在功能上相互依存,且KCNQ1通道可以影响由 hERG基因突变导致的长QT综合征2。Biliczki等¨叫发现 KCNQ1一R591 H虽不改变hERG通道的糖基化类型,但hERG 在细胞膜上的数量则随共表达的KCNQ1量增加而增加。另 有研究显示,共表达hERG和KCNQ1通道可导致hERG通 道电流和两者通道蛋白增加“ 。提示在研究长QT综合征 家族及评估其致病因素时,应彻底加强离子通道间突变基因 的功能性评价。 2.2 IK 通道Ot亚基和I 通道p亚基间的相互作用Tinel 等 发现KCNQ1与I 通道p亚基KCNE2问也存在直接的 相互作用,后者可引起KCNQ1电流幅值及门控特性显著变 化。R243H—KCNE2突变通过门控动力学的调节,能暂时改 变KCNQ1电流大小,该研究还发现它们之间的相互作用对 AP的波形及心率调节有一定的意义。 2.3 IK 通道0【亚基、p亚基和I 通道间的相互作用将I 通道KCNQ1和KCNE1亚基与I 通道hERG基因共转染于 HEK细胞时,发现两通道间在浆膜上存在明显的相互作 用 。进一步研究显示,KCNQ1亚基并不影响Ib通道的失 活特性 …。无论是KCNQ1还是KCNE1基因的过度表达都 会减少I 电流幅值 ,这些结果说明I 通道 亚基、B亚 基和I 通道间存在直接的相互作用。 2.4 IKs通道Or.亚基和I 。通道B亚基间的相互作用Thorn— sen等 通过对野生型I 小鼠和KChlP2 小鼠的研究发 现,KChlP2 小鼠本身对APD影响较小,却能上调对I 的表 达,且增加KChlP2 小鼠对4一氨基吡啶介导APD延长的敏 感性。因此,他们认为KChlP2可能对小鼠心肌细胞复极储 备起着重要作用。 2.5 IK 和I 通道 亚基间的相互作用 运用数学模型比 较人心室肌细胞膜AP时期各钾离子流变化,发现内向整流 钾电流I 与I 结合组使得I 电流明显增加,且与I 联合 Na /K 泵结合组相比,前者产生更大的外向电流。若抑制 60%的I 。电流不仅改变AP复极期的终末期波形,同时也延 长3相APD。提示I 。和I 之问存在相互作用 。 2.6 lKu 和I 通道p亚基问的相互作用 Kuryshev等 发 现I 。的B亚基KChIP与Kv1.x通道间存在相互作用,但也 同时发现,KChlP与Kv的调控只是暂时的。而且在一定程 度上,KChIP可减弱Kvt3对Kv1.x通道的作用。 3钾离子流相互作用的临床意义 Roden在1998年首先提出了复极储备理论,该理论认 为主要贡献动作电位复极的I 和I 形成了心肌的复极储备 功能,当一种电流受损(如I 阻滞)不会引起显著的复极损 心脏钾通道各离子流之间的相互作用 伤,若合并I 受损,就会引起显著复极功能减低和QT问期 延长。研究显示,I 也参与复极储备的形成 ,但I 只能 产生瞬间的复极改变。I 和I 由于其尾电流的时间依赖性 衰减,故可产生剩余激活_2 。Silva等 证实,当同时应用 I 和I 阻断剂时,可使APD过度延长,并产生早后除极,引 起触发性心律失常。生理状态下,单独应用I 阻断剂不存 在这种效应,但在心肌梗死和心力衰竭时,由于I 和I 相互 作用降低,可致心律失常的发生,使用延长APD的三类抗心 律失常药物更易诱发获得性心律失常。Kenshi等 研究 KcNQ1/KcNH2通道的相互作用时,发现临床上由hERG基 因突变所致的心律失常可能受基因或环境调控KCNQ1通道 的影响,提示两通道间的相互作用对潜在心律失常机制的研 究及治疗方面非常重要。 Virag等 发现由于I 。电流与I 电流间的相互作用,使 用I 。阻滞剂可增加心律失常发生的风险。I 通道基因突变 型I57T和M54T可以加快I 。电流失活恢复速率及减慢电流 的衰减,因此推断其可能通过调节l。 电流的动力学改变,从 而导致某些遗传性心律失常的发生 。Ishihara等 发现 细胞内M 浓度变化可引起短暂的I 电流减少,延长APD, 而在I 减弱时,其异常APD的效应更加突出,故细胞内 Mg“可能是I 相关获得性恶性心律失常和先天性长QT综 合征发生的重要危险因素。Sami等 在比较I 。阻滞剂作 用效果时,发现药物与离子通道问的相互作用,包括多重的、 复杂的结构与功能相关联,可能对心律失常的治疗,尤其是 抗心房颤动的药效基团方面的研究提供新思路。 综上所述,K 通道种类众多,各通道又含有许多亚型, 各亚型之间又存在着错综复杂的相互影响和相互作用。因 此,探索心脏钾通道问的相互作用对认识心肌细胞正常电生 理及心律失常发生机制方面具有重要的意义。 参考文献 1 Splawski I,Shen J,Timothy KW,et a1.Spectrum of mutations in long-QT syndrome genes.KvLQT1,HERG,SCN5A,KCNE1,KCNE2 [J].Circulation,2000,102(10):1 178 2 Sangutinetti MC,Curran ME.Co—assembly of K(v)LQT1 and minK (IsK)proteins to form cardiac I(Ks)potassium channel[J].Na- ture,1996,384:80 3 Silva J,Rudy Y.Subunit interaction determines Iks participation in cardiac repolarization and repolarization reserve[J].Circulation, 2005,112(10):1 384 4 Weerapura M,Nattel S,Chattier D,et a1.A comparison of currents carried by HERG,with and without coexpression of MiRP1,and the native rapid delayed rectifier current.Is MiRP1 the missing link [J].J Physiol,2002,540(1):15 5 Birnbaum SG,Varga AW,Yuan LL,et a1.Sturcture and function of Kv4一family transient potassium channels[J].Physiol Rev,2004, 84:803 6 Kuryshev YA,Wible BA,Gudz TI,et a1.KchAP/Kvbeta1.2 inter- actions and their e ̄cts on cardiac Kv channel expression[J].Am J Physiol Cell Physiol,2001,281(1):C290 中国心脏起搏与心电生理杂志2013年第27卷第3期 ・265・ 7 Yang EK,Alvira MR,Levitan ES, et a1.Kvbeta subunits increase current characteristics to the cardiac KCNQ1 potassium channel[J]. expression of Kv4.3 channels by interacting with their C termini EMBO,2000,19(23):6 326 [J].Biol Chem,2001,276:4 839 19 Jun G,Wang TZ,Yang TH,et a1.Interaction between the cardiac 8 Uebele VN,En ̄and SK,Gallagher DJ,et a1.Distinct domains of rapidly and slowly activating delayed rectiifer potassium channels re- the voltage—gated K channel Kv beta 1.3 bata-subunit affect volt— vealed by low K 一induced hERG endocytic degradation[J].Am J age-dependent gating[J].Am J Physiol,1998,274:C1485 Biol Chem,2011,286(40):3 466 9 Aittoniemi J,Fotinou C,Criag TJ,et a1.SUR1:a unique ATP—bind- 20 Sun T,Guo J,Shallow H,et a1.The role of monoubiquitination in ing cassette protein that functions as an ion channel regulator[J]. endocytic degradation of human ether-a・・go・・go・・related gene channels Phil Trans R Soc B,2009,364(1514):257 under low K conditions[J].Biol Chem,2011,286(8):6 751 10 Stewart A,Huang J,Fisher RA.RGS proteins in heart:brakes on 21 Ren XQ,Liu GX,Organ-Darling LE,et a1.Pore mutants of HERG the vagus[J].Front Physiol,2012,3:95 and KvLQT1 downregulate the reciprocal currents in stbale cell lines 1 1 Navarro-Polanco RA,Moreno・Galindo EG,Ferrer-Villada T,et a1. [J].Am J Physiol Heart Circ Physiol,2010,299(5):H1 525 Conformational changes in the M2 muscarinic receptor induced by 22 Thomsen MB,Sosunov EA,Anyukhovsky EP,et a1.Deleting the membrane voltage and agonist binding[J].J Physiol,201 1,589 accessory subunit KChlP2 results in loss of I ,f nad increased Ik, (7):1 744 slow that maintains normal action potentila conifguration[J].Heart 12 Biliczki P,Virag L,lost N,et a1.Interaction of different potassium Rhythm,2009,6(3):370 channels in cardiac repolarization in dog ventifculra preparations: 23 Fink M,Giles WR,Noble D.Contirbutions of inwardly rectifying orle of repolarization reserve[J].BT J Pharmaeol,2002,137(3): K currents to repolarization assessed using mathematical models of 361 human ventircular myocytes[J].Philos Transact A Math Phys Eng 13 Ehrlich JR,Pourrier M,Weerapura M,et a1.KvLQT1 modulates Sci,2006,364(1842):1 207 the distirbution nad Biophysical properties of HERG[J].Am J Biol 24 Grunnet M.Repolarization of the cardiac action potentioa1.Does an Chem,2004,279(2):1 233 increase in repolarization capacity constitute a new anti—arrhythmic 14 Brunner M,Peng X,Liu GX,et a1.Mechanisms of cardiac arrhyth— principle[J].Acta Physiol,2010,676:1 mias and sudden death in transgenic rabbits with long QT syndrome 25 Virag L,Jost N,Papp R,et a1.Analysis of the contirbution of I to [J].Clin Invest,2008,118(6):2 246 repolarization in canine ventireular myocardium[J].Br J Pharma— 15 Kenshi K,Shuai W,Sakamoto Y,et a1.Trafficking—competent KC— col,2011,164(1):93 NQ1 variably inlfuences the function of HERG long QT alleles[J]. 26 Wu J,Wataru—Shimizu MD,Ding WG,et a1.KCNE2 modulation of Heart Rhythm,2010,7(7):973 Kv4.3 current and its potentila role in fatla rhythm disorders[J]. 16 Biliczki P,Girmatsion Z,Brandes RP,et a1.Trafficking・deficient Heart Rhythm,2010,7(2):199 long QT syndrome mutation KCNQ1・T587M confers severe clinical 27 Ishihara K,Sarai N,Asakura K,et a1.Role of Mg block of the phenotype by impairment Of KCNH2 membrane localization:Evi— inward rectiifer K current in cardiac repolarization reserve:A quan— dence for clinically signiifcant Ikr-Iks[alpha]-subunit interaction titative simulation[J].Mol Cell Cardiol,2009,47(1):76 [J].Heart Rhythm,2009,6(12):1 792 28 Sami FN,Jeanne AS,Daniela PB,et a1.Structurla bases for the 17 Grunnet M,Behr ER,Calloe K,et a1.Functional assessment of different anti—ifbrillatory effects of chloroquine and quinidine[J] compound mutations in the KCNQ1 and KCNH2 genes associated Cardiovas Res,2011,89:862 with long QT syndrome[J].Heart Rhythm,2005,2(11):1 238 (2012—11—12收稿) 18 Tinel N,Dicohot S,Borsotto M,et a1.KCNE2 confers background (李晓清编辑)