心脏间隙连接研究进展

第7卷第3期解剖科学进展VoI.7No.3 2001年PROGRESS OF ANATOMICAL SCIENCES
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2001
心脏间隙连接研究进展
徐振平郭志坤"
（新乡医学院细胞生物学教研室"解剖学教研室，河南新乡453003）
【摘要】心脏间隙连接由连接蛋白组成，目前已发现有14个成员，心血管系统主要分布有：CX37、CX40、CX43、CX45和CX46等，在心肌质膜处形成紧密成束的聚合体，典型地存在于心肌闰盘处。

为心脏细胞间通讯提供代谢偶联和电偶联，并为心肌的同步收缩提供低电阻传导途径。

心脏间隙连接的结构、分布、功能在不同的种属、组织和细胞之间存在差异，心脏发育和疾病的发生与间隙连接的改变有关。

间隙连接（gap junction，GJ），又称缝隙连接或通讯连接，是动物体内多种细胞之间普遍存在的细胞通道。

在钙离子和其他因素的作用下，通道可开放或关闭，借以传递化学信息，调节细胞的分化和增殖。

此种连接电阻低在心肌、平滑肌和神经细胞之间，可经此传递电冲动。

心肌的同步收缩需要细胞间隙连接结构和功能的完整性。

心肌细胞通过间隙连接传递离子、小分子代谢物质和次级信使等，为心肌细胞间提供了低电阻传导途径，使其活动协调一致。

由于间隙连接的种类、大小、在细胞表面分布模式等的不同，细胞之间连接通道的生物、物理特性也不同，表现为细胞之间的阻抗差异，兴奋的传播呈现不连续性。

心肌细胞的几何构型与间隙连接通道形成了另一种心肌组织的各向异性特征，这将为研究心律失常等心脏病的机理和治疗提供新的思路。

!间隙连接的结构
间隙连接广泛分布于各种动物组织细胞之间，偶连细胞相互通讯，包括代谢偶连和电偶连。

间隙连接是紧密连接的特定区域，位于相邻细胞膜上的一族跨膜通道桥，连接两个细胞膜。

一个细胞膜上的结构被称为连接子（connexon），又叫半通道。

连接子是间隙连接的基本结构单位，中心是直径15A 的亲水性通道，与相邻细胞膜对应面上的连接子构成间隙连接通道，只能通过12.5KD以下的小分子信号物。

连接子是一个六聚体，电镜下是膜上的六角形膜蛋白（6080A），由六个亚单位———连接蛋白（connexin，Cx）分子构成6聚体蛋白质。

连接子通道并非单独地出现在心肌质膜，而是形成紧密成束的聚合体或粘着斑，包括上千个通道。

由单一连接蛋白组成的连接子称同聚体连接子，组成的间隙连接称同型间隙连接（homotypic gap junction）；反之，由几种连接蛋白构成的异聚体连接子，称为异型间隙连
接（heterotpyic gap junction）。

不同的连接蛋白或连接蛋白聚合体可能仅仅只为转运特别的信号，为了高效的心脏输出量，电兴奋迅速传遍心肌间的低电阻路径和连接蛋白组成，具有独特的电传导性和调空特征。

心肌的间隙连接主要存在于闰盘连接处。

成人心室肌的Cx43位于心肌长轴的横切面闰盘的位置，形成连接外围的大环（0.6710.032!m）和连接中央的小环（0.3610.017!m），占据心肌单位体积内的面积为0.005!m2/!m3。

间隙连接分布在闰盘并形成较大的连接外围的环，是哺乳动物心室肌间隙连接结构的一般特征［1］。

间隙连接在心肌闰盘处，是动作电位正常一致的向各异性传播的决定因素，对均一传播的波阵面非常重要。

连接蛋白是一个多基因大家族，约14个成员组成［2，3］，分子量由2656KD不等，可分为"-Cx族（Cx33，Cx37，Cx40，Cx46，Cx50等）和#-Cx（Cx26，Cx30.3，Cx31等）族。

具有共同的基因结构和4跨膜的分子结构。

它们的碱基顺序有4060%的同源性，结构相似，含一个内含子和两个外显子。

大部分哺乳动物的Cx已被克隆，如Cx32，Cx26，Cx43等。

Cx 的基因定位也已取得了一定进展，在人类Cx43定位于6g22.3，Cx31定位于1p34-36，Cx37定位于1p35.1，Cx32定位在Xg13.1，Cx26和Cx46定位于6g22.3，Cx31定位于1p34-36，Cx37定位于1p35.1，Cx32定位于Xg13.1，Cx26和Cx46均定位于13号染色体上［4，5］。

连接蛋白含有4个疏水性的跨膜区，在细胞膜上形成双跨膜的分子链，其氨基端和羧基端在细胞质面，连接蛋白成员之间的同源性主要在细胞外的两个结构域，细胞质内的结构域差别最大，由此可以推断，连接蛋白成员之间细胞外结构域的高度保守性可能允许成员之间相互作用，细胞质面的差别性可能代表连接蛋白的组织差异性和通道开关的多种细胞内调节机制以及电导通讯的差别，分子间的不同组合
影响着间隙连接的通透性及电传导性。

!间隙连接的功能
细胞通过间隙连接传递离子、小分子代谢物质与次级信使，具有传导快，阻抗低、延搁时间短等特点，参与细胞间活动的协调一致、信息的传递和神经脉冲的传导，在胚胎发育、形态发生、组织再生及肿瘤乃至经络现象中均可能起重要作用。

连接蛋白的差异使间隙连接具有不同的电传导性而且在不同的细胞执行不同的功能。

在心肌，间隙连接负责慢通道，允许电信号从窦房结传出，引起心脏节律性收缩，支持信号能迅速传遍整个心肌的现象。

而小鼠和大鼠心脏CX4O组成的间隙连接通道比CX43组成的间隙连接具更高、更单一的传导特性，CX45组成的间隙连接具有较低的传导速度［6］。

而在肝脏和腺细胞，间隙连接的功能很少用于电传导，而是提供代谢和第二信使的交换通道。

在脑内，间隙连接为K+通过胶质细胞进入周围血管腔隙提供了直接通道，而部分神经元之间也通过间隙连接形成电突触完成信号传递。

同时间隙连接对细胞的生长、增殖和分化起重要调节作用，它的改变也与肿瘤的发生密切相关
"连接蛋白的分布
连接蛋白的分布具有种属和组织的特异性，甚至不同的细胞类型也有不同的表达。

如大鼠心表达更多的CX45，小鼠心的CX4O很丰富，而狗心间隙连接不发达，无CX43，仅有CX4O和CX45。

哺乳动物的不同组织连接蛋白表达差异很大［7］，脑内表达CX26、CX32、CX43、CX37、CX3l、CX45，肝表达CX26、CX32、CX43、CX37，肺表达CX37、CX4O、CX3l、CX43；睾丸表达CX26、CX32、CX33、CX43；肾为CX43、CX32、CX26；皮肤为CX43、CX26、CX3l、CX45、CX3l.l；胰脏为CX26、CX32、CX43；晶状体是CX43、CX46、CX5O；子宫是CX32、CX26、CX43；胎盘是CX3l。

在爪蟾胚胎得到了CX3O、CX43和CX38，CX3O相当于大鼠肝CX32，CX38还没有在哺乳类找到同源序列。

CX3O.3的表达未见报道。

心血管系统主要表达CX37、CX4O、CX43、CX45、CX46等5种连接蛋白，在心肌CX43表达特别丰富，被认为是心脏间隙连接的特有组成部分。

人类［8］心房肌以CX4O、CX43和CX45为主，CX4O的分布右心房多于左心房；工作心室肌主要表达CX43和微量的CX45，CX4O在右心室与左心室几乎相等。

各种哺乳动物的连接蛋白在心室表达相似，而在心房表现出很大的种族差异。

这种连接蛋白的特异分布，形成心房比心室传导快的特性。

心内膜和内皮表达CX37、CX4O［9］，与这些细胞间的信息传递有关。

免疫双标共聚焦图像分析结果表明［6］，兔窦房结及房室结以CX45为主，而无CX43，CX43在P-P，P-T细胞间呈阴性表达，在T-心肌细胞呈阳性表达，从窦房结中央到界嵴CX43由无到弱到强，在界嵴边缘CX43表达，界嵴与窦房结外围之间有一个过渡区，CX43，CX45同时表达。

提示窦房结和界嵴两种组织之间有一狭小的接触带。

而人和狗窦房结表达CX4O、CX45而无CX43，但犬窦房结分离细胞以CX4O为主。

豚鼠［lO］的窦房结冲动起始于无CX43区（最原始起搏区），然后冲动通过CX43阳性区间接向上传到界嵴。

使窦房结这种原始起搏点免于受心房超极化的影响，是受到组织几何因素带来的偶联梯度的保护而非间隙连接密度梯度的保护。

CX4O、CX4O43均存在于房室结和蒲肯野细胞中，His束仅CX4O表达，其中，连接蛋白表达时在房室结最少［ll］，房室传导组织缺少CX43，电生理现象类似房室结细胞，表现为弱动作电位，参与慢路径传导［l2］。

这些连接蛋白表达的差异，有助于解释心律失常时连接蛋白的改变。

#间隙连接与心脏发育
心脏发育不仅需要不同时间、不同空间若干基因的顺次表达，还依赖于细胞间的相互作用，主要包括间隙连接和粘着连接（adhering junction）。

CX43主要与右室流出道有关，连接蛋白无意突变（nonsense mutation）主要表现为肌小梁异常和右室流出道阻滞进而造成信息传递缺陷，影响神经细胞的迁移、肌小梁增生及细胞凋亡过程。

新生儿心肌的CX43在心室肌表面呈点状分布，并随着年龄增长，间隙连接渐进性地向成年闰盘的位置聚集，CX43沿横向簇排列，表明发育中的闰盘随年龄呈直线上升，6岁时达成年人的形式［l］。

应用免疫荧光分析表明［l2］，心脏发育过程中，连接蛋白受基因表达调控，连接蛋白的类型和含量均有变化，其中以CX4OPCR证明，在小鼠交配后（dpc）8.5天，心脏CX43、CX4O、CX47基因活性极低，9.5dpc后三者活性明显增加，在9.5-ll.5dpc之间，CX4O基因优先表达，但CX4O仅在两心室腔之一表达，而同阶段CX43在两心室同时表达。

表明CX4O基因表达的暂时性和不对称区域化，以及功能区域化的重叠，可能在心脏形态发生上起作用。

CX43-/-（隐性纯合缺陷）小鼠，出生短时间内死亡，出生前心脏节律性收缩，提示一种或几种连接蛋白代替CX43执行传导功能，有可能是CX4O在
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2OOl年第7卷第3期徐振平等心脏间隙连接研究进展
胎鼠心高表达可代替Cx43的功能，但Cx40不在心室间隔和心室游离壁表达，很难解释Cx43-/-新生鼠心室壁的电活动，故推测有另外一种连接蛋白而并非Cx40代替Cx43功能，参与心肌间电偶联。

!间隙连接与心脏疾病的发生
许多心血管疾病的发生、发展与连接蛋白表达的改变和间隙连接通道功能受损有关，尤其连接蛋白在心律失常发生中的作用正备受关注。

1997年Deiorme［13］认为，胚胎时期，连接蛋白的改变，可致心脏发育畸形。

在心脏整个发育过程中，连接蛋白的表达表现为相互重叠和相互补充的形式。

Cx43突变，有一些儿童心脏发育不对称，小鼠的Cx43突变部位心脏畸形；并使小鼠出生后死亡［14］。

推测神经嵴活性细胞过早迁入右心室和肺动脉处后，他们似乎使心脏变得不对称。

应用PCR和细胞培养研究表明［15］，心脏畸形儿童的Cx43，替换一个或多个磷酸化丝氨酸或脯氨酸残基，形成点突变，遗传方式为常染色体隐性异常，Cx43突变导致细胞间通讯的调控异常。

人心肌梗塞患者［1］，在治愈的梗死疤痕的心肌界面，间隙连接的连接蛋白分布极度紊乱，在衰退但能自行生长发育的心肌之间，有更多的的间隙连接沿心肌的后界面纵向排列，可能由于预先存在一群间隙连接的再分布。

局部缺血心脏病患者的远离梗死区，心肌间隙连接Cx43具有正常的分布形式，但每单位细胞体积减少47%，每个细胞减少30%。

慢性压力超负荷［16］引起的肥大心肌左心室Cx43在每个心肌表达及分布形式与正常无显著差别，但每单位细胞体积减少40%，豚鼠高血压心肌肥大早期，每单位细胞体积增加30%，每个细胞增加45%。

1997年Eivan［17］等的房颤模型证明，房颤的消融区Cx43减少，而Cx43减少的小鼠心传导速度减慢。

这种改变提示当心肌细胞体积发生相当大的改变时，每个心肌细胞为维持间隙连接大致不要作出补偿，可能会极大地改变心肌的传导特性，导致心律失常的发生。

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