心肌细胞钙瞬变信号的研究进展

钙空穴
在兔、大鼠、小鼠心室肌细胞中，伴随钙火花 的产生，在肌浆网中出现低亲和性钙指示剂 （ｆｌｕｏ－５Ｎ）信号的短暂变暗，这一信号被称为“钙 空穴”（ｃａｌｃｉｕｍ ｂｌｉｎｋ）［９］。其本质是钙火花产生 所伴发的肌浆网腔中Ｃａ２＋浓度迅速下降。 钙空穴出现在Ｚ带附近。即连接肌浆网处， 心肌细胞中可观察到钙空穴。钙空穴发生时，肌 浆网中Ｃａ２＋浓度迅速下降，在（２４±１１）ｍｓ内达 到最低点，恢复需（２９±２０）ｍｓ，其恢复过程主要 由Ｃａ２＋从单体肌浆网移入连接肌浆网所致一］。 钙空穴达最低点时间比同一细胞钙火花达峰 值的时间长，表明连接肌浆网钙释放是一个随时 间递减的过程。应用ＬＣＣｓ阻滞剂硝苯地平后， 行扫描记录发现，去极化使多个连接肌浆网同时 出现钙空穴，而以等摩尔浓度的Ｂａ２＋替代胞外 Ｃａ２＋时，钙空穴不会出现，提示钙空穴的产生与 ＬＣＣｓ活化有关ｎ］。钙空穴的存在体现了肌浆网 腔内局部钙瞬变信号的动力过程，并为钙信号转 导的特异性和多样性提供新证据。 ２钙瞬变信号的影响因素
２．１
细胞内钙信号传播存在时间和空间的组合形 式，始发于胞浆中某一局部的Ｃａ２＋跃升，以一种 反复瞬变的方式在细胞中传递，称为钙震荡（ｃａｌ—
ｃｉｕｍ
ｏｓｃｉｌｔａｔｉｏｎ）。在正常心肌细胞内，胞核和胞
浆均存在小幅度钙震荡。 有报道。ＡＴＰ诱发的钙信号与１，４，５－三磷酸 肌醇受体（１Ｐ，Ｒ）有关，而肌浆网上Ｃａ２＋泵主动摄 取Ｃａ２＋的能力具有ＡＴＰ浓度依赖性。刘健等［７］ 发现，ＡＴＰ使心肌细胞产生钙震荡，因此推测钙 震荡的产生可能与ＩＰ，Ｒ和Ｃａ２＋泵有关；加入氯 化钾可使产生的钙震荡消失，提示钙震荡也依赖 于正常膜电位的维持。另外，胞核中也可观察到 钙震荡一］，提示心肌细胞核可能存在与胞浆钙库 相似、受ＡＴＰ调节的钙释放和摄取系统；异丙肾 上腺素引起心肌细胞核钙震荡幅度明显增加。但 胞浆与胞核并非同时出现钙震荡口］，胞核与胞浆 Ｃａ２＋变化不同步，提示心肌细胞核上可能存在相 对独立的Ｃａ２＋转运系统，其机制尚待深入研究。
１．４
瞬时受体电位蛋白 瞬时受体电位蛋白（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ
ｒｅｃｅｐｔｏｒ ｐｏ—
ｔｅｎｔｉａｌ
ｐｒｏｔｅｉｎｓ，ＴＲＰｓ）有许多成员，其中ＴＲＰ通
钙星
道１（ＴＲＰＣＩ）、ＴＲＰＣ３、ＴＲＰＣ６在钙神经素依赖 性心肌病的大鼠心室肌中表达。ＴＲＰＣ３、ＴＲＰＣ６ 与血管紧张素ＩＩ引起的活化Ｔ细胞核因子 （ＮＦＡＴ）的活化及肥大过程相关，其作用机制可 能是膜去极化增强，经通道进入胞浆的钙增多，从 而激活电压依赖性钙通道…］。心肌细胞培养基 中加入干扰ＲＮＡ后，其肌浆网Ｃａ２＋ＡＴＰ酶
引发‘引。
现Ｉｓ］。钙星在心肌兴奋一收缩耦联中发挥重要作 用，其提供的Ｃａ２＋可激活交界区的ＲｙＲｓ，当心肌 动作电位传至Ｔ管时，少量ＬＣＣ开放产生钙星， 继而引起１０～１５个ＲｙＲｓ开放而触发钙火花。 但钙星并非总能触发钙火花，从钙星产生到触发 钙火花的潜伏期约为６．７ ｍｓ，表明Ｉ。ＣＣ—ＲｙＲｓ偶 联由一级动力学控制。
Ｃａ”ｒｅｌｅａｓｅ，
钙火花
ＳＯＩＣＲ）［４３，肌浆网腔内Ｃａ２＋达到一定阈值时，可 从内部触发或激活ＲｙＲ，该机制可能与钙超载情 况下自发性钙火花相关。
１．２钙波
钙火花（ｃａｌｃｉｕｍ ｓｐａｒｋ）是指心肌细胞肌浆网 上钙释放通道（ＲｙＲ）自发开放或由单个Ｌ型钙 通道开放触发引起的局部钙释放事件，是兴奋一收 缩耦联的基本单位，也是心肌兴奋一收缩耦联局部 控制的理论基础。其特点为局限在很小（约 ２ｔ－ｍ）的亚细胞区域，不被转导，可单个散在或成 簇状发放，亦可由邻近部位触发。 钙火花广泛存在于各种动物心室肌细胞中， 包括人、狗、兔、大鼠、小鼠、貂、鸟类。同步染色结 果表明，钙火花主要出现在Ｚ带或肌节Ｔ管附 近。心房肌细胞缺少Ｔ管，但自发性钙火花出现 的频率更高，时程更长（１２ ｍｓ内有３００ ０００个 Ｃａ２＋释放，心室肌中７ ｍｓ内有１００ ０００个Ｃａ２＋ 释放），且常出现在细胞边缘［１］。窦房结细胞中存
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心肌细胞钙瞬变信号的研究进展
杨晓慧综述卢新政审校
【摘要】
心肌细胞钙瞬变信号是指细胞动作电位或其他原因引起心肌细胞内游离Ｃａ２＋浓度
迅速波动的现象，包括钙火花、钙波、钙震荡、钙星、钙空穴等。钙瞬变信号的幅度及时程受细 胞膜Ｌ型钙通道、肌浆网膜钙释放通道、钙一ＡＴＰ酶、瞬时受体电位蛋白、连接素等的影响。钙 瞬变信号与心肌细胞的收缩性及传导性相关，并参与了心肌肥厚、心力衰竭等疾病发生发展 过程。 【关键词】钙瞬变；钙火花；钙波；钙震荡；心肌细胞
ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｄｕ－
ｒａｔｉｏｎ，ＡＰＤ）和心肌内激动传导。当心率增快 时，舒张期缩短，心肌细胞复极不全，胞内Ｃａ２＋不 能完成其循环，扰乱了钙稳态并发生钙瞬变，钙瞬 变可导致ＡＰＤ交替。Ｐｒｕｖｏｔ等［１６］采用豚鼠离体 灌流心脏同步记录心外膜ＡＰＤ、心电图和胞内 钙，显示ＡＰＤ交替与胞内钙交替一致，且胞内钙 循环与ＡＰＤ交替的滞后相关，即当刺激频率减 慢时ＡＰＤ仍保持快频率刺激时的状态。 ３．２钙瞬变信号与心血管疾病 钙瞬变信号与心血管疾病如心肌肥大、心力 衰竭、心律失常等密切相关。
１．５
钙波的传播不受胞膜钙通道离子流控制，一 旦发生，就会传播到整个细胞。有报道少量钙波 可在细胞间相互转导‘６｜，其发生概率较低（１３％）， 可能与心肌细胞间钙的通透性低有关。增加细胞 外Ｃａ２＋浓度、牵拉等可增加钙波频率。但不能增 加钙波在细胞间传播，因此认为钙波对细胞间转 导不起重要作用。
１．３钙震荡
万方数据
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释放阈值。当数个钙火花在释放空间、时间相近 时，则易激发钙波。新近发现。钙泵回收使肌浆网 出现钙超负荷。引起ＲｙＲｓ钙敏感化而产生钙波。 因此认为，心肌细胞钙波的产生不仅仅由ＣＩＣＲ
３．２．１
钙瞬变信号与心肌肥大据报道，他克莫
司结合蛋白１２．６（ＦＫＢＰｌ２．６）基因敲除小鼠出现 了心肌肥大，肥大开始与钙瞬变波幅增加相 关［１ ７｜。三联蛋白１过度表达的转基因小鼠钙瞬 变时程明显延长，且出现心肌肥大¨…。近期认 为，肥大心肌细胞去极化引起的钙瞬变波幅增 加Ｅｌｇ］。以上结果显示，钙瞬变信号与心肌肥大 相关。 ３．２．２钙瞬变信号与心力衰竭 心力衰竭模型
钙离子（Ｃａ２＋）作为一种普遍存在的信使参 与了各种细胞的病理生理过程。在心肌细胞收 缩、舒张过程中，兴奋一收缩耦联均伴随着细胞内 Ｃａ２＋浓度改变，这种浓度变化的时间及空间效应 形成了心肌细胞内的钙瞬变。阐明钙瞬变信号的 表现形式及其影响因素、深入理解钙瞬变信号与 心脏疾病的关系，对心血管疾病的诊疗具有启迪 和指导意义。 １钙瞬变信号的表现形式
钙波（ｃａｌｃｉｕｍ ｗａｖｅ）是指心肌细胞内Ｃａ２＋负 荷增高、细胞内Ｃａ２＋在局部自发性释放增加并伴 转导的现象。其特点是在激光共聚焦显微镜下可 见心肌细胞内Ｃａ２＋在某个区域瞬时性增高，并以 较快速度在细胞内传播，反映了细胞内高Ｃａ２＋负 荷后的反应。钙波可见于所有哺乳动物的心肌细 胞，且与正常兴奋一收缩耦联关系较小。 由于ＣＩＣＲ的作用，当几个邻近的钙火花在 相近部位出现时，其Ｃａ２＋浓度可能足以扩散到下 一个释放位点引起其释放Ｃａ”，这一过程连续发 生就形成钙波。因此，钙火花和钙波是心肌细胞 中钙瞬变信号的基本表现形式。静息状态下，单
１．１
在节律性钙火花，可调节舒张期去极化，从而调节 起搏点的活动［２０。 心肌细胞去极化使Ｃａ２＋从细胞膜Ｌ‘型钙通 道（ＬＣＣ）进入后，启动“钙触发钙释放”（Ｃａ２＋－ｉｎ－
ｄｕｃｅｄ
Ｃａ”ｒｅｌｅａｓｅ，ＣＩＣＲ）机制诱发钙火花，这是
心肌细胞产生钙火花的主要方式。研究表明，单 个ＬＣＣ开放可引发产生单个钙火花［３］，其峰值为 每秒１０６个。钙火花产生的另一个机制是“超载 引发的钙释放”（ｏｖｅｒｌｏａｄ—ｉｎｄｕｃｅｄ
３钙瞬变信号的病理生理效应
３．１
钙瞬变信号的生理效应
心肌细胞的兴奋一收缩耦联是由Ｃａ２＋介导、 将细胞膜去极化与细胞收缩联系起来的胞内信号 转导过程。心肌收缩时，细胞内Ｃａ２＋与肌钙蛋白 结合，使肌动蛋白与肌球蛋白之间的横桥形成，导 致肌丝收缩。在钙偶联位点上，膜去极化使ＬＣＣ 开放，在局部产生高强度的钙脉冲（钙星），作用于 邻近肌浆网终末池上的ＲｙＲｓ，钙偶联位点通过 由钙星随机激活的ＲｙＲｓ以钙火花形式释放钙， 这些钙在全细胞水平上总和即形成钙瞬变。因 此，钙星触发钙火花构成了兴奋一收缩耦联的基本 事件。 Ｃａ２＋有自身调节功能并维持一种稳态，钙瞬 变信号可影响动作电位时程（ａｃｔｉｏｎ
２表达下调，而Ｎａ＋／Ｋ＋交换体、ＴＲＰＣ４、ＴＲＰＣ５
万方数据
国际一垒血管病杂志２００９年７月第３６卷第４期
Ｉｎｔ
Ｊ Ｃａｒｄｉｏｖａｓｃ Ｄｉｓ，Ｊｕｌｙ ２００９．Ｖ０１．３６．Ｎｏ．４
・２１７・
及ＮＦＡＴ转录增加［１¨。以上研究表明，Ｃａ２＋浓 度变化与ＴＲＰｓ相关。 ２．２连接素 连接素（ｊｕｎｃｔｉｎ，ＪＮＣ）是一种肌浆网跨膜蛋 白，与心肌肌浆网中ＲｙＲ、肌集钙蛋白（ｃａｌｓｅｑｕｅｓ— ｔｒｉｎ，ＣＳＱ）和三联蛋白（ｔｒｉａｄｉｎ）形成四价蛋白复 合体，对ＲｙＲ介导的钙释放发挥重要作用。Ｇｙ— ｏｒｋｅ等【１２３报道，ＣＳＱ作为ＲｙＲｓ的抑制剂参与了 ＣＩＣＲ的终止过程。ＣＩＣＲ过程中，肌浆网钙水平 下降，致ＣＳＱ与ＲｙＲ复合物相互作用增强，从而 影响ＲｙＲ的钙释放功能。反之，舒张期肌浆网中 Ｃａ２＋增多，ＣＳＱ与Ｃａ２＋结合，则ＣＳＱ－ＪＣＮ／三联 蛋白结合作用减弱，ＣＳＱ对ＲｙＲ抑制作用减弱， 从而利于ＲｙＲ在下一缩舒周期中发挥作用。因 此，ＪＣＮ可干扰ＣＳＱ与ＲｙＲ的相互作用，增强 ＲｙＲ活性。 ＪＣＮ可能直接调节ＲｙＲ活性［｛２１。休眠细胞 产生的钙火花中，因ＣＳＱ与ＲｙＲｓ复合物的相互 作用很弱，ＪＣＮ成为主要的作用因子。ＪＣＮ基因 敲除小鼠试验表明，ＪＣＮ对ＲｙＲ活性起负性调节 作用，提示ＪＣＮ可能是ＲｙＲ活性抑制剂［１引。与 此相反，Ｇｙｏｒｋｅ等［１２］发现包含ＪＣＮ的纯化ＲｙＲｓ 增加了ＲｙＲｓ在脂质双分子层的开放，表明ＪＣＮ 对ＲｙＲ有正性调节作用。出现不同试验结果的 原因不清，可能是试验条件不同使ＪＣＮ对ＲｙＲ 的作用不同。此外，Ｋｉｒｃｈｈｅｆｅｒ等［１４］在心肌细胞 中过度表达ＪＣＮ发现，钙火花产生的频率及波幅 减少，而空间传播增强。Ｙｕａｎ等［１３１发现，ＪＣＮ缺 失的心肌细胞产生钙火花性质与ＪＣＮ过度表达 者相同。 ２．３肌浆网ＡＴＰ酶 电刺激后观察胞浆钙瞬变信号变化发现，快 速上升相后有一缓慢衰减相，Ｃａ２＋迅速上升与温 度无关，而Ｃａ２＋缓慢衰减与温度和肌浆网ＳＥＲ－ ＣＡ相关。将心肌细胞置于一定浓度的毒胡萝卜 内酯（ＴＧ）培养基中发现，低浓度时抑制ＳＥＲＣＡ， 但不影响细胞生长和其他细胞特性Ｅ１５］，用小干扰 ＲＮＡ可使ＳＥＲＣＡ表达下调［１１｜，继而使整体钙 转运活性下降。总之，ＳＥＲＣＡ改变引起钙转运 活性改变，继而影响钙瞬变信号。
（ｓａｒｃｏ—ｅｎｄｏｐｌａｓｍｉｃ ｒｅｔｉｃｕｌｕｍ ＡＴＰａｓｅ，ＳＥＲＣＡ）
钙星（ｃａｌｃｉｕｍ ｓｐａｒｋｌｅｔ）是单个ＬＣＣ口处微 区域内发生的钙瞬变。钙星通常无法被共聚焦荧 光显微镜直接探测到。当胞外Ｃａ２＋浓度达１０～
Hale Waihona Puke ２０ｍｍｏｌ／Ｌ，用Ｉ。ＣＣ激动剂ＦＰＬ６４１７６延长通道
开放时间，并用ＲｙＲｓ阻滞剂使肌浆网失去钙释 放能力时，用共聚焦荧光显微镜可观察到通过单 个ＬＣＣ内流的钙信号，即钙星［８］。 心肌细胞中可观察到钙星，早于钙火花出
基金项目：国家自然科学基金（３０７７０８９９） 作者单位：２１００２９南京医科大学第一附属医院心内科 通讯作者：卢新政。Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｚｌｕ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｒｎ
个钙火花不能触发钙波，因为钙火花释放的Ｃａ２＋ 一方面向周围扩散，另一方面由钙泵回收，使到达 下一个邻近钙释放位点的Ｃａ２＋浓度不能达到其