KCNJ2在心脏离子通道病中的一因多效性

【摘要】  KCNJ2基因定位于第17号染色体，编码内向整流钾通道Kir2.1α亚单位。KCNJ2与遗传性长QT间期综合征(LQTS)，遗传性短QT间期综合征(SQTS)及家族性房颤相关。本文就KCNJ2在心脏离子通道病中的研究进展作一综述。

【关键词】  KCNJ2；Kir2.1 心脏离子通道病

    心脏离子通道病（Cardiac channelopathy）是由于心肌细胞膜离子通道蛋白质结构和功能改变而导致的疾病［1］。随着细胞电生理及分子遗传学技术在心脏病研究中的广泛应用，新的心脏离子通道病不断被发现。其中部分临床表现型各异的心脏离子通道病是由编码相似功能的蛋白质或编码具有共同级联通路蛋白质的基因异常所致。KCNJ2基因即是其中之一。

    1  KCNJ2、Kir2.1与Ik1

    内向整流钾通道(Kir，Inward rectifier potassium channel)有7个亚家族，在体内维持可兴奋组织的细胞兴奋和静息膜电位的稳定，在体内神经信号传导、胰岛素释放及心率血流调控等方面发挥广泛的作用［2］。KCNJ2定位于第17号染色体17q23，编码内向整流钾通道Kir2.1α亚单位。内向整流钾通道Kir2.1包括四个相同的KCNJ2编码的α亚单位。每个α亚单位包括两个跨膜结构域(M1和M2)，M1和M2由一个约30个氨基酸的孔区环襻相连，环襻中央有孔区，孔区位于膜的细胞外侧，这一区域含有钾离子的识别序列“G-Y-G”。正是由于识别序列G-Y-G的存在决定了钾通道的特异性离子选择性［3，4］。

    心脏内向整流钾通道电流（Ik1，the cardiac inward rectifier potassium current）也被称为背景电流，以Kir2.1为主的内向整流钾通道所介导的电流占总Ik1电流的80%以上［5］。Ik1随超极化（-80～-140 mV）激活，内向电流增加；弱去极化（-70～-30 mV）时，电流改成外向；进一步去极化时，外向电流消失。Ik1的翻转电位为-80～-70 mV，电压依赖性门控动力学与细胞外K+ 浓度和膜电位的关系密切，受细胞内Mg2＋影响。Ik1主要参与心肌细胞动作电位的3相期复极及维持4相期的静息电位［6］。Ik1生理功能与内向整流性有关［7］：⑴Ik1在维持静息电位方面显得非常重要，细胞膜静息电位时仍有相当数量的通道开放，当膜轻度去极化时通道流出一定量的外向电流，使膜电位保持在静息电位水平；⑵去极化时，Ik1电流的幅值降低，有利于维持平台期各离子流的稳定，防止平台期过度的钾离子外流造成细胞外液钾离子的聚集；⑶在复极末期，其它离子流均处于失活状态，而Ik1则开始激活，成为外向电流的主要成分，这将有利于快速复极，防止早后除极；⑷Ik1的主要表现为内向电流，所以能够抑制Na+-K+ 泵电流，避免细胞过度超极化。

    2  KCNJ2与LQTS

    目前已发现超过20个KCNJ2突变可引起Andersen综合征，即长QT综合征第七型（LQTS7，Long QT syndrome type 7）［8-11］。Andersen综合征三联征包括：1）低血钾、正常血钾或高血钾型周期性麻痹；2）80％患者存在QT间期延长和室性心律失常；3）骨发育不良，包括矮小身材、脊柱侧突、指(趾)弯曲、眼距过宽、小颌和宽额。Andersen综合征的发生特点既可以是常染色体显性遗传也可以是个别散发。

    Bendahhou［10］将Andersen家系中不同突变位点的KCNJ2基因转染入工具细胞，利用膜片钳技术进行功能分析，发现表达的突变Kir2.1均不产生电流；而将突变与野生KCNJ2基因共转染入工具细胞后进行功能分析，发现此时共表达的Kir2.1通道电流较野生Kir2.1通道大大减小。进一步应用共聚焦显微镜观测转染工具细胞荧光发现1.突变KCNJ2表达的Kir2.1通道蛋白均在细胞内，难以锚上细胞膜；2.突变Kir2.1通道蛋白难以与野生通道蛋白结合，结合后也极难锚上细胞膜；3.细胞膜上的突变Kir2.1通道蛋白明显抑制野生通道蛋白的Ik1电流强度。所以他们认为，突变KCNJ2导致Kir2.1通道蛋白在胞内装配转运障碍和/或膜上通道电导降低，从而引起Ik1电流强度减少，导致一系列的临床症状。

    LQTS的主要特点是QT间期延长，它既可由去极化电流强度的增强(Na+通道的变异)所致，也可因复极化电流强度的减小(K+通道的变异)造成。Andersen综合征中KCNJ2突变通过对Kir2.1通道的抑制作用引起复极化末期Ik1电流强度减少，从而延长了心肌细胞动作电位和QT间期。Tristani-Firouzi［9］发现Andersen综合征患者虽然频发室早与非持续性多形性室速等室性心律失常，却很少发生如尖端扭转型室速及室颤等影响血流动力学的心律失常，与其他类型LQTS相比其晕厥及猝死发生率低。Ik1电流主要是作用于动作电位复极相3期，Ik1电流强度减小易诱发迟后除极(delayed afterdepolarization，DAD),从而引起Andersen综合征患者室性早搏频发。而其他类型LQTS突变电流如Iks、Ikr或者INa主要是影响动作电位平台期，导致平台期延长，L-Ca2+通道激活，诱发平台期及早期复极阶段早后除极(early afterdepolarization，EAD)。所以，不同复极阶段的电流改变导致不同的临床表现型。

    3  KCNJ2与SQTS

    Gaita［12］等2003年报道了一种被称为短QT综合征(Short QT syndrome，SQTS)的新型综合征。SQTS是一种单基因突变引起心肌离子通道功能异常而导致恶性心律失常的遗传性病。其主要特征为：⑴心电图QT间期异常缩短（QTC≤300ms），可伴晕厥、心悸、阵发性AF和心脏猝死史；⑵心脏结构正常；⑶心房和心室ERP明显缩短，易于诱发AF和室颤；⑷呈常染色体显性遗传，家族中多代成员具有较高的猝死发生率。2004年在两个SQTS的家系中已发现KCNH2的一个突变N588K［13］。KCNH2突变是功能获得型突变，突变显著提高了Ikr钾电流。

    最近，Priori［14］等报道了第三个SQTS基因KCNJ2。他们在一个SQTS家系中发现所有患者KCNJ2 上均有一个错义突变G514A，使编码Kir2.1通道172位点的氨基酸由门冬氨酸变为门冬酰胺（D172N）。膜片钳功能分析结果，指令电位在-75 mv~-45 mv时，D172N MT Ik1外向电流较WT Ik1增强，而内向电流无明显差别。

    QT间期的长短取决于心室肌细胞的复极时间。任何引起心肌细胞复极过程中外向离子流强度与密度增加或动力学过程加快、任何引起内向离子流强度与密度降低或动力学过程减慢的基因突变，都可能导致动作电位时限（Action potential duration ，APD）、有效不应期（Effective refractory period，ERP）和QT间期缩短,进而引起心室肌和心房肌的易损性增加。ERP短则容易发生快速性的室性心律失常，如室性心动过速和心室颤动。SQTS的患者也容易发生AF，尤其是家族性SQTS患者。因为此类患者的心房肌和心室肌一样，细胞的有效不应期明显缩短。

    4  KCNJ2与FAF

    2002年，Dobrev［15］注意到在AF发生时，人心房肌细胞的Ik1电流密度较窦性心律时有2倍升高并伴有相应的Kir2.1mRNA的增加，推测Kir2.1mRNA的增加可能是AF患者心房肌Ik1上调的分子基础。Van Wagoner［16］在检测慢性AF患者的离子流改变时，发现瞬间外向钾电流Ito电流密度减少而内向整流钾电流Ik1电流密度增加106%，Ito在左右心房变化相同而Ik1在左房比右房明显增加。由此Ik1被认为在AF的发生和维持中可能起到重要作用。2005年，Xia［17］等在一个房颤家系中发现所有患者KCNJ2第277位鸟嘌呤核甘酸变为腺嘌呤核甘酸，其编码的Kir2.1通道电流较正常增强。Xia等认为钾离子通道基因KCNJ2突变导致FAF，但是不排除此突变是FAF的罹患因子或者遗传标志。

    Kir2.1是心肌细胞动作电位复极末期（3期）和静息电位期（4期）的主要电流通道，在动作电位平台期此通道完全关闭［18］。在膜电位负于膜静息电位时，内向整流通道开放通过强烈内向电流使得膜电位回到静息电位水平。相反，在膜电位高于膜静息电位时，内向整流通道产生细微外向电流使细胞复极。内向整流通道激活可加快细胞膜复极至静息膜电位，导致细胞APD时限缩短。AS中Kir2.1功能缺失使得患者QT间期延长。FAF中Kir2.1通道电流增强这就使得心肌细胞动作电位复极相缩短，从而导致心肌有效不应期（ERP）和动作电位时限（APD）缩短，心房肌复极离散度增加，可能使得心房更易产生多环折返，从而诱发AF。

    5  结语

    离子通道不同部位的突变能导致不同的临床表现型，如心脏钠离子通道SCN5A突变可引起LQTS、Brugada综合征、室颤和房室传导阻滞；而KCNQ1突变可导致LQTS和FAF。这种一因多效性的现象为我们探讨离子通道病的共同机制提供了分子基础，也为临床离子通道病的个性化治疗提供了理论依据。

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作者单位：上海市第八人民医院心内科，上海 200235