心肌隔膜缺损是什么原因造成的(心室隔膜缺损是怎么引起的)

巴氏综合征（Barth Syndrome）是一种X染色体遗传缺陷病，最早由荷兰医生Peter Barth于1983年发现并命名【1】。该病由位于X染色体Xq28位置上的TAZ基因发生突变导致【2】。TAZ基因编码的Tafazzin蛋白作为一种磷脂-血磷脂酰基转移酶参与到心磷脂重构（remodeling）过程的最后一步反应并扮演了至关重要的角色。正常重构的心磷脂主要生物学功能是将线粒体膜上的各类电子传递链复合体牢固“粘贴”在一起，保障电子和质子在复合体中的传递【4-6】。然而，当TAZ基因发生突变导致Tafazzin表达缺失时，心磷脂正常的重构将发生障碍，造成大量构型缺陷的心磷脂产生，并最终导致心脏和其他器官的能量代谢异常。

巴氏综合征作为一种罕见的遗传性疾病，发生率为30万到40万分之一。患者的主要临床表现为心肌病7，包括：心律失常、猝死、心衰、扩大型心肌病、左心室致密化不全、多处隔膜缺损、心内膜弹力纤维增生等。目前学界对巴氏综合征表现出的各类心肌病的发病机制已有报道、但尚不完全明晰。尽管部分巴氏综合征患者死因是心律失常导致的猝死，然而至今尚未有报道系统地研究巴氏综合征患者发生心律失常的特征及生物学机制。

2021年4月，哈佛大学医学院William Pu教授团队在心血管领域期刊Circulation发表了题为Increased ROS-Mediated CaMKII Activation Contributes to Calcium Handling Abnormalities and Impaired Contraction in Barth Syndrome的文章。该研究系统地鉴定了TAZ基因敲除小鼠的心律失常特征，并基于人诱导多能干细胞分化来源的心肌细胞（hiPSC-CMs）模型深入研究了巴氏综合征hiPSC-CMs中异常的钙信号转导的特征和发生机制，最终揭示了：激活的 ROS-CaMKII-RYR2 信号通路是造成巴氏综合征hiPSC-CMs发生钙信号转导异常事件及收缩力减弱的潜在原因，阻断此信号通路能够显著纠正钙信号转导异常并恢复心肌收缩力。

首先，研究人员以TAZ敲除的转基因小鼠为实验模型进行侵入性心脏电生理检查（Electrophysiology Study），系统地表征了该动物模型发生心律失常的种类、频率等特征。实验结果显示：在TAZ敲除的转基因小鼠无症状或仅表现出微弱的心功能障碍时，已有2/3数量的小鼠已发生了心律失常：这其中的1/3小鼠表现出进行性房室结功能障碍并最终发展为完全性心脏传导阻滞，另1/3小鼠在肾上腺素刺激后表现出双向性室性心动过速，其余小鼠表现出诱发型室性或房性心动过速。而对照组仅有1/4小鼠出现时程显著短于TAZ敲除小鼠的诱发型室性心动过速。实验表明：相较于对照组，TAZ敲除小鼠更易表现出多种类型的心律失常症状。

众所周知，钙信号转导是心脏正常节律收缩的重要调控机制。因此，巴氏综合征患者发生的心律失常事件提示了其在心肌细胞层面可能存在钙信号转导异常。为了对钙信号转导进行深入的研究，该研究首先制备了hiPSC-CMs疾病模型：利用基因编辑技术在野生型hiPSC的TAZ基因上引入了定点突变（突变位点来源于临床巴氏综合征患者）从而获得了携带TAZ基因突变的同基因型（isogenic）hiPSC细胞系。再通过心肌分化技术获得了高纯度的hiPSC-CMs，并进一步基于hiPSC-CMs制备了人工心脏组织（Engineering Heart Tissue, EHT）作为心肌收缩力研究的实验模型。

在获得实验模型后，研究人员首先以钙离子指示剂Fura-2在巴氏综合征hiPSC-CMs中检测钙瞬变（Ca2+ transient），实验结果显示：相较于野生型，巴氏综合征心肌细胞中钙瞬变幅值显著降低，且舒张期胞浆内钙离子浓度显著增高。根据心肌兴奋收缩耦联 （Excitation-Contraction Coupling）机制可知钙诱导的钙释放（Calcium-Induced Calcium Release）过程中从肌质网内外流至胞浆的钙离子引发了心肌收缩，外流的钙离子总量（钙瞬变幅值）在一定程度上决定了细胞收缩的强度。因此，研究人员推测巴氏综合征的心肌收缩力可能存在减弱的现象。为了验证此推测，研究人员分别制备了野生型和携带TAZ基因突变的人工心脏组织用于模拟真实心肌组织收缩，并对收缩的强度进行了精确测量。实验结果确认：携带TAZ基因突变的人工心脏组织的收缩力显著弱于野生型。然后，研究人员通过modified RNA技术分别在携带TAZ基因突变的hiPSC-CMs及其人工心脏组织中过表达野生型 Tafazzin蛋白，并再一次检测钙瞬变和收缩力。实验结果显示：过表达野生型Tafazzin显著纠正了携带TAZ基因突变的hiPSC-CMs中存在的钙瞬变异常现象，同时也显著恢复了人工心脏组织的收缩力。

接下来，该研究致力于寻找连接TAZ基因突变与钙信号转导异常之间的分子生物学机制。首先，Caffeine assay结果显示：相较于野生型，巴氏综合征hiPSC-CMs肌质网内Ca2+ 总量显著下降；进一步的tetracaine assay结果显示：相较于野生型，巴氏综合征hiPSC-CMs肌质网上具有显著增强的钙漏（Ca2+ leak）。这两项实验结果恰当地解释了前述巴氏综合征心肌细胞显著降低的钙瞬变幅值及舒张期胞浆内显著增高的钙离子浓度的实验现象。因此，探究导致巴氏综合征hiPSC-CMs出现钙漏增强的生物学机制成为了该研究的关键问题。

通过系列分子生物学实验的验证，该研究成功地鉴定了激活的ROS-CaMKII-RYR2信号通路是钙漏增强的潜在诱因：由于TAZ基因突变导致心磷脂重构缺陷，进而造成线粒体电子传递复合物的功能缺陷，导致线粒体产生过量的活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）。过量的ROS对蛋白激酶CaMKII（Calcium/calmodulin-dependent protein kinase II）特定的位点进行氧化（Met281/282）或磷酸化 (Thr286) 激活了 CaMKII。接着，活化的CaMKII又进一步磷酸化RYR2受体特定位点（S2814）的丝氨酸，最终过度磷酸化的RYR2受体产生构象的变化导致钙漏的增强。

为了验证ROS-CaMKII-RYR2信号通路对钙信号转导的影响。该研究分别通过：a. 利用化合物MitoTEMPO清除ROS，b. 利用多肽AIP（Autocamtide-2-Related Inhibitory Peptide）抑制CaMKII活化，c. 基因编辑替换RYR2受体S2814位点丝氨酸为丙氨酸（S2814A）三种方式抑制该信号通路的激活。实验结果表明：上述所有的三种方案均能够显著地纠正巴氏综合征hiPSC-CMs中存在的钙信号转导异常现象，并同时能够部分恢复巴氏综合征人工心脏组织减弱的收缩力。

总结而言，该研究发现：巴氏综合征hiPSC-CMs中激活的ROS-CaMKII-RYR2信号通路导致了异常的钙信号转导以及减弱的收缩力，阻断此信号通路能够显著恢复上述异常。

该研究的科学价值在于：1）为治疗以心律失常为表型的巴氏综合征患者提供了理论基础和治疗方向；2）对ROS-CaMKII-RYR2信号通路的调控或可成为由活性氧增多导致的其它类型的心脏疾病的治疗方案。

哈佛大学附属波士顿儿童医院心血管研究中心的刘旭杰博士为本论文的第一作者，该研究中心主任William Pu教授为本论文的通讯作者。

原文链接：

https://www.ahajournals.org/doi/10.1161/CIRCULATIONAHA.120.048698

制版人：十一

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。