sydämen Sarkoplasmisen Retikulumin säätely Ca2+ Fosfolambanin imeytyminen

1970-luvun alussa Arnold Katz (Tada et al1) raportoi löydöstä, jossa osoitettiin, että eristettyjen sydämen sarkoplasmaisten retikulumikalvojen fosforylaatio tapahtui pääasiassa pienimolekyylisessä proteiinissa. Tämä fosfoproteiini nimettiin fosfolambaaniksi Kreikan kantasanoista, jotka tarkoittavat ” saada fosfaattia.”1 Fosfolambaani on pieni proteiini, joka sisältää 52 aminohappojäämää, ja sitä esiintyy sydämen, sileän ja hitaasti nykivän luurankolihaksen lihaksissa. Sen säätelyvaikutuksia on kuitenkin tutkittu lähinnä sydänlihaksessa. In vitro-tutkimukset osoittivat, että fosfolambaani voidaan fosforyloida kolmesta eri kohdasta eri proteiinikinaasilla: seriini 10 proteiinikinaasi C: llä, seriini 16: lla cAMP – tai cGMP-riippuvaisella proteiinikinaasilla ja treoniini 17: llä Ca2+-kalmoduliiniriippuvaisella proteiinikinaasilla.23 kuhunkin fosforylaatioon liittyy sydämen sarkoplasmisen retikulumin Ca2+ – kertymän alkunopeuden stimulaatio, joka ilmenee pääasiassa alhaisena, mikä johtaa Ca2+ – pumpun affiniteetin lisääntymiseen Ca2+ – kertymään.45 näiden havaintojen perusteella on alun perin oletettu, että fosforyloitu fosfolambaani toimii sydämen sarkoplasmaisen retikulumin Ca2+-Atpaasientsyymin (SERCA2) stimulaattorina. Kuitenkin 1980-luvun lopulla tapahtui merkittävä läpimurto, joka osoitti, että defosforyloitu fosfolambaani on itse asiassa sydämen sarkoplasmisen reticulum Ca2+: n kuljetuksen estäjä Ca2+: lle ja että fosforylaatio lievittää tätä estävää vaikutusta, jolloin fosforylaation aiheuttama stimulaatio ilmaantuu.6 Tämä havainto yhdessä sydämen sarkoplasmiseen retikulumiin liittyvän proteiinifosfataasin tunnistamisen kanssa,joka voi defosforyloida fosfolambania, 7 on johtanut nykyiseen käsitykseemme fosfolambanista sydämen sarkoplasmisen retikulumin Ca2+ Atpaasiaktiivisuuden palautuvana estäjänä.

Fosfolambaani fosforyloituu myös paikan päällä β-adrenergisen stimulaation aikana. Tutkimukset ehjillä sykkivillä sydämillä tai eristetyillä sydämen myosyyteillä ovat osoittaneet, että fosfolambaanin seriini 16 ja treoniini 17 fosforyloituvat isoproterenolistimulaation aikana.Fosfolambaanin fosforylaation ja siihen liittyvän sydämen sarkoplasmisen retikulumin Ca2+-kertymänopeuden lisääntymisen on arveltu olevan ainakin osittain vastuussa β-agonistien stimuloivista vaikutuksista nisäkkäiden sydämessä.

Fosfolambaanin rakenteelliset ominaisuudet

fosfolambaanin rakennetta ei tällä hetkellä tunneta, mutta sen aminohappojärjestyksen perusteella on ehdotettu useita malleja. On yleisesti hyväksytty, että on olemassa kaksi pääaluetta: hydrofiilinen domeeni (AA 1-30, joka osoittaa aminohappojäämiä 1-30), joka sisältää kolme fosforylaatiopaikkaa, ja hydrofobinen domeeni (AA 31-52), joka on ankkuroitunut sydämen sarkoplasmaiseen retikulumikalvoon. Osan hydrofiilisestä domeenista on ehdotettu olevan kierteisessä konfiguraatiossa, ja fosfolambaanin fosforylaatio voi purkautua tai häiritä tätä rakenteellista konfiguraatiota.10 useista laboratorioista saatu näyttö osoitti hydrofiilisen domeenin merkityksen fosfolambaanin säätelyvaikutusten välittäjänä sydämen sarkoplasmisessa retikulumissa Ca2+ – pumpussa.6111213 itse asiassa AA 2-18 fosfolambaanissa on ehdotettu olevan vuorovaikutuksessa AA 336-412: n ja 467-762: n kanssa SERCA2: ssa funktionaalisen modifioinnin vuoksi.14

fosfolambaanin hydrofobisella domeenilla on myös ehdotettu olevan kierteinen rakenne. Tällä hetkellä ei ole selvää näyttöä siitä, että tämä domeeni on vuorovaikutuksessa sydämen sarkoplasmisen reticulum Ca2+ – pumpun kanssa, vaikka useat tutkimukset ovat osoittaneet, että fosfolambanin hydrofobinen osa on myös tärkeä säätelyvaikutusten välittäjänä.1215 Kysteiinijäämät α-kierteisessä transmembraanidomeenissa aikaansaavat monomeeristen muotojen välisen ei-kovalenttisen vuorovaikutuksen ja edistävät fosfolambaanin pentamerisen rakenteen stabiloitumista.16 Fosfolambaanipentameerien analyysi osoitti, että pentameeri muodostui vasenkätisestä kierteisestä kierteiskimpusta, jossa oli lieriömäinen ionihuokonen.17 Viimeaikaiset todisteet osoittivat,että leusiini vetoketju vakauttaa fosfolamban pentameric association ja muodostaa Keski-ioni huokosia, 18 joka voi mahdollistaa Ca2+ – selektiivinen ioninsiirron.Tällä hetkellä ei kuitenkaan ole selvää, onko pentamerikaalinen kokoonpano välttämätön sydämen sarkoplasmisen retikulumin Ca2+ ATPaasin toiminnan säätelylle. Soluttomissa järjestelmissä tehdyt ekspressiotutkimukset ovat osoittaneet, että fosfolambaanin monomeeriset ja pentameriset muodot ovat yhtä tehokkaita välittämään Ca2+ – pumppuun kohdistuvia säätelyvaikutuksia.14

toinen teoria fosfolambaani–Ca2+-ATPaasi-vuorovaikutuksesta ehdotti Ca2+ – pumppuproteiinien dimeeristä assosiaatiota fosfolambaanipentameerin ympärillä.20 tämä malli, joka perustuu ajallisesti ratkaistuun fosforesenssianisotropiaan, kuvasi edullista vuorovaikutusta Ca2+-vapaan pumpun ja defosforyloidun fosfolambaanin välillä. Fosfolambaanin fosforylaatio horjutti vuorovaikutusta ja johti Ca2+-ATPaasin lisääntyneeseen kiertoliikkeeseen sydämen sarkoplasmisessa retikulumikalvossa.20

Fosfolambaanin Tyvitumakkeiden säätely

fosfolambaanin rooli tyvitumakkeiden säätelyssä on äskettäin selvitetty kehittämällä fosfolambaanin puutoksesta kärsivä hiiri.21 nämä hiiret, jotka on luotu käyttämällä geenien kohdistusmenetelmää hiiren alkion kantasoluissa, osoittivat hyperdynaamista sydämen toimintaa, mukaan lukien lisääntynyt systolinen toiminta, lisääntynyt vasemman kammion relaksaatio,21 ja parannettu kammion täyttö.Fosfolambaanipuutteisilla sydämillä, jotka eivät ainoastaan rentoutuneet villityyppisiä sydämiä nopeammin, oli myös parannettuja inotrooppisia parametrejä, mukaan lukien lisääntynyt paineen kehitys, joita arvioitiin työtä suorittavissa valmisteissa21 ja In vivo käyttäen kaikukardiografisia analyysejä.22 nämä löydökset vahvistettiin fosfolambaanipuutteisista sydämistä eristettyjen kammiokardiomyosyyttien in vitro-analyyseillä, joissa havaittiin myös relengthening -, shorting-ja Ca2+ – kinetiikan nopeutumista.23 lisääntyneet supistumiskykyiset parametrit heijastivat solunsisäisiä muutoksia sydämen sarkoplasmisella retikulumitasolla. Ca2+-pumpun affiniteetti Ca2+: aan lisääntyi merkittävästi, ja tämä liittyi lisääntyneeseen intraluminaaliseen sydämen sarkoplasmiseen reticulum Ca2+-pitoisuuteen fosfolambaanipuutteisissa sydämissä verrattuna villityyppisiin sydämiin.21

fosfolambaanin funktionaalista merkitystä sydämen supistuvuuden säätelyssä on selvitetty edelleen heterotsygoottisilla fosfolambaanihiirillä tehdyissä tutkimuksissa, joissa on vain yksi fosfolambaanille kohdennettu alleeli.24 näiden hiirten sydämet ilmentävät 40% villin tyypin hiirten sydämissä esiintyvistä fosfolambaanitasoista, ja tämä vähentynyt fosfolambaaniekspressio liittyy sydämen sarkoplasmaisen reticulum Ca2+ – kuljetusjärjestelmän affiniteetin lisääntymiseen Ca2+: lle ja supistumiskykyisten parametrien lisääntymiseen. On mielenkiintoista huomata, että kun fosfolambaanin pitoisuudet luonnonvaraisessa tyypissä, fosfolambaanin heterotsygoottisessa ja fosfolambaanin puutteellisessa sydämessä piirrettiin näiden sydänten supistumis-ja relaksaationopeuksia vastaan, havaittiin läheinen lineaarinen korrelaatio (Kuva 1), mikä viittaa siihen, että fosfolambaanilla on merkittävä rooli nisäkkäiden sydämen perusrakenteen supistumiskykyisten parametrien säätelyssä. Lisäksi koska sydämen sarkoplasmisen retikulumin Ca2+ ATPaasin pitoisuudet eivät vaikuttaneet näihin geneettisesti muunneltuihin sydämiin,25 nämä tiedot osoittavat, että fosfolambaanipitoisuuksien muutokset, jotka saattavat heijastaa muutoksia fosfolambanin ja sydämen sarkoplasmisen retikulumin Ca2+ ATPaasin suhteellisessa stoikiometriassa, liittyvät samansuuntaisiin muutoksiin sydämen supistumiskykyisissä parametreissä. Fosfolambaanin funktionaalista stoikiometriaa sydämen sarkoplasmiseen retikulumiin Ca2+ Atpaasiin ei kuitenkaan tällä hetkellä tunneta. In vitro-tutkimuksissa raportoidut arvot vaihtelivat välillä 1: 5 – 5:1 fosfolambaani/SERCA2. In vivo-tutkimukset, joissa käytettiin siirtogeenisiä hiiriä, jotka yliekspressoivat fosfolambaania erityisesti sydämessä, viittasivat siihen, että fosfolambanin/SERCA2:n ”toiminnallinen Stoikiometria” on alle 1: 1 sydämen alkuperäisissä sarkoplasmisissa retikulumikalvoissa.26 näiden siirtogeenisten hiirten sydämen fosfolambaaniproteiinitasot olivat kaksinkertaiset villityyppisiin sydämiin verrattuna, ja lisääntynyt fosfolambaanin ilmentyminen johti lisääntyneeseen Ca2+-ATPaasin affiniteetin estymiseen Ca2+: aan ilman, että se vaikutti tämän entsyymin Vmax-arvoon.26 lisäksi kun fosfolambaanin suhteelliset pitoisuudet sydämen sarkoplasmaiseen retikulumiin Ca2+ Atpaasiin piirrettiin fosfolambaanin yli-ilmentymän, villin tyypin, fosfolambaanin heterotsygoottisen sydämen ja fosfolambaanin puutteellisen sydämen Ca2+-ATPaasin EC50-arvoihin, havaittiin läheinen lineaarinen korrelaatio (kuva 2), mikä osoittaa, että siirtogeenisten sydänten yli-ilmentyvä fosfolambaani oli toiminnallisesti kytkettynä Ca2+-Atpaasiin. Ca2+-ATPaasin vähentynyt affiniteetti Ca2+: aan fosfolambaanisydämissä yli-ilmentymäsydämissä liittyi supistumiskykyisten parametrien vähenemiseen ja Ca2+ – transienttien alenemiseen eristetyissä sydämen myosyyteissä verrattuna villin tyypin sydämissä saatuihin myosyytteihin.26 Ekokardiografiset analyysit näiden siirtogeenisten hiirten sydämistä osoittivat merkitsevästi suppenevan murto-osan lyhentämisen ja kehän lyhentämisen verrattuna villin tyypin hiirten sydämiin.26 yhdessä nämä geenimuunnelluilla hiirillä tehdyt tutkimukset osoittavat, että fosfolambaani on voimakas nisäkkäiden sydämen supistumis-ja relaksaatioparametrien tukahduttaja.

Fosfolambaanin rooli sydänlihaksen β-Adrenergisessa vasteessa

tutkimukset yksittäisillä sykkivillä sydämillä ja sydämen myosyyteillä ovat osoittaneet, että katekoliamiinin anto johtaa fosfolambaanin fosforylaatioon sydämen sarkoplasmisessa retikulumissa, fosfolemmaanin antoon sarkolemmaalisissa kalvoissa ja troponiinin I-ja C-proteiiniin myofibrileissä. Fosfolambaanin fosforylaatio-/defosforylaatioreaktiot näyttävät kuitenkin olevan nopeampia kuin muiden fosfoproteiinien, ja fosfolambaanin on ehdotettu olevan merkittävä nisäkkäiden sydämen β-adrenergisten vasteiden välittäjä. Fosfolambaanin fosforylaatioon, joka johtuu cAMP-pitoisuuden noususta β-agonistin annon aikana, liittyy sydämen sarkoplasmisen retikulumin Ca2+ – kuljetusjärjestelmän aktiivisuuden lisääntyminen ja sydämen rentoutumisnopeuden lisääntyminen.272829 lisääntyneet Ca2+ – kertymänopeudet johtavat sydämen sarkoplasmisen retikulumin Ca2 + – sekvestraatiotasojen suurenemiseen, joka on käytettävissä myöhempiä supistuksia varten, mikä johtaa supistumiskyvyn lisääntymiseen. Fosfolambaani ei kuitenkaan fosforyloidu ainoastaan cAMP-riippuvaisen proteiinikinaasin vaikutuksesta seriini-16: een vaan myös Ca2+-kalmoduliini-proteiinikinaasin vaikutuksesta treoniini-17,89: ään, eikä kunkin fosforylaation suhteellista osuutta β-agonistien inotrooppisissa ja lusitrooppisissa vaikutuksissa toistaiseksi tunneta.

fosfolambaanin funktionaalinen rooli β-adrenergisessa signalointireitissä on äskettäin selvitetty käyttämällä fosfolambaanin puutteesta kärsivää hiirtä. In vitro-tutkimukset näiden hiirten eristetyillä myosyyteillä ja sydänvalmisteilla osoittivat, että isoproterenolin inotrooppiset ja lusitrooppiset vaikutukset heikkenivät merkittävästi verrattuna villityyppisiin valmisteisiin.2123 lisäksi in vivo-tutkimukset, joissa käytettiin kaikukardiografisia analyysejä fosfolambaanilla ablatoiduista sydämistä, osoittivat, että β-adrenergiset stimuloivat vaikutukset olivat myös heikentyneet ehjällä eläimellä.22 vaikka fosfolambaani ei siis ole ainoa proteiini, joka osallistuu sydämen β-adrenergisten signalointien transduktioon, tähänastiset kokeelliset todisteet osoittavat, että se on merkittävä. Fosfolambaanin toiminta sydämen katekoliamiinistimulaation aikana viittaa tämän proteiinin rooliin sisäisenä ”jarrumekanismina”, joka mahdollistaa nopean sydänlihaksen reaktion siten, että kun adrenaliinia vapautuu” taistele tai pakene ”- tilanteessa, fosfolambaanin” jarru ” lievitetään, mikä mahdollistaa sydämen supistumisen ja rentoutumisen nopean lisääntymisen.

Fosfolambanin ekspression säätely

Fosfolambaani on yhden geenin tuote, ja sitä on kloonattu useista lajeista, kuten siasta, kanasta, hiirestä ja ihmisestä. Fosfolamban-geenin koodausalueiden välillä on >96% homologia näiden lajien keskuudessa, eikä fosfolambanin isoformeja ole tähän mennessä havaittu.30 fosfolambaanigeeni on kartoitettu ihmisen kromosomiin 6.31 hiirellä tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että verenkiertoelimistön osalta fosfolambaani ilmenee eri tavoin: se vaihtelee suurista ilmentymistasoista kammiolihaksissa, välitasoista eteisen ja keuhkojen sydänlihaksissa ja alhaisista mutta toiminnallisesti merkittävistä ilmentymistasoista aortan sileässä lihaksessa. Fosfolambaaniekspression differentiaalitasot kammioissa ja eteislokeroissa näyttivät korreloivan näiden lihasten supistumiskykyisten parametrien erojen kanssa.32

Fosfolambaanin ilmentymisen on myös osoitettu olevan säädeltyä kehityksen ja ikääntymisen aikana. Fosfolambanin ekspression lisääntymistä sydämen kehityksen aikana on havaittu hiirellä, kanalla, rotalla ja kanilla.31323334 lisäksi ikääntyvän rotan sydämen fosfolambaanifosforylaation vähenemisen on arveltu liittyvän näiden sydänten heikentyneeseen kontraktitiiviseen vasteeseen katekoliamiinin stimulaatioon.

sydänlihaksen fosfolambaanin ilmentymistä on myös osoitettu säätelevän kilpirauhasen tila sekä Rotalla että kanilla.3435 kilpirauhasen vajaatoiminnan aikana fosfolambaanin mRNA-tasot eivät muuttuneet kanin eteisessä ja kammiossa, kun taas fosfolambaanin proteiinipitoisuuksien havaittiin nousevan rotan sydämissä. Nämä kohonneet fosfolambaanipitoisuudet rotan sydämessä liittyivät sydämen sarkoplasmisen retikulumin Ca2+ soluunoton vähenemiseen, mikä oli sopusoinnussa sydämen sarkoplasmisen retikulumipumpun Ca2+ eston lisääntymisen kanssa ja supistumiskyvyn heikkenemiseen.Fosfolambaanin ilmentymisellä havaittiin hypertyreoosin aikana päinvastaisia säätelyvaikutuksia.3435 kilpirauhasen liikatoimintaan liittyi fosfolambaani mRNA: n väheneminen kanin Atriassa ja kammioissa ja fosfolambaani-proteiinin väheneminen rotansydämissä. Fosfolambaanipitoisuuksien pieneneminen johtui sydämen sarkoplasmisen retikulumin Ca2+ – kertymän lisääntymisestä, mikä oli yhdenmukaista Ca2+ – pumpun eston ja supistumiskykyisten parametrien lisääntymisen kanssa.

viimeaikaiset tutkimukset sydämen vajaatoiminnan aikana tapahtuneista muutoksista geenin ilmentymisessä osoittivat, että muutokset fosfolambaanin ja Sr Ca2+ ATPaasin suhteellisessa suhteessa saattavat olla tämän sairauden tunnusmerkki.363738 kirjallisuudessa on kuitenkin jonkin verran ristiriitaa sen suhteen, miten fosfolambanin ilmaisu muuttuu sydänlihaksen vajaatoiminnan aikana. Joissakin epäonnistuneilla ihmissydämillä tehdyissä tutkimuksissa on havaittu fosfolambaanin mRNA37-tai fosfolambaaniproteiinin vähenemistä,363738, kun taas toisissa tutkimuksissa ei havaittu näkyviä muutoksia epäonnistuneen ihmissydämen fosfolambaanipitoisuuksissa.39404142 vaikka sydämen vajaatoiminnan aikana tapahtuvista fosfolambaanimuutoksista on edelleen kiistoja, on selvää, että solunsisäiset muutokset, jotka liittyvät sydämen supistumisen tukahduttamiseen, viittaavat fosfolambaanin rooliin taudin etiologiassa.

Yhteenveto

käsityksemme fosfolambaanin roolista sydänfysiologiassa on kehittynyt kahden viime vuosikymmenen aikana siihen pisteeseen, että tämän proteiinin ymmärretään nykyään olevan sydänlihaksen supistumisen kriittinen vähentäjä. Fosfolambaani estää sydämen sarkoplasmisen retikulumipumpun Ca2+ Ca2+ – pumpun affiniteettia ja tukahduttaa sekä relaksaatio-että supistumisnopeudet nisäkkään sydämessä. Näitä inhibitorisia vaikutuksia voidaan lievittää (1) fosfolamban fosforylaatiolla, (2) fosfolamban–geenin ekspression downregulaatiolla ja (3) fosfolamban-Ca2+ – ATPaasi-interaktion häiriintymisellä. Siten geneettiset lähestymistavat ja farmakologiset interventiot, joiden tarkoituksena on lievittää sydämen sarkoplasmisen retikulumin Ca2+ – pumpun ja sydänlihaksen relaksaation fosfolambanin estävää vaikutusta, voivat osoittautua hyödyllisiksi useiden nisäkkäiden sydämen sairauksien vaikutusten kääntämisessä. Tällaiset interventiot voitaisiin suunnitella estämään fosfolambaanifosfataasia, vakauttamaan fosfolambaanin fosforyloitunutta tilaa, keskeyttämään fosfolambaani-Ca2+-ATPaasi-vuorovaikutus, vähentämään fosfolambaanin transkriptiota tai häiritsemään fosfolambaanin mRNA-vakautta. Tällaisten hoitostrategioiden kehittäminen fosfolambaanin kohdentamiseksi on tärkeä tulevaisuuden tavoite heikentyvän sydämen supistumiskyvyn kliinisessä parantamisessa.

alaviitteet