Circ Res 澳门科技大学中药质量研究国家重点实验室侯盼盼团队解析心脏IKs通道在压力状态下的磷酸化机制与功能

长QT综合症(long QT syndrome, LQTS)是典型的心脏疾病，其特征为病人体表心电图中QT间期的延长，可导致心律失常、晕厥甚至心源性猝死。目前已经发现16个基因(主要为心脏离子通道及其互作蛋白)的突变均可导致LQTS，其中编码电压激活型钾离子通道KCNQ1 (Kv7.1)的突变体会导致1型长QT综合症(LQT1)。临床研究已鉴定出超过300个LQT1突变体，其携带病人的数量占到了LQTS病人总量的1/3。

KCNQ1与心脏特异的辅助亚基KCNE1结合组成KCNQ1+KCNE1 (IKs)通道。IKs电流参与心脏动作电位的复极化过程(Phase 3)，是控制心律的关键通道之一，特别是在心脏的适应性过程中(cardiac adaptations)。该过程也称“战逃”反应(“Fight-or-flight” response): 当人体在压力状态下，如情况危急、游泳锻炼、情绪激动时，神经递质去钾肾上腺素(NE)的分泌和释放可激活心肌细胞中的beta肾上腺素受体(重要的GPCR)，引起胞内环磷酸腺苷(cAMP)的浓度上升。cAMP是重要的第二信使，可激活蛋白激酶A (Protein Kinas A, PKA)通路以磷酸化KCNQ1通道，引起IKs电流的大量上升，从而加快复极化、加速心跳，以满足机体应对压力的能量需求。

临床研究还发现：上述压力状态是LQT1病人心脏病发作和死亡的主要诱因。那些磷酸化功能受损的突变体(cAMP敏感性丧失或降低)病人在压力状态下呈现出最高的死亡风险。然而，IKs通道磷酸化过程的分子机制，以及为何高危突变体会失去cAMP敏感性依然缺乏研究，阻碍了LQT1创新治疗方案的开发。

2024年9月13日，澳门科技大学侯盼盼团队联合美国圣路易斯华盛顿大学Jonathan R. Silva教授团队在心血管领域顶级期刊Circulation Research上发表了题为“Targeting the IKs Channel PKA Phosphorylation Axis to Restore Its Function in High-Risk LQT1 Variants”的研究论文。本文以遍布KCNQ1通道蛋白的LQT1突变体为切入点，结合临床数据库、电生理和干细胞技术，对IKs通道磷酸化的分子机制、高危LQT1的病理机制及创新治疗方案进行了探索。

首先，研究人员从高危LQT1突变体入手，证明膜磷脂PIP2是调控IKs通道cAMP敏感性的决定因素之一：PIP2敏感性降低的突变体(如R190Q, K362N)对cAMP的敏感性也会降低，而PIP2敏感性升高的突变体(如K196Q, R249Q)对cAMP的敏感性也会增强。利用该思路，研究人员逐步确定了IKs通道磷酸化调控的决定因素，包括KCNQ1的N端磷酸化位点、VSD-CaM相互作用、PIP2调控作用、“Hand-and-Elbow”门控作用以及KCNE1调控作用。根据已解析的高分辨率结构信息，这些因素架起了IKs通道远端磷酸化到通道中心孔区的桥梁。研究人员将该通路定义为“IKs Channel PKA Phosphorylation Axis”(简称“磷酸化轴”)(图1左)。

图1

随后，研究人员探究了此磷酸化轴的临床意义。基于IKs通道在应对压力过程中的重要作用，他们预测：那些破坏磷酸化轴的LQT1突变体可能使病人呈现出更高的风险。通过分析包含>10000位LQT1临床数据库，研究人员发现那些显著破坏VSD-CaM相互作用、PIP2调控作用、“Hand-and-Elbow”门控作用以及KCNE1调控作用的LQT1突变体确实会显著提高病人风险。同时，研究人员还从数据库出发，分析了临床风险排名最高的35个LQT1突变体(约占LQT1突变总量的10%)的空间分布，发现它们集中分布于上述磷酸化轴附近(图1左)。这些结果不仅有助于理解高危突变体的致病机制，也对预测众多LQT1突变体的生理功能和临床表型有意义。

最后，研究人员开发了通过外源小分子调控该磷酸化轴以恢复高危LQT1突变体磷酸化敏感性的新方案。上述磷酸化轴的核心调控区域(“Hand-and-Elbow”门控机制作用区域)是小分子ML277的结合位点。研究人员发现，1 µM ML277可以有效提高WT KCNQ1以及LQT1突变体的PIP2以及磷酸化敏感性。这为恢复高危LQT1突变体的磷酸化敏感性，从而降低病人在压力状态下的风险提供了新方案(图1右)。该方案对磷酸化轴上的一系列高危突变体也同样适用。研究人员还建立了由高危LQT1病人特异的干细胞分化的心肌细胞模型，发现ML277可以减轻异常的心跳表型。这些结果为理解LQT1的临床风险以及开发抗心律失常新方案，特别是针对高危LQT1突变体，提供了新思路。

澳门科技大学博士研究生钟玲和博士后严珍珍为论文的第一作者。澳门科技大学中药质量研究国家重点实验室、埃尔文内尔生物物理与创新药物实验室侯盼盼助理教授和美国圣路易斯华盛顿大学的Jonathan R. Silva教授为论文通讯作者。澳门科技大学Erwin Neher教授、姜志宏教授、Sookja Kim Chung教授、沈兵教授、黄琛教授，哈佛大学Wandi Zhu教授，华东师范大学阳怀宇教授，武汉大学姚镜教授，西南医科大学康新疆教授和西安交通大学王昌河教授也大力支持了本研究。该研究还得到了国家自然科学基金、国家科技部与澳门科学发展基金联合项目、澳门科学发展基金、澳门科技大学基金、国家重点研发计划及美国国立卫生研究院基金等项目的支持。

原文链接：

https://www.ahajournals.org/doi/abs/10.1161/CIRCRESAHA.124.325009