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推荐：本综述系统阐述了钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II（CaMKII）在心脏中的双重角色。在生理状态下，CaMKII精细调控兴奋-收缩耦联（ECC）、频率依赖性加速松弛（FDAR）和慢力反应（Anrep效应）等关键过程。然而，在缺血/再灌注（I/R）损伤、心力衰竭（HF）等病理条件下，CaMKII过度激活会通过磷酸化Ryanodine受体2（RyR2）、L型钙通道（LTCC）等多种靶蛋白，诱发钙（Ca2+）处理紊乱、细胞死亡和炎症，最终导致心律失常和心功能恶化。文章深入剖析了CaMKIIδ亚型的不同功能及其在疾病治疗中的潜在靶点价值。
文章内容归纳总结：
1. 引言
可逆蛋白磷酸化是生物调节的基本机制。继cAMP/PKA通路之后，依赖于钙离子（Ca2+）与钙调蛋白（Ca/CaM）结合的Ca2+/CaM依赖性蛋白激酶II（CaMKII）在心脏和大脑中被发现。尽管CaMKII在大脑学习记忆中的作用明确，但在心脏中，其更常与病理作用相关联。本综述旨在概述CaMKII的结构与激活机制，并探讨其在生理状态下的作用，以及在CaMKII过度激活条件下（如心室心律失常和细胞死亡）的影响，特别聚焦于缺血/再灌注（I/R）损伤和压力超负荷性肥厚进展为心力衰竭（HF）这两种已被深入研究的场景。
2. CaMKII结构
CaMKII由四个基因编码，产生α、β、δ、γ四种亚型。心脏中主要的亚型是CaMKIIδ，CaMKIIγ表达水平低得多。通过可变剪接，δ亚型产生至少11种变体，其中CaMKIIδC（胞质定位）和CaMKIIδB（含核定位序列）研究最为广泛。结构上，CaMKII通常以十二聚体复合物形式存在，由两个六聚体环垂直堆叠而成，C端结构域构成组装中心。每个单体包含三个主要结构域：N端催化结构域、调节结构域和C端关联结构域。调节结构域通过一个自身抑制片段控制酶活性，该片段在静息条件下与催化结构域结合，抑制其活性。调节结构域包含CaM结合位点、关键的自磷酸化位点苏氨酸287（T287）以及其他调节位点。
3. CaMKII活性的调节
3.1 自身抑制结构域
CaMKII的基础状态是自身抑制的，其调节结构域直接与催化结构域相互作用，阻断ATP和底物结合位点。相邻的C端序列是Ca/CaM结合的部位，Ca/CaM的结合可解除自身抑制。
3.2 Ca/CaM依赖性自磷酸化
当细胞内Ca2+浓度（[Ca2+]i）升高时，Ca2+与CaM结合，诱导构象变化，使Ca/CaM结合到CaMKII的调节结构域，从而解除自身抑制，暴露活性位点。活化的CaMKII可以在相邻亚基的调节结构域T287位点发生自磷酸化。这一磷酸化事件有三个重要效应：(a) 显著减缓CaM的解离（CaM陷阱现象）；(b) 使CaMKII活性部分不依赖于Ca/CaM，进入自主活化状态；(c) 使相邻亚基发生磷酸化，在CaMKII多聚体内形成协同复合物，使CaMKII能将Ca2+瞬变频率解码为不同的激酶活性水平，形成分子记忆。当CaMKII自主活化但CaM已解离时，CaMKII也可在CaM结合结构域的T305和T306位点自磷酸化，这会阻止CaM重新结合，从而限制内在的正反馈和自主活性。
3.3 磷酸酶和空间定位的调节
蛋白磷酸酶PP1和PP2A能使CaMKII及其磷酸化靶点去磷酸化，从而负向调节其活性。空间定位对CaMKII功能至关重要。在心脏中，CaMKIIδ集中在T小管和二联体间隙，与兰尼碱受体2（RyR2）和L型Ca2+通道（LTCC）共定位，这些不仅是其关键底物，也提供了激活所需的高局部[Ca2+]i。一旦激活，CaMKII可在肌细胞内纵向转位，以磷酸化远离Ca2+源的其他靶点，如受磷蛋白（PLN）。
3.4 其他改变CaMKII活性的翻译后修饰
除了磷酸化，CaMKII还可通过其他方式激活。高水平的氧化应激会导致CaMKII在甲硫氨酸M281/282位点发生氧化，产生与自磷酸化类似的自主活化状态。O-连接的β-N-乙酰葡糖胺（O-GlcNAc）修饰，如在丝氨酸280（S280）位点的O-GlcNAc化，也能激活CaMKII，这一途径在糖尿病高血糖条件下可介导促心律失常变化。S-亚硝基化，即一氧化氮（NO）与半胱氨酸硫醇基团结合，也可调节CaMKII。在C290位点的S-亚硝基化可增强CaMKIIδ和CaMKIIα的自主活性，而在C273位点的S-亚硝基化则会抑制Ca/CaM激活CaMKIIδ的能力。这些替代途径通常与磷酸化协同作用，延长CaMKII活性，并在慢性应激下促进心脏病理变化。
4. 理解CaMKII在心脏生理学中的作用
尽管CaMKII因其在多种心脏疾病中的作用而广为人知，但它也明确调节着兴奋-收缩耦联（ECC）、自律性和Ca2+稳态的关键蛋白。我们假设CaMKII具有正常的重要生理功能，但其在病理状态下的过度强烈激活使其更容易被检测到。在正常生理条件下，CaMKII可能是作为许多细胞系统的微调机制发挥作用。
4.1 CaMKII在基础条件下是否发挥功能性作用？
通过调节膜通道、转运体和关键的Ca2+处理蛋白，CaMKII影响其活性。具体来说，它介导L型Ca2+电流（ICa,L）的易化，调节肌质网Ca2+-ATP酶2a（SERCA2a）和RyR2活性，并影响膜水平的各种离子通道和转运体。研究表明，基础CaMKII活性可以通过对多个功能靶蛋白的作用，参与对ECC的逐搏调节。在缺乏两种心脏CaMKII亚型（δ和γ）的双敲除小鼠中，基础Ca2+处理未受影响，但CaMKII依赖性磷酸化显著降低，支持了CaMKII在基础条件下有活性但非必需的观点。
4.2 CaMKII在急性应激条件下的作用
4.2.1 β肾上腺素能受体（βAR）刺激引起的心率增加
在窦房结细胞中，PKA和CaMKII信号级联在βAR刺激引起的心率增加中均起关键作用。表达CaMKII肽抑制剂（AC3-I）的小鼠模型对异丙肾上腺素的变时性反应降低50%，并伴有肌质网Ca2+负载减少。这些发现强调了CaMKII和维持肌质网Ca2+含量在应激下增加心率中的关键作用。
4.2.2 βAR刺激的直接收缩和松弛效应
CaMKII依赖性磷酸化对βAR刺激的急性直接变力和变松弛效应的贡献尚未完全阐明。磷酸化受磷蛋白（PLN）是βAR产生正性变力和松弛效应的关键靶点，主要由PKA在S16位点的磷酸化介导，但也由CaMKII在T17位点的磷酸化介导。研究表明，在最大βAR刺激下，CaMKII约占PLN磷酸化的50%，这与心功能类似程度的增加相关。关于RyR2，实验表明，在βAR活动期间，CaMKII依赖性（而非PKA依赖性）的RyR2磷酸化是导致βAR诱导的RyR2通道活性增加的原因，这与RyR2敏感性增强、肌质网Ca2+漏增加以及ECC期间肌质网Ca2+释放分数增加相一致。
4.2.3 Bowditch阶梯现象和频率依赖性加速松弛（FDAR）
增加起搏频率与收缩力增强相关，这被称为力-频率关系（Bowditch效应），并伴有松弛加速，即频率依赖性加速松弛（FDAR）。CaMKII通过介导ICa,L易化、增加RyR2敏感性和增强肌质网Ca2+摄取，在力-频率关系中发挥作用。大多数研究表明，在存在CaMKII抑制剂的情况下，FDAR显著降低但未被完全抑制，这为CaMKII参与此现象提供了证据。CaMKII在FDAR中的作用机制复杂，可能涉及通过磷酸化PLN-T17来增强SERCA2a功能，但FDAR发生迅速，而PLN-T17磷酸化是逐渐累积的，表明PLN磷酸化不能解释FDAR的快速激活。
4.2.4 Anrep效应（慢力反应）
急性后负荷增加会引发心肌收缩力的双相增加。第二相较慢的力增加称为慢力反应（SFR）或Anrep效应，涉及细胞内Ca2+瞬变幅度的增加。CaMKII已成为这种后负荷诱导的力增加的关键介质。研究表明，CaMKIIδ的S-亚硝基化（Cys290）介导了后负荷诱导的Ca2+瞬变增加和肌质网Ca2+摄取增加，并伴有ICa,L增加。这些发现为CaMKII在Anrep效应信号级联中的核心作用提供了有力证据。
4.2.5 耐力训练
耐力训练可改善异常的Ca2+处理并增强收缩力。研究表明，CaMKII对于胰岛素样生长因子1（IGF-1）介导的正性变力/松弛反应以及与运动训练相关的适应性收缩改善是必需的。根据该模型，运动训练促进IGF-1释放，从而激活Akt，进而刺激神经元型一氧化氮合酶（NOS1），增加心肌NO产生。NO升高随后激活CaMKII，通过磷酸化PLN-T17来增强肌质网Ca2+处理和收缩力。
5. CaMKII的有益作用
5.1 酸中毒
细胞内酸中毒会降低心脏产生张力的能力。最初的收缩功能下降之后，会自发出现部分张力和细胞内Ca2+的恢复。这种恢复与CaMKII活性增加有关。在酸中毒后阶段开始时，PLN-T17磷酸化显著增加。CaMKII活性对于酸中毒期间自发的Ca2+瞬变和收缩力恢复至关重要。
5.2 顿抑
心肌顿抑是指短暂缺血发作和再灌注后心肌收缩力下降和逐渐恢复。再灌注早期，CaMKII活性和PLN T17磷酸化增加，这与[Ca2+]i显著升高相关。PLN T17位点被丙氨酸替代（T17A）的小鼠，其机械恢复完全被消除。这些发现突出了CaMKII依赖性PLN T17磷酸化在促进顿抑心脏Ca2+和收缩恢复中的关键作用。
6. CaMKII在心脏疾病中的参与
CaMKII的生理和有益作用在各种疾病中会转变为病理效应。这种转变驱动Ca2+处理紊乱、细胞死亡和炎症，最终可能导致心力衰竭、心室心律失常和心源性猝死。CaMKII表达和活性增加已在衰竭的人心以及各种心脏肥厚、心力衰竭、缺血和非缺血条件的动物模型中得到证实。
6.1 CaMKII诱导的心室心律失常机制
CaMKII通过两种主要机制在心室心律失常中发挥关键作用：(a) 通过对各种离子通道和Ca2+处理蛋白的影响，诱发局灶性或触发活动性心律失常；(b) 通过促进心肌细胞死亡、纤维化和炎症，促进CaMKII依赖性的结构性基质重塑，从而进一步增加心律失常（折返性心律失常）的可能性。
6.1.1 CaMKII与再灌注心律失常
在I/R损伤的情况下，心律失常发生在再灌注的最初几分钟内。再灌注显著增加了早搏，并检测到延迟后除极（DAD）和早期后除极（EAD）。这种心律失常模式与RyR2 S2814和PLN T17的CaMKII依赖性磷酸化显著增加相关。在RyR2-S2814A（无法被CaMKII磷酸化）的基因突变小鼠中，早搏减少了约60%，表明相当大比例的CaMKII依赖性早搏源于RyR2 S2814磷酸化，可归因于DAD。最近实验表明，NaV1.5在S571位点的CaMKII磷酸化增加，与动作电位延长、动作电位离散度增加和心律失常易感性相关。再灌注时CaMKII的激活主要归因于再灌注开始时发生的巨大而持久的胞质Ca2+升高。虽然活性氧（ROS）也在再灌注期间增加，氧化型CaMKII（Ox-CaMKII）可能参与再灌注心律失常，但研究表明，再灌注早期Ox-CaMKII的增加对于CaMKII向其肌质网底物的活性并非必需。
6.1.2 CaMKII与心力衰竭心律失常
心室心律失常是扩张型心肌病患者心源性猝死的主要原因。这些心律失常与复极异常有关，复极异常增加了后除极的可能性。在心力衰竭兔模型中，自发性肌质网Ca2+释放激活了由Na+/Ca2+交换体（NCX）携带的内向去极化电流，引起了DAD。许多研究表明，CaMKII过表达和活性产生Ca2+处理改变，包括RyR2 S2814磷酸化增加、胞质Ca2+波和异丙肾上腺素后的肌质网Ca2+漏，这些在心力衰竭模型中被CaMKII抑制所阻止。RyR2-S2814D（模拟CaMKII磷酸化）敲入小鼠在儿茶酚胺能激发或程序电刺激下表现出持续的室性心动过速和心源性猝死。相反，缺乏RyR2 S2814 CaMKII磷酸化位点（S2814A）的RyR2敲入小鼠可免受与心脏肥厚和衰竭相关的心律失常影响。
6.2 CaMKII诱导的细胞死亡机制
心肌细胞可通过多种途径死亡，CaMKII在至少三种途径中发挥作用：凋亡、坏死和坏死性凋亡。
6.2.1 缺血/再灌注损伤中CaMKII依赖性细胞死亡机制
在I/R期间，CaMKII的有害作用始于缺血早期的激活，这与缺血性挛缩有关。再灌注时，CaMKII活性再次增加，伴随着胞质Ca2+的急剧升高。这伴随着CaMKII依赖性的PLN和RyR2磷酸化，以及功能下降、梗死面积增大、线粒体肿胀和凋亡性细胞死亡。研究表明，胞质Ca2+升高激活CaMKII，导致RyR2磷酸化、肌质网Ca2+漏增加和线粒体Ca2+超载——这些事件促进线粒体通透性转换孔（mPTP）开放和细胞死亡。尽管许多证据将CaMKII激活与胞质Ca2+超载联系起来，但其他途径也有助于其在I/R期间的激活和 resulting 的损伤，包括ROS产生增加、炎症和坏死性凋亡。受体相互作用蛋白激酶3（RIPK3）通过磷酸化、氧化或两者兼有来激活CaMKII，从而促进心肌坏死性凋亡。
6.2.2 心力衰竭中CaMKII诱导的细胞死亡机制
心力衰竭通常以Ca2+瞬变和收缩力降低为特征，这主要是由于SERCA2活性受损、NCX功能增强和/或肌质网Ca2+漏增加。CaMKIIδC的过表达重现了这种表型，表现为抽搐缩短、肌质网Ca2+负载和Ca2+瞬变减少，但肌质网Ca2+释放分数增加。尽管肌质网Ca2+负载减少，但肌质网Ca2+漏增强以及肌质网Ca2+释放分数的增加提示RyR2功能改变。这些动物中PLN-T17磷酸化的增强可能有助于维持肌质网Ca2+含量，从而维持肌质网Ca2+漏。表达CaMKII磷酸模拟RyR2突变体S2814D的敲入小鼠表现出肌质网Ca2+漏，并在12月龄时出现轻度扩张型心肌病。这些小鼠在横向主动脉缩窄（TAC）后存活率也显著降低，支持了最大程度的RyR2-S2814磷酸化有助于失代偿性心力衰竭进展的观点。相反，S2814A小鼠可预防心力衰竭。尽管有强有力的实验证据支持CaMKII依赖性RyR2磷酸化在细胞死亡和心力衰竭中的作用，但也出现了一些矛盾的结果。这些数据支持RyR2-S2814磷酸化在细胞死亡中的作用，但也指出了其他下游CaMKIIδC靶点在驱动结构性重塑中的作用。
