EPAC调控人心房肌细胞钾电流的致心律失常机制：CaMKII与AMPK-NOS-PKG信号通路的作用

本文揭示了cAMP直接激活交换蛋白（EPAC）在人心房肌细胞中的致心律失常新机制。研究发现，EPAC1和EPAC2激活通过Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II（CaMKII）和AMP激活蛋白激酶（AMPK）-一氧化氮合酶（NOS）-蛋白激酶G（PKG）轴抑制钾电流（IK），延长动作电位时程（APD）。值得注意的是，心房颤动（AF）患者心房组织中EPAC1特异性过表达，选择性抑制EPAC1可纠正AF心肌细胞中IK的下调，表明EPAC1信号通路可能成为AF治疗的新靶点。

　　

EPAC调控人心房肌细胞钾电流的致心律失常机制

引言

环磷酸腺苷（cAMP）是细胞内重要的第二信使，通过蛋白激酶A（PKA）、超极化激活的环核苷酸门控通道（HCN）、POPDC蛋白以及cAMP直接激活的交换蛋白（EPAC）等效应分子调节心脏功能。EPAC蛋白家族包括EPAC1和EPAC2两个成员，在心脏中主要以EPAC1为主。EPAC通过催化小GTP酶Rap1和Rap2的GDP/GTP交换，独立于PKA发挥生理功能。

近年来研究发现，EPAC在心律失常发生过程中扮演重要角色。在心室肌细胞中，EPAC激活可通过Ca²⁺/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II（CaMKII）途径增加钙火花频率和舒张期钙渗漏，产生致心律失常作用。然而，关于EPAC在心房肌细胞电生理重塑中的作用，特别是在人类心房肌细胞中的机制研究仍十分有限。

方法

本研究使用酶解法新鲜分离的人右心耳心肌细胞，通过膜片钳技术记录动作电位（AP）和钾电流（I_K）。实验分为窦性心律（SR）组和心房颤动（AF）组，采用EPAC激动剂8-CPTAM（10 μmol/l）激活EPAC，并应用EPAC1选择性抑制剂AM-001（20 μmol/l）和EPAC2抑制剂ESI-05（25 μmol/l）探讨不同亚型的功能。通过Western blot检测EPAC1和EPAC2蛋白表达水平，并使用多种信号通路抑制剂分析下游机制。

结果

EPAC激活通过抑制钾电流延长动作电位时程

在SR患者心房肌细胞中，急性EPAC激活显著延长了动作电位时程（APD₂₀、APD₅₀和APD₉₀），但不影响静息膜电位、动作电位振幅和最大上升速率（dV/dt_max）。进一步研究发现，8-CPTAM处理可逆性地抑制了钾电流的峰值成分（I_Kpeak）和持续成分（I_Ksus），而对内向整流钾电流（I_K1）无显著影响。这表明EPAC主要通过抑制复极化钾电流来延长APD。

EPAC1和EPAC2共同参与钾电流调节

药理学抑制实验显示，AM-001或ESI-05预处理均可显著减弱8-CPTAM对I_Ksus和I_Kpeak的抑制作用，表明EPAC1和EPAC2两个亚型都参与了这一电生理调节过程。

EPAC抑制三种主要钾电流成分

通过特异性阻断剂分离不同钾电流成分发现，EPAC激活可抑制快速瞬时外向钾电流（I_to1）、延迟整流钾电流（I_KDR）和超快延迟整流钾电流（I_KUR）这三种主要钾电流成分。其中I_KUR作为人心房肌细胞中最重要的持续钾电流成分（约占70%），其抑制对APD延长具有重要贡献。

EPAC信号通路涉及CaMKII和AMPK-NOS-PKG轴

机制研究表明，EPAC对钾电流的抑制作用不依赖于细胞内钙浓度变化，因为快速钙螯合剂BAPTA不能阻断该效应。然而，CaMKII抑制剂AIP_II可减轻EPAC对I_Kpeak的抑制，NOS抑制剂L-NAME和PKG抑制剂KT5823则可阻断EPAC对I_Ksus的抑制。进一步实验发现，AMPK抑制剂dorsomorphin可完全阻断EPAC对I_Ksus和I_Kpeak的抑制作用。在HL-1心房肌细胞系中，EPAC激活可增加内皮型一氧化氮合酶（eNOS）Ser¹¹⁷⁷位点的磷酸化，这一效应可被AMPK抑制所阻断。这些结果表明，EPAC通过AMPK-eNOS-PKG和CaMKII两条平行通路调节钾电流。

EPAC1在心房颤动中的特异性作用

Western blot分析显示，AF患者心房组织中EPAC1蛋白水平显著上调，而EPAC2表达无变化。在AF心肌细胞中，8-CPTAM同样可抑制I_Kpeak和I_Ksus，而AM-001可逆转EPAC激活对I_Ksus的抑制作用，提示EPAC1在AF电生理重构中发挥主要作用。

讨论

本研究首次在人类心房肌细胞中系统阐述了EPAC调控钾电流的分子机制。与心室肌细胞不同，EPAC在人心房肌细胞中同时抑制I_to1、I_KDR和I_KUR三种钾电流成分，这一差异可能与心房、心室肌细胞钾通道亚型表达不同有关。

EPAC通过AMPK-eNOS-PKG和CaMKII两条信号通路调节钾电流，其中AMPK位于NOS上游，通过磷酸化eNOS Ser¹¹⁷⁷位点激活NOS。这一通路不依赖于Ca²⁺、ROS或Akt信号，代表了EPAC信号传导的新机制。

AF患者心房组织中EPAC1特异性过表达，以及EPAC1抑制可纠正AF心肌细胞钾电流异常，强烈提示EPAC1信号通路在AF发生发展中发挥重要作用。EPAC1过度激活可能通过延长APD、增加早期后除极（EAD）风险、产生复极异质性等机制促进AF发生。

结论

本研究揭示了EPAC在人心房肌细胞中调控钾电流的分子机制，证实了EPAC1和EPAC2通过CaMKII和AMPK-NOS-PKG信号通路抑制钾电流，延长APD。AF患者心房组织中EPAC1特异性过表达，提示EPAC1信号通路可能成为AF治疗的新靶点。这些发现为理解心房颤动的电生理机制提供了重要理论依据，并为开发针对EPAC信号通路的抗心律失常药物指明了方向。

translational implications and limitations

尽管本研究取得了重要发现，但仍存在一些局限性。AF样本数量有限，未区分不同类型AF（阵发性、持续性或永久性）的差异。药理学工具虽然广泛使用，但其选择性仍需谨慎对待。此外，EPAC与PKA在β-肾上腺素能刺激下的相对作用尚未完全阐明，需要开发更特异的EPAC抑制剂进行深入研究。心房肌细胞中cAMP信号的空间区室化特征也有待进一步探索。

结论

本研究系统阐明了EPAC在人心房肌细胞电生理调节中的重要作用，揭示了EPAC1和EPAC2通过CaMKII和AMPK-NOS-PKG信号通路抑制钾电流的新机制。AF患者心房组织中EPAC1特异性过表达及其在钾电流调节中的主导作用，为理解AF发生机制和开发新型治疗策略提供了重要线索。