cMyBP-C–myosin S2相互作用：心脏收缩力调控及肥厚型心肌病（HCM）中的超松弛态（SRX）调节轴

《Journal of Molecular and Cellular Cardiology Plus》：The cardiac myosin binding protein-C–myosin S2 interaction: modulation of cardiac contractility and its role in hypertrophic cardiomyopathy

　　

心肌肌球蛋白结合蛋白-C（cardiac myosin binding protein-C, cMyBP-C）–肌球蛋白S2（myosin S2）相互作用促进肌球蛋白头部（myosin heads）隔离进入超松弛状态（super-relaxed state, SRX），支持高效的力量产生和能量利用。cMyBP-C（M-domain）/myosin S2相互作用的分子细节仍未完全明确，研究人员已提出多种模型。cMyBP-C/myosin S2相互作用的破坏导致收缩期和舒张期功能障碍。肥厚型心肌病（hypertrophic cardiomyopathy, HCM）的治疗选择仍然有限，且不同患者间疗效存在差异。

该综述由 Stephanie R. Rzewnicki、James W. McNamara、Morgan M. Seffrood、Jared M. Churko、Carl W. Tong、Brett A. Colson 和 Sakthivel Sadayappan 撰写，围绕心肌肌球蛋白结合蛋白-C（cardiac myosin binding protein-C, cMyBP-C）与肌球蛋白S2（myosin S2）相互作用如何调节心脏收缩力并参与肥厚型心肌病（hypertrophic cardiomyopathy, HCM）展开。研究背景方面，HCM 是常见遗传性心脏病，估计影响约 1/300 人群，是年轻成人猝死的主要原因。多数已明确遗传原因的患者携带编码肌节蛋白基因的变异，其中 MYBPC3 和 MYH7 最常见。这些变异可导致蛋白定位异常或与周围蛋白相互作用改变，降低力产生调控能力，并激活补偿机制；长期补偿导致病理性肥厚、心肌重塑、左心室流出道梗阻、微血管缺血和心律失常等。尽管肌节结构与调控已有大量进展，HCM 的分子机制仍未完全理解。研究人员指出，cMyBP-C/myosin S2 界面是粗肌丝调节的关键，但其分子界面、多个模型之间的关系、疾病突变如何扰动该相互作用以及治疗选择有限等问题仍未解决。因此，研究人员整合结构、生化和功能证据，提出 cMyBP-C/myosin S2 相互作用作为动态、磷酸化敏感的分子“变阻器”，通过稳定或去稳定 SRX 来调节肌球蛋白头部可用性，从而调节心脏收缩力，并讨论其在 HCM 中的意义和潜在治疗策略。

方法概述（不超过250字）：该文为综述，研究人员未开展新的原始实验或样本队列；其整合冷冻电镜（cryo-electron microscopy, cryo-EM）、冷冻电子断层扫描（cryo-electron tomography, cryo-ET）、X射线衍射、ATP水解酶（ATPase）活性测定、F?rster共振能量转移（F?rster resonance energy transfer, FRET）、磷酸化定义制备、靶向突变及原位功能测量等结构、生化与功能证据，并纳入人心肌组织、人 HCM 心肌条、随机安慰剂对照临床试验及小动物基因治疗研究等资料。

研究结果部分：
1. Introduction（引言）：HCM 是异质性遗传性心脏病，肌节蛋白基因变异通过破坏蛋白定位或相互作用，降低力调控并激活补偿通路，最终导致病理性肥厚和重塑。研究人员强调，需要进一步理解 HCM 的分子机制。
1.1. The sarcomere（肌节）：肌节是心脏基本收缩单位，由粗肌丝（myosin）和细肌丝（actin）组成，从 Z-disc 延伸到 Z-disc，中间为 M-line。细肌丝锚定于 Z-disc，并带有钙响应调节蛋白；粗肌丝由 myosin II 构成，titin 作为分子弹簧控制被动张力。myosin 组装成约 14.3 nm 间隔的准螺旋冠，可结合 actin 或折叠为“OFF”状态。C-zone 中 cMyBP-C 与 myosin 以 1:3 比例存在，cMyBP-C 间距约 43 nm，整体粗肌丝中 cMyBP-C 与 myosin 比例为 1:6。收缩通过 actin 激活的 cross-bridge cycle 完成，涉及 ATP 水解、无机磷酸（P_i）释放、power stroke 和 ADP 释放。
1.2. Myosin and cMyBP-C（肌球蛋白与cMyBP-C）：myosin II 是异源六聚体，含两条重链、两条 essential light chains 和两条 regulatory light chains。N端球状头部 S1 为马达域，neck 为杠杆臂，S2 起始部分参与调节，其中 proximal S2（pS2）前 126 个氨基酸与 S1 及 cMyBP-C 相互作用；light meromyosin（LMM）维持肌节结构。cMyBP-C 含 11 个结构域 C0–C10，M-domain 可磷酸化，N端 C0–C2 以磷酸化依赖方式结合 actin、myosin S1 和 pS2，C端 C8–C10 锚定到 LMM。静息时约 60% myosin 头部处于 SRX，头部折叠为相互作用头部基序（interacting-heads motif, IHM）；无序松弛状态（disordered relaxed, DRX）中头部伸向细丝间；active 状态中头部与 actin 循环。β-肾上腺素刺激通过 cAMP/PKA 磷酸化 M-domain，削弱 cMyBP-C 与 pS2 作用，释放头部并促 SRX 向 DRX 转变。MYBPC3/MYH7 是 HCM 常见基因，S2 突变如 R870H、E924K、E930del 可破坏 cMyBP-C 结合并降低 SRX 稳定。
2. Myosin S2 structure and function（肌球蛋白S2结构与功能）：
2.1. Myosin S2 structure（肌球蛋白S2结构）：S2 曾被认为只是柔性 linker，现认为 pS2 是 myosin 调节重要区域。S2 形成 α-螺旋卷曲螺旋，表面有三个负电环/带，可能作为正电 myosin 头部和 cMyBP-C 的作用位点。pS2 以极性或亲水残基替代部分疏水残基，盐桥有限，存在 kink 和四个 skip residues，第一个 skip 位于 C端形成 hinge。冷冻电镜和冷冻电子断层扫描显示 myosin 冠可分为 CrD、CrT 和 CrH，其中 CrT/CrH 更有序，可呈 IHM 样构象，CrD 更无序；不同冠与 titin 和 cMyBP-C 的相互作用不同。
2.2. Electrostatic and structural determinants of S2-mediated regulation（S2介导调控的静电与结构决定因素）：pS2 的负电带被认为促进静电相互作用，稳定折叠回返、隔离的 myosin 头部群体，即 SRX 相关状态。IHM 中正电 myosin mesa 与负电 pS2 作用，cMyBP-C M-domain 正电区域可进一步稳定。S2 可能需解旋以最大化力产生，并具有柔性。titin 刚度等机械输入可改变局部粗肌丝结构并削弱 pS2、myosin 头部和 cMyBP-C 间静电作用，从而释放头部；负荷恢复后可能再隔离。
2.3. cMyBP-C modulates actomyosin interactions（cMyBP-C调节肌动球蛋白相互作用）：cMyBP-C M-domain 磷酸化状态影响其与 actin 和 myosin S2 的亲和力。去磷酸化增加亲和力，稳定 SRX 并减慢肌丝运动；低钙时 C0–C3 可结合 actin，使 tropomyosin 从 blocked 转向 closed，暴露 myosin 结合位点。高钙时 cMyBP-C 可与 myosin 竞争结合位点，去磷酸化 cMyBP-C 可延迟 myosin 脱离并减慢舒张，发挥分子刹车作用；磷酸化则增加 myosin 活性、力和肌丝滑动速度。
3. Interaction between myosin S2 and cMyBP-C（肌球蛋白S2与cMyBP-C的相互作用）：
3.1. Myosin S2 binding with cMyBP-C（肌球蛋白S2与cMyBP-C结合）：现有证据支持多价、磷酸化敏感模型，cMyBP-C N端结构域通过静电和结构域特异接触与 pS2 作用，并非单一固定界面，而是动态、弱可逆接触的集合。一个主要模型认为，负电 pS2 与正电 myosin S1 和 cMyBP-C N端作用；cMyBP-C 磷酸化后磷酸基团负电排斥 myosin S2 负电，降低结合。C-zone 中 cMyBP-C 与 myosin 为 1:3，可能通过其他结构域 tether myosin 头部。C-zone 中 cMyBP-C 稳定折叠回返/OFF 构象；mavacamten 可稳定 OFF 状态集合，aficamten 主要减慢 ATPase 循环并显著减少 P_i 释放，稳定弱 actin 结合状态，但不必然将头部隔离到相同 OFF 状态。myosin 构象与生化状态并非总等价。
3.2. Contraction and rate-limiting steps（收缩与限速步骤）：收缩由粗、细肌丝协同激活。细肌丝激活发生于 Ca²⁺ 结合 troponin C 并暴露 actin 上 myosin 结合位点；粗肌丝激活涉及 myosin 头部从 SRX 相关隔离状态进入可动态利用状态。释放 SRX 不等于立即参与 cross-bridge cycling，DRX 样头部在 actin 位点可用时形成 cross-bridge。力产生取决于 myosin 进入和退出强结合态的动力学，强结合 cross-bridge 可促进额外头部协同招募，并受 cMyBP-C 磷酸化影响。cMyBP-C–S2 相互作用可能稳定 SRX 相关隔离头部群体，限制不适当的头部可用性和过度粗肌丝激活。
4. Phosphorylation-dependent modulation of cardiac contractility（心脏收缩力的磷酸化依赖性调节）：PKA 依赖性磷酸化协调兴奋-收缩偶联多个组件。L-type 钙通道磷酸化增加 Ca²⁺ 内流，促进 RyR2 介导的肌浆网钙释放；phospholamban 磷酸化解除对 SERCA2a 的抑制，加速钙回收和舒张，并增加后续搏动的肌浆网钙含量。cMyBP-C 和 cTnI 的 PKA 磷酸化加速 cross-bridge cycling 和舒张动力学，从而增强心脏性能。
5. Molecular drivers of HCM（HCM的分子驱动因素）：HCM 患者表现异质。MYH7 变异通常为 gain-of-function，增加 myosin 功能活性，并可能减少 cMyBP-C 调节性结合，使 C-zone 内更多 myosin 头部进入活跃状态。MYBPC3 致病变异多为截短型，通过 haploinsufficiency 降低 cMyBP-C 水平，减少对 myosin 的调节并增强 myosin 活性。myosin 活性增加导致能量利用低效、代谢偏移和钙敏感性增加，驱动病理性肥厚、重塑和纤维化。cMyBP-C 磷酸化降低是 HCM 和心力衰竭的分子特征，可增加舒张张力、减少 cross-bridge detachment 并增强钙敏感性，进一步损害松弛和能量稳态。
6. Limited therapeutic options（有限治疗选择）：HCM 可伴左心室流出道梗阻（left ventricular outflow tract obstruction, LVOTO）、舒张功能障碍、心律失常、心肌缺血和代谢-能量异常。LVOTO 峰值压力梯度 ≥30 mmHg，≥50 mmHg 可考虑高级药物或侵入性治疗。梗阻性 HCM（oHCM）药物治疗从 β-blocker 开始，无效时改用非二氢吡啶类钙通道阻滞剂，再无效时加用心脏 myosin 抑制剂。mavacamten 和 aficamten 可降低过度收缩、改善症状和功能能力，但可降低左心室射血分数（left ventricular ejection fraction, LVEF）至 <50% 并诱发心力衰竭，需定期超声监测。mavacamten 在非梗阻性 HCM（nHCM）未显示疗效，aficamten 可改善 nHCM 症状和氧耗。nHCM 患者也可进展为晚期心力衰竭。研究人员指出，仅降低 myosin ATPase 活性不足以完全治疗 HCM。
7. Current developments（当前进展）：基因治疗正在 HCM 中研究，小动物研究显示 AAV 策略可递送基因调节或替换工具，但转化仍有限。另一个方向是开发增强、模拟或调节 cMyBP-C M-domain 与 myosin S2 相互作用的肽或小分子，尤其适用于突变削弱 cMyBP-C–S2 相互作用、导致 myosin 头部可用性过高的情形；近期研究已发现稳定肽可减少异常 cross-bridge cycling 并改善实验系统中的收缩功能或 ATPase 活性。

讨论与结论总结：当前 myosin 抑制剂主要靶向 myosin 马达域，调节 ATPase 活性或马达功能，并不直接恢复异常的 cMyBP-C–myosin S2 相互作用；其在显著流出道梗阻患者中获益最明确，在 nHCM 中获益可能有限，取决于过度收缩、纤维化、舒张功能障碍和能量障碍的相对贡献。相比之下，稳定 proximal S2 或恢复 cMyBP-C 结合的新兴肽或小分子可能代表基于机制的新疗法。基因治疗有前景，但需解决转化限制。最终，理解 myosin S2 序列、磷酸化依赖性 cMyBP-C 结合和粗肌丝力学如何汇聚调节 myosin 头部可用性，对 HCM 精准医学至关重要。

研究结论部分翻译：cMyBP-C–myosin S2 相互作用代表连接粗肌丝结构、肌球蛋白头部可用性和心脏收缩力的中心调节界面。它并非作为二元开关，而很可能作为一个动态调节集合体，整合磷酸化状态、折叠回返的肌球蛋白头部构象、静电相互作用和机械应力，以调节可用于与肌动蛋白相互作用的肌球蛋白头部数量。该精细平衡系统的破坏可能促进过度肌球蛋白募集、收缩动力学改变、松弛受损以及 HCM 发病机制。myosin S2 或 cMyBP-C 的致病突变可能降低结合亲和力、改变 S2 结构动力学、破坏 cMyBP-C 介导的头部隔离，或联合这些效应以增加肌球蛋白头部可用性和收缩力。尽管减弱的 cMyBP-C–S2 相互作用已在肌原纤维和细胞水平与收缩力增加和收缩动力学加快相关，但其精确分子机制仍未完全明确。关于致病性 myosin pS2 变异如何促成 HCM 的关键未解问题包括：它们是否改变 myosin 柔性，如何破坏 cMyBP-C 结合，以及如何影响局部粗肌丝结构。未来结合高分辨率结构方法与原位功能测量的研究对于解决这些机制至关重要。更好地理解 HCM 中功能失调的 cMyBP-C–myosin S2 相互作用可能揭示更特异的治疗靶点。当前小分子 myosin 抑制剂通过靶向 myosin 马达域和调节 ATPase 活性或马达功能来降低过度收缩，但它们并不直接恢复异常的 cMyBP-C–myosin S2 相互作用。这些疗法在具有显著流出道梗阻的患者中显示最明确获益，而在 nHCM 中的获益似乎更有限，可能取决于过度收缩、纤维化、舒张功能障碍和能量障碍的相对贡献。相比之下，稳定 proximal S2 或恢复 cMyBP-C 结合的新兴肽或小分子可能代表一类新的基于机制的疗法。最终，定义 myosin S2 序列、磷酸化依赖性 cMyBP-C 结合和粗肌丝力学如何汇聚以调节肌球蛋白头部可用性，对于 HCM 的精准医学方法至关重要。改善对这一调节界面的理解可能使开发恢复生理性 myosin 募集、改善能量效率、保留肾上腺素能储备并更有效治疗多样化 HCM 患者群体的疗法成为可能。