综述：hERG1通道与长QT综合征的潜在治疗策略

《Journal of Physiology》：hERG1 channels and potential therapeutics for long QT syndrome

　　

人类ether-à-go-go相关基因1型（hERG1)通道是由KCNH2基因编码的电压门控钾通道。hERG1通道对心脏动作电位的复极化至关重要，其介导的钾电流(I_Kr)功能降低具有致病性，可导致2型长QT综合征(LQT2)。LQT2由KCNH2的先天性突变引起，影响约1/6000的人群。突变引起的I_Kr减少可由通道门控改变所致，但最常见的机制是hERG1蛋白的错误折叠和早期降解，导致通道向质膜的运输减少。QT间期延长也可由药物诱导，许多药物因抑制hERG1通道而无法通过临床前安全性评估。在本综述中，研究人员评估了hERG1通道功能的分子和结构基础。此外，研究人员审查了hERG1抑制剂和hERG1通道运输调节剂的药理学、通过这些机制触发的LQT2发病机制，以及可能有助于LQT2预防和治疗的转化和临床视角。通过理解导致LQT2病理生理发展的分子机制，可以开发新的治疗方法来治疗这一疾病。

**引言**

hERG1通道(K_V11.1)是电压门控钾通道，在心脏动作电位中发挥重要作用。该亚基于1994年首次从海马cDNA文库中鉴定，基于其与黑腹果蝇ether-à-go-go(eag)基因的序列同源性。一年后，hERG1通道在非洲爪蟾卵母细胞中异源表达，并利用电压钳技术对其生物物理特性进行了表征。作为心肌细胞复极化的重要影响因素，hERG1通道的活性必须受到严格调控以维持心脏的正常节律。hERG1通道功能增强或减弱分别导致心脏动作电位时程缩短或延长，异常延长或缩短的心脏动作电位可导致心律失常、诱发心力衰竭并可能引起心源性猝死。目前长QT综合征的治疗方法虽存在，但并非治愈手段，无法解决潜在病因或消除致死性心脏事件的风险。例如，β受体阻滞剂常作为一线治疗，通过阻止儿茶酚胺与β肾上腺素能受体的相互作用来降低心率、血压和心输出量，从而降低危及生命的心律失常风险。因此，理解hERG1通道失调的机制至关重要。

**分子和结构基础**

hERG1通道由KCNH2基因转录的蛋白质通过四聚体组装形成。该基因产生两种不同蛋白亚基——hERG1a和hERG1b，每个亚基具有六个跨膜螺旋片段(S1-S6)及胞质氨基端和羧基端。hERG1a的长氨基端包含Per-ARNT-Sim(PAS)结构域和短帽结构域，这是hERG1b所缺乏的。PAS结构域是保守的分子感受器，在hERG1通道失活中起重要作用，因此1a和1b亚基在单一通道中的化学计量比影响动作电位复极化期间hERG1电流的大小。与其他电压门控钾(K_V)通道类似，四个亚基的S1-S4片段组成电压感受域(VSD)，四个S5-S6片段共同组成孔道结构域(PD)。心脏中的hERG1通道主要为hERG1a和hERG1b亚基的异四聚体。这些通道产生12.1 pS的单通道电导（高外钾条件下），与I_Ks（慢心脏延迟整流钾电流）相比激活迅速（0 mV时t_activation≈50 ms）。hERG1通道的电流-电压关系在正电位时具有负斜率电导，因此常被描述为表现出内向整流特性。hERG1a同四聚体激活缓慢而失活更快，在去极化电位产生较小电流从而增加动作电位时程。然而hERG1异聚体通过将通道开放的电压依赖性向更负电压偏移，使电流密度增加2-3倍，与hERG1a同四聚体相比具有更快的激活速率和更快的失活恢复。

201年解析的hERG1三级蛋白结构显示其整体结构与其他K_V通道相似。与其他钾通道一样，hERG1通道含有选择性滤器，促进钾离子沿其跨膜浓度梯度选择性移出细胞。37°C、3 s去极化步阶下稳态激活的V_1/2≈-31 mV。hERG1通道在两个方面有别于大多数其他K_V通道：第一，在机电耦合机制方面，hERG1的每个VSD与同亚基的PD相互作用，这与其他K_V通道中常见的"结构域交换"相互作用不同；第二，hERG1通道含有四个小型（直径8 ?，深度11 ?）疏水口袋，从中央腔延伸至四个孔螺旋下方，形成药物结合位点的关键组分，这是其他K_V通道所不具备的结构特征，部分解释了为何hERG1通道能被众多治疗类别中结构多样的药物所抑制。

**延长心室复极化的发病机制**

心脏动作电位由离子跨细胞膜的被动流动产生，导致心肌细胞和心脏在整个心动周期中收缩和舒张。心肌细胞被邻近细胞电兴奋后，钠通道开放允许钠快速进入细胞，形成动作电位的初始上升支。心室心肌细胞的快速上升支（0期）产生QRS波群。这些钠通道在几毫秒内失活，随后L型钙通道和多种钾通道激活。内向钙电流(I_Ca)与多种外向钾电流的平衡产生动作电位的初始小复极化切迹（1期，主要由I_to介导）和长平台期（2期，I_Kr、I_Ks）。KCNQ1和hERG1通道分别传导复极化的外向钾电流（分别为I_Ks和I_Kr），缓慢终止平台期，随后I<sub>K1与IKr共同介导最终快速的膜复极化（3期）回到静息电位。心室复极化在心电图上表现为T波。由于IKs和IKr在复极化中的重要性，这些电流的破坏增加动作电位平台期时程，相应于心电图的QT间期。hERG1通道功能障碍可导致动作电位时程和QT间期延长（长QT定义为女性QTc>460 ms、男性>450 ms），诱发尖端扭转型室性心动过速甚至致命性心律失常如心室颤动。

LQT2患者可无症状或出现与其他心律失常相似的症状，包括心悸、焦虑、胸痛或不适、意识模糊、呼吸困难、头晕或昏厥以及疲劳或虚弱。基因检测和心电图是LQT2的主要诊断工具。特定LQT2个体具有更高的心律失常风险，女性（天然具有更长的QTc间期）以及心动过缓、自主神经阻滞、心脏复律史、接受意外阻断hERG1的药物治疗以及低血钾水平的患者发生率更高。心率状况可治疗，但必须评估风险因素，包括个人、家庭和医疗史。血清电解质（尤其是钾和镁）也可监测和管理以降低LQT2表型的发生。

KCNQ1或KCNH2的功能丧失性突变分别导致LQT1和LQT2，共占确诊遗传性长QT综合征病例的约90%。KCNH2位于7号染色体q35-36区。LQT2由KCNH2单个等位基因的显性突变引起，因此受累个体表达野生型和突变型hERG1通道亚基。隐性突变极为罕见。致病变异导致IKr减少和心脏动作电位延长。先天性LQT2可由四类hERG1突变中的一类或多类引起，按中心法则顺序和功能标记为1-4类。1类突变导致基因表达降低，hERG1蛋白减少和质膜IKr降低。2类突变为运输缺陷型突变，由于内质网(ER)中分子伴侣减少、顺行运输受抑或逆行运输增加所致，质膜hERG1通道减少导致IKr降低，该类占大多数LQT2突变，约占研究突变的88%。3类和4类突变与通道功能改变相关，分别为通道门控/动力学和通透性改变。突变包括导致无义或错义突变、移码、框内缺失或插入以及剪接错误的单核苷酸改变。许多LQT2突变尚未定性，但多重变异效应检测(MAVE)和自动膜片钳等新方法正促进所有错义突变的定性表征，近期已利用这些方法定量分析约19,000个KCNH2变异蛋白产物的细胞表面运输和533个变异的电流幅度。

关于导致心律失常和心源性死亡的内源性化合物失调知之甚少。随着心血管和炎症疾病的快速增长，应研究这些疾病状态对QT间期的影响。hERG1通道在质膜中的位置也可能值得关注，因为脂质和其他膜蛋白在不同膜纳米结构域中对离子通道活性的影响不同。根据hERG1通道所在膜区域的组成，通道活性可发生改变。由于膳食和全身脂质可影响膜脂质组成，脂质及其相关疾病应在hERG1通道功能和长QT综合征发育研究中加以考虑。除遗传和药物诱导的发病机制外，炎症性脂质已被证明是QT延长的促成因素。高脂饮食诱导的肥胖豚鼠模型显示复极化IK降低，促进QT延长。该肥胖模型的进一步研究表明，部分机制是哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)降低hERG1b翻译，减少IKr并促进长QT的发育。炎症细胞因子白细胞介素-6也降低IKr并在豚鼠模型中促进长QT。尽管作为心脏健康的必需膳食补充剂，包括通过作用于多种离子通道发挥抗心律失常作用，多不饱和脂肪酸已被证明可阻断hERG1通道。花生四烯酸在糖尿病中上调的炎症衍生物白三烯B4也抑制IKr并促进QT延长。尽管IKr是糖尿病延长QT时程的机制，但阐明其发生机制比阐明胰岛素缺乏机制复杂得多。类固醇分子对hERG1通道活性的影响研究尚不详细，尽管胆固醇已被证明可抑制其他心肌细胞电压门控钾通道，且hERG1通道的磷脂环境在通道活性和药物反应中起作用。有趣的是，孕酮通过减缓hERG1通道蛋白的糖基化和运输来抑制IKr。

另有其他脂质介质增加IKr而不存在相同的QT延长风险。例如磷脂酰肌醇4,5-二磷酸可显著增强体外IKr。

**hERG1运输与质量控制**

哺乳动物细胞具有从核延伸至质膜的复杂膜结构。膜成分的顺行运输将膜蛋白从ER（合成和组装部位）经高尔基体运送至质膜。离子通道如hERG1通道随后促进钾离子跨质膜的流动。质膜组成不均一，具有多种膜脂质和蛋白以特定方式聚集，形成膜上的筏样区域。此外，心肌细胞具有独特的膜系统，以横小管和闰盘为特征，离子通道即存在于其中。横小管与肌浆网相关联，深入心肌细胞表面靠近肌丝，以实现钙快速一致地内流用于兴奋-收缩耦联。闰盘是通过缝隙连接连接单个心肌细胞的区域，使所有细胞作为单一电功能单位运作并将动作电位转化为心脏收缩。与其他膜蛋白一样，hERG1通道定位于成年犬心室心肌细胞和人胚胎肾(HEK293)细胞的富含脂质的筏样质膜区域，包括心肌细胞中的横小管。在此，胆固醇通过要求更正的膜电压用于激活并加速失活速率来支持低hERG1通道电流。

大多数功能丧失性错义hERG1突变（如G601S、N470D和P596R）破坏hERG1a和hERG1b向质膜的运输。值得注意的是，S624T替换与其他突变组合可完全挽救功能丧失性突变通道，可能由于S624在维持质膜hERG1稳定性中的关键作用。此类复合突变发生于约8%的LQT2患者中，但往往导致更严重的表型。尽管大多数hERG1突变被归类为2类运输缺陷型突变，某些突变导致更特异的错误定位。例如hERG1 G601S分布于外周膜，而hERG1 F805C滞留于过渡ER但与BAP31共定位，使其对蛋白酶体抑制更敏感。此外，hERG1羧基端已被证明对通道从ER的运输至关重要。即使基因表达且蛋白被合成，也必须运输至质膜才能有效产生IKr并维持正常动作电位复极化。

**药物诱导的hERG1介导的QT间期延长**

药物对hERG1通道的阻断常见并导致QT间期延长，有时（尽管罕见）严重到足以诱发尖端扭转型室性心动过速和心源性猝死。许多化合物已知可延长QT（参见https://www.crediblemeds.org获取更新列表），部分药物可改变通道动力学或通道运输，导致部分功能丧失。监管机构要求对新开发化合物进行临床前hERG1测试，这是由于QT延长的常见发生及随后的致命风险，作为全面体外致心律失常检测(CiPA)倡议的一部分。曾获批的药物因其QT延长特性已从市场撤出或限制使用。

根据药物与hERG1通道哪个或哪些区域相互作用，其作用可能特异于hERG1通道，或可能影响多种其他通道。药物——如3类抗时装周心律失常药伊布利特和氯菲铵、抗组胺药特非那定和阿司咪唑、以及胃肠动力药西沙必利——通过封闭内部孔道抑制hERG1电流，与S6芳香族残基和选择性滤器正下方少数孔螺旋残基相互作用。

抗真菌药氟康唑报告可在患者中引起尖端扭转型室性心动过速，既通过直接阻断hERG1电流，也通过间接减少hERG1顺行运输。小檗碱是具有心血管和代谢作用的植物衍生化合物，破坏小窝蛋白支持的膜稳定性并阻止hERG1的顺行运输。抗寄生虫药喷他脒抑制hERG1运输并通过减少IKr和延长QT间期引起尖端扭转型室性心动过速。延长QTc的药物清单广泛，包括许多目前可用和不可用的药物。然而许多药物尚未被进一步研究，其作用机制仍不清楚。

尽管直接药物相互作用可改变hERG1功能，蛋白转录、翻译、组装和运输的改变也可导致心脏中hERG1电流的变化。KCNH2 mRNA离开核后移至粗面ER，在那里翻译成蛋白产物。ER分子伴侣蛋白与1a和1b hERG1单体的S6跨膜片段相互作用以稳定蛋白，四聚体化卷曲螺旋(TCC)结构域促进四聚体组装成功能性通道。转录、翻译、组装、运输和通道激活的复杂性为破坏hERG1电流提供了众多靶点。更好理解这些过程可能导致发现治疗LQT2诱导心律失常的新靶点。

通道的化学计量组成可决定药理学反应。hERG1阻断剂E-4031在同聚通道中比异聚通道中显示出更高效力。抗心律失常药物多非利特也观察到类似药理学。相反，某些抗抑郁和抗组胺药物如氟西汀、依巴斯汀和地昔帕明对异聚hERG1通道的抑制效力更强。然而其他化合物如舒必利显示无显著效力差异。考虑到错误运输和药物相互作用在同聚和异聚hERG1中显示出差异化效力，研究药物与多种化学计量组成的相互作用具有重要意义。

**临床和转化视角**

LQT2的当前治疗包括恢复电解质水平、使用起搏器维持恒定心率或植入式心脏复律除颤器（用于高危患者），但这些干预不直接缩短QT间期。这强调了理解hERG1运输和门控分子机制以获得可能治疗选择新见解的重要性。

随着研究进展，对个性化医疗的需求持续增强。IKr减少诱导的QT延长间隔仍是需要进一步关注个体化的领域。由于LQT2是常染色体显性疾病，患者为杂合子。这不如突变的纯合表达有害，但仍常导致严重钝化的IKr和心脏复极化能力降低。此外，KCNH2突变的独特性可能需要个性化治疗以实现有效治疗。目前患者来源的诱导多能干细胞衍生心肌细胞(hiPSCMs)可用于确定个体患者的有效治疗方案。尽管hiPSCMs的使用耗时昂贵，但其支持未来诊断（如全基因组测序）和治疗应用，如利用规律成簇间隔短回文重复序列(CRISPR)进行基因编辑。值得注意的是，转基因动物模型如LQT2兔提供了在临床试验前进行转化研究的机制。

**质膜上的hERG1通道存在**

当长QT间期的原因是由于IKr减少时，人们可能立即想到增加膜上hERG1通道数量以恢复正常QT间期。这可通过多种方式实现：增加KCNH2转录和翻译量、增加或稳定hERG1组装为四聚体通道、增强通道顺行运输或减少通道降解。近期hERG1蛋白相互作用组被更全面描述，其中一些蛋白可能代表突变诱导运输缺陷所致LQT2的治疗干预靶点。

无义抑制转移RNA(tRNA)具有治疗意义，因其防止无义突变的过早终止，允许全长蛋白被翻译和运输。由于LQT2可由mRNA中过早终止密码子翻译为短且常无功能蛋白的无义突变引起，无义抑制tRNA识别过早终止密码子并将序列改变为编码密码子，允许全长蛋白产生并在遗传突变情况下产生正常表型。通过增加全长hERG1蛋白的产生，可产生更多通道并运输至质膜，恢复受过早终止遗传突变影响细胞中的hERG1生成钾电流。尽管尚处于临床前试验阶段，tRNA已被证明可挽救人胚胎肾细胞中的IKr并矫正成年豚鼠心室心肌细胞的QT间期。

其他潜在治疗药物增加hERG1通道向质膜的运输。许多疾病和药物直接降低hERG1通道活性和因此IKr；然而对通道门控的影响在受影响通道不存在于心肌细胞质膜时无关紧要。由于hERG1蛋白被翻译且hERG1通道在ER中借助分子伴侣蛋白组装，热休克蛋白已成为治疗干预的兴趣点。增加蛋白表达的治疗有助于在非心脏细胞中恢复IKr，尽管这些分子伴侣蛋白并非hERG1特有。药理学分子伴侣近期被成功用于治疗由特定CFTR突变引起的囊性纤维化，这些突变通过破坏蛋白向细胞膜的运输来降低通道功能。这些药物（如鲁马卡托、依来卡托）与错误折叠的CFTR蛋白结合并提供挽救蛋白结构的支架。首批被描述的hERG1分子伴侣（如E-4031、阿司咪唑）也有效阻断通道，因此不能临床用于挽救错误折叠的hERG1蛋白。其他药物（如非索非那定、鲁马卡托）报告可部分抵消多奈哌齐的QT延长效应，部分通过挽救被多奈哌齐破坏的hERG1与其分子伴侣Hsp70和Hsp90的相互作用。

白藜芦醇和非索非那定已被证明可挽救人胚胎肾293细胞以及豚鼠和新生大鼠心室心肌细胞中小檗碱处理后的hERG1蛋白表达和IKr。白藜芦醇增强ER中簇蛋白和热休克蛋白72等分子伴侣复合物的功能。非索非那定本身作为分子伴侣，诱导适当蛋白折叠并促进顺行运输。囊性纤维化药物鲁马卡托已被证明可通过分子伴侣样机制增加hERG1，包括纠正蛋白错误折叠，在患者来源心肌细胞中表达突变hERG1的情况下。遗憾的是，如预期的那样，一些治疗已因脱靶效应而被证明不可行。虾夷扇贝毒素增加大鼠心肌细胞中的hERG1膜表达，但也导致心脏的电生理和结构重塑，包括P波改变、自噬、血压和心率降低、肾和代谢功能障碍。

共翻译易位是蛋白质合成与蛋白质向ER易位同时发生的过程。这通过信号识别颗粒识别被翻译蛋白中的信号序列来实现，随后启动蛋白质折叠和多聚化并将蛋白导向ER进行膜插入。尽管仅在体外探索，添加N端标签可诱导和促进共翻译易位，使目的蛋白更易运输至质膜。这代表了hERG1介导长QT的另一种潜在治疗方法，尤其涉及遗传突变的情况。某些hERG1变异转录本阻止信号识别颗粒对蛋白的识别，从而降低亚基结合频率并破坏通道的顺行运输。

蛋白酶体降解是研究兴趣日益增长的领域，在许多疾病状态中发生改变。作为增加hERG1向质膜运输的替代，减少hERG1清除和降解的治疗也可能成为LQT2治疗感兴趣的方面。ER相关降解途径从ER中去除多肽和蛋白，在那里被泛素化并被蛋白酶体降解为小肽。ER相关降解途径的破坏通过失活泛素连接酶Nedd4-2和小G蛋白Rab11实现，导致质膜hERG1通道密度和IKr增加。蛋白的内体降解包括通过内体内化膜蛋白，随后在晚期内体和溶酶体中降解。与许多其他过程一样，蛋白酶体降解必须保持平衡以维持稳态。然而ER相关和内体降解途径可被阻断以减缓hERG1降解速率。一项研究展示了脂肪酸产物4-羟基壬烯醛在诱导蛋白酶体途径中的作用。相反，蛋白酶体抑制剂ALLN阻止表面hERG1通道的内体降解，从而在患者来源心肌细胞中恢复细胞的正常复极化能力。因此靶向蛋白酶体降解途径创造了另一种治疗LQT2的机制。

**hERG1通道活性**

激活hERG1通道功能是另一种治疗LQT2的方法。hERG1 PAS结构域突变通过使hERG1通道更快失活来改变通道门控。与PAS突变hERG1一起表达的基因编码PAS结构域恢复了人胚胎肾293细胞中的通道门控。然而肽递送阻止了将PAS结构域作为LQT2治疗性生物制剂给药的可行性。LUF7244是一种hERG1特异性变构激活剂，增加犬心肌细胞中的IKr，包括抵消孔道阻断或电压感受器抑制效应，这些效应见于某些用于增加hERG1运输的化合物。这一例子凸显了联合治疗以挽救IKr并将QT间期恢复正常的潜力。确实，Perry等得出结论约56%的hERG1突变需要联合治疗，因为hERG1运输的挽救未能完全恢复正常QT间期。尽管繁琐，患者特异性突变的个体化研究可能有助于阐明有效治疗方案，尤其在联合治疗有益的情况下。激动剂代表了一种有前景的药理学方法，用于逆转LQT2和其他类型长QT综合征中的QT延长，但安全有效化合物的发现与开发仍具挑战。激动剂主要在常规药物安全性筛选hERG1阻断活性的过程中偶然发现。据综述，hERG1激动剂的作用机制主要有四种：减慢hERG1失活、降低失活、增加电压敏感性（激活的V1/2更负）和增加单通道开放概率。然而动作电位时程过度缩短的致心律失常风险和多重用药（脱靶受体）仍是主要关注点。

尽管体外研究已证明NS1643、ICA-105574和RPR260243等药物激活hERG1通道用于治疗长QT综合征的有效性，但它们常表现出有限的安全性，在后期试验中出现次要效应或有效剂量滴定范围极小。

**结论**

QT间期延长可通过多种改变hERG1通道正常功能的机制发生，展示了治疗QT延长的广泛潜在治疗方法。此外，对这些机制的过去和未来研究可能为其他疾病的治疗提供见解和方向。基因编辑是可应用于hERG1突变的快速增长领域，但研究领域相当广泛且常遇到保留意见。相反，hERG1缺陷型长QT综合征的研究可能需要更聚焦的方法以评估hERG1特异性运输和门控的影响。针对修复功能障碍运输的治疗前景广阔，但可能影响其他蛋白（尤其是其他多亚基离子通道）的运输风险。hERG1蛋白含有 potentially 与膜脂质和药物制剂独特相互作用的特异性结构域，从而增加质膜内的通道活性并恢复正常QT间期。hERG1特异性研究对于防止脱靶效应至关重要，因为研究从基础阶段向转化和临床阶段推进。

总之，仍需额外的临床前模型来阐明hERG1通道促成QT间期延长的分子机制，并开发LQT2的新型有效治疗方法。此类治疗将显著提高受累个体的生活质量，并最终减少心律失常事件导致的死亡人数。</sub>