综述：hERG1通道与长QT综合征的潜在治疗

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

　　

人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至关重要，而由hERG1通道传导的钾电流（I_Kr）功能降低具有致病性，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人。突变诱导的I_Kr降低可由通道门控改变引起，但最常见的是由于hERG1蛋白的错误折叠和早期降解，导致通道向质膜转运减少。QT间期延长也可由药物诱导，许多药物因抑制hERG1通道而未能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，研究人员检查了hERG1抑制剂和hERG1通道转运介导物的药理学、通过这些机制触发的LQT2发病机制，以及可能有助于预防和治疗LQT2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，可以开发新的疗法来治疗这种疾病。

**分子和结构基础**
hERG1通道由KCNH2基因转录的蛋白四聚体组成，产生hERG1a和hERG1b两种亚基，各含六个跨膜螺旋片段（S1–S6）及多个活性位点的胞质氨基端和羧基端。hERG1a的氨基端包含Per-ARNT-Sim结构域（PAS结构域）和短帽结构域，而hERG1b缺乏此结构。PAS结构域是保守的分子传感器，显著影响hERG1通道的去激活；因此同一通道内1a和1b亚基的化学计量比影响动作电位复极期间hERG1电流（I_Kr）的幅度。与电压门控钾通道相似，四个亚基的S1–S4组成电压传感结构域（VSD），四个S5–S6组成孔道结构域。心脏中的hERG1通道主要是hERG1a和hERG1b的异源四聚体，产生12.1 pS的单通道电导，并比慢速延迟整流钾电流（I_Ks）激活更快。hERG1通道的电流-电压关系在正电位下具有负斜率电导，表现为内向整流。hERG1a同源四聚体激活速度慢于其快速失活，在去极化电位下产生小电流，从而延长动作电位时程。然而hERG1异源多聚体通过将通道开放的电压依赖性移至更负的电压，使电流密度增加2–3倍，提高激活速率并加快从失活中恢复。hERG1的三级蛋白结构于2017年阐明，其整体结构与钾离子通道相似，包含选择性滤过器，在膜去极化时促进钾离子沿跨膜浓度梯度选择性外流。稳态激活的V_1/2约为?31 mV（37°C，3 s去极化步骤）。hERG1通道与其他钾离子通道在两方面关键不同：第一，hERG1的每个VSD与同一亚基的孔道结构域相互作用，而非“域交换”模式；第二，hERG1通道包含四个从中心腔延伸至各孔道螺旋下方的疏水小袋，形成其他钾离子通道不具备的药物结合位点，这解释了其被多种类药物抑制的结构基础。

**与心室复极延长相关的发病机制**
心脏动作电位由离子跨膜被动流动引起，导致心肌细胞收缩和舒张。钠通道开放引起快速去极化（0相），产生QRS波群。随后L型钙通道和多种钾通道激活，钙内流（I_Ca）与钾外流平衡形成初始小复极切迹（1相，I_to）和长平台期（2相，I_Kr、I_Ks）。KCNQ1和hERG1通道分别介导复极外向钾电流（I_Ks和I_Kr），缓慢终止平台期，随后I_K1与I_Kr共同介导快速复极（3相）回到静息电位。心室复极在ECG上对应T波。I_Ks和I_Kr的破坏会延长动作电位平台期时程，对应QT间期延长。hERG1通道功能障碍可导致QT间期延长，诱发尖端扭转型室性心动过速甚至室颤。LQT2患者可无症状或出现心悸、胸痛、头晕等症状，女性（自然QTc较长）、心动过缓、自主神经阻滞、使用hERG1阻断药物及低钾血症者风险更高。KCNQ1或KCNH2功能缺失突变分别导致LQT1和LQT2，共占约90%的遗传性长QT综合征病例。KCNH2位于7q35–36，LQT2由显性突变引起，隐性突变极为罕见。致病性hERG1变异导致I_Kr减少，根据中心法则和功能分为1–4类：1类降低基因表达；2类（约88%）为转运缺陷，由于内质网（ER）分子伴侣减少、顺向转运抑制或逆向转运增加；3类和4类分别改变通道门控/动力学和通透性。突变包括无义、错义、移码、缺失/插入和剪接错误。新方法如多重变异效应分析（MAVE）和自动膜片钳已用于定量约19,000种KCNH2变异蛋白的细胞表面转运及533种变异的电流幅度。内源性调节物失调（如炎症脂质、肥胖、细胞因子如白细胞介素-6）也可延长QT。高脂饮食诱导的肥胖豚鼠模型中，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）下调hERG1b翻译，减少I_Kr。多不饱和脂肪酸可阻断hERG1通道，而白三烯B4（糖尿病相关炎症衍生物）抑制I_Kr。孕酮通过减慢糖基化和转运抑制I_Kr。相反，磷脂酰肌醇4,5-二磷酸可增强体外I_Kr。

**hERG1转运与质量控制**
哺乳动物细胞具有从细胞核到质膜的复杂膜结构。顺向转运将膜蛋白从合成和组装的ER经高尔基体运送至质膜。hERG1通道促进钾离子跨质膜流动。质膜成分不均一，含有脂质微区域。心肌细胞具有横管和闰盘，hERG1通道定位于富含脂质的微区域（包括横管），胆固醇在此处通过使激活电压更正、加快去激活来支持低电流。多数功能缺失型错义突变（如G601S、N470D、P596R）破坏hERG1a和hERG1b向质膜的转运。S624T替代与其他突变组合可完全挽救功能缺失突变通道，可能由于S624维持质膜稳定性。约8%的LQT2患者存在复合突变，常导致更严重表型。不同突变导致特定错误定位：G601S分布于外周膜，F805C滞留于ER过渡区并与BAP31共定位。hERG1羧基端对ER转运至关重要。

**药物诱导的hERG1介导的QT间期延长**
药物阻断hERG1通道常见且导致QT间期延长，有时诱发尖端扭转型室性心动过速。许多化合物（如III类抗心律失常药、抗组胺药、胃肠动力药）通过与S6芳香族残基和孔道螺旋残基相互作用阻塞孔道内腔。氟康唑通过直接阻断hERG1电流和减少顺向转运发挥作用；小檗碱破坏小窝蛋白支持的膜稳定性；戊烷脒抑制hERG1转运。药物还可影响转录、翻译、组装和转运。ER分子伴侣蛋白与S6片段互作稳定蛋白，四聚化卷曲螺旋结构域促进功能通道组装。hERG1通道的化学计量比决定药理学反应：E-4031在同源通道中效力更高，而某些抗抑郁药和抗组胺药对异源通道抑制更强。因此研究不同化学计量比的药物作用至关重要。

**临床与转化视角**
当前LQT2治疗包括纠正电解质水平、使用起搏器或植入式心律转复除颤器，但这些措施不直接缩短QT间期，凸显理解分子机制的重要性。个体化医疗需求增加：LQT2为常染色体显性遗传，患者为杂合子，突变独特性要求个体化治疗。患者来源的诱导多能干细胞衍生的心肌细胞（hiPSCMs）可用于确定有效疗法，尽管费时费力，但支持未来诊断（如全基因组测序）和治疗（如基因编辑）。转基因动物模型（如LQT2兔）可在临床试验前进行转化研究。

**hERG1通道在质膜上的存在**
当QT间期延长由I_Kr减少引起时，可通过增加质膜hERG1通道数量恢复QT：增加KCNH2转录翻译、增加/稳定四聚体组装、增强顺向转运或减少降解。hERG1蛋白相互作用组已较完整描述，可能代表突变所致转运缺陷的治疗靶点。无义抑制转运RNA（tRNA）可通过识别提前终止密码子并改变为编码密码子，产生全长蛋白，已在人胚胎肾细胞和豚鼠心室肌细胞中挽救I_Kr。其他潜在疗法通过增加hERG1转运至质膜：热休克蛋白作为分子伴侣具有治疗兴趣，但非hERG1特异性。药理学分子伴侣（如lumacaftor）已成功用于囊性纤维化，而hERG1特异性分子伴侣（如E-4031、阿司咪唑）因强效阻断通道而不能临床使用。非索非那定和lumacaftor可对抗多奈哌齐的QT延长作用，恢复hERG1与分子伴侣的互作。白藜芦醇增强内质网分子伴侣复合物功能，非索非那定自身作为分子伴侣促进正确折叠。lumacaftor通过类似分子伴侣机制增加hERG1蛋白存在。共翻译易位通过添加N端标签可诱导顺向转运。作为减少降解的替代方法，抑制ER相关降解途径和泛素连接酶Nedd4-2及小G蛋白Rab11可增加质膜hERG1密度。蛋白酶体抑制剂ALLN可防止表面hERG1的溶酶体降解，恢复患者来源心肌细胞的复极能力。

**hERG1通道活性**
激活hERG1通道功能是另一治疗途径。PAS结构域突变导致去激活加快，共表达基因编码的PAS结构域可恢复门控，但肽段给药限制其生物治疗应用。LUF7244为hERG1特异性别构激活剂，可增加犬心肌I_Kr，抵消孔道阻断或电压传感器抑制效应，提示联合治疗潜力。约56%的hERG1突变需要联合治疗以完全恢复QT。激动剂（如NS1643、ICA-105574、RPR260243）通过减慢去激活、减少失活、增加电压敏感性或提高单通道开放概率发挥作用，但过度缩短动作电位时程的致心律失常风险及脱靶效应是主要担忧，且有效剂量范围狭窄。