第 21 章：心脏收缩功能与收缩力的调节（Regulation of Cardiac Systolic Function and Contractility）

21.1 引言：什么是"收缩力"（Introduction: What is Contractility?）

心脏的基本作用是为循环营养与氧气提供水动力来源——它必须能在静息与运动两种情况下满足机体的需求，这要求该泵能在一个相当宽的范围内调整自身功能。这一调整通过改变心腔充盈量、动脉负荷（阻抗）、心率以及一种被相当松散地称为"心脏收缩力（contractility）"的属性来实现。后者的调控发生在多个水平（图 21.1），涉及质膜 G 蛋白耦合受体、离子通道、酪氨酸激酶力学感受器、细胞内钙调控以及最终产生力的肌丝蛋白。整个收缩过程始于钙离子通过 T 小管系统上的电压门控 L 型钙通道（LTCC）进入细胞，并扩散进入二联体裂隙（dyadic cleft），刺激钙离子诱发的钙释放（Ca-induced Ca-release）通过肌浆网（SR）上的 ryanodine 敏感通道（RyR2）发生。所释放的更大规模钙离子与调控性细肌丝复合体中的肌钙蛋白 C（TnC）结合，启动肌钙蛋白 I（TnI）的构象变化，并把原肌球蛋白（tropomyosin）在肌动蛋白单体上的位置移开，使肌动蛋白—肌球蛋白结合位点得以暴露。肌球蛋白结合的 ATP 水解产生强结合的肌动蛋白—肌球蛋白横桥，从而产生力。舒张涉及把钙从 TnC 上移除，并随后通过钠钙交换体（Na/Ca exchanger）、钙 ATP 酶泵（Ca-ATPase）或被 SR 与线粒体摄入细胞内而被排出细胞。所有这些组分都高度受到磷酸化、亚硝基化、氧化、SUMO 化、糖基化，以及可能还有我们尚未定义的其它"基化（ylations）"等翻译后修饰的调控。越来越多的研究正在揭示这些修饰的蛋白靶点，特别是因为它们似乎是多种心脏疾病中发生收缩衰竭的核心环节。

传统上，心脏收缩的决定因素被划分为若干大类别：一类是受心腔充盈量与/或主动脉（或肺）血管负荷变化影响；另一类被认为更属于肌肉本身所固有。我们一般把"收缩力（contractility）"一词用于后者，其定义更多是"不是什么"而非"是什么"：根据惯例，它不是指通过改变心脏负荷条件所引起的心脏功能变化——它就是除此之外的一切。一旦进入分子水平，这一区别往往就会瓦解——这一点后文将详述。在过去一个多世纪里，许多生理学家一直致力于找出把"收缩力"与负荷分开的测量方法。这些研究始于 Frank（文献 1）与 Starling（文献 2），他们识别出收缩前牵张对心脏产生压力与流量能力的作用；之后 Wiggers（文献 3）、Sarnoff（文献 4, 5）、Sonnenblick（文献 6）、Elzinga/Westerhof（文献 7）等人补充了收缩后负荷如何影响心肌与心脏。1980 年代，Suga、Sagawa 与同事（文献 8）重新探讨心室压力—容积（pressure-volume, PV）关系（最早由 Otto Frank 研究），以此来评估收缩功能；该方法及其衍生的方法至今仍是该领域的最优手段。虽然我们能赋予"收缩力"一词以何种精确物理属性仍有争议，但 PV 框架在整体上仍是在单一分析框架内分离并量化心脏（或肌肉）功能各种调控因素的最优方法，并已证明其价值巨大（文献 9）。

在过去二十年间，分子生物学与基因工程使得研究者得以对收缩机器及其调控组分进行遗传操纵。我们首次得以深入理解特定肌丝蛋白及其定向修饰在肌肉与完整心脏中所扮演的角色。正如前文所述，其中一些发现模糊了通过牵张或压力调节心脏功能与通过改变钙、蛋白磷酸化或 EC 耦合来调节心脏功能之间的区分。鉴于该主题的范围之广，本章不可能详述所有组分。某些方面——如来自肾上腺素、血管紧张素/内皮素等通路的 G 蛋白耦合信号以及钙循环——将在本卷其它章节中讨论。本章采取分子生理学方法，重点聚焦于理解收缩功能决定因素的最新进展。本章把内容分为四个部分：(i) 如何测量收缩期；(ii) 心脏负荷的影响；(iii) 心率对心脏功能的调控；(iv) 肌节蛋白及其翻译后修饰的调控。

21.2 收缩期的测量（Measuring Systole）

在离体肌条上评估收缩期最为容易——其长度与收缩负荷可以被精确固定并定义，最大发生力或力的发生速率可被测量。当然，这种分离以及非生理性负荷状态会使其行为偏离在体情况，进而影响结果。离体心肌细胞的研究通常使用无负荷（unloaded）的细胞，这明显是非生理的；虽然已有方法可控制完整心肌细胞的力与长度（文献 10），但它们仍局限于少数实验室且难以操作。在体分析常常是人们所期望的；这里，流量、容积或压力的单一测量都不充分，但它们可被组合起来形成有用的指标。在实验性分子生理学中，最常被报告的指标之一是心腔 dP/dtmax，即压力上升峰值速率。这早已被认识到与肌力变化相关，但它对心脏舒张期容积（在小鼠中微升级别的差异就可能造成巨大影响）以及心率高度敏感。作为收缩期的标志，dP/dtmax 与机体相关性低于射血参数，因为它正常发生在主动脉瓣开放之前。激活 PKA 磷酸化的药物（如肾上腺素能激动剂）显著增强 dP/dtmax，而那些绕过该通路的药物即使可以显著改善射血强度，对它的影响也很小。一个近期的例子是 omecamtiv mecarbil——一种肌球蛋白 ATP 酶激活剂——对 dP/dtmax 几乎无作用，但对肌肉与心腔收缩以及射血（文献 11）却具有强烈影响。还有一些分子模型显示，肌节蛋白突变可能造成由 dP/dtmax 所反映的"收缩力"与射血期参数所反映的"收缩力"之间的显著差异（文献 12）。

心脏功能压力—容积分析源于系统工程——即研究者希望找到一个能够定义心脏与血管属性的框架，使它们能被整合到完整系统中。其核心概念是：心脏收缩涉及由肌力增大所产生的肌肉硬度变化，反映了更多强结合肌动蛋白/肌球蛋白横桥的数量以及蛋白 titin（一种肌节内分子弹簧）的压缩。在固定肌肉长度下，硬度与力直接相关；而对心腔而言，硬度（称为 elastance）并非简单地由心腔压力所反映，而是由压力/(容积 − Vo) 之比所反映，其中 Vo 表示未受应力的参考容积（图 21.2a）。称为 E(t) 的 elastance 时间进程非常稳定，在人与小鼠之间相似（图 21.2b），尽管二者在心率上存在 10 倍差异、在心脏重量上存在 4000 倍以上差异。最大 elastance 通常被用来"指标化（index）"收缩力，但通常最好是把完整的收缩末期压力—容积关系（ESPVR）及其位置描绘出来用于此目的。本图所示的小鼠数据与人在体所获得的关系相似；在完整离体心肌细胞（其力与长度被仔细控制以模拟在体负荷）中亦可获得类似数据（图 21.2c）。二十多年前已识别出 PV-elastance 分析的一些重要注意事项，但在当代小型啮齿动物研究中并不总是被记住。例如，ESPVR 并不严格呈线性而是曲线（文献 13），这意味着其斜率会随负荷（即压力范围）变化而改变。在相似负荷范围内进行表征、并把数据本身呈现出来，都是很重要的。其次，收缩期硬度受心肌细胞收缩力影响，但也受结构（如 EC 基质）与血管组分影响，因此慢性变化可能反映非收缩性因素。例如，Ees 随人体老化而增大（文献 14），而其他收缩期功能参数则不然（文献 15）。前者可能与结构性变化及被动硬度相关，而与心肌细胞收缩力的内在改善无关。

E(t) 的时间进程在正常人以及广泛的人类心脏疾病（包括肥厚型与扩张型心肌病、缺血、梗死以及心率与肌力的急性变化）之间几乎不变（文献 16）。类似地，在实验性心衰以及针对钙循环、肌钙蛋白 I、肾上腺素能信号、dystroglycan 复合体以及其他属性的基因模型中，E(t) 曲线均相似（文献 17）。一个引人注目的反例见于缺乏肌球蛋白结合蛋白 C（MyBPC）的小鼠（文献 12, 17）。MyBPC 与肌球蛋白（C-端，文献 18, 19）以及肌动蛋白（N-端，但这一结合存在争议，文献 20, 21）结合，被认为对横桥循环动力学施加限制——降低肌丝速度与横桥结合速率（文献 22, 23）。缺乏 MyBPC 的小鼠呈现异常的 E(t) 波形，在射血开始后不久收缩期就突然中止（图 21.2d），这可能是因为上述限制被解除（文献 12）。其静息 dP/dtmax 正常，但心脏扩张伴收缩功能下降。MyBPC 是 PKA 磷酸化的主要靶点（残基 S273、S282、S302），其磷酸化降低其对横桥动力学的限制，从而促进收缩力。MyBPC 突变是临床肥厚型心肌病的最常见病因，因此揭示其在正常收缩中的这一根本作用意义重大。

近期的几种新型心衰药物凸显了心室 elastance 作为收缩指标的价值。其一是 omecamtiv mecarbil（文献 11），它刺激肌球蛋白 ATP 酶以增强收缩，但对 PKA 无作用。与 dobutamine 不同，该药并不加速压力上升（即硬度增加）的速率，而是通过硬度持续增大而使收缩期延长（图 21.3）。其二是 nitroxyl（HNO）——一氧化氮的单电子还原产物——具有独立于 PKA 的正性肌力作用，通过半胱氨酸修饰直接作用于 SR 与肌丝钙处理（文献 24）。它的 elastance 影响也大于 dP/dtmax，部分原因在于它缺乏 PKA 磷酸化。

最后值得一提的是从压力—容积数据中衍生出的另一种有用收缩指标——前负荷可募集搏出功（preload recruitable stroke-work，文献 25）（搏出功对前负荷容积回归的斜率）。这与 Frank-Starling 类似，但用搏出功代替心输出量，以减少后负荷依赖性。PRSW 的单位是力，而哺乳动物心脏无论大小均产生相似平均收缩压，因此其在正常心脏（约 80–90 mmHg）中的数值在不同物种间相似。

21.3 通过改变负荷来调控收缩（Control of Systole by Altered Loading）

心肌的急性牵张会诱导一个双相力响应：先是力在细胞内钙未变化的情况下立即上升，随后是一个历时数分钟的伴随细胞内钙增加的渐进性力上升。第一阶段即 Frank-Starling 效应（FS），第二阶段是慢力响应（slow force response, SFR）或 Anrep 效应。两者在体外与在体均可被观察到。后者在下腔静脉阻塞等前负荷容积突然变化后（图 21.2a）可被观察到，或在动脉后负荷持续增加时出现收缩力与射血容积增大（文献 26）。后者被称为同型调节（homeometric autoregulation），是 SFR 的心腔表现。值得注意的是，虽然这两种行为在 100 多年前即被描述，但其基本机制至今仍未确立。

FS 或快速牵张响应最初被归因于肌动蛋白—肌球蛋白肌丝重叠度的变化；但其关系的显著陡峭度以及它在不同收缩状态下的多变性使这一解释极不可信（见 de Tombe 等文献 27 综述）。1982 年，Hibberd 与 Jewell（文献 28）揭示：随长度增加，稳态力—钙关系曲线发生左移，无论在亚最大钙激活还是最大钙激活下均如此，从而把"长度依赖性钙激活"确立为核心机制。但是什么产生了这一依赖性？虽然早期基于 TnC 亚型（骨骼肌 vs 心肌；前者力—长度依赖性较弱）转换的工作曾提示 TnC 为感受器，但随后被否定（文献 27）。另一种理论是：肌肉长度增加缩短了肌动蛋白与肌球蛋白之间的肌丝间距，从而有利于横桥形成（文献 29）。一种可能的机制是：牵张延伸了 I 带区域的 titin——它沿肌节与两种运动蛋白结合（文献 30, 31）。肌节延长会把该分子的弹簧区像一根绳索一样展开拉伸，从而把两种运动蛋白拉在一起。直接测量肌丝间距的同步辐射 X 射线衍射研究为这一机制提供了一些支持。其他支持来源于下述研究：心肌细胞被预牵张到不同水平的被动力（拉出 titin），随后其长度依赖性的 Ca-力响应被发现更与被动力相关而非肌节长度。PKA 与 PKG 都通过肌钙蛋白 I 磷酸化（详见下节）降低任意给定肌节长度下肌丝对钙的敏感性。然而两者也都磷酸化 titin 的弹簧（N2B 与 N2BA）区，降低其硬度（文献 32, 33）。这可能减少 titin 对肌丝间距的影响，从而抑制长度依赖性。

在进一步研究中，肌丝间距假说遭到了质疑。在 de Tombe 实验室近期一项研究中，他们把心脏 TnI 替换为骨骼肌 TnI（前者而非后者具有 PKA 磷酸化位点，这些位点被靶向后会降低钙敏感性）（文献 29）。这导致 PKA 刺激后肌丝间距出现显著相反方向的变化，但与钙敏感性并不相关。在另一项研究中，通过渗透压缩而非延长肌节来缩短晶格间距，结果钙敏感性并无变化（文献 29）。这强化了另一种假说——即关注协作性肌丝激活以及已结合横桥可进一步增强细肌丝激活从而促进邻近横桥生成这一概念。一些研究提示这发生于强激活横桥（文献 34, 35）；其他研究则强调弱结合横桥的作用（文献 36）。最后，慢骨骼肌 TnI 在 144 位为脯氨酸，而 cTnI 在该位为苏氨酸。心肌 TnI 的 T144P 突变可降低长度响应，类似慢骨骼肌中的情况；而慢骨骼肌 TnI 中的反向突变 P122T 则赋予更高敏感性（文献 37）。因此，由横桥形成所导致的细肌丝生物物理性系连以及由此增强的细肌丝激活，可能依赖于 TnI 的特定残基，并可能对 FS 效应有所贡献。

SFR 也已困扰肌肉生物学家超过一个世纪。在此情形下，力的上升（牵张施力后急性升高 25–30%）伴随细胞内钙的渐进性增加（文献 38–41）。然而，这种钙的精确来源及其介质仍在研究之中。牵张激活的阳离子通道早已被认知，但只是最近才有研究提出它们的分子身份可能属于瞬时受体电位通道（TRP）家族。心肌表达多种牵张响应 TRP 通道（文献 42），如 TRPC1、TRPC6 与 TRPV1，并且有研究提示它们各自在急性与慢性后负荷增加响应中发挥心脏作用（综述见文献 43）。通道激活可直接由 Gq/11 受体耦合信号所触发——无论是配体依赖性或非依赖性（例如牵张）——或耦合于对内部钙储备减少的反馈感受。在心肌中，后一种机制所涉及的精确储备库尚不明确。所涉及的精确种类及其在疾病中的改变是否影响肌肉—后负荷相互作用仍有待澄清。

SFR 的另一种解释把钙进入归因于反向模式的钠钙交换（最初由细胞内钠升高触发，文献 41）。该理论也始于 Gq 受体——ETA 受体——的牵张激活，与 AT1 的配体非依赖性激活相耦合，导致细胞内 PI3K 与 Akt 的刺激（文献 40）。这还会反式激活表皮生长因子受体（EGFR）以刺激 ERK 磷酸化（文献 44），后者反过来激活质膜钠/氢交换体（NHE），从而使细胞内钠升高。该钠随后经 NCX 与钙交换，由此产生 SFR。该机制如何与基于 TRP 通道激活的数据相协调仍不清楚；目前关于这两个通路同时进行分子靶向测试的在体数据很少。一些研究发现人心肌更多依赖 NHE/NCX 通路（文献 38），但这并非定论。可能还涉及其他分子，特别是那些与膜牵张响应蛋白复合体（诸如黏着斑激酶/整合素信号、dystroglycan-层粘连蛋白信号以及可整合基质/心肌细胞相互作用的分泌蛋白如转化生长因子 β（TGF-β）或 thrombospondins）相耦合的分子。这些也正在研究之中。

21.4 通过心率调控收缩（Control of Systole by Heart Rate）

刺激频率对收缩功能的调控（力—频率关系，FFR）也具有百年以上的历史——最早可追溯到 Henry Bowditch 在 1870 年代的工作（文献 45）。在正常人中，心率从 60 升至 150 次/分时收缩力可上升 100%（文献 46），这在运动储备中起着重要作用。如同 Frank-Starling 机制，FFR 也被肾上腺素能刺激所增强、被心衰所抑制（图 21.4），但机制不同。尽管经过数十年研究，我们仍未完全理解其机制（文献 47），不过已揭示若干机制。在 Weir 与 Yue 的工作——他们首次整合肌肉力与钙的测量——中发现，刺激频率所引起的肌肉力上升伴随细胞内钙升高（文献 48）。这又依赖于 SR 内钙负载的增大。随着 L 型钙通道开放频率的增加，SR 可增加其钙负载，而后者反过来是经 ryanodine 受体（RyR2）释放钙的主要决定因素，从而升高肌丝激活钙水平以产生更大的力。这一简单模型可解释若干行为。例如，人与犬心脏在操作频率范围内显示力增加近 2–3 倍（文献 46, 49），而在小鼠中几乎仅为 20%（文献 50）。然而，小鼠 SR 钙的再摄取占每次搏动释放量的 90% 以上，而在人中则不到 45%。因此，需要进一步增强该库的机制在人中相比小鼠更为有效。FFR 在小鼠中降低的其他因素也曾被归咎——较低温度、缺氧或氧化应激——它们存在于多种标本中，可抑制 SR 摄取并增加漏出，但在体数据支持更为基础的机制。

当我们试图识别与"频率感受"直接相关、并进而增强 SR 钙摄取的分子，以及频率依赖性离子通道与/或肌丝钙相互作用是否发挥重要作用时，情况就变得更具推测性。早期靶点之一是 phospholamban（PLB）——它在未磷酸化状态下抑制 SERCA2a 钙摄取，但被 PKA 磷酸化后则增强摄取。β 肾上腺素能刺激增强 FFR（文献 51），PLB 磷酸化与此一致。此外，PLB 敲除心脏（其表现为基础收缩力增强）的研究显示 FFR 受抑（文献 52, 53），进一步支持 PLB 的关键作用——KO 模型提供的是 SERCA2a 的静息去抑制。反之，增加 PLB 或特异地增加 PLB/SERCA2a 比值则抑制 FFR（文献 54）。在心衰中，阻断 PLB（显性负性）或上调 SERCA2a 表达可增强 FFR（文献 55–58）。

FFR 的另一特征是肌肉在更快刺激速率下快速舒张的能力。对于这一效应，CaMKII 是早期焦点，因为它的激活依赖于更高的钙并可反过来磷酸化 PLB 以增加 SERCA2a 活性（文献 59）。一些研究支持 CaMKII 的这一作用（文献 60），包括使用 PLB 缺失小鼠的研究（文献 61）。然而，其他研究发现 PLB 磷酸化并未因刺激频率而改变（文献 62, 63），也并非由 CaMKII 介导的变化所特异地改变。在其他工作中观察到了 CaMKII 磷酸化（靶向 PLB 或 ryanodine 受体），但其时间进程与心率加快时舒张时间几乎即时加速相比太慢，因此不太可能是机制（文献 64）。然而这一故事尚未完结——近期一项涉及 RyR2-S2814A 敲入（被 CaMKIIδ 靶向）的小鼠模型的新数据表明，这一 PTM 在介导正常正向 FFR 中起着重要作用（文献 65）。CaMKII 的另一潜在靶点是 L 型钙通道（LTCC）。CaMKII 还可被甲硫氨酸氧化所激活，近期这被与 LTCC 进入的促进（facilitation）相关联，从而导致更大程度的频率依赖性钙进入（文献 66）。

作为对钙进入与 SR 处理蛋白调节因子的替代——肌丝水平的频率依赖性调节因子也已被提出。在此，多项研究显示 TnI 可能起重要作用。携带模拟 S23、S24 PKA 磷酸化的 TnI 突变小鼠显示 FFR 增加（文献 67），而携带反向突变（PKA 位点静默、PKC 位点磷酸化模拟）的小鼠 FFR 受抑（文献 68）。TnI 磷酸化使力—pCa 关系曲线右移，反映钙脱敏；这可能在更快频率下加速肌肉舒张方面起重要作用。MyBPC 也已被证明可调节 FFR——既贡献于频率依赖的收缩功能上升，也贡献于完整心脏在更快心率下减少其净舒张期充盈的特性（文献 12）。缺乏 MyBPC 的小鼠在更快频率下净舒张期充盈几乎没有受影响，而那些缺失该蛋白、或表达 PKA 主要磷酸化位点已被沉默蛋白的小鼠，则显示出对心率的收缩反应被抑制。

21.5 蛋白激酶 A 对收缩力的调控（PKA Regulation of Contractility）

心脏收缩力必须响应广泛的机械与生化刺激，越来越多的证据凸显了肌丝蛋白翻译后修饰（PTMs）在此过程中的核心作用。主要例子是"战或逃（fight or flight）"反应——它与肾上腺素能刺激相耦合，同时激活参与钙循环的蛋白以及肌丝蛋白对钙的响应。急性交感反应主要涉及蛋白激酶 A（PKA）的激活，但现在已认识到许多其它激酶、磷酸酶以及来自亚硝基化或氧化等替代 PTM 也起关键作用（图 21.5）。重要的是，这些变化可成为心脏病的关键机制，并已成为治疗靶点的焦点。

经典的第二信使 cAMP 激活激酶是蛋白激酶 A（PKA），它由 β 肾上腺素能受体激活所刺激。收缩调控涉及 PKA 对钙处理蛋白与肌丝蛋白的影响。在钙方面，PKA 磷酸化 L 型钙通道（已识别多个位点使通道电导增加）、ryanodine 受体 RyR2（Ser 2809、Ser 2030，增强 SR 钙释放）、phospholamban（Ser 16，去抑制 SR 钙 ATP 酶以增强 SR 钙摄取）以及蛋白磷酸酶 1 抑制剂-1（T35，抑制磷酸酶 PP1 以进一步增强 phospholamban 磷酸化状态）（文献 69, 70）。最终结果是细胞内钙进入以及 SR 钙释放与摄取的增加。

在这些众多修饰中，PKA 依赖性 RyR2 磷酸化仍存在一定争议，但越来越多的证据支持其重要作用。Marks 实验室已提供了大量证据支持 RyR2 PKA 磷酸化的重要作用（文献 71）。PKA 激活已被证明可诱导 RyR2 在 Ser 2809 的超磷酸化，随后 FKBP2（即 calstabin 2）解离，使 RyR2 复合体失稳并促进 SR 钙漏出。这可导致 SR 钙含量降低、舒张期钙升高，并被提出作为心衰中的重要病理生理机制（文献 72）。然而，使用表达类似 RyR2 突变（阻断该 PTM，如 RyR2-S2808A）小鼠的其他研究发现无作用（文献 73）或反向作用（文献 74, 75），因此该问题仍在研究之中。最近，Ser 2030 也被确定为 PKA 靶点（文献 76, 77），但该修饰的作用仍有待澄清。

PKA 还修饰肌节蛋白，包括肌球蛋白结合蛋白 C、心肌肌钙蛋白 I（cTnI）以及巨大分子弹簧蛋白 titin。肌球蛋白结合蛋白 C 是定位于肌节 A 带的粗肌丝附属蛋白，与肌动蛋白和肌球蛋白结合（文献 78, 79）。PKA 磷酸化其 Ser273、Ser282 与 Ser302（文献 80），把 MyBPC 从其与肌球蛋白 S2 位点（位于杠杆臂近端、将马达头部与粗肌丝骨架连接，文献 78, 79, 81）的结合中释放出来，以增强肌动蛋白结合（文献 82）。如前所述，MyBPC 起到某种肌丝系连的作用以减慢横桥形成的动力学。PKA 磷酸化降低这一阻碍、加速动力学。该 PTM 的意义在以下小鼠中得以揭示——这些小鼠中这些位点被突变为不可磷酸化形式。其心脏在体表现为对 β 肾上腺素能与频率依赖性收缩反应的钝化（文献 12）。

最近蛋白质组学分析已揭示肌钙蛋白 I 上多个磷酸化位点（S23/24、S31、S43/45、S77、S150、T144），其中一些已被定义为控制最大张力与肌丝对钙反应的关键。TnI 在 Ser 22/23 的 PKA 磷酸化早已被认知。这些丝氨酸位于心肌（相对骨骼肌）亚型所特有的 N 端延伸区（文献 84），其磷酸化导致钙敏感性降低，并使钙与 TnC 结合的解离速率增加（文献 84）。在这些位点（cTnI DD 22, 23）表达磷酸化模拟突变的小鼠在体心脏研究显示：舒张速率加快、舒张对后负荷的依赖性降低以及收缩功能增强（文献 67）——后者可能是由于横桥循环增强。

最后，titin 是一种从一侧 Z 盘跨越到另一侧 Z 盘的大分子。它既参与舒张期被动硬度，也通过力—长度依赖性来调节收缩。titin 的 PKA 磷酸化可增强其在 PVK 结构域的可伸展性、降低硬度，但也可能改变长度依赖性的力生成。

21.6 蛋白激酶 G（PKG）

心脏收缩力也受 cGMP 依赖性蛋白激酶（PKG）调控——后者是一氧化氮（NO）与利钠肽（NP）信号的主要下游靶向激酶（文献 85）。PKG 磷酸化 L 型钙通道（LTCC，Cav1.2 α1c 与 β2 亚基；后者在 S496）——但与 PKA 不同，这会降低通过该通道的钙内流（文献 86）。PKG 对 cTnI 的磷酸化也发生在 Ser 23/24，降低肌丝钙敏感性（文献 92）。有趣的是，PKG 在这些位点的磷酸化可叠加在已有的 PKA 修饰之上，其结果是 PKG 抑制 PKA 所诱导的正性肌力作用（文献 87）。这可能与对 LTCC 的相反效应有关，也可能与 PKG 对肌丝（如 titin）的其他差异性靶向有关——对被动力的降低甚至更大，可能也会抑制收缩。这些机制仍有待进一步阐明。

21.7 钙-钙调素依赖性激酶 II（CaMKII）

CaMKII 由细胞内钙水平升高与钙调素结合所激活，影响参与兴奋—收缩耦合的一系列广泛蛋白。这些包括 L 型钙通道、RyR2（Ser 2808/2809、Ser 2814）以及 PLB（Thr 17）（文献 88）。CaMKII 与 RyR2 和 LTCC 共定位，在钙诱发的钙释放中起关键作用（文献 89）。CaMKII 与 LTCC α 亚基（Cav1.2）以及 β 亚基结合，并磷酸化多个位点、促进内向钙电流。CaMKII 活性及其随后对 Ser 2815 的磷酸化显示有频率依赖性（"钙记忆（Ca memory）"，文献 90）。这一调控的在体影响最近在缺乏 RyR2 上 CaMKII 磷酸化位点（RyR2-S2814A）的动物中得到揭示——它们显示出力—频率依赖性受抑（文献 91）。

PKA 与 CaMKII 都被 β 肾上腺素能刺激所激活，进而可磷酸化 phospholamban 与 RyR2，影响舒张期功能（文献 92）。PLB 的 S16 磷酸化（PKA）是 T17（PKC）磷酸化的前提条件，而后者可被独立磷酸化（文献 93）。更快刺激频率下的 CaMKII 激活与相应的 PLB T17 磷酸化与频率依赖性舒张（增强的 SR 钙摄取）相关联，贡献于力—频率响应（文献 92）。RyR2 的 CaMKII 在 S2814 的磷酸化增强其开放概率、促进 SR 钙漏、降低收缩，被认为有助于心衰病理（文献 94）。RyR2 的持续激活突变体（S2814D）发生病理性 SR 钙释放，导致 SR 钙负载降低（文献 91）。

21.8 蛋白激酶 C（PKC）

蛋白激酶 C（PKC）家族由钙和/或脂质激活的丝氨酸/苏氨酸激酶组成，在多种膜相关信号转导通路下游发挥作用（文献 95）。在构成 PKC 家族的约 10 个同工酶中，PKCα 是心脏中表达的主要亚型，并通过 Gαq 耦合受体信号在多种心脏病理中被激活（文献 95）。近期工作利用功能丧失或功能获得的小鼠模型阐明了 PKCα 在心功能障碍中的核心作用（文献 96, 97）。前者显示收缩力改善，而后者显示下降。一种主要机制是 PLB 去磷酸化导致的钙循环抑制（文献 96）。PKCα 在 S67 磷酸化 I-1，增加蛋白磷酸酶 1 活性，进而降低 PLB 磷酸化。PKC 抑制收缩功能的另一机制是它对 cTnI 的磷酸化。PKC 在 Ser 43、45 与 Thr 144 磷酸化 cTnI（文献 83）。将 Ser 43 与 45 突变为丙氨酸（磷酸化沉默突变）的转基因动物显示心脏收缩力改善，而表达磷酸化模拟突变（S43E、S45E、T144E）的小鼠则通过横桥形成减少以及通过肌丝活性状态持续所致的负性舒张效应而表现为收缩力受抑（文献 98）。PKCα 也在 T206 磷酸化 TnT，降低去皮纤维的力与钙敏感性。MyBP-C 也是 PKC 的底物，但这些位点在心脏功能短期调控中的功能意义仍不明确（文献 99）。类似地，肌球蛋白调节性轻链 2 也是 PKC 底物，但其在逐搏调控中的作用并不明显（文献 99）。

21.9 其他激酶（p38 丝裂原激活蛋白激酶、Rho 相关蛋白激酶）

MAPK 与 Rho 相关激酶（ROCK）也直接磷酸化肌丝蛋白。p38MAPK 激活可抑制心肌细胞收缩力（文献 100）。来自持续激活 p38 MAPK 心脏的心肌细胞显示功能受抑但钙瞬变不变，支持脱敏机制（文献 101）。来自这些心脏的去皮纤维表现为主动力与 ATP 酶活性受抑，与 α-原肌球蛋白与肌钙蛋白 I 的磷酸化降低相关（文献 102）。ROCK 是丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，介导 Rho GTP 酶的多种下游效应。ROCK 对肌球蛋白轻链磷酸酶（MLCP）肌球蛋白结合亚基（MBS）的磷酸化抑制其活性，增加 MLC 磷酸化水平从而引起平滑肌收缩（文献 103）。然而，在心肌细胞中尚未揭示类似效应——ROCK 抑制最大 ATP 酶速率与张力，与 MLC 磷酸化无关。ROCK 可磷酸化 TnI（S23、S24、T144）与 TnT（S278、T278、T287）。cTnT 磷酸化可能起关键作用——在以慢骨骼肌 TnI（缺乏 S23/24 且 T144 被脯氨酸替代）替代 cTnI 的心脏中，ROCK-II 抑制张力与 ATP 酶活性（文献 104）。

21.10 亚硝基-氧化还原调控（Nitroso-redox Regulation）

除磷酸化外，越来越多的证据支持多种替代 PTM 在心脏收缩调控中的作用。这些包括 S-亚硝基化、S-谷胱甘肽化、氧化（或还原）、糖基化、O-GlcNAc 化、SUMO 化，以及无疑还有其他修饰。这些变化在调控收缩期中的作用仍处于起步阶段，但已得到一些重要认识。S-亚硝基化是 NO 部分对半胱氨酸反应性硫醇链的直接共价连接；大量证据已显示该修饰导致蛋白功能性变化（文献 105, 106）。RyR2 含有许多易受氧化还原修饰的半胱氨酸残基，氧化以及 S-亚硝基化均可增强该通道的开放概率（文献 107–109）。该通道还具有基础性 S-亚硝基化（文献 108, 110, 111），与来自 NOS1 的 NO 相耦合；缺乏 NOS1 的心肌细胞表现出 RyR2 S-亚硝基化降低，伴随 SR 钙分次释放减少（文献 112）。RyR2 的病理性氧化可导致 SR 异常钙漏（文献 113），而 NOS1 与黄嘌呤氧化还原酶（XOR）的局部调控似乎在维持亚硝基-氧化还原平衡中发挥作用（文献 111, 114）。然而，氧化也可在与线粒体功能相耦合时发挥生理作用。已有报道 RyR2 的 S-谷胱甘肽化在心动过速或运动中增加（文献 115, 116），伴随钙释放增加（文献 115）。SERCA 的氧化修饰也已被识别。过表达 catalase 可改善 Gαq 过表达心肌细胞中的收缩功能与钙调控异常——后者刺激氧化应激。这一改善与在 674 位半胱氨酸上的 SERCA 氧化改变逆转相关（文献 117）。最后，SERCA2a 在赖氨酸 480 与 585 的 SUMO 化最近被识别为对该蛋白活性与稳定性具有重要意义，在正常 SR 功能中发挥作用（文献 118）。

21.11 结论（Conclusion）

在过去 15 年中，分子生物学与基因工程工具已被广泛用于研究心脏调节收缩功能的基本机制。我们对复杂信号传导的理解——包括与超过 100 年历史的"心脏定律"如 Frank-Starling 关系或力—频率依赖性相关的信号——已远胜从前，但仍远未完整。随着众多发现而来的是对该调控在分子层面复杂性的认识。该领域仍处于早期阶段。从临床角度而言，我们仍尚未开发出一种能在不最终恶化患者预后的前提下改善收缩功能的心脏病治疗药物。希望该领域的持续研究最终能解决这一棘手问题，造福于众多心脏疾病患者。

本章个人批注

本章由 Takimoto 与 Kass 撰写（来自 Johns Hopkins 大学心内科与生物医学工程系），是 Kass 实验室长期研究的综合——Kass 实验室在 1980 年代与 Sagawa 合作把压力—容积（PV）关系推进到当代分析水平（文献 8, 9）。本章最值得记下的有四点：第一，"收缩力（contractility）"这一术语在概念上是"用否定定义"的——它不是负荷变化引起的功能改变，而是一切其他因素；这一概念性区分在心腔水平上被 PV 框架实现得很好，但在分子水平上就瓦解了——这一点作者坦白承认；第二，E(t) 波形（在最大 elastance 处归一化为 1 的 elastance 时间进程）跨物种（人 vs 小鼠）以及跨广泛心脏疾病（缺血、梗死、肥厚型与扩张型心肌病、心率与肌力急性变化）高度保守，而 MyBPC 缺失是少数被识别的能"扰乱"E(t) 的扰动——这支持 E(t) 反映肌节动力学的根本规律、MyBPC 是其关键调节者这一观点；第三，SERCA2a/PLB 平衡是 FFR 的核心机制节点——PLB 缺失小鼠由于 SERCA2a 已"充分去抑制"反而表现 FFR 受抑，这是教科书上少见的"基线已增强则无空间再增强"的逻辑；第四，新型心衰药物 omecamtiv mecarbil（肌球蛋白 ATP 酶激活剂）与 nitroxyl（HNO）展现了"非 PKA"路径——它们不通过加速 dP/dtmax 而是通过延长 elastance 持续时间来增加收缩期工作——这一区别对于理解为何传统 dP/dtmax 指标会"误导"我们对新型肌力药物的评价很重要。值得在阅读中提防的一点是：本章关于 PKA-RyR2 Ser 2809 磷酸化的争议（文献 71–75）正反映了心衰机制研究中的典型分歧——支持者（以 Marks 实验室为主）认为这是心衰中 SR 钙漏与心律失常的核心机制；反对者则用 RyR2-S2808A 敲入小鼠得不到相同表型；作者对此采取"等量齐观"态度，提示读者在阅读后续相关综述时需自行权衡证据。本章的"分子-蛋白"细节密度很高，但作者坚持把每一种修饰蛋白放进"心衰/治疗"框架中（如 omecamtiv mecarbil、HNO、PKCα 与 p38 的疾病关联），这一点对临床医生很有用——它把基础分子发现与转化潜力直接连接起来。

与上下章的衔接（一段话）

本章位于本卷"心脏肌肉"篇（Part II）的中间偏后位置，紧接第 20 章"适应与反应——心肌神经支配与神经控制"之后。在第 20 章把视角从亚细胞器切换到大脑-心脏系统层面之后，本章又把视角拉回到心肌细胞内部，但聚焦于"收缩力"的调控机制——通过 PV 框架与 elastance 测量、肌节蛋白的翻译后修饰、力—频率依赖性的细胞基础等多条线索系统地整合了从心腔到肌丝的调控层次。本章对 PKA/PKG/CaMKII/PKC 等多种激酶及其对 RyR2、PLB、SERCA2a、肌钙蛋白、MyBPC、titin 等关键收缩蛋白的修饰的详尽介绍，为理解后续第 22 章"心脏重构中的细胞内信号通路"（将进一步讨论 RhoA/ROCK、MAPK 等）、第 23 章"氧化应激与心肌"（将专门讨论 ROS 与亚硝基化修饰对收缩功能的影响）以及第 28 章"心肌保护"（将讨论预处理、PostC、远端缺血适应等保护机制如何影响肌丝与钙处理）提供了分子基础。值得注意的是，第 20 章所讨论的交感-副交感失衡（如高交感驱动导致钙超载与心律失常）与本章所讨论的 RyR2 Ser 2809 磷酸化/SR 钙漏在概念上直接相通——这构成了从"自主神经系统"到"分子心衰机制"的桥梁。