心脏细胞内的细胞时钟如何协调日常心律？
2021/11/2 15:32:02 生物密探
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心脏钟调节心率的日常变化——每个心脏细胞都有一个时钟，可调节昼夜之间的放电频率。这有助于心脏在白天更快地跳动并维持日常活动。
人体生理机能被调节为 24 小时节律，以预测白天和黑夜的不同需求。在心脏中，神经系统的日常变化允许增加心输出量(例如早晨心率升高)——因为我们开始日常活动时预计工作量会增加。近期，英国LMB细胞生物学部的John O'Neill 小组与阿斯利康Peter Newham的其他合作者共同研究，发现了一种机制：心脏细胞内的昼夜节律对心率日变化的贡献与神经系统的信号一样重要。
该研究的主要作者 Alessandra Stangherlin 最初发现细胞离子水平会波动以补偿蛋白质大分子拥挤的日常变化，因此细胞体积保持不变。白天，细胞内细胞溶质蛋白的浓度增加，离子从细胞中输出，为它们“腾出空间”。在一天中，钾、钠和氯离子的浓度会随着蛋白质水平的增加而下降多达30%。为了完成这个循环，当蛋白质水平降低而离子水平增加时，这个过程会在晚上逆转。这些发现代表了对不同细胞类型如何在适应细胞溶质大分子拥挤变化的同时维持稳态的新的重要见解。
为了理解这些发现的相关性，该团队专注于心脏，其中细胞内外不同水平的钠和钾是导致心脏细胞收缩并因此驱动心跳的电脉冲的原因。由于钠和钾的水平全天都在变化以适应蛋白质的变化，因此心脏细胞的内在活动被迫以某种方式发生变化，使得人类的心脏能够在白天更好地维持增加的搏动速度，或者夜间活动的小鼠能够更好地维持增加的搏动速度。在这两种情况下，心脏在清醒期间维持增加的心跳率的能力最大，此时需求的波动通常比睡眠期间大得多。因此，该研究指出了心脏细胞内的生物钟如何帮助适应心率的日常波动。
钾、钠和氯水平的 24 小时节律渗透性补偿大分子拥挤的日常变化，以调节心脏电活动。
这具有重要的临床价值，因为生活方式因素(例如轮班工作)造成的生物钟中断与多种疾病的发病率增加有关，包括心律失常和其他心脏疾病。与John小组最近发表的另一篇论文(Hayter et al., Nature Communications, 2021))一起分析，现在看来倒班的工人更容易受到心脏事件的影响，这是由于大脑中的生物钟与心脏细胞中的生物钟分离造成的。
众所周知，老年人在早上发生心脏事件的风险更高。这篇论文的研究结果表明，在老年人中，每日心脏钠和钾节律的幅度降低意味着心脏无法适应每日需求的变化——即维持早晨增强的心脏功能。从临床角度来看，希望对心脏细胞时钟限制心容量的机制的这种新理解可能推动心血管医学的重要突破，并为预防措施提供参考信息。
这项工作是英国 LMB 和阿斯利康 BlueSky 合作(阿斯利康和医学研究委员会之间的研究合作，参考 BSF15 和 BSF36)的一部分。它由 UKRI MRC、人类前沿科学计划、爱丁堡皇家学会和威康信托基金资助。
参考资料：https://www2.mrc-lmb.cam.ac.uk/how-cellular-clocks-within-heart-cells-coordinate-daily-cardiac-rhythms/
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