利钠肽生物学

Abelardo Martinez-Rumayor, MD,a A. Mark Richards, MD, PhD,b John C. Burnett, MD,c and James L. Januzzi, Jr., MDa,*

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利钠肽（NP）系统的生物学是复杂的，但其种系高度保守。它控制水盐调节，促进血管舒张并在需要代偿的情况下诸如心力衰竭等给予心脏以有利作用。之前关于B型利钠肽（BNP）和其氨基末端的前体（NT-proBNP）生成的假说已被推翻。现认为心肌细胞释放出切割和非切割型利钠肽的混和体，而两种利钠肽并非1：1的形式分泌。且BNP也迅速地被修饰成为各种片段的混合体。商业性使用的检测BNP和NT-proBNP的方法同时检测裂解和非裂解利钠肽的混合体以及不定量的降解后BNP。BNP和NT-proBNP有明显的区别：BNP主动地从血中清除同时也有被动清除机制，包括经肾清除；NT-proBNP主要经血流量大的器官被动清楚，如肾脏。© 2008 Elsevier Inc. All rights reserved. (Am J Cardiol 2008;101[suppl]:3A–8A)

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专家认为在进化中利钠肽（NP）家族的演化是为了维持循环系统的容量，渗透压和压力调节的稳态。最近的证据表明此心血管利钠肽家族在心肌结构和功能控制中起自分泌和旁分泌的作用。^1，2利钠肽家族在人类和非人类的脊椎动物中由≥6种心血管型肽组成，包括A型（ANP），B型（BNP），C型（CNP），D型（DNP）和V型（VNP），还有一种肾型肽尿扩张素。^14-18另外还有≥3种NP受体，包括NP受体A和NP受体B作为鸟苷酰环化酶配对受体起生物学效应，NP受体C作为短的细胞质主受体起清除肽分子和可能的调节细胞增生作用。^19-24

心血管利钠肽生物学中的内分泌组分为ANP，BNP，DNP和VNP。虽然所有利钠肽都能在非心肌细胞中找到，但大多数人类利钠肽均主要由心脏分泌。相对的，由内皮细胞分泌的CNP在脑和脉管系统中能显现出内分泌和旁分泌作用。²⁵虽然利钠肽家族中的每个成员都有血管扩张或使静脉扩张效果，并能促进利尿和尿钠排泄，而这些效应之间的相对平衡在不同肽之间还存在着细微的差别。

利钠肽系统种系保守。在很多种群中，包括硬骨鱼，两栖动物，爬行动物，鸟类和一些哺乳动物（人类，猫，牛，狗，家鼠，大鼠，羊和猪），两种组分（内分泌和旁分泌）都能在心和脑中发现。^26,27在软骨鱼（软骨鱼纲），脑和心脏中只发现了CNP，有趣的是相同的CNP激素前体（proCNP）能表达循环激素和旁分泌因子两种功能。²⁸在所有种群中，CNP的结构在NP家族中最保守。²⁷研究发现四足动物通常有3种心脏亚型（ANP，BNP和CNP）中的2种。一些硬骨鱼缺乏BNP，但它们是唯一有VNP（从心室中分离出）此特别肽和CNP的种群，而鲨鱼和盲鳗只有CNP。CNP存在于所有种群的发现使得人们进一步探索CNP是否为存在于更原始的脊椎动物种圆口纲脊椎动物（七鳃鳗和盲鳗）中唯一的NP，以次来阐述利钠肽结构和功能的进化。直至最近，分子种系分析确认NP家族的祖先基因确实为CNP-4，此基因编码了四种类型的CNP。²⁹

从早期和其后对NP演变史的研究可推断出，NP系统从鱼类中的排钠激素进化为促进四足动物水钠排泄的减容激素，并均向着同一种方向调节。^23,30现在认为在哺乳动物中NP家族的容量调节作用更为重要，而在鱼类中它的主要功能是调节渗透压。²⁷

值得注意，ANP和CNP与其各自的激素前体片段在哺乳动物中均非常保守。然而，BNP及其氨基末端前体BNP（NT-proBNP）即使在哺乳动物中也存在着差异。26,27例如，人类BNP 5’端序列与大鼠和家鼠有着分别为65％和77％的基因同源性，然而啮齿动物近端启动子则有着>90%的同源性。³¹

所有的NP受体型均在脊椎动物中得到克隆，但在哺乳动物中只发现了两种鸟苷酰环化酶配对受体：对ANP和BNP高度亲和的NP受体A和对CNP特异的NP受体B。^21,23

利钠肽的下游生物学效应众所周知。以BNP为例，其效应包括扩血管，利尿，排钠。BNP同时还可能抑制肾素－血管紧张素－醛固统系统。另外，BNP可能有抗心肌纤维化效应，^12,32,33因为在BNP基因敲除鼠表现为心肌在心室压超载情况下的纤维化和异常重构。³²最后，BNP还显现出有强松弛性的特性。³⁴

B型利钠肽基因

BNP基因位于人类1号染色体，与ANP基因（居于BNP上游约约8千个碱基）呈前后串联关系；^2,31如此接近的空间关系是否是为了方便协同调节尚未知。BNP完整的核甘酸序列在1989年被阐明，³⁵而5’端上游非翻译区序列则在1996年通过分子分析和组织特异性基因表达研究得到确定。³¹该基因有3个外显子和2个内含子。人类BNP基因的外显子1编码了5’端非翻译区和部分pre-proBNP（26个-氨基酸信号肽和最初的18个BNP前体氨基酸）。外显子2编码了氨基酸45-129，外显子3编码了5’末端氨基酸（130-134氨基酸）和3”侧端富含ATTTA非稳定基序的非翻译区。^35-37

    既于组织表达位置，BNP在心房的表达较心室更丰富。然而由于心室更大，在正常情况下70％的心型BNP来自心室（在病理生理性情况下能达到88％）。³⁸其他心外BNP来源有脑，肺，肾，主动脉和肾上腺，其浓度都较心房少许多。³⁹正因为如此，大多数哺乳动物的BNP基因在心脏表达；非心型BNP表达则多表现为为种群特异性，这些部位的表达水平都低于在心脏的表达。³⁶

    如前所述，人类BNP基因5’端序列在1996年通过亚克隆了解了其表达。^31,36联合了测序和删除分析法，发现BNP基因启动子区域前后包含了一系列可能的cis调节元素，比如GATA，肌-CAT结合点和活化蛋白-1/环腺苷单磷酸反应元素样元素，这些都是心脏特异性调节基因（表1）。之后这4个cis元素均被发现是许多不同临床相关刺激的分子标靶，且通过不同的信号路径机制能对BNP基因进行基础的诱导调节。在许多刺激中值得注意的机械牵拉，^40,41缺血损伤/缺氧，^42-44内皮素-1，^45,46血管紧张素Ⅱ，⁴⁷白介素-1/β，⁴⁴α肾上腺素能和β肾上腺素能激动剂，^44,48正如与现在描述的与各种病理状态有关能造成利钠肽浓度升高的情况相一致，人类BNP基因启动子区域有多个能调高基因表达的标靶，包含多种能被不同促炎症反应和增生性反应激活的信号通路。

    就相对于其他心型利钠肽BNP基因诱导的特殊性质而言，生理学研究发现左室容积，⁴⁹左室舒张末期压，⁵⁰和血浆BNP浓度之间有着相互联系，提示BNP的释放同时受到压力和容量两种因素的调控。现在认为大多数BNP的形成在基因表达时完成，⁵¹在受到生理刺激激活时呈突爆式合成，⁵²随着合成的进行弄到而快速升高⁵³

利钠肽的加工和分泌

    BNP基因转译后，产生初始基因产物，前BNP前体_1-134(pre-proBNP_1-134)。该肽的一个26-氨基酸信号肽被立刻去除，形成了一个108-氨基酸激素原，proBNP_1-108。⁵⁴接着，proBNP_1-108被蛋白水解酶蛋白酶⁵⁵furin和corin⁵⁶分解为2部分：无生物学活性的76个氨基酸氨基末端部分NT-proBNP_1-76，和有生物学活性的32个氨基酸分子BNP_1-32，该分子拥有一个由连接着二硫半胱氨酸形成的特征性17-氨基酸环，此环对其生物学活性起重要作用。⁵⁷

重要的是，近几年来对于这种过分简单的利钠肽分泌过程的描述已经历了巨大的变化，这其中包含了对这类重要肽的生物学复杂性的更客观的认识。确实，早期研究中运用了放射性免疫测定法来评估心衰（HF）患者中的BNP，发现同时存在有高分子量和低分子量形式的BNP，高分子量BNP占主要成分（平均1.9:1）。⁵⁸近期的研究运用了Western 杂交分析技术能更好地显示这些在HF血浆中具有免疫反应性BNP种群的特征。而且证实同时存在低分子量（类似BNP1-32）和高分子量形式的BNP，高分子量BNP去糖基化后与重组proBNP_1-108类似。⁵⁹这些结果在其后的群体试验中被进一步证实，试验显示循环系统中主要存在的“NT-proBNP”或“BNP”事实上是proBNP_1-108⁶⁰(图1)。

现在很难明确地了解血液中存在的是哪种形式的利钠肽和这种异型性是否与多样的生物学效应有关。尤其对BNP的不明确性特别关注是因为它代表了该分子的生物活性部分。

一旦进入血液，研究提示BNP分子迅速被切去头端产生大量与BNP_1-32相关按比例分配的片断。的确如Hawkridge et al⁶¹的研究提示在心衰患者中完全没有BNP_1-32，这是由于BNP_1-32被二肽基肽酶-IV切割的结果。经二肽基肽酶-IV切割后的人类BNP不会改变其抵抗被人中性内切酶进一步降解的能力。⁶²另外，近期的研究还证实在肾脏内高度表达的肽酶甲丙氨酯A也能将BNP_1-32加工成BNP_7-32。⁶³

    有证据显示这些不同形式的BNP在HF中有着不同的生物学活性。近期的一项研究希望能通过与生物活化后的成熟BNP_1-32相比较来评价proBNP_1-108，NT-proBNP_1-76和BNP_3-32在培养的心脏成纤维细胞和心肌细胞中激活环一磷鸟苷(cGMP)的能力。可以预言，NT-proBNP_1-76没有生物学活性而proBNP_1-108在体外显著地降低了cGMP的活性：比BNP少6－8倍。⁶⁴然而尽管在体外BNP_3-32与BNP_1-32在成纤维细胞和心肌细胞中激活cGMP的能力相似，有研究证实在体内BNP_3-32会显著降低肾脏活动，这可能与BNP3-32的迅速降解有关。⁶⁵

    由于NT-proBNP_1-108的氨基末端区域包含有允许进行低聚反应的序列，研究中描述了一个NT-proBNP_1-76的三聚体。⁶⁶而且NT-proBNP_1-76片段也会发生分解，因为在分子的羧基和氨基端都存在蛋白质水解。⁶⁷因此，在循环中存在着许多比NT-proBNP_1-76大或小的分子。最后NT-proBNP被各种不同程度的糖基化。⁶⁸

对利钠肽生物学的崭新认识所带来的发展是巨大的。确实，我们现在知道现今使用的商业性检测NT-proBNP_1-76或BNP_1-32的检验实际上评估了每种肽的混合体；就NT-proBNP而言，检验很可能同时检测了NT-proBNP_1-76和不定量的proBNP_1-108。就BNP而言，传统检测很可能检验了BNP_1-32的多种降解产物，包括BNP_3-32以及完整的proBNP_1-108。^59，64另外，对于BNP或NT-proBNP的降解或低聚反应是否会降低商业性检测的精确度现在完全不知。今后研究的首要目标就是应用最先进的技术来阐述完整循环中BNP的所有分子形式。

同样重要的是要认识到相对于具有生物活性的BNP，proBNP_1-108的生物学活性显著降低或几乎消失；在心衰患者中，显著升高的BNP或NT-proBNP并不能正确提示该个体缺乏生物活性BNP的活性作用。

B型利钠肽和NT-proBNP的清除

BNP和NT-proBNP在释放后有各自不同的清除模式。BNP通过受体介导与NP受体C结合被清除，也能通过血流中中性肽链内切酶的活性所清除。另外，它能被包括肾脏在内的高血流量器官通过被动排泄（或局部区域内由中性内切酶降解）所清除。^69，70相对的，NT-proBNP缺乏主动清除机制，它在高血流量的器官床内被清除（肌肉，肝脏，肾脏等）。

肾脏对于NT-proBNP从血流中清除所起的相对作用仍饱受争议。虽然许多人认为NT-proBNP的排泄只通过肾脏且比BNP更依赖于肾功能，但仔细完成的机制研究提示BNP和NT-proBNP的肾脏清除率相同且只有约15％－20％。⁷¹一个稍后的研究证实了这样的结果，该研究通过股动脉，股静脉和肾静脉插管评估比较了高血压和肝硬化患者与对照组NT-proBNP和BNP在肾脏和外周的排泄情况。研究者发现NT-proBNP（0.16）的肾脏清除率与BNP（0.16）没有差异。相对的，NT-proBNP在下肢的清除率比BNP低，提示BNP在外周存在主动降解，这也部分解释了在患者正常血浆中NT-proBNP浓度较高的原因。⁷²

结论

关键点——NP的生物学：

• NP系统在物种间高度保守并有着复杂的基因调节机制。
• 细胞内pre-proBNP_1-108合成后，不定量的BNP_1-32和NT-proBNP_1-76便被释放出来。有相当数量的非切割proBNP_1-108被释放入血。
• 分泌后，BNP_1-32迅速加工和降解成为数种形式存在于循环中，包括BNP_3-32。
• proBNP_1-108和NT-proBNP_1-76没有或几乎没有生物学活性，BNP_3-32的生物学活性较BNP_1-32弱。
• 商业性试剂盒检测肽的混合物；就检测NT-proBNP而言，很可能至少检测到NT-proBNP_1-76和NT-proBNP_1-108的混合物。
• BNP通过多种机制被清除，包括受体清除，中性内切酶降解和由多种器官被动清除。有多种器官可能以被动方式清除NT-proBNP。
• 机制研究显示肾脏对NT-proBNP和BNP的清除能力相等