时钟基因PER调控血压的研究进展

计慧芳，付 阳，董一飞

(南昌大学第二附属医院 心血管内科 江西省分子医学重点实验室， 江西 南昌 330006)

高血压是临床最常见的心血管系统慢性疾病，也是公认的危害人类健康的风险之一。目前认为高血压是由于先天遗传与许多致病性增压因素和生理性减压因素相互作用的结果，主要包括遗传因素、高钠低钾饮食、肥胖、精神紧张和年龄等危险因素[1]。时钟基因表达异常与血压昼夜节律紊乱以及高血压的发生发展密切相关。周期基因(period，PER)作为一种时钟基因，在调控血压方面起着不可或缺的作用。本文复习相关文献，对PER调控血压以及高血压时间疗法的最新研究进展进行综述。

1 时钟基因简介

为适应地球24 h自转的生存环境，生物体进化出了一种内源性调节系统——生物钟。生物钟主要由时钟基因组成和调节，几乎存在于人体所有细胞中，在协调生物功能的节律性方面起着关键作用。时钟基因主要位于大脑和外周组织中，位于下丘脑视交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)的中央时钟被认为是产生昼夜节律的主要起搏点，并起到同步外周时钟的作用。然而，事实上许多位于外周组织中的外周时钟可以不依赖SCN自主产生昼夜节律。近期研究发现，脉络丛时钟在稳健性方面甚至超过了SCN[2]。表明SCN是外周时钟的主要协调器而非起搏点。

在分子水平，中央时钟和外周时钟均由相互连接的时钟基因转录/翻译反馈环组成。在白天，时钟基因BMAL1与CLOCK转录翻译后相互作用形成异二聚体，通过E-box介导PER和CRY的转录翻译。PER和CRY相互作用后进入细胞核通过抑制BMAL1/CLOCK异二聚体的活性进而抑制自身的转录。在没有从头合成的情况下，PER和CRY在夜间被泛素化或蛋白酶体降解途径逐渐耗尽，从而终止转录抑制并启动新一轮转录/翻译反馈环[3]。另一辅助反馈环涉及REV-ERBs和RORs核受体家族，它们也受BMAL1/CLOCK异二聚体转录调控。REV-ERBs和RORs相互竞争与BMAL1启动子反应元件(RRE)结合，RORα激活BMAL1的表达，而REV-ERBα抑制BMAL1的表达[4, 5]。这些时钟基因通过E-box或RRE等顺式元件调控各钟控基因的转录水平，从而产生节律性的生理功能。此外，近年来发现还有许多其他时钟基因可能也参与调控,目前关于时钟基因调控生理功能昼夜节律的确切分子机制在很大程度上未被阐明。

2 PER与血压昼夜节律

生理状态下，血压遵循24 h昼夜节律模式，夜间血压较日间下降10%～20%，这种正常的血压昼夜节律被称为杓型血压。血压昼夜节律主要受内在遗传和外在环境因素的影响，其中内源性生物钟通过时钟基因来调控血压昼夜节律。PER是最早被发现的时钟基因，具有多种亚型包括PER1、PER2、PER3。PER参与许多重要的细胞功能，PER的异常表达与血压昼夜节律紊乱和高血压的发生发展密切相关。PER1敲除小鼠在高盐饮食和盐皮质激素(HS/DOCP)处理后患有非杓型高血压[6]。肾素-2转基因TGR(mREN2)27大鼠出现血压升高和心肌肥厚，并且在非活动期出现血压节律倒置达峰值，检测发现BMAL1和CLOCK表达在SCN表现为上调，PER2表达在延髓腹外侧头端表现为上调[7]。同时，孤束核中的BMAL1、CLOCK和PER表现为下调。表明中枢性PER异常表达与血压节律紊乱和高血压的发生发展存在一定相关性。此外，多项研究证实在心脏、血管、肾脏和神经内分泌系统等外周组织中PER的表达情况对血压也有相当大的影响。

3 PER参与血压调节

3.1 PER对血管系统的影响

时钟基因存在外周许多组织细胞中，其中包括内皮细胞、平滑肌细胞和血管干细胞等。血管中的时钟基因对血管收缩、血流动力学、炎性反应以及内皮性一氧化氮的合成和释放等均具有调节作用，在调控血压方面具有重要作用。在PER2突变小鼠中可观察到主动脉内皮舒张功能受损，内皮功能受损与NO、前列腺素减少以及环氧合酶-1衍生的血管收缩剂释放增加有关[8]。L-茶氨酸能够上调地塞米松诱导的血管平滑肌细胞中PER2、BMAL1、CRY1等时钟基因的昼夜表达幅度，并且降低血管收缩相关基因Ras同源基因家族成员A(member A of the Ras homologous gene family，RhoA)、Rho相关蛋白激酶2(Rho kinase 2，ROCK2)和蛋白激酶C磷酸酶抑制蛋白17(protein kinase C-potentiated phosphatase inhibitorof 17 ku，CPI-17)的昼夜表达幅度，这些血管收缩相关基因在介导细胞骨架调节、平滑肌细胞收缩和调节血压方面起着关键作用[9]。提示L-茶氨酸可能通过影响时钟基因和血管收缩相关基因的表达来改善血管平滑肌的重构从而预防高血压等心血管疾病的发生。综上所述，PER2在调节血管功能和血压中发挥重要作用，并且PER2对血管系统可能具有保护作用。

3.2 PER对心脏的影响

心脏中的时钟基因存在于各种细胞类型中，包括心肌细胞、成纤维细胞和内皮细胞等。心脏中的时钟基因会影响许多维持心脏功能的生理过程，包括新陈代谢、电活动和细胞信号传导等。其中，心脏中的PER2在心肌缺血、脂肪酸代谢和葡萄糖代谢中有着重要作用。PER2在小鼠心肌缺血期间具有保护功能，并且PER2基因多态性可能与心肌梗死有关[10]。雄性大鼠在长期饮酒后与对照组大鼠相比其心脏PER2表达下调，乙醇代谢酶细胞色素P450酶2E1(cytochrome P450 2E1，CYP2E1)和血红素加氧酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)表达上调[11]。同时，长期饮酒的雄性大鼠表现出夜间血压下降、心率降低以及血压和心率的昼夜节律减弱。超声心动图显示，在没有心脏重构的情况下，大鼠心脏射血分数显著降低。提示长期饮酒导致的雄性大鼠心血管系统功能紊乱可能与心脏中PER2表达下调以及CYP2E1和HO-1活性升高有关。综上所述，PER2不仅对血管系统具有保护作用，对心脏也具有保护功能。

3.3 PER对肾脏的影响

肾脏的许多功能在不依赖睡眠、运动和食物水分摄入情况下具有昼夜节律性，包括钠排泄和肾小球滤过率等。这些肾脏功能在维持血压正常昼夜节律中发挥重要作用。耐盐性C57BL/6J雄性PER1全身敲除小鼠在给予HS/DOCP后血压升高、血压昼夜节律减弱，表现出非杓型高血压[6]。这可能与基因敲除小鼠肾钠处理昼夜节律改变有关[6]。重要的是，在接受相同HS/DOCP处理后的PER1敲除雌性小鼠并未患有非杓型高血压[12]。表明PER1在肾脏对血压的调节具有性别依赖性。

内皮素-1(endothelin-1，ET-1)是一种强效血管收缩剂，在肾脏的远端小管和集合管中ET-1通过作用于内皮素受体来调节肾钠处理。PER1可在转录水平调控ET-1的表达。给予PER1敲除小鼠HS/DOCP处理后，发现雄性小鼠ET-1和内皮素受体表达存在显著的基因型差异，而在雌性小鼠中ET-1和内皮素受体表达并无明显差异[13]。表明PER1通过作用于ET-1和内皮素受体进而调节肾钠处理从而影响血压及其昼夜节律，进一步揭示了PER1在肾脏对血压调节中存在性别特异性的潜在机制。有趣的是，在盐敏感性129/SV小鼠中，PER1的敲除与小鼠血压降低以及肾脏中上皮钠通道α亚基(epithelial sodium channel α subunit，αENaC)的表达降低有关[14]。出现这种不同的血压表型可能与小鼠品系间差异以及广泛的遗传变异有关。不管其潜在机制如何，这些差异性可能为研究人员理解不同基因人群中的血压调节提供重要线索，并对个体化药物治疗高血压具有重要意义。

3.4 PER对肾上腺的影响

肾上腺是人体重要的内分泌器官，可分泌醛固酮、糖皮质激素、儿茶酚胺等调节血压的重要激素，因此肾上腺的功能异常是高血压发生发展的关键因素。自发性高血压大鼠(spontaneous hypertensive rats，SHR)肾上腺的PER1、PER2、PER3表达水平均低于对照组，并且SHR肾上腺中PER2、PER3表达的峰值和谷值均提前，同时钟控基因类固醇生成急性调控蛋白基因(steroidogenic acute regulatory protein，StAR)以及血清糖皮质激素和醛固酮浓度的昼夜节律也均提前[15]。表明SHR肾上腺时钟基因表达出现异常，这可能影响钟控基因的转录调控和肾上腺类固醇激素的分泌进而影响血压。肾上腺分泌糖皮质激素依赖StAR的表达，StAR是糖皮质激素合成的限速酶。由此推测，PER等时钟基因通过调控StAR昼夜表达进而影响糖皮质激素的合成。而糖皮质激素昼夜节律紊乱会影响肾小管中Na-Cl共转运蛋白(sodium and chloride co-transporter，NCC)的活性从而诱发非杓型血压[16]。综上认为，PER在肾上腺通过各种直接或间接作用途径调控血压，说明血压调节极其复杂，是多途径多分子共同作用的结果。

4 治疗

自发现血压昼夜节律受生物钟调控以来，越来越多的证据表明，无论是否伴有高血压，血压昼夜节律紊乱都与靶器官损害、心血管疾病风险增加有关。因此，时间疗法成为了一种新兴的高血压治疗方法。时间疗法是指通过协调药物治疗与生物钟的节奏，最大限度地发挥药效，降低药物的不良反应[17]。然而，目前在改善血压昼夜节律方面以PER等时钟基因作为直接作用靶点的药物研究较为有限。

在SHR中，缬沙坦睡眠时给药(valsartan asleep administration，VSA)在控制血压和减轻靶器官损害方面可能比缬沙坦清醒时给药(valsartan awake administration，VWA)更有效[18]。这可能是由于VSA恢复了SHR下丘脑和腹主动脉中PER1和PER2的异常表达并且抑制了血管平滑肌中肌球蛋白轻链磷酸化，从而降低血压改善血压昼夜节律[19]。关于夜间服用降压药效果的临床研究结果并不一致[20-21]。虽然指南明确指出非杓型高血压患者心血管疾病风险增加，但目前的高血压指南并没有提供治疗时间的建议[22-25]。绝大多数研究认为，在睡前服用降高血压药物比在醒后服用具有更好的降压疗效和其他益处。但这些研究结果有待进一步证实。时间疗法仍是高血压研究的一个重要领域，这种以时钟基因作为药物靶点的治疗方式或将成为高血压治疗的新策略。

5 问题与展望

本课题组主要从事高血压以及血压昼夜节律方面的研究。血压受多种因素调控，导致血压昼夜节律紊乱的分子机制极其复杂，为了更好地治疗或改善高血压以及其他心血管疾病，血压昼夜节律紊乱的分子机制有待深入研究。虽然许多研究提示PER与高血压之间存在高度相关性及因果关系，并且不同部位的PER在调控血压昼夜节律及高血压的形成中均发挥关键作用，但其具体机制尚不明确。其中，大多研究数据通过动物实验得来，未来仍需深入研究，进一步获取基于人群的研究数据，寻找药物治疗高血压的新靶点。