BKCaβ1亞單位調(diào)控機(jī)制研究及其與離子通道病

BKCaβ1亞單位調(diào)控機(jī)制研究及其與離子通道病【內(nèi)容摘要】bkca通道廣泛存在于多種組織，調(diào)控細(xì)胞的多種功能，對(duì)于細(xì)胞功能的實(shí)現(xiàn)起側(cè)重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，bkca通道的調(diào)控機(jī)制重要是輔助性的β1亞單位的組織特異性調(diào)控。β1亞單位異常所造成的bkca通道的功能異常會(huì)構(gòu)成多種疾病。本文就β1亞單位的調(diào)控機(jī)制及其與疾病的關(guān)系做如下概述。【本文關(guān)鍵詞語(yǔ)】大電導(dǎo)鈣激活鉀通道；β1亞單位；調(diào)控；離子通道病1bkca通道在人類組織細(xì)胞中，有三種對(duì)鈣離子敏感的鉀通道，包含大電導(dǎo)〔largeconductanceca2+activatedk+channel,bk〕、中電導(dǎo)〔intermediateconductanceca2+activatedk+channel,ik)及小電導(dǎo)〔smallconductanceca2+activatedk+channel,sk)的鈣激活鉀通道。其中，bkca通道廣泛分布于除心肌以外的所有組織［1］。1.1bkca通道β1亞基的分子構(gòu)造及特性1.1.1泛論：bkca即大電導(dǎo)鈣激活鉀通道(largeconductanceca2+activatedk+channel，bkcaormaxikorslo)。a是由4個(gè)α亞單位以及附屬的β調(diào)節(jié)亞單位〔β1～β4〕共同構(gòu)成的。分子學(xué)研究顯示：該通道蛋白的基礎(chǔ)構(gòu)造同慣例電壓門(mén)控鉀通道的s1～s6穿膜區(qū)域有著高度的同源性。事實(shí)上，該通道可被看作添加了一個(gè)新奇的羧基末端〔含四個(gè)疏水區(qū)域s7～s10，未知拓?fù)洹车膹?fù)合的電壓門(mén)控通道，而電壓依靠性、通道開(kāi)放時(shí)間及電導(dǎo)被以為是s1～s6區(qū)域的一個(gè)功能。有些學(xué)者從另一個(gè)角度描繪敘述了該通道：α亞單位包含一個(gè)履行鉀通道功能的依靠電壓激活的核心區(qū)域〔s0～s8〕及一個(gè)高度保守的同鈣調(diào)節(jié)相關(guān)的近羧基端的尾區(qū)域〔s9～s10〕，α亞單位近氨基末端的跨膜片段s0是bkca通道最特殊的部位，對(duì)β亞單位的鈣調(diào)節(jié)起側(cè)重要作用；β亞單位由兩個(gè)穿膜片段〔t1、t2〕構(gòu)成，但在不同的組織中，β亞單位的構(gòu)成不同〔腦細(xì)胞β1～β4、腎足細(xì)胞β3～β4、子宮平滑肌細(xì)胞僅含β1)。從平滑肌中復(fù)制出的bkca通道的α亞單位上有pkg和pkc的磷酸化位點(diǎn)，β亞單位上有pkg的磷酸化位點(diǎn)，在兩種亞單位上可能同時(shí)存在pka的磷酸化位點(diǎn)。1.1.2α亞bkca通道中由四個(gè)一樣的α亞單位構(gòu)成的通道已具備基本的功能：鈣離子敏感性，電壓敏感性以及單通道電導(dǎo)。這些孔樣的α亞單位有一個(gè)單基因編碼——kcnma1，且其在哺乳動(dòng)物中有著很高的同源性〔如人類和牛約為100%的氨基酸同源〕。1.1.3β1亞大電導(dǎo)鈣激活鉀通道在不同的組織有不同的表型，我們以為這重要是由于組織特異性表達(dá)的bkca的四個(gè)類似的β亞單位〔β1β4〕[2.3.4]。而不同的β亞單位則有不同的基因編碼〔kcnmb14〕[4]，其在哺乳動(dòng)物中同源性為82%～85%。有體外研究發(fā)現(xiàn)，合成的β1亞基存在于微粒體中而不存在于上清液中，提示了β1亞基的內(nèi)嵌胞膜[5]。現(xiàn)已證明bkca通道的β亞基(包含β1亞基)有1個(gè)特征性的膜構(gòu)造：2個(gè)跨膜構(gòu)造域連接一個(gè)膜外環(huán)型構(gòu)造(該環(huán)型構(gòu)造由120個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成，并攜有幾個(gè)保守的n－連接糖基化位點(diǎn)，且－nh2和－cooh末端指向胞質(zhì)面)。比照人、牛、狗、大鼠和小鼠的β1亞基(由191個(gè)殘基構(gòu)成)的氨基酸序列，發(fā)現(xiàn)約有71％的一致性。β1亞基的高度保守區(qū)域如下：2個(gè)疏水的跨膜區(qū)域(tm1和tm2)；n－末端可能的蛋白激酶a辨別位點(diǎn)(ti4)；2個(gè)n－連接糖基化位點(diǎn)(ns0和n142)；chtx的可能的穿插連接位點(diǎn)(k69或k70)；膜外環(huán)型構(gòu)造中的半胱氨酸殘基(c53、c76、c103、c135)，這能構(gòu)成二硫鍵橋聯(lián)。bkca通道β1亞基的生理特性在不同種類的細(xì)胞中，bkca通道的功能各不一樣。在神經(jīng)元及骨骼肌細(xì)胞上bkca重要參與動(dòng)作電位快后超極化的構(gòu)成和神經(jīng)遞質(zhì)的釋放進(jìn)而引起神經(jīng)元激動(dòng)的發(fā)放；在平滑肌細(xì)胞包含血管平滑肌及子宮平滑肌等，則參與維持膜電位及調(diào)節(jié)肌緊張等生理經(jīng)過(guò)。β1亞基發(fā)揮作用的關(guān)鍵在于其專一依靠細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度：當(dāng)胞內(nèi)鈣離子濃度低于100nmol／l時(shí)，bkca通道僅表現(xiàn)為單一的電壓依靠性，并無(wú)鈣離子依靠性，β1亞基和a亞基結(jié)合的作用不能表現(xiàn)出來(lái)；而微摩爾級(jí)的胞內(nèi)鈣離子濃度就能影響β1亞基對(duì)通道電壓和鈣離子的敏感性。故當(dāng)通道處于鈣調(diào)范圍[(ca)i大于lμmol／l)時(shí)，β1亞基和α亞基結(jié)合的作用就能表現(xiàn)出來(lái)：β1亞基能使α亞基對(duì)鈣離子或電壓愈加敏感，對(duì)之調(diào)節(jié)[6]。2bkca通道β1亞單位的調(diào)控機(jī)制在過(guò)去的幾年中，逐步清楚的知道大電導(dǎo)鈣激活鉀通道調(diào)控的主要機(jī)制是輔助性的β1亞單位的組織特異性調(diào)控。在這些機(jī)制中首先被確定的是，β1重要在平滑肌細(xì)胞中表達(dá)而且產(chǎn)生作用。檢測(cè)50例不同組織的bkca通道β1亞基的mrna水平的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)這個(gè)通道蛋白分子在自動(dòng)脈、結(jié)腸、膀胱、子宮、前列腺、胃、小腸、闌尾和氣管表達(dá)，尤其是自動(dòng)脈、膀胱和子宮平滑肌中的β1亞基表達(dá)豐富，其mrna表達(dá)水平約是腦組織的500倍[3][7]。那么β1亞單位終究是怎樣改變bk通道而產(chǎn)生了如鈣離子耦聯(lián)，電壓敏感性和通道開(kāi)放內(nèi)在能量學(xué)這一系列效應(yīng)的，對(duì)于這些的研究當(dāng)前重要有下面一些觀點(diǎn)。如今大多數(shù)學(xué)者以為β1亞單位是通過(guò)增長(zhǎng)通道的鈣離子敏感性而到達(dá)以上效應(yīng)的。那么β1亞單位是怎樣明顯增長(zhǎng)通道的鈣離子敏感性的？在單通道水平，nimigean和magleby已經(jīng)證明了β1增長(zhǎng)了小鼠大電導(dǎo)鈣激活鉀通道的一系列開(kāi)放時(shí)間，那種簡(jiǎn)單的以為增長(zhǎng)所有通道鈣離子耦聯(lián)速率的說(shuō)法已經(jīng)不能解釋這種現(xiàn)象。因而，可能發(fā)生了某些增長(zhǎng)鈣離子親和力的事件。另一方面，他們的實(shí)驗(yàn)也沒(méi)有排除β1誘導(dǎo)的鈣離子解耦聯(lián)速率的改變。事實(shí)上，meera等人已經(jīng)在人類的標(biāo)本上發(fā)現(xiàn)必需有足夠的鈣離子〔～300nm〕為β1亞單位做預(yù)備，使大電導(dǎo)鈣激活鉀通道的gv關(guān)系曲線向負(fù)電位更大的方向遷移。這個(gè)似乎和β1在鈣離子耦聯(lián)和解耦聯(lián)上的直接作用相吻合，由于當(dāng)鈣離子消失的時(shí)候，其耦聯(lián)特性是無(wú)關(guān)的，β1穩(wěn)定狀況的作用也完全消失了。還有學(xué)者為了區(qū)分這些可能性，在有β1以及沒(méi)有β1存在的情況下分別研究了小鼠大電導(dǎo)鈣激活鉀通道的門(mén)控特性，而且分析了以我們?nèi)缃駥?duì)bk通道的理解所構(gòu)建的空間模型的變化。分析的結(jié)果表示清楚，β1增長(zhǎng)了小鼠大電導(dǎo)鈣激活鉀通道的鈣離子敏感性，既通過(guò)改變不包含鈣離子耦聯(lián)的門(mén)控特性，又通過(guò)在通道開(kāi)放以及關(guān)閉的狀況下，對(duì)通道鈣離子親和力做出固然小但是主要的改變[3]。bkca的β1效應(yīng)似乎來(lái)源于對(duì)電壓傳感蛋白激活作用的穩(wěn)定，而這種情況無(wú)論在通道開(kāi)放還是關(guān)閉的情況下都是存在的。這些通道鈣離子的敏感性增長(zhǎng)是由于在所有電壓的情況下，只需要較少的鈣離子結(jié)合能就能夠使通道開(kāi)放[4]。另外，β1亞單位加強(qiáng)了bkca通道的氧化調(diào)節(jié)。β1存在時(shí)由cht介導(dǎo)的氧化反應(yīng)其半數(shù)激活電壓與只要α?xí)r相比向超等化的方向移動(dòng)〔-30mv～-75mv〕[8]。這種改變?cè)诟哜}離子濃度時(shí)能夠消失，但是在生理適宜電壓下基本無(wú)鈣離子的情況下增長(zhǎng)bkca通道的開(kāi)放概率仍然非常主要。3bkca通道β1亞單位與疾病的關(guān)系3.1高血壓與β1亞單位的關(guān)系高血壓是嚴(yán)重危害人類健康的常見(jiàn)病。統(tǒng)計(jì)資料顯示，我們國(guó)家現(xiàn)有高血壓病患者已跨越1.6億人，每年新增300萬(wàn)人以上。高血壓臨床表現(xiàn)的綜合征重要為動(dòng)脈血管張力增長(zhǎng)，動(dòng)脈張力的連續(xù)增長(zhǎng)及血管對(duì)各種刺激的反應(yīng)性改變?cè)诟哐獕旱陌l(fā)病中普遍存在。小鼠實(shí)驗(yàn)證明，bkca通道β1亞單位的缺失將導(dǎo)致稍微的高血壓，以及在用血管收縮劑時(shí)增長(zhǎng)血管收縮反應(yīng)[4]。brenner等人近期的研究表示清楚，鼠大腦動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞上β1亞單位的缺失將導(dǎo)致bkca的鈣離子敏感性下降及鈣火花對(duì)bkca激活作用功能耦聯(lián)的下調(diào)，最終將導(dǎo)致動(dòng)脈張力的增長(zhǎng)及血壓的升高[9]。編碼β1亞基的基因kcnmb1位于人類染色體5q34，與人類高血壓無(wú)直接關(guān)聯(lián)[10]。但fernandez等報(bào)道，人類βl亞基功能的加強(qiáng)與防止舒張期高血壓有關(guān)。據(jù)3876例對(duì)象的流行病學(xué)研究表示清楚，在kcnmb1基因第3個(gè)外顯子出現(xiàn)單個(gè)新的核苷酸替代物g352a時(shí)能表達(dá)突變蛋白βle65k(該突變蛋白為第65位谷氨酸變成賴氨酸)。研究者發(fā)如今舒張期血壓嚴(yán)重升高的人群中(舒張壓110mhg)，βle65k多型性的頻率很低，為3.2％，而血壓正常者為21.6%。βle65k等位基因頻率與收縮期高血壓無(wú)關(guān)。βle65k亞基的作用可能為來(lái)自β1亞基某處的突變導(dǎo)致鉀通道功能增長(zhǎng)和血管擴(kuò)張。部分鈣離子釋放(鈣火花)通過(guò)位于肌漿網(wǎng)膜的成群的蘭諾定受體激活附近bkca通道，導(dǎo)致膜的超極化，通過(guò)電壓依靠鈣離子通道減少鈣內(nèi)流，減少收縮[11]。如上所述，突變的β1亞基(βle65k亞基)表現(xiàn)為單個(gè)氨基酸的取代，以至有愈加高的鈣離子敏感性。因而，在限制血管收縮和抗舒張期高血壓的保衛(wèi)機(jī)制時(shí)突變的βle65k亞基加強(qiáng)了鈣火花－bkca通道負(fù)反應(yīng)機(jī)制。βle65k等位基因頻率與收縮期高血壓無(wú)關(guān)。bkca-βle65k通道對(duì)血管平滑肌收縮，可提供更有效的負(fù)反應(yīng)影響，與鉀的等位基因防止嚴(yán)重舒張期高血壓有一樣的保衛(wèi)作用。fernandez等[12]研究提示，bkca通道和β1亞基功能增長(zhǎng)的變化有抗舒張期高血壓的保衛(wèi)功能。在鼠類的研究中，提示β1亞基的丟失會(huì)增長(zhǎng)血管張力和高血壓。人為損壞大鼠β1亞基編碼基因(kcnmb1)使bkca通道活性與鈣火花分離，會(huì)導(dǎo)致膜電位去極化、血管收縮、血壓升高和左心室肥厚等。對(duì)普遍使用的高血壓大鼠模型(包含自覺(jué)性高血壓模型及血管緊張素ⅱ誘發(fā)的高血壓模型)的研究發(fā)現(xiàn)血壓的升高與β1亞基表達(dá)下調(diào)有關(guān)，而與α亞基無(wú)關(guān)[13.14]。3.2高膽固醇血癥與β1亞單位的關(guān)系高膽固醇飲食已經(jīng)被以為是健康的十大危險(xiǎn)因素之一，它可能誘導(dǎo)循環(huán)系統(tǒng)疾病，膽道系統(tǒng)疾病，腎臟疾病，以及多種癌癥。高膽固醇飲食和膽汁淤積之間的關(guān)系已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)科學(xué)研究的主要課題。奧迪括約肌是膽汁流出的唯一通道，因而奧迪括約肌的機(jī)能障礙與膽囊膽汁淤積親密相關(guān)。奧迪括約肌機(jī)能障礙的重要癥狀就是奧迪括約肌的壓力增高以及膽囊體積的增長(zhǎng)。臨床資料以及之前的發(fā)現(xiàn)都表示清楚膽汁代謝紊亂能夠?qū)е聤W迪括約肌的機(jī)能障礙，這是由奧迪括約肌連續(xù)性的收縮所導(dǎo)致的一系列的臨床癥狀，包含腹痛及黃疸。已有研究表示清楚高膽固醇血癥能夠減少兔奧迪括約肌細(xì)胞上β1亞單位的表達(dá)，也就是說(shuō)bkca通道β1亞單位的表達(dá)減少能夠?qū)е聤W迪括約肌的機(jī)能障礙[15]。3.3雌激素與β1亞單位的關(guān)系：有實(shí)驗(yàn)證明天天服用17β雌二醇能夠增長(zhǎng)基礎(chǔ)子宮血流量，而且加強(qiáng)了急性e2β介導(dǎo)的非孕母羊卵巢切除后子宮血流量的增長(zhǎng)。急性e2β介導(dǎo)的子宮血流量的增長(zhǎng)牽涉了血管平滑肌上鈣激活鉀通道。bkca包含核心的α亞單位及β1調(diào)節(jié)亞單位，β1調(diào)節(jié)通道的功能及e2β的反應(yīng)性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，急性服用e2β沒(méi)有改變?nèi)魏谓M織上的α或者β1亞單位的表達(dá)。每日服用e2β也沒(méi)有影響任何組織上的α亞單位的mrna或者蛋白。但是，每日服用e2β能夠分別使子宮和乳房動(dòng)脈血管平滑肌上β1亞單位的mrna增長(zhǎng)32%和83%，子宮血管平滑肌bkca蛋白增長(zhǎng)30%，子宮肌層上的β1亞單位的mrna和蛋白增長(zhǎng)74%。用免疫染色的方法處理子宮動(dòng)脈，子宮肌層，以及子宮內(nèi)膜動(dòng)脈聯(lián)合免疫印跡的方法分析兩個(gè)亞單位。固然bkca的蛋白密度沒(méi)有受每日服用及急性服用e2β的影響，但是每日服用e2β能夠增長(zhǎng)子宮動(dòng)脈平滑肌近側(cè)及遠(yuǎn)側(cè)的β1亞單位。因而，延長(zhǎng)e2β的使用時(shí)間，可能會(huì)改變bkca的功能，雌激素的反應(yīng)性，和基礎(chǔ)血管張力和生殖動(dòng)脈的反應(yīng)性，這些都是通過(guò)改變?chǔ)梁挺?的化學(xué)計(jì)量而實(shí)現(xiàn)的[9]。3.4β1亞單位與腎血流量及電解質(zhì)的關(guān)系大電導(dǎo)鈣激活鉀通道的β1亞單位重要在平滑肌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)鈣離子的敏感性及bkca通道的藥理學(xué)特性。缺失β1亞單位的小鼠有適度的高血壓，這個(gè)是與bkca通道調(diào)節(jié)內(nèi)在血管緊張度一致的。由于bkca通道在各種腎臟細(xì)胞包含腎小球系膜及皮質(zhì)集合管都表達(dá)，因而我們以為在腎臟體積增大，以及高鹽飲食的情況下，缺失β1亞單位的小鼠，能否其腎血流量及電解質(zhì)分泌遭到了損傷，而腎臟功能在敲除了β1亞單位和沒(méi)有敲除β1亞單位的小鼠中沒(méi)有區(qū)別。然而，在敲除了β1亞單位的小鼠其腎小球?yàn)V過(guò)率以及k+的微小分泌明顯減少以適應(yīng)急性容量擴(kuò)張。在慢性高鹽飲食喂養(yǎng)的小鼠中，兩種小鼠的腎小球功能沒(méi)有發(fā)現(xiàn)差異不同。這些觀察結(jié)果表示清楚，bkca通道的β1亞單位導(dǎo)致了腎小球率過(guò)濾的增長(zhǎng)同時(shí)伴有鹽及容量負(fù)荷而且增長(zhǎng)了在這些情況下的調(diào)節(jié)k+分泌的可能性[16]。小結(jié)：當(dāng)前，對(duì)bkca通道β1亞單位的研究已經(jīng)深切進(jìn)入到了分子和基因水平，其中對(duì)β1亞單位調(diào)控機(jī)制的研究仍然是研究的熱門(mén)。迄今為止，對(duì)此通道的研究大多集中在動(dòng)物研究上，直接研究人類標(biāo)本的報(bào)道很少。假如我們能非常清楚的了解此通道的作用機(jī)制，而且能夠找到針對(duì)β1亞單位的特異性藥物，相信，人類許多疾病的治療將會(huì)邁上一個(gè)新的臺(tái)階?！疽韵聻閰⒖嘉墨I(xiàn)】1劉春敏，沙金燕.大電導(dǎo)鈣激活鉀通道在子宮平滑肌中的作用及其調(diào)控機(jī)制[j].中華現(xiàn)代婦產(chǎn)科學(xué)雜志，2006,3(3):133-135.2baol,coxdh.gatingandioniccurrentsrevealhowthebkcachannel'sca2+sensitivityisenhancedbyitsβ1subunit[j].jgenphysiol，2005,126(4):393-412.3coxdh,aldrichrw.roleoftheβ1subunitinlargeconductanceca2+activatedk+channelgatingenergetics:mechanismsofenhancedca2+sensitivity[j].thejournalofgeneralphysiology,2000,116(3):411-432.4yolimapt,morerafj,carvachoi,etal.amarriageofconvenience:βsubunitsandvoltagedependentk+channels[j].jbiochem,2007,282(34):2448524489.5jiangz，wallnerm，meerap．etal．humanandrodentmaxikchannelbetasubunitgenes:cloningandcharacterization[j].genomics,1999,55(1):57-67．6帥鋒利.大電導(dǎo)鈣激活鉀通道β1亞基與心血管疾病[j].國(guó)際檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)雜志,2006,27(5):463-465.7deepanagar,xiaotieliu,charlesr,etal.estrogenregulatesβsubunitexpressioninca2+activatedk+channelsinarteriesfromreproductivetissues[j].amjphysiolheartcircphysiol,2005,289:h1417-h1427.8lindseycs,chenjg,stefanh,etal.theβ1subunitenhancesoxidativeregulationoflargeconductancecalciumactivatedk+channels[j].therockefellerunive