縫隙連接蛋白43與腦水腫的研究進(jìn)展

王周順，姚曉騰綜述，荊國(guó)杰校審

（1.廣東醫(yī)學(xué)院，廣東湛江524000；2.惠州市第一人民醫(yī)院神經(jīng)外科，廣東惠州516003）

·綜述·

縫隙連接蛋白43與腦水腫的研究進(jìn)展

王周順1，姚曉騰2綜述，荊國(guó)杰2校審

（1.廣東醫(yī)學(xué)院，廣東湛江524000；2.惠州市第一人民醫(yī)院神經(jīng)外科，廣東惠州516003）

縫隙連接蛋白（Connexin，Cx）是構(gòu)成縫隙連接（Gap junction，GJ）通道的基本結(jié)構(gòu)和功能蛋白。目前在哺乳動(dòng)物組織中發(fā)現(xiàn)的連接蛋白至少20種。而Cx43(Connexin43，Cx43)是縫隙連接蛋白中最為豐富的連接蛋白，主要存在于星形膠質(zhì)細(xì)胞中，在GJ介導(dǎo)的縫隙連接通訊中發(fā)揮著重要作用，目前關(guān)于Cx43的主要研究主要集中在與腫瘤、心血管、癲癇、腦水腫等方面，本文就Cx43與腦水腫之間關(guān)系的研究進(jìn)展做一綜述。

縫隙連接蛋白43；腦水腫；縫隙連接

縫隙連接(Gap junction，GJ)是由連接相鄰兩個(gè)細(xì)胞間的連接通道排列而成的一種特殊膜結(jié)構(gòu)，又被稱(chēng)為縫管連接或接合膜，是細(xì)胞間唯一能直接進(jìn)行物質(zhì)和信息交換的通道，這種物質(zhì)和信息交換稱(chēng)為由縫隙連接介導(dǎo)的細(xì)胞間通訊，它在細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育、分化、同步化、神經(jīng)元活動(dòng)和免疫應(yīng)答等生物過(guò)程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用[1]。就目前在哺乳動(dòng)物組織中發(fā)現(xiàn)的連接蛋白就多達(dá)20種[2]，主要是根據(jù)Cx蛋白質(zhì)的質(zhì)量不同而命名，Cx43因其分子量為43kD而得名。Cx43是縫隙連接蛋白中數(shù)量最為豐富的蛋白，到目前為止發(fā)現(xiàn)Cx43存在于多達(dá)34種組織和46種細(xì)胞中[3]。在神經(jīng)系統(tǒng)中，數(shù)目最多的是星形膠質(zhì)細(xì)胞，在星形膠質(zhì)細(xì)胞之間存在著廣泛的GJ，至少有11種Cx在神經(jīng)系統(tǒng)中表達(dá)，而其中主要為Cx43，另外還有Cx26、Cx30、Cx32、Cx40等表達(dá)，但占Cx總量的比例較少，約為5%～10%[4-5]。

1 縫隙連接蛋白的結(jié)構(gòu)

縫隙連接蛋白(Connexin，Cx)是構(gòu)成縫隙連接(Gap junction，GJ)通道的基本結(jié)構(gòu)和功能蛋白，其中每6個(gè)跨膜蛋白亞基圍繞中央孔(直徑1.5～2.0 nm)排列形成一個(gè)連接子(Connexin)(既半通道，Hemichannels)，相鄰細(xì)胞膜上的連接子對(duì)接形成GJ[6]。由同種連接蛋白組成的連接子稱(chēng)為同聚體連接子，不同的連接子組成異聚體連接子，同聚體連接子參與構(gòu)成同型縫隙連接，異聚體連接子參與構(gòu)成異型縫隙連接[7]。

2 Cx43的基本結(jié)構(gòu)與生物學(xué)作用

目前已發(fā)現(xiàn)的縫隙連接蛋白多達(dá)20余種，廣泛分布在動(dòng)物細(xì)胞之間(紅細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞除外)[2]，根據(jù)Cx蛋白質(zhì)的質(zhì)量不同而命名，Cx43因其分子量為43 kD而得名，根據(jù)Cx氨基酸序列及編碼DNA序列的不同又分為多種亞型，如α類(lèi)亞型、β類(lèi)亞型及γ類(lèi)亞型。Cx43則屬于α類(lèi)亞型，Cx43蛋白肽鏈由382個(gè)氨基酸構(gòu)成，其中氨基酸1～242構(gòu)成管道部分，243～382構(gòu)成細(xì)胞質(zhì)尾部[8]。Cx由4個(gè)螺旋形成的跨膜結(jié)構(gòu)域(M1-M4)及2個(gè)胞環(huán)組成，Cx最為保守的區(qū)域是2個(gè)胞外環(huán)，其次是4個(gè)跨膜片段，N端相對(duì)比較保守，而C端則差異較大，N端絲/蘇及酪氨酸殘基的磷酸化水平影響GJ的功能狀態(tài)[7]。大多數(shù)CXs的功能調(diào)節(jié)位點(diǎn)位于C端。

Cx43作為GJ中的一種極為重要的蛋白存在于不同的組織和細(xì)胞中，現(xiàn)階段對(duì)Cx43的研究不只局限在其介導(dǎo)的縫隙連接通訊和細(xì)胞間的信號(hào)傳導(dǎo)區(qū)域。不同的組織中Cx43參與不同的生物學(xué)作用，最近關(guān)于Cx43的研究主要集中在心血管、腫瘤、癲癇、創(chuàng)傷、腦水腫等。

2.1 Cx43與心血管疾病在心肌細(xì)胞間隙連接的蛋白中，Cx43為其主要成分，Cx43也是心室肌細(xì)胞間的主要連接蛋白，在維持心肌細(xì)胞的電信號(hào)傳導(dǎo)、連接通訊功能和正常的節(jié)律性的收縮中起重要作用。有研究發(fā)現(xiàn)心肌中Cx43功能異常將會(huì)引起心肌的傳導(dǎo)異常和心律失常[9]。Cx43表達(dá)和分布的異?？梢詫?dǎo)致細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo)減慢和電傳導(dǎo)耦聯(lián)功能的下降，從而引起多種折返性心律失常[10]。Kanno等[11]研究發(fā)現(xiàn)Cx43表達(dá)含量的多少是心肌梗死面積大小的關(guān)鍵因素之一，通過(guò)增強(qiáng)細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo)來(lái)降低心律失常的藥物可以增大心肌梗死的面積。Cx43在心律失常的發(fā)生及發(fā)展中發(fā)揮重要的作用，Cx43表達(dá)、分布的異常及結(jié)構(gòu)等變化將導(dǎo)致心律失常、心肌收縮功能障礙。陳紅偉等[12]通過(guò)建立兔大腦蛛網(wǎng)膜下腔出血模型發(fā)現(xiàn)蛛網(wǎng)膜下腔出血后基底動(dòng)脈Cx43發(fā)生磷酸化，其表達(dá)水平與腦血管痙攣發(fā)生發(fā)展的時(shí)相一致，表明Cx43在腦血管痙攣發(fā)生發(fā)展過(guò)程中起到重要作用。

2.2 Cx43與癲癇癲癇是大腦神經(jīng)元突發(fā)異常放電，導(dǎo)致短暫的大腦功能障礙的一種慢性疾病?？p隙連接是細(xì)胞間唯一能夠直接進(jìn)行物質(zhì)和信息交換的通道，它在細(xì)胞的生長(zhǎng)、發(fā)育、分化、同步化、神經(jīng)元活動(dòng)和免疫應(yīng)答等生物過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[13]。研究發(fā)現(xiàn)在不同的細(xì)胞培養(yǎng)中，神經(jīng)元增加了星形膠質(zhì)細(xì)胞間的信息傳遞及Cx43的表達(dá)，同時(shí)間接地增加了新的電突觸數(shù)目和電傳導(dǎo)性[14]，導(dǎo)致神經(jīng)元同步化放電的擴(kuò)大從而引起癲癇發(fā)作。Fonseca等[15]研究發(fā)現(xiàn)癲癇患者的大腦星形膠質(zhì)細(xì)胞中Cx43表達(dá)明顯增加，提示Cx43表達(dá)的增加可加重癲癇發(fā)作。Collignon等[16]對(duì)頑固性癲癇患者的大腦海馬連續(xù)抽樣研究發(fā)現(xiàn)Cx43表達(dá)升高，也有研究認(rèn)為Cx43的過(guò)度表達(dá)在患有顳葉硬化癥的癲癇患者中起到了非常重要的作用。最近研究表明Cx43表達(dá)的高低與癲癇發(fā)生發(fā)展有一定的關(guān)系，但是是Cx43的表達(dá)異常引起癲癇的發(fā)生發(fā)展，還是癲癇的發(fā)生發(fā)展導(dǎo)致Cx43的表達(dá)異常尚不清楚。

2.3 Cx43與腫瘤神經(jīng)膠質(zhì)瘤是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最常見(jiàn)的原發(fā)性腫瘤。Cx43是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最豐富的縫隙連接蛋白，主要在星形膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)，到目前為止所有的研究表明Cx43對(duì)腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞生長(zhǎng)起到一定的抑制作用。許多研究也證實(shí)Cx43表達(dá)的減少或者缺失將會(huì)促進(jìn)神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的增殖。在膠質(zhì)瘤的發(fā)展過(guò)程中，Cx43表達(dá)的降低，不能抑制腫瘤細(xì)胞從G1期向S期轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致細(xì)胞無(wú)限制增殖及惡性程度增高。程蕾等[17]研究發(fā)現(xiàn)腫瘤增殖越快及惡性程度越高，Cx43表達(dá)就越少。Krutovskikh等[18]研究表明Cx43表達(dá)水平下調(diào)或缺失與腫瘤的發(fā)生及發(fā)展有著密切的相關(guān)性，并非Cx43基因的缺失或突變。在生殖系統(tǒng)腫瘤、消化系統(tǒng)腫瘤、肺部腫瘤等研究發(fā)現(xiàn)Cx43的表達(dá)下降與腫瘤之間都有一定的聯(lián)系。

2.4 Cx43與腦水腫腦水腫發(fā)生機(jī)制是多種因素共同作用的結(jié)果，目前主要研究集中在微循環(huán)和血-腦脊液屏障(Blood-brain barrier，BBB)的破壞、水通道蛋白、細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載、氧自由基損害、NO、酶屏障受損等。關(guān)于水通道蛋白4與腦水腫關(guān)系的研究頗多，而關(guān)于腦水腫與縫隙連接蛋白43之間關(guān)系的報(bào)道并不多見(jiàn)。

創(chuàng)傷早期腦組織產(chǎn)生的一系列的代謝應(yīng)激信號(hào)：如鈣離子、氨基酸、氧自由基、細(xì)胞炎性因子、代謝產(chǎn)物等，這些物質(zhì)可能通過(guò)創(chuàng)傷后表達(dá)增強(qiáng)的Cx43及其形成的縫隙連接，進(jìn)入周邊細(xì)胞，參與形成腦水腫，使水腫范圍擴(kuò)大，加重腦水腫的程度。腦外傷星形膠質(zhì)細(xì)胞腫脹是早期水腫一個(gè)重要組成部分(細(xì)胞毒性腦水腫)[19]。最近也有研究認(rèn)為Cx43是維持血腦屏障完整性必須的，表達(dá)減少引起星形膠質(zhì)細(xì)胞足突水腫，血腦屏障功能下降，可能會(huì)加重腦水腫[20]。Solan等[21]研究發(fā)現(xiàn)Cx43的表達(dá)及其功能狀態(tài)與其磷酸化有關(guān)，其羧基端發(fā)生磷酸化將改變Cx43的表達(dá)及功能，從而影響細(xì)胞間GJs的通透性，星形膠質(zhì)細(xì)胞足突是構(gòu)成BBB(Blood-brain barrier，BBB)完整性的重要組成部分，Cx43在星形膠質(zhì)細(xì)胞足突中表達(dá)豐富，當(dāng)Cx43表達(dá)增加或其功能改變時(shí)，BBB的通透性將破壞，一些大分子物質(zhì)、蛋白等透過(guò)BBB造成細(xì)胞破壞，細(xì)胞破壞后產(chǎn)生的物質(zhì)及一些炎性因子將影響到蛋白激酶A、C、G及絡(luò)氨酸蛋白激酶1、絲裂原活化蛋白激酶等，逐步促進(jìn)Cx43的磷酸化，進(jìn)一步造成GJs及BBB的功能異常，加重腦水腫的程度。吳中亮等[22]研究發(fā)現(xiàn)Cx43參與了創(chuàng)傷性腦損傷后腦水腫的形成，通過(guò)阻斷劑阻斷Cx43的表達(dá)可減輕創(chuàng)傷后腦水腫發(fā)生的程度。同時(shí)也研究發(fā)現(xiàn)在大鼠創(chuàng)傷性腦損傷后通過(guò)阻斷Cx43的表達(dá)，與對(duì)照組相比星形膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)目增加量減少及腦水腫程度減輕，Cx43可能參與調(diào)節(jié)腦組織細(xì)胞間的水平衡[23]。Chanson等[24]發(fā)現(xiàn)Cx43和AQP4共同參與星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)離子與水分子的轉(zhuǎn)運(yùn)，減輕腦水腫。但Lichter-Konecki等[25]實(shí)驗(yàn)證實(shí)AQP4與Cx43共同存在于腦血管系統(tǒng)的星形膠質(zhì)細(xì)胞終足中調(diào)控著鉀離子和水的轉(zhuǎn)運(yùn)，共同參與腦水腫的發(fā)生及發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

腦水腫的形成及發(fā)生發(fā)展是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，一直以來(lái)對(duì)于腦水腫的研究頗多，但參與腦水腫的因素多樣且相互聯(lián)系復(fù)雜，具體的結(jié)論沒(méi)有得到統(tǒng)一，需更進(jìn)一步的研究。現(xiàn)階段多種研究證實(shí)Cx43與腦水腫之間存在一定的聯(lián)系，Cx43可能參與腦水腫的發(fā)生發(fā)展過(guò)程，在腦外傷后應(yīng)用Cx43阻滯劑可能減輕顱腦損傷后腦水腫，就Cx43與腦水腫之間的關(guān)系需進(jìn)一步的研究。

[1]Dhein S,Duerrschmidt N,Scholl A,et al.A new role for extracellular Ca2+in gap-junction remodeling I studies in humans and rats[J]. Naunyn SchmiedebergsArch Pharmacol,2008,377(2):125-138.

[2]Liao Y,Day KH,Damon DN,et al.Endothelial cellspecific knockout of conneixin43 causes hypotention brady cardiain mice[J].Proc Ncad Sci USA,2001,98(17):9989-9994.

[3]Laird DW.Life cycle of connexins in health and disease[J].Biochem J,2006,394(Pt 3):527-543.

[4]Slezak M,Goritz C,NiemiecA,et al,Transgenic mice for conditional gene manipulation in astroglial cells[J].Glia,2007,55(15): 1565-1576.

[5]Rouach N,Koulakoff A,Giaume C.Neurons set the tone of gap junctional communication in astrocytic networks[J].Neurochem Int,2004,45(2-3):265-272.

[6]Willecke K,Eibcrger J,Degen J,et al.Structural and functional diversity of connexin genes in the mouse and human genome[J].Biol Chem,2002,383(5):725-737.

[7]Sáez JC,Contreras JE,Bukauskas FF,et al.Gap junction hemichannels in astrocytes of the CNS[J].Acta Physiol Scand,2003,179:9-22. [8]Yancey SB,John SA,Lal R,et al.The 43-kD polypeptide of heart gap junctions:immunolocalization,topology,and functional domains[J].J Cell Biol,1989,108(6):2241-2254.

[9]Calder MD,Caveney AN,Smith LC,et al.Responsiveness of bovine cumulus-oocyte-complexes(COC)to porcine and recombinant human Cx43 marker gene mRNAs during maturationin vitro[J].Reprod Biol Endocrinol,2003,1(1):14-19.

[10]Jefferey E,Saffitiz KG,Green WJ,et al.Effects of diminished expression of connexin43 on gap junction number and size in ventricular myocardium[J].AJP-Heart and Circulatory Physiology,2000, 278(5):662-670.

[11]Kanno S,Kovacs A,YAMADA KA,et al.Connexin43 as a determinant of myocardial infarct size following coronary occlusion in mice[J].JAm Coll Cardiol,2003,41(4):681-686.

[12]陳紅偉,洪濤,宋湖平,等.縫隙連接蛋白43磷酸化在兔腦血管痙攣中的表達(dá)變化[J].重慶醫(yī)學(xué)雜志,2010,39(9):1027-1029.

[13]Hu X,Ma M,Dahl G.Conductance of connexin hemichannels segregates with the first transmembrane segment[J].Biophys J,2006, 90(1):140-150.

[14]Dudek FE,Snow RW,Taylor CP.Role of electrical interactions in synchronization of epileptiform bursts[J].Adv Neurol,1986,44: 593-617.

[15]Fonseca CG,Green CR,Nicholson LF.Upregulation in astrocytic connexin43 gap junction levels may exacerbate generalized seizures in mesial temporal lobe epilepsy[J].Brain Res,2002,929(1):105-116.

[16]Collignon F,Wetjen NM,Cohen-Gadol AA,et al.Altered expression of connexin subtypes in mesial temporal lobe epilepay in humans[J].J Neurosurg,2006,105:77-87.

[17]程蕾.細(xì)胞間隙連接通訊與腫瘤[J].現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)雜志,2007,7 (4):626-628.

[18]Krutovskikh VA,Troyanovsky SM,Piccoli C,et al.Differential effect of subcellular localization of communication impairing gap junction protein connexin43 on tumor cell growthin vivo[J].Oncogen,2000,19(4):505-513.

[19]Jayakumar AR,Panickar KS,Curtis KM,et al.Na-K-Cl cotransporter-1 in the mechanism of cell swelling in cultured astrocytes after fluid percussion injury[J].J Neurochem,2011,117(3):437-448.

[20]Ezan P,André P,Cisternino S,et a1.Deletion of astroglial connexins weakens the blood-brain barrier[J].J Cereb Blood Flow Metab, 2012,32(8):1457-1467.

[21]Solan JL,Dunn CA,Norris RP,et al.Connexin43 phosphorylation in brain,cardiac,endothelial and epithelial tissues[J].Biochim BiophysActa,2012,1818(8):1985-1992.

[22]吳中亮,廖春華,任寧.縫隙連接蛋白43與創(chuàng)傷后腦水腫相關(guān)性研究[J].中華神經(jīng)外科疾病研究雜志,2008,7(3):201-204.

[23]Wu Z,Xu H,He Y,Yang G,et al.Antisense oligodeoxynucleotides targeting connexin43 reduce cerebral astrocytosis and edema in a rat model of traumatic brain injury[J].Neurological research,2013, 35(3):255-262.

[24]Chanson M,Kotsias BA,Peracchia C,et al.Interactions of connexins with other membrane channels and transporters[J].Progress in Biophysics and Molecular Biology,2007,94(1-2):233-244.

[25]Licher-Konecki U,Manqin JM.Gene expression profiling of astrocytes from hyperammonemic mice reveals altered pathways for water and potassium homeostasisin vivo[J].Glia,2008,56(4):365-377.

Advance in Connexin and brain edema.

WANG Zhou-shun1,YAO Xiao-teng2,Jing Guo-jie2.1.Guangdong Medical College,Zhanjiang 524000,Guangdong,CHINA;2.Department of Neurosurgery,Huizhou First Hospital,Huizhou 516003,Guangdong,CHINA

Connexin are the basic structure and function protein of gap junction.About 20 connexin have been found in the mammals'tissues and organs so far.Cx43 is the most abundant protein in the gap junction protein, mainly exist in astrocytes.Cx43 plays an very important role in the communication of gap junction mediated by GJ. At present,About the Cx43's research is mainly concentrated in tumor,cardiovascular,epilepsy,cerebral edema,etc. This review presents a research progress between Cx43 and brain edema.

Connexin43;Brain edema;Gap junction

R742.7

A

1003—6350（2014）01—0067—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2014.01.0024

2013-06-14)

荊國(guó)杰。E-mail：jingguojie888@163.com