胰島素促進低血鉀型周期性麻痹機制的研究進展

智紅葉，姚合斌

胰島素促進低血鉀型周期性麻痹機制的研究進展

智紅葉，姚合斌

低血鉀型周期性麻痹(hypokalemic periodic paralysis，HPP)是一組與細胞內(nèi)外K＋跨膜轉(zhuǎn)移異常相關的疾病。該病在發(fā)病前通常伴有明顯的誘因，這些誘因均可導致體內(nèi)胰島素水平升高，促進細胞外K＋向細胞內(nèi)轉(zhuǎn)移，從而誘發(fā)HPP的發(fā)作。HPP患者骨骼肌細胞膜上存在通道基因CACNA1S或SCN4A突變。胰島素在突變基礎上激發(fā)HPP的發(fā)作。作者對其相關機制的研究進展進行綜述。

胰島素；低血鉀；周期性麻痹；Na＋-K＋-ATP酶；信號通路

體內(nèi)絕大多數(shù)K＋都分布在細胞內(nèi)，其中80%又分布在骨骼肌細胞內(nèi)，細胞外K＋僅占體內(nèi)K＋的2%，而且細胞內(nèi)K＋濃度約為細胞外液中的35倍，而細胞外液中Na＋的濃度約為胞質(zhì)內(nèi)的10倍，如此巨大的濃度梯度差由Na＋-K＋-ATP酶維持。Na＋-K＋-ATP酶又稱為Na＋-K＋泵，是鑲嵌在哺乳動物細胞膜上的一種膜蛋白。每分解1分子ATP可將3個Na＋移出細胞外，同時將2個K＋移入細胞內(nèi)。體內(nèi)短期或急驟的K＋負荷主要由骨骼肌細胞質(zhì)膜上的Na＋-K＋-ATP酶來調(diào)節(jié)[1-2]。

低血鉀型周期性麻痹(hypokalemic periodic paralysis，HPP)典型臨床特征為低鉀血癥和由其引發(fā)的肌肉麻痹。低鉀血癥按病因不同可分為轉(zhuǎn)移性低鉀血癥、缺鉀性低鉀血癥及稀釋性低鉀血癥。HPP屬于轉(zhuǎn)移性低鉀血癥，即體內(nèi)總K＋濃度正常，由于細胞外K＋轉(zhuǎn)移至細胞內(nèi)，細胞內(nèi)外K＋異常分布而引起的血中K＋濃度下降。HPP主要分為原發(fā)性HPP和繼發(fā)性HPP(甲狀腺功能亢進性周期性麻痹為主)?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)該病確實存在著與某些離子通道相關的基因位點的突變。原發(fā)性HPP患者骨骼肌細胞膜上特異性表達的電壓閘門型Ca2＋、Na＋通道基因存在著突變，其中約60%病例是由Ca2＋通道基因CACNA1S錯義突變所致，20%病例是由Na＋通道基因SCN4A突變導致，而20%病例病因未明，故認為原發(fā)性HPP是一種與骨骼肌離子通道異常有關的常染色體顯性遺傳病[3-4]。在甲狀腺功能亢進性周期性麻痹中，骨骼肌上也發(fā)現(xiàn)了相關離子通道突變，即內(nèi)向整流K＋通道(Kir2.6)的突變，其陽性率在甲狀腺功能亢進性周期性麻痹中占1%～33%[5]。離子通道的突變?nèi)绾螌е鹿趋兰〖毎るx子的通透性發(fā)生改變，如何改變細胞內(nèi)外K＋的平衡，成為HPP的發(fā)病機制研究的熱點。有研究表明，突變的離子通道會產(chǎn)生非選擇性內(nèi)向性陽離子的滲漏，也稱為閘孔電流，導致骨骼肌細胞內(nèi)Na＋負荷的增加，進而激活Na＋-K＋-ATP酶的活性，代償性地將3個Na＋轉(zhuǎn)移到細胞外，同時將細胞外2個K＋轉(zhuǎn)移至細胞內(nèi)，致使低血鉀的發(fā)生[6]。但攜帶突變基因的患者平時并不發(fā)病，一般只有在誘因的作用下才發(fā)病，如飽餐、大量高碳水化合物的飲食、劇烈運動后休息時等，這些誘因均可導致體內(nèi)激素水平的變化，尤其是胰島素水平升高。因此，作者就其作用、分子機制以及在HPP發(fā)生中的作用進行綜述。

1 胰島素促進血中K＋跨膜轉(zhuǎn)移及其機制

1.1 胰島素促進血中K＋跨膜轉(zhuǎn)移的研究 消化道或靜脈滴注的鉀溶液首先分布在細胞外液，包括血液，然后需Na＋-K＋-ATP酶轉(zhuǎn)運至細胞內(nèi)，而轉(zhuǎn)移量的多少與吸收入血中總K＋濃度呈負相關。有實驗顯示胰島素通過促進血中K＋跨膜轉(zhuǎn)移而降低血中K＋濃度，并且在臨床上也經(jīng)常使用胰島素這種作用來治療高鉀血癥[7]。研究顯示，胰島素能增加離體大鼠肌肉細胞K＋的流入和Na＋的排出，導致細胞外K＋的減少及Na＋的增多，而這種作用可以被Na＋-K＋-ATP酶抑制劑(毒毛旋花苷G)所抑制，因此推測胰島素是通過調(diào)控Na＋-K＋-ATP酶來影響血中K＋濃度[8]。

在對HPP患者體內(nèi)多種激素水平進行動態(tài)觀察中，發(fā)現(xiàn)多種激素與細胞內(nèi)外K＋跨膜轉(zhuǎn)移有關，且患者在發(fā)作時部分內(nèi)源性激素水平變化顯著，因此激素變化在HPP的發(fā)病中起著重要的作用，尤其是胰島素水平。HPP患者存在著高胰島素血癥，且伴有Na＋，K＋-ATP酶活性的增加。李財峰等[9]對48例HPP患者行口服糖耐量實驗并測定血糖、胰島素，計算胰島素抵抗指數(shù)；結(jié)果顯示HPP患者的胰島素抵抗指數(shù)為0.97±0.53，正常對照組胰島素抵抗指數(shù)為0.09±0.59，HPP患者幾乎是正常對照組的10倍，差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.001)，且各個時間點胰島素水平均高于正常對照組，說明HPP患者確實存在胰島素抵抗和高胰島素血癥；HPP患者在發(fā)病期間，血中K＋濃度低于緩解期，但胰島素水平不僅顯著高于正常對照組而且也顯著高于其緩解期，同時Na＋-K＋-ATP酶活性也顯著高于正常對照組，反映胰島素水平及Na＋-K＋-ATP酶活性與低血鉀有相關性。

1.2 胰島素促進血中K＋跨膜轉(zhuǎn)移的分子生物學機制 胰島素促進細胞外K＋向細胞內(nèi)轉(zhuǎn)移主要是通過調(diào)控骨骼肌細胞膜上Na＋-K＋-ATP酶的活性來實現(xiàn)的。Na＋-K＋-ATP酶是一個由α、β及FXYD亞基組成的寡聚體，其最小功能單位則是由一個α亞基和一個β亞基以非共價結(jié)合組成的二聚體[10]。其中，α亞基是催化亞基，它包含了ATP、Na＋、K＋、Mg2＋及一些蛋白激酶如蛋白激酶C、磷酸肌醇-3-激酶的結(jié)合位點；β亞基主要負責酶α亞基從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成位置轉(zhuǎn)位到細胞質(zhì)膜上；FXYD亞基則是調(diào)節(jié)Na＋泵的輔助成分，可以與α亞基和β亞基結(jié)合調(diào)節(jié)Na＋-K＋-ATP酶的轉(zhuǎn)運功能。目前發(fā)現(xiàn)FXYD家族蛋白至少有12個亞群，表達有組織依賴性和特異性；其中，F(xiàn)XYD1主要在骨骼肌和心肌中表達，是細胞膜上蛋白激酶(protein kinases，PK)A和PKC重要的基底物，對骨骼肌細胞膜上的Na＋-K＋-ATP酶有重要的調(diào)控作用。FXYD1本身對Na＋-K＋-ATP酶有抑制作用，而通過PKA和PKC磷酸化后的FXYD1可以消除對Na＋-K＋-ATP酶的這種抑制作用[11]。Na＋-K＋-ATP酶受多種因素的調(diào)控，即細胞內(nèi)Na＋、K＋濃度、激素以及運動等，它們主要通過調(diào)節(jié)酶本身的活性、亞單位的分布以及細胞質(zhì)膜上的數(shù)量而影響其活性。其中激素對Na＋-K＋-ATP酶的調(diào)節(jié)分為短時調(diào)節(jié)和長時調(diào)節(jié)，短時調(diào)節(jié)主要是酶在空間位置上的改變，并沒有新蛋白的合成，主要包括酶的翻轉(zhuǎn)率、對底物的親和性以及從細胞器或胞質(zhì)內(nèi)轉(zhuǎn)移到質(zhì)膜上；長時調(diào)節(jié)主要是酶亞基mRNA和蛋白水平的改變[12]。胰島素、甲狀腺素、腎上腺素等激素既可以通過短時調(diào)節(jié)影響細胞質(zhì)膜上Na＋-K＋-ATP酶的活性及數(shù)量，也可以通過長時調(diào)節(jié)來影響其總體表達量。

胰島素對Na＋-K＋-ATP酶活性的調(diào)節(jié)主要通過以下機制包括酶催化亞基(α亞基)可逆的共價修飾、酶對Na＋的親和性以及細胞質(zhì)膜上Na＋-K＋-ATP酶的數(shù)量。胰島素可以通過細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ex-tracellular regulated protein kinases，ERK)磷酸化Na＋-K＋-ATP酶上α亞基，進一步促進酶的活性和酶轉(zhuǎn)位到細胞質(zhì)膜上，ERK依賴的Na＋-K＋-ATP酶α亞基磷酸化是Na＋泵激活的一個觸發(fā)信號[13]；胰島素也會增加Na＋-K＋-ATP酶對Na＋的親和性；實驗證實在青蛙骨骼肌上，胰島素能刺激Na＋-K＋-ATP酶從細胞池內(nèi)轉(zhuǎn)位到細胞膜上，增加骨骼肌細胞膜上的Na＋-K＋-ATP酶的數(shù)量[14]。FXYD1是骨骼肌上Na＋-K＋-ATP酶的一個重要調(diào)控亞基。FXYD1本身與α亞基結(jié)合可以降低Na＋-K＋-ATP酶與Na＋的親和性及最大動作電位速度，對Na＋-K＋-ATP酶有抑制作用，而通過PKA和PKC磷酸化后的FXYD1會解除FXYD1-α-亞基的相互作用增加酶活性[15]。胰島素和腎上腺素都可以誘導FXYD1的磷酸化，它們通過PKA或PKC途徑使FXYD1的63位或68位氨基酸磷酸化，增加Na＋-K＋-ATP酶與Na＋的親和力，并提高反應速度，加速將K＋轉(zhuǎn)移至細胞內(nèi)[16]。

有研究發(fā)現(xiàn)，胰島素是通過ERK1/2磷酸化α亞基途徑增加Na＋-K＋-ATP酶活性或刺激Na＋-K＋-ATP酶α1和α2亞基從細胞池內(nèi)轉(zhuǎn)位到細胞質(zhì)膜上的，在Na＋-K＋-ATP酶α亞基的序列中存在著的ERK磷酸化位點，其中α亞基上的Thr-Pro序列也是特定的ERK基底物[13]。胰島素誘導Na＋-K＋-ATP酶的活化、磷酸化以及易位到細胞質(zhì)膜上的過程可以被MEK1/2(細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶1/2的上游激酶)抑制劑(PD98059)所抑制，同時也能被磷脂酰肌醇-3，4，5-三磷酸激酶抑制劑(Wortmannin)及PKC抑制劑(GF10903X)阻止[13，17]。因此，胰島素調(diào)節(jié)Na＋-K＋-ATP酶的過程主要是通過磷脂酰肌醇-3激酶(phosphoinositide 3-kinase，PI3K)、非典型蛋白激酶、細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶1/2途徑實現(xiàn)的[18-19]。

2 胰島素在HPP中誘發(fā)低鉀血癥發(fā)生的可能機制

臨床觀察到HPP患者存在高胰島素血癥[20]，但未發(fā)現(xiàn)與K＋跨膜轉(zhuǎn)移直接相關的Na＋-K＋-ATP酶異常，卻發(fā)現(xiàn)通道基因CACNA1S和SCN4A以及個別K＋通道基因的突變，提出HPP可能由于突變通道所產(chǎn)生的閘孔電流導致細胞內(nèi)Na＋負荷增多，進而激活Na＋-K＋-ATP酶出現(xiàn)低鉀血癥假說。但最新研究顯示，細胞內(nèi)Na＋負荷增多是繼發(fā)于低血鉀的，輕度低血鉀會引起Na＋-K＋-ATP酶的抑制，使細胞內(nèi)Na＋和Ca2＋超載；激活鈣調(diào)蛋白激酶Ⅱ，再順序激活延遲Na＋通道和L型Ca2＋通道，進一步加強和惡化了細胞內(nèi)Na＋和Ca2＋的超載，研究結(jié)果與上述假說相悖[21]。目前，在HPP患者中所發(fā)現(xiàn)的基因突變主要是在CACNA1S跨膜域的電壓感受器片段，其次是SCN4A，與K＋跨膜轉(zhuǎn)移并不直接相關，而與K＋跨膜外向擴散相關的K＋通道僅有個別發(fā)現(xiàn)陽性突變，但不具有代表性，負責K＋向細胞內(nèi)跨膜轉(zhuǎn)移的Na＋-K＋-ATP酶的α、β和FXYD1亞基均無陽性發(fā)現(xiàn)[22-23]。再結(jié)合HPP患者雖然攜帶突變基因，但大多數(shù)情況下并不發(fā)病，只有在一定的年齡段和誘因如高碳水化合物的飲食或者應激等作用下才發(fā)病。這提示HPP患者攜帶的突變基因僅是一個致病基礎，而胰島素增多僅是一個激發(fā)因素，激發(fā)因素如何把與K＋跨膜轉(zhuǎn)運無關的CACNA1S和SCN4A突變與負責K＋跨膜轉(zhuǎn)運的Na＋泵或K＋通道相聯(lián)結(jié)，導致K＋跨膜轉(zhuǎn)運異常，而表現(xiàn)為低血鉀、肌無力癥狀，尚無合理的解釋。提出電壓依賴和Ca2＋激活大電導K＋通道可與泵的β1亞基相互作用，又可被細胞膜去極化電位和細胞內(nèi)Ca2＋激活，是CACNA1S、SCN4A及Na＋-K＋-ATP酶之間的橋梁和紐帶假設，在胰島素誘發(fā)HPP中的作用有必要進一步研究[24]。當然這只是一個假設，需要進一步的實驗驗證。

3 總結(jié)

綜上所述，胰島素增多在HPP的發(fā)病中起到了激發(fā)、促進的作用。但目前關于如何導致HPP的發(fā)病仍無合理滿意的解釋。我們可以通過胰島素促進血中K＋跨膜轉(zhuǎn)移的分子生物學機制，尤其是將來關于對突變通道基因CACNA1和SCN4A與Na＋-K＋-ATP酶之間的相互聯(lián)結(jié)關系的進一步研究，揭示HPP的發(fā)病機制，為HPP的臨床診斷、治療及預防開拓新的領域。

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The research progress about mechanism of insulin stimulating hypokalemic periodic paralysis

ZHI Hongye，YAO Hebin
(Department of Endocrinology，Rheumatology and Immunology，Navy General Hospital，Beijing 100048，China)

Hypokalemic periodic paralysis(HPP)is a group of diseases associated with abnormal transmembrane transfer of the intracellular or extracellular potassium ions.The disease is usually associated with significant incentives before the onset，and these incentives can lead to elevated insulin levels and promote the transfer of extracellular K＋into the cells，and induce the outbreak of HPP.Previous studies found mutations in CACNA1S or SCN4A on the skeletal muscle cell of patients with HPP.How to stimulate the onset of HPP about insulin on the basis of the mutation has many new trends.This paper reviewed research progress of HPP mechanism.

Insulin；Hypokalemia；Periodic paralysis；Na＋-K＋-ATPase；Signaling pathway

R746.3

A

2095-3097(2017)03-0189-04

10.3969/j.issn.2095-3097.2017.03.015

2016-03-15 本文編輯:張在文)

國家自然科學基金面上項目(81170800)

100048北京，海軍總醫(yī)院內(nèi)分泌風濕免疫科(智紅葉，姚合斌)

姚合斌，E-mail:yhb196321＠163.com