凌志揚(yáng),李有偉,付青姐
T淋巴細(xì)胞膜上離子通道與免疫性疾病的關(guān)系
凌志揚(yáng),李有偉,付青姐*
T淋巴細(xì)胞上存在多種類型的離子通道,主要有電壓門控性K+通道 (KV1.3),Ca2+激活K+通道(Kca3.1)、Ca2+釋放激活的Ca2++通道(CRAC)、瞬時(shí)受體電位通道(TRPM7)及細(xì)胞容積調(diào)節(jié)的Cl-通道(Clswell)5種類型。這些離子通道共同參與T淋巴細(xì)胞的激活、分化等免疫調(diào)節(jié)過(guò)程,參與T淋巴細(xì)胞凋亡及體積調(diào)節(jié)等過(guò)程,與很多自身免疫性疾病息息相關(guān)。就T淋巴細(xì)胞上離子通道的分類、離子通道與淋巴細(xì)胞功能的關(guān)系、離子通道與免疫性疾病及在臨床上的應(yīng)用等方面進(jìn)行綜述。
T淋巴細(xì)胞;離子通道;免疫功能
離子通道分布于各種細(xì)胞,如心肌細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞和神經(jīng)元,是許多藥物的作用靶點(diǎn)。對(duì)免疫系統(tǒng)離子通道的研究已有30余年,其中T淋巴細(xì)胞可表達(dá)多種類型的離子通道。目前研究較多的有5種類型的離子通道,包括電壓門控性K+通道(KV1.3),Ca2+激活K+通道(Kca3.1)、Ca2+釋放激活的Ca2+通道(CRAC)、瞬時(shí)受體電位通道(TRPM7)及細(xì)胞容積調(diào)節(jié)的Cl-通道(Clswell),此外,在T淋巴細(xì)胞上還存在電壓門控性的Na+通道及不同于KV1.3和Kca3.1的K+通道等。這些離子通道在T淋巴細(xì)胞膜上形成離子通道網(wǎng)絡(luò),共同參與T淋巴細(xì)胞的激活、分化、體積調(diào)節(jié)及細(xì)胞凋亡過(guò)程。首先在分子水平,STIM1和Orail蛋白共同激活CRAC通道,引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+貯存消耗。在亞細(xì)胞水平,鉀通道與鈣通道集中分布于免疫突觸,共同構(gòu)成信號(hào)復(fù)合體,參與免疫突觸的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程。在細(xì)胞水平,離子通道通過(guò)調(diào)節(jié)鈣信號(hào),使鈣內(nèi)流和鉀外流處于平衡狀態(tài),從而參與細(xì)胞因子的表達(dá)。T淋巴細(xì)胞體積則主要是通過(guò)氯外流和鉀外流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。另外在臨床應(yīng)用方面,已KV1.3通道為靶點(diǎn)的通道阻滯藥可用于免疫抑制,以Kca3.1及CRAC為靶點(diǎn)的通道阻滯藥則參與了急性應(yīng)激損傷的過(guò)程。
本文從T淋巴細(xì)胞上離子通道的分類與功能、離子通道與免疫性疾病及在臨床上的應(yīng)用等方面進(jìn)行了綜述。
膜片鉗技術(shù)及分子生物學(xué)技術(shù)的應(yīng)用,使人們對(duì)T淋巴細(xì)胞膜上的離子通道有個(gè)一個(gè)較深的認(rèn)識(shí)。研究證實(shí),T淋巴細(xì)胞膜上主要存在5種類型的離子通道。
1.1 電壓門控性鉀通道(KV1.3)
1.1.1結(jié)構(gòu)和特性 KV1.3通道屬于電壓門控性鉀通道Shaker家族成員,由KCNA3基因編碼,位于人類lp21號(hào)染色體上[1,2]。KV1.3是由4個(gè)亞單位組成的同型四聚體,含有6個(gè)跨膜的螺旋片段 (S1~S6),S1~S4與通道的開放有關(guān),S5~S6圍成一孔道,孔道的外口有一選擇性的濾過(guò)膜,是對(duì)K+高度選擇性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),孔道內(nèi)口是KV1.3開放與關(guān)閉的“門”。其開放與關(guān)閉受膜電位調(diào)控。KV1.3通道激活閾值為-60 mV,在-10~0 mV之間達(dá)到穩(wěn)態(tài),單通道電導(dǎo)約為10~12 pS,KV1.3通道呈快速激活及緩慢的C型失活[3]。
1.1.2生理功能 KV1.3受細(xì)胞膜電位控制,主要維持T淋巴細(xì)胞的靜息膜電位。正常人類每個(gè)T淋巴細(xì)胞表達(dá)約300個(gè)KV1.3通道[4]。當(dāng)T淋巴細(xì)胞受抗原刺激發(fā)生活化時(shí),抗原提呈細(xì)胞(APC)識(shí)別MHC分子復(fù)合物并將其呈遞給T淋巴細(xì)胞,T細(xì)胞受體(TCR)與分子復(fù)合物結(jié)合,激活酪氨酸細(xì)胞激酶和磷脂酶C,分解磷脂為IP3和DG。IP3與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上面的IP3受體結(jié)合,影響Ca2+內(nèi)流,繼而激活KV1.3通道[4-6],故KV1.3通道可通過(guò)對(duì)Ca2+的作用,影響T淋巴細(xì)胞的激活和功能。
1.2 Ca2+激活的K+通道(Kca3.1)
1.2.1結(jié)構(gòu)和特性 Kca3.1是一個(gè)中小電導(dǎo)的Ca2+激活的K+通道,由KCNN4基因編碼,位于人類第19號(hào)染色體(19q13.2)[7],與KV1.3相似。也是由一個(gè)同源四聚體構(gòu)成,在結(jié)構(gòu)上同樣有6個(gè)跨膜區(qū)域,其中第5、6個(gè)跨膜區(qū)構(gòu)成K+通道口,對(duì)K+離子具有高度選擇性。Kca3.1通道細(xì)胞內(nèi)的C末端連接鈣調(diào)蛋白,為Ca2+感受器,對(duì)細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度敏感,其Ca2+激活的濃度閾值約為200~300 nmol[7]。
1.2.2生理功能 靜息狀態(tài)的T淋巴細(xì)胞上Kca3.1通道表達(dá)相對(duì)較低,維持T淋巴細(xì)胞膜電位的主要是上述的KV1.3通道。但是,當(dāng)T淋巴細(xì)胞被激活時(shí),Kca3.1表達(dá)明顯上調(diào)。在T淋巴細(xì)胞的增生與分化過(guò)程中,細(xì)胞至少數(shù)小時(shí)要維持一個(gè)持續(xù)的Ca2+內(nèi)流狀態(tài),細(xì)胞內(nèi)高濃度和穩(wěn)定的Ca2+濃度激活了Kca3.1通道,Kca3.1通道開放使K+內(nèi)流,從而使細(xì)胞處于一種超極化狀態(tài)。
1.3 Ca2+釋放激活的Ca2+通道(CRAC)
1.3.1結(jié)構(gòu)與特性 1992年,HOTH等在肥大細(xì)胞上成功記錄到一種容積性Ca2+電流,并命名為Ca2+釋放激活的Ca2+通道(CRAC)。CRAC通道有及其嚴(yán)格的Ca2+選擇性,并且其單通道電導(dǎo)及其微?。ǎ?.1 pS)[8]。目前普遍認(rèn)為CRAC通道是由STIM1蛋白和Orali蛋白共同組成的。Orali蛋白是細(xì)胞膜上的跨膜蛋白,由S1~S4四個(gè)跨膜片段構(gòu)成,其N末端和C末端都處于細(xì)胞膜內(nèi),該蛋白單體是組成CRAC通道的亞基。STIM1蛋白位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上,是Ca2+感受器。CRAC通道處于失活狀態(tài)時(shí),Orali蛋白以二聚體的形式存在。當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+排空,STIM1蛋白被激活,與位于細(xì)胞膜上的Orali蛋白連接成橋,Orali蛋白會(huì)由二聚體聚合為四聚體,形成完整的CRAC通道,引發(fā)細(xì)胞外Ca2+內(nèi)流。Orali蛋白的S1~S2區(qū)域上的谷氨酸殘基和天門冬氨酸殘基是CARA選擇性進(jìn)出Ca2+的基礎(chǔ)[9-12]。
1.3.2生理功能 細(xì)胞內(nèi)Ca2+的持續(xù)震蕩對(duì)細(xì)胞內(nèi)的Ca2++動(dòng)力學(xué)具有重要意義,是細(xì)胞賴以生存的基礎(chǔ)。T淋巴細(xì)胞CRAC通道可以敏銳感知細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+庫(kù)清空狀態(tài),保持細(xì)胞內(nèi)Ca2+的持續(xù)震蕩,對(duì)免疫細(xì)胞發(fā)揮功能起著至關(guān)重要的作用。
T淋巴細(xì)胞表面TCR與抗原結(jié)合后,導(dǎo)致蛋白酪氨酸激酶被激活,啟動(dòng)一系列蛋白的磷酸化過(guò)程,最后催化細(xì)胞膜上IPI2分解產(chǎn)生IP3,IP3與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的IP3受體結(jié)合[13-15],導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中大量Ca2+釋放,并引發(fā)CRAC通道的開放,導(dǎo)致細(xì)胞外Ca2+大量?jī)?nèi)流,因此細(xì)胞內(nèi)Ca2+的增加是T細(xì)胞激活的必要誘發(fā)因素。
1.4 瞬時(shí)受體電位通道(TRPM7)
1.4.1結(jié)構(gòu)與特性 TRP離子通道最初是在研究果蠅的光感受器突變體時(shí)被發(fā)現(xiàn)的,至今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了30多種[16]。TRPM7是TRP家族的melastatin亞家族的一員,又稱LTRPC7,由1863個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成,可以選擇性的通透Ca2+和Mg2+等[15,17]。TRPM7含有6個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)蛋白,以α螺旋形式存在。其中在第5~6跨膜區(qū)域之間形成一個(gè)疏水性的孔道。通道蛋白的N末端和C末端都位于細(xì)胞內(nèi)。因?yàn)門RPM7的C末端含有一個(gè)α激酶的活性區(qū)域,因此同時(shí)具有離子通道和蛋白激酶的雙重功能,因此又被稱為通道酶[18-20]。4個(gè)TRPM7通道單體聚合在一起形成具有活性的四聚體通道,TRPM7通道電流呈外向整流,對(duì)單價(jià)和二價(jià)陽(yáng)離子無(wú)特異選擇性[21],可以通透多種二價(jià)陽(yáng)離子,優(yōu)先對(duì)Mg2+、Ca2+通透。TRPM7通道C末端的α激酶可以磷酸化多種底物進(jìn)行免疫炎癥反應(yīng)的調(diào)節(jié)。
1.4.2生理功能 Mg2+在生命活動(dòng)中具有重要意義,其可以與ATP結(jié)合,從而激活體內(nèi)許多重要的酶,參與糖、蛋白質(zhì)和脂肪的代謝,與DNA等結(jié)合,參與核酸代謝,還可以影響細(xì)胞膜的通透性等。TRPM7參與細(xì)胞內(nèi)Mg2+平衡的調(diào)節(jié)[22-24]。
1.5 容積性調(diào)節(jié)Cl通道(Clswell)
1.5.1結(jié)構(gòu)與特性 Clswell通道是存在于T淋巴細(xì)胞膜上的一類陰離子通道,目前認(rèn)為Clswell通道是電壓門控性氯通道家族蛋白成員3(CLC3),由人類常染色體4q33區(qū)的CLCN3基因編碼,Clswell是一跨膜10~12次的膜蛋白,由2個(gè)同型二聚體形成包括兩個(gè)孔道的結(jié)構(gòu)形式[25]。分為“快”“慢”兩種調(diào)控形式。Clswell通道對(duì)Cl-具有相對(duì)的高度選擇性,但是對(duì)其他陰離子也具有不同程度的通透性。同時(shí)也允許某些氨基酸和葡萄糖酸鹽等在該通道激活時(shí)滲出細(xì)胞,其通透性受胞外Cl-濃度的影響。Clswell通道對(duì)陰離子通道阻斷劑如NPPB等具有廣泛敏感性。
1.5.2生理功能 維持恒定的細(xì)胞體積對(duì)于細(xì)胞保持正常的生理功能非常重要。Clswell通道是細(xì)胞容積和滲透壓調(diào)節(jié)的主要參與者[26,27]。當(dāng)細(xì)胞受到低滲環(huán)境刺激而變得腫脹時(shí),Clswell通道被激活開放,細(xì)胞內(nèi)大量的Cl-外流,引起細(xì)胞膜的去極化改變,細(xì)胞膜去極化激活了KV1.3通道,導(dǎo)致K+外流。K+和Cl-外流使得細(xì)胞內(nèi)滲透壓下降,細(xì)胞內(nèi)水分進(jìn)一步流出,從而使細(xì)胞恢復(fù)正常的體積。因此Clswell通道在維持細(xì)胞容積平衡,保持細(xì)胞正常功能中具有重要作用[28,29]。此外,Clswell通道還參與細(xì)胞增殖、遷徙、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等多個(gè)過(guò)程。
除了上述5種主要的離子通道外,在小部分人類T淋巴細(xì)胞上還記錄到了Na+通道,在鼠的T細(xì)胞上,還存在區(qū)別于KV1.3和KCa3.1的K+通道[29,30],除此以外,在人類、小鼠的T淋巴細(xì)胞上還分別記錄到了其他的通道電流如 TRPM4、TRPM2及KCa2.2[31,32]等。
T細(xì)胞介導(dǎo)的自身免疫性疾病是TCR-CD3信號(hào)復(fù)合物識(shí)別APC細(xì)胞上的MHC而觸發(fā)的。T細(xì)胞上KV1.3作為信號(hào)復(fù)合物的組成部分,既往研究發(fā)現(xiàn)其與多種免疫性疾病、心血管疾病及慢性炎癥的發(fā)生、發(fā)展有著密切的關(guān)系[33,34]。如高表達(dá)KV1.3通道的TEM細(xì)胞會(huì)向組織遷徙,釋放大量的IFN、TNF-α及IL-2等細(xì)胞因子,介導(dǎo)類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、腎小球腎炎、多發(fā)性硬化病等多種自身免疫性疾病的發(fā)生和發(fā)展[35-38]。阻斷KV1.3通道則可以有效地抑制TEM細(xì)胞的活性,并能有效緩解多種自身免疫性疾病模型的癥狀。因此,KV1.3已經(jīng)成為治療多種自身免疫性疾病的新型靶標(biāo)。另外,KV1.3通道m(xù)RNA在自發(fā)性高血壓大鼠T淋巴細(xì)胞上的表達(dá)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在正常大鼠T淋巴細(xì)胞上的表達(dá),并且其mRNA的表達(dá)量與血壓增高的程度呈正相關(guān),提示T淋巴細(xì)胞上KV1.3通道可能與高血壓的發(fā)生與發(fā)展有關(guān)。KV1.3阻斷藥還可以提高Ⅱ型糖尿病患者外周胰島素的敏感性,可以阻止牙周炎患者的骨吸收,因此也被認(rèn)為是肥胖等代謝型疾病的治療靶點(diǎn)[39-42]。
研究亦表明,Kca3.1通道阻斷藥有效阻滯T淋巴細(xì)胞的分化。因此,Kca3.1通道參與T淋巴細(xì)胞的增殖與分化過(guò)程。多數(shù)自身免疫性疾病表現(xiàn)為免疫反應(yīng)過(guò)度或消退延遲,文獻(xiàn)報(bào)道,Kca3.1通道阻斷藥TRAM-34作用于自身免疫性腦脊髓炎小鼠模型,可以明顯減輕炎癥反應(yīng),作用于哮喘樣模型,可以減緩慢性氣道的炎癥反應(yīng),顯著改善哮喘癥狀[43,44]。此外,Kca3.1通道與鐮狀細(xì)胞貧血、冠狀動(dòng)脈粥樣硬化等增生性疾病以及多囊腎等分泌性疾病有關(guān)。
CRAC通道阻滯藥能夠靶向抑制T淋巴細(xì)胞的活化過(guò)程,Orali蛋白可能會(huì)抑制應(yīng)對(duì)急性感染的保護(hù)性免疫反應(yīng),因此是抗移植排斥的潛在靶點(diǎn)。
綜上所述,可知離子通道是細(xì)胞膜中的跨膜蛋白分子,其功能是細(xì)胞生物電活動(dòng)的基礎(chǔ),也是藥物作用的重要靶點(diǎn)。離子通道在免疫細(xì)胞的正?;顒?dòng)中具有重要作用,免疫細(xì)胞的活動(dòng)涉及一系列復(fù)雜的分子活動(dòng)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程,受到細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子和細(xì)胞周圍微環(huán)境的精確調(diào)控。免疫細(xì)胞不屬于可興奮細(xì)胞之列,但也具有某些與神經(jīng)細(xì)胞相類似的生理特性,離子通道的活動(dòng)與粒子跨膜流動(dòng)、膜電位的變化以及隨后的淋巴細(xì)胞激活密切相關(guān)??乖肿舆M(jìn)入體內(nèi)后,經(jīng)抗原呈遞細(xì)胞(APC)的處理,與MHC形成抗原復(fù)合分子,再與T淋巴細(xì)胞抗原受體(TCR)結(jié)合。研究發(fā)現(xiàn),免疫細(xì)胞上存在多種離子通道,這些離子通道類似于神經(jīng)細(xì)胞及肌肉細(xì)胞的離子通道,但又有其自身的特點(diǎn)。T淋巴細(xì)胞膜上主要存在5種類型的離子通道,KV1.3、KCa3.1、Ca2+通道(CRAC)、TRPM7、Clswell。KV1.3受細(xì)胞膜電位控制,主要維持T淋巴細(xì)胞的靜息膜電位。可抑制Ca2+進(jìn)入細(xì)胞,故KV1.3通道可通過(guò)對(duì)Ca2+的作用,影響T淋巴細(xì)胞的激活和功能,此外,KV1.3還參與某些環(huán)境下T淋巴細(xì)胞的體積調(diào)節(jié)過(guò)程。KCa3.1受細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的調(diào)節(jié),細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的升高是導(dǎo)致KCa3.1開放的主要原因。在T淋巴細(xì)胞,KCa3.1通道的開放可由抗原對(duì)T淋巴細(xì)胞的刺激引起,也可以由其他的損傷性因素引起,KCa3.1通道在T淋巴細(xì)胞的活化過(guò)程中具有重要作用。T淋巴細(xì)胞膜上CRAC是一種電壓門控性的Ca2+通道,是細(xì)胞外Ca2+進(jìn)入細(xì)胞的唯一通道。由CRAC通道開放導(dǎo)致的細(xì)胞內(nèi)Ca2+的升高是T淋巴細(xì)胞激活的根本原因,因此細(xì)胞內(nèi)的Ca2+及CRAC對(duì)于T淋巴細(xì)胞功能具有重要的意義。Clswell是T淋巴細(xì)胞膜上一種Cl-通道,正常狀態(tài)下不開放。當(dāng)細(xì)胞處于低滲環(huán)境時(shí),水分進(jìn)入細(xì)胞,細(xì)胞體積增大,激活了Clswell通道,Cl-由細(xì)胞內(nèi)流向細(xì)胞外,導(dǎo)致細(xì)胞膜內(nèi)電位升高,細(xì)胞膜去極化。細(xì)胞膜去極化過(guò)程激活了KV1.3通道,KV1.3通道開放,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的K+外流。由于細(xì)胞內(nèi)Cl-和K+的外流,減低了細(xì)胞內(nèi)的滲透壓,使細(xì)胞內(nèi)的水流出,從而產(chǎn)生調(diào)節(jié)性的細(xì)胞體積減小(RVD)。因此T淋巴細(xì)胞上的Cl-通道可能在細(xì)胞的RVD中起著重要作用。TRPM7通道是瞬時(shí)受體電位(TRP)通道LTRP亞族中的一個(gè)類型,具有離子通道和蛋白激酶雙重結(jié)構(gòu)和雙重功能,因此又稱通道酶。TRPM7通道是一種非選擇性的陽(yáng)離子通道,對(duì)Ca2+、Mg2+、K+、Na+在內(nèi)的眾多二價(jià)和單價(jià)陽(yáng)離子有通透性,同時(shí)作為一種蛋白激酶其可使自身或底物磷酸化。在T淋巴細(xì)胞TRPM7主要與調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)Mg2+平衡有關(guān)??傊?,T淋巴細(xì)胞膜上的離子通道作為T淋巴細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的一條重要途徑,在T淋巴細(xì)胞的激活、分化和其他功能中具有重要作用。
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[2016-08-15收稿,2016-09-12修回]
[本文編輯:韓仲琪]
The network and function of ion channels on T lymphocytes,and their relationship with immuno- diseases
LING Zhi-yang,LI You-wei,F(xiàn)U Qing-jie.Department of Pharmacy,No.401 Hospital of PLA,Qingdao,Shandong 266071,China
There are many kinds of ion channels on T lymphocytes,including voltage-gated K+channel(KV1.3),Ca2+-activated K+channel(Kca3.1),Ca2+-release activated channel(CRAC),transient receptor potential channel(TRPM7)and swelling-activated Cl-channel.These channels play a provital role in the activation and differentiation of T lymphocytes,and work together functionally in T cells in the regulation of cellular volume.This article reviews the classification of ion channels,the role of ion channels on the function of T lymphocytes and immunological disease.
T lymphocytes;Ion channel;Immunologic function
R331.4
A
10.14172/j.issn1671-4008.2017.02.033
266071山東青島,解放軍401醫(yī)院藥劑科(凌志揚(yáng),李有偉,付青姐)
付青姐,Email:qingjiefu@163.com