大電導(dǎo)鈣激活鉀通道與大動(dòng)脈血管舒縮功能研究進(jìn)展

張鵬、付幼林綜述，羅駿審校

正常血管壁上存在3種類型的鈣激活鉀通道，分別稱為大電導(dǎo)鈣激活鉀（BKCa）通道、中電導(dǎo)鈣激活鉀通道（IKCa）和小電導(dǎo)鈣激活鉀（SKCa）通道。其中BKCa通道在血管平滑肌細(xì)胞上表達(dá)豐富，IKCa和SKCa通道在血管內(nèi)皮細(xì)胞上表達(dá)較多[1]。研究發(fā)現(xiàn)許多慢性心血管病變疾病與平滑肌細(xì)胞上BKCa通道結(jié)構(gòu)、功能以及門控特性改變有關(guān)，從而導(dǎo)致血管舒縮功能障礙，本文主要對(duì)BKCa通道在大動(dòng)脈血管平滑肌舒縮調(diào)節(jié)機(jī)制中的研究進(jìn)展作一綜述。

1 BKCa通道結(jié)構(gòu)、生理功能以及影響因素

1.1 BKCa通道的結(jié)構(gòu)

BKCa又稱為maxi-K或KCa1.1，其電導(dǎo)為200～300 pS。BKCa通道由4個(gè)α亞基和4個(gè)β亞基組成，每一個(gè)α亞基結(jié)合一個(gè)起調(diào)節(jié)作用的輔助性β亞基組成四聚體結(jié)構(gòu)，從而增加了BKCa通道對(duì)鈣離子的敏感性和電壓依賴性[2]。其中α亞基由KCNMA1基因編碼，由細(xì)胞外氨基端相連的7個(gè)跨膜片段（S0～S6）以及位于細(xì)胞內(nèi)與羧基端相連的4個(gè)疏水片段（S7～S10）組成。其中S2、S3結(jié)構(gòu)域中的酸性位點(diǎn)與S4結(jié)構(gòu)域中的堿性位點(diǎn)共同構(gòu)成了電壓感受器，S5、S6結(jié)構(gòu)域和位于其之間的P環(huán)共同構(gòu)成了鉀離子選擇性濾過(guò)器。細(xì)胞內(nèi)羧基端結(jié)構(gòu)上存在兩種鉀離子電導(dǎo)調(diào)控元件（RCK）結(jié)構(gòu)域，RCK結(jié)構(gòu)域與同在羧基端的鈣離子球共同調(diào)節(jié)通道鈣離子依從性，是鈣離子敏感區(qū)域[3-5]。4個(gè)α亞基組成的8個(gè)RCK結(jié)構(gòu)域構(gòu)成通道的門控環(huán)[6]。β亞基含有β1～β4 四種亞型，含兩次跨膜蛋白（TM），分別稱為跨膜蛋白1（TM1）和跨膜蛋白2（TM2），其氨基端和羧基端位于細(xì)胞內(nèi)，而細(xì)胞外大約有120個(gè)氨基酸殘基組成的肽鏈將兩者鏈接。Liu等[7]研究發(fā)現(xiàn)，TM1鄰近S1和S2，TM2位于S0旁而鄰近α亞單位。β亞基表達(dá)的多態(tài)性是構(gòu)成BKCa通道多樣性的基礎(chǔ)[8]。在血管平滑肌細(xì)胞上主要表達(dá)β1亞基，由KCNMB1基因編碼，β1亞基可增加BKCa通道對(duì)鈣離子敏感性[9]。

1.2 BKCa通道的生理功能

BKCa通道具有高密度表達(dá)、大電導(dǎo)和多重門控機(jī)制等一系列特性，其廣泛分布于血管平滑肌細(xì)胞、心肌細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞以及骨骼肌細(xì)胞等多種細(xì)胞中并對(duì)其功能活動(dòng)起重要的調(diào)節(jié)作用。在血管平滑肌細(xì)胞中，BKCa通道除位于細(xì)胞膜中，還表達(dá)于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、細(xì)胞核、線粒體等[10,11]，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)局部鈣離子濃度增加或膜電位改變時(shí)，BKCa通道激活開(kāi)放，鉀離子外流，平滑肌細(xì)胞膜超極化，阻斷電壓依賴性鈣通道，細(xì)胞內(nèi)鈣濃度降低，血管舒張。相反，當(dāng)使用特異性阻滯劑（IBTX）阻斷BKCa通道后，血管平滑肌細(xì)胞去極化可引起血管收縮，血管張力增加。因此，BKCa通道在調(diào)節(jié)血管舒縮過(guò)程中具有重要作用。

1.3 BKCa通道激活的影響因素

與其他類型離子通道不同，BKCa通道是細(xì)胞膜上唯一接受兩種基本信號(hào)胞內(nèi)鈣離子濃度和膜電位雙重調(diào)控的離子通道。當(dāng)細(xì)胞膜發(fā)生去極化或細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度增加時(shí)，BKCa通道開(kāi)放增加發(fā)揮其生理功能。其中胞內(nèi)鈣離子濃度增加包括兩種途徑，其一是通過(guò)細(xì)胞膜上L型電壓門控鈣通道開(kāi)放引起的鈣內(nèi)流，亦稱為電壓依賴性鈣內(nèi)流。其二是通過(guò)肌漿網(wǎng)中鈣離子釋放，亦稱為鈣火花。BKCa通道電壓依賴性激活研究較為深入的為金屬鎂離子[12]，通過(guò)作用于電壓感受域與RCK1接口部位發(fā)揮調(diào)控作用。此外，雌激素、血紅素、一氧化碳、活性氧、脂類及其代謝產(chǎn)物等一些內(nèi)源性信號(hào)分子均可對(duì)BKCa通道發(fā)揮調(diào)控作用[13,14]。

2 BKCa通道調(diào)控血管舒縮機(jī)制

BKCa通道在大動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞及平滑肌細(xì)胞中均有廣泛的分布，其參與大動(dòng)脈的舒縮活動(dòng)涉及一系列信號(hào)通路。Wang等[15]在EEH(一種大韓屬植物提取物)引起內(nèi)皮細(xì)胞依賴的血管舒張機(jī)制研究中發(fā)現(xiàn)，EEH引起的血管舒張與BKCa通道密切相關(guān)，并提出蘇氨酸蛋白激酶（Akt）-內(nèi)皮型一氧化氮合酶（eNOS）-環(huán)磷酸鳥(niǎo)苷（cGMP）和eNOS-一氧化氮（NO）-cGMP兩條信號(hào)通路，其中在eNOS-NO-cGMP信號(hào)通路中，首先EEH引起主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)鈣庫(kù)的釋放以及內(nèi)流鈣離子的增加引起內(nèi)皮細(xì)胞去極化，內(nèi)皮細(xì)胞中鈣離子濃度增加將結(jié)合并激活eNOS，隨之合成NO以自由擴(kuò)散形式穿過(guò)細(xì)胞膜后進(jìn)入平滑肌細(xì)胞結(jié)合并激活可溶性鳥(niǎo)氨酸環(huán)化酶。該酶使得三磷酸鳥(niǎo)苷（GTP）轉(zhuǎn)化為cGMP，cGMP直接激活蛋白激酶G發(fā)揮抑制鈣內(nèi)流并減少鈣對(duì)收縮刺激因素的敏感性從而舒張血管[16]。此外，cGMP也可通過(guò)BK通道直接調(diào)控，引起鉀外流細(xì)胞膜超極化，阻斷電壓依賴鈣通道的開(kāi)放，引起血管平滑肌細(xì)胞內(nèi)鈣濃度下降從而引起血管舒張。同時(shí)，eNOS可由非鈣依賴的通過(guò)激活A(yù)kt-eNOS-cGMP信號(hào)通路，其中Akt表達(dá)于內(nèi)皮細(xì)胞膜，可磷酸化激活eNOS,此通路產(chǎn)生NO后同eNOS-NO-cGMP信號(hào)通路。此外，Lunardi等[17]在新型NO合成研究中亦提出，RUNOCL引起的主動(dòng)脈血管舒張是通過(guò)NO-cGMP依賴的BK通道激活機(jī)制。因此，我們認(rèn)為，在以上兩條信號(hào)通路中NO以及cGMP的含量具有重要的調(diào)節(jié)作用，增加或減少NO、cGMP均可通過(guò)BK通道調(diào)節(jié)血管的舒縮活動(dòng)。Shen等[18]在研究白藜蘆醇引起主動(dòng)脈血管舒張的機(jī)制中亦提出，白藜蘆醇通過(guò)NOGC-cGMP通路增加細(xì)胞內(nèi)cGMP含量同時(shí)，亦可抑制細(xì)胞內(nèi)磷酸二酯酶活性，從而抑制cGMP的降解明顯增加細(xì)胞內(nèi)cGMP含量，調(diào)節(jié)血管張力。除NO和cGMP含量調(diào)控BKCa通道外，Li等[19]在研究西洛他唑通過(guò)BKCa通道引起胸主動(dòng)脈舒張機(jī)制中發(fā)現(xiàn)，西洛他唑通過(guò)增加cAMP含量激活蛋白激酶A（PKA）信號(hào)通路從而激活BKCa通道調(diào)節(jié)血管張力。

2.1 分子生物學(xué)機(jī)制

BK通道由4個(gè)α亞基及4個(gè)β亞基組成，每個(gè)α亞基結(jié)合一個(gè)起調(diào)節(jié)作用的輔助性β亞基形成通道四聚體結(jié)構(gòu)，β亞基的多態(tài)性是構(gòu)成BK通道生物多樣性的基礎(chǔ)，在心血管平滑肌上表達(dá)的主要是β1亞基，由KCNMB1基因編碼，β1亞基可增加BKCa通道對(duì)鈣離子的敏感性，調(diào)控通道的激活，其具體調(diào)控機(jī)制認(rèn)為是增加BKCa通道對(duì)鈣離子的敏感性，使靜息膜電位處于更負(fù)的狀態(tài)更靠近其閾值，減小激活BKCa通道所需的刺激強(qiáng)度。因此,不管是β1亞基質(zhì)或量的改變都將影響B(tài)KCa通道功能，影響其對(duì)血管舒縮功能的調(diào)節(jié)。在引起心血管系統(tǒng)慢性病變常見(jiàn)的疾病中，如高血壓、糖尿病、尿毒癥、動(dòng)脈硬化等疾病中均有報(bào)道血管平滑肌中BKCa通道β1亞基表達(dá)的改變，進(jìn)而影響血管的舒縮活動(dòng)[20-24]。正常細(xì)胞功能的順利進(jìn)行依賴于體內(nèi)蛋白的合成與降解處在一個(gè)平衡狀態(tài)，在哺乳動(dòng)物體內(nèi)細(xì)胞中80%～90%的蛋白降解依賴于泛素蛋白酶體系統(tǒng)（UPS)[25]。Yi等[26]在糖尿病血管平滑肌BKCa通道β1亞基表達(dá)的調(diào)節(jié)中提出，肌環(huán)指蛋白1（MuRF1）參與BKCa通道β1亞基的調(diào)節(jié)，通過(guò)UPS使其降解，其中MuRF1的表達(dá)受NF-κB的調(diào)節(jié)[27]，在糖尿病血管病變中NF-κB表達(dá)上調(diào)通過(guò)MuRF1加速BK β1亞基的蛋白水解作用。此外，眾所周知，在氧化應(yīng)激中，NF-κB復(fù)合體的激活是心血管疾病病理生理中關(guān)鍵的起始環(huán)節(jié)[28-30]。NF-κB復(fù)合 體 是 由 p65（RelA）、RelB、c-Rel、p105/p50（NF-B1）)或 p100/p52（NF-B2）亞基組成，在未受刺激的細(xì)胞，p65（RelA）與抑制性亞基（IκB）結(jié)合，使其在細(xì)胞質(zhì)中保持無(wú)活性狀態(tài)。IκB激酶引起的IκB磷酸化作用使其與p65分離，將促進(jìn)p65與p50或p65與p52聚合促進(jìn)其轉(zhuǎn)錄活動(dòng)[31]。此外，未結(jié)合磷酸化的IκB則被UPS降解，MuRF1就是受NF-κB調(diào)節(jié)的目標(biāo)基因[27]。吳賓等[32]在姜黃素調(diào)控糖尿病小鼠主動(dòng)脈BKCaβ1亞基表達(dá)中亦證實(shí)，糖尿病組MuRF1、NF-κB較對(duì)照組明顯增加。除了NF-κB/MuRF1依賴的β1亞基降解外，Nieves-Cintron等[33]在血管緊張素Ⅱ誘發(fā)的高血壓大鼠模型中發(fā)現(xiàn)，鈣調(diào)磷酸酶/NFATC3信號(hào)通路亦可抑制BKβ1亞基的表達(dá)。當(dāng)BKCa通道β1亞基表達(dá)減少時(shí)，BKCa通道對(duì)鈣離子及膜電壓的敏感性降低，從而影響其對(duì)血管張力的調(diào)節(jié)。

2.2 細(xì)胞電生理機(jī)制

細(xì)胞電生理研究顯示，多種因素可通過(guò)改變BK通道其門控特性而調(diào)節(jié)血管張力，如Zhao等[34]在運(yùn)動(dòng)改變主動(dòng)脈血管平滑肌BK通道門控特性中發(fā)現(xiàn)，定期有氧運(yùn)動(dòng)可顯著增加BK通道開(kāi)放概率，減少平均關(guān)閉時(shí)間，增加平均開(kāi)放時(shí)間，同時(shí)增加其對(duì)鈣離子及電壓的敏感性，但對(duì)其電導(dǎo)及離子選擇性則無(wú)改變。金屬鎂離子亦是通過(guò)改變其門控特性而發(fā)揮作用，Yang等[12]發(fā)現(xiàn)，鎂離子與金屬離子結(jié)合位點(diǎn)相結(jié)合，通過(guò)作用于電壓感受域與RCK1結(jié)構(gòu)域間的接口部位電壓依賴性介導(dǎo)激活BKCa通道；表現(xiàn)為平均開(kāi)放時(shí)間及數(shù)量增加，平均關(guān)閉時(shí)間減少及增加BKCa通道的開(kāi)放概率[14]?？傮w而言，BKCa通道開(kāi)放時(shí)間的延長(zhǎng)以及關(guān)閉時(shí)間的縮短將增加平滑肌細(xì)胞內(nèi)鉀離子的外流，引起細(xì)胞膜超極化，阻斷電壓依賴性鈣通道，導(dǎo)致鈣內(nèi)流減少，從而舒張血管。

3 總結(jié)與展望

BKCa通道在機(jī)體廣泛表達(dá)，參與眾多生理、病理過(guò)程。隨著血管平滑肌細(xì)胞上BKCa通道結(jié)構(gòu)、功能及其調(diào)控機(jī)制研究研究的深入，發(fā)現(xiàn)其與高血壓、糖尿病、動(dòng)脈硬化、腎功能衰竭等一系列心血管危險(xiǎn)因素密切相關(guān)。這些危險(xiǎn)因素通過(guò)一系列途徑及細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制引起血管平滑肌上BKCa通道的表達(dá)以及門控特性的變化，從而引起胞內(nèi)外離子平衡的改變，進(jìn)而導(dǎo)致血管舒縮功能障礙，表現(xiàn)為血管張力的改變，最終加重心血管疾病的發(fā)展。因此，BKCa通道可能是許多心血管疾病潛在的治療靶點(diǎn)，有助于為開(kāi)闊心血管疾病治療提供新思路。