線粒體大電導(dǎo)鈣離子激活鉀通道的研究進(jìn)展

肖雯婧，侯 君，呼永河

線粒體由內(nèi)外兩層膜封閉而成，其中線粒體內(nèi)膜作用極為重要，呼吸鏈蛋白復(fù)合體附著于線粒體內(nèi)膜，同時于此完成其生理功能。目前，線粒體內(nèi)膜已鑒定出多種鉀離子通道蛋白，如線粒體選擇性鉀離子通道，包括ATP依賴鉀通道（mitoKATP）、電壓依賴性鉀通道（mitoKv 1.3）、小電導(dǎo)鈣離子激活鉀通道(mitoSKCa)、中電導(dǎo)鈣離子激活鉀通道(mitoIKCa)、大電導(dǎo)鈣離子激活鉀通道（mitoBKCa）、pH 依賴鉀離子通道(mitopH-sensitive K+channels)以及TASK-3雙孔鉀通道（mitoTASK-3）[1-2]。 其中，Xu 等[3]于 2002 年首次發(fā)現(xiàn)mitoBKCa在心血管疾病中扮演著極為重要的角色。隨著對mitoBKCa研究的深入，發(fā)現(xiàn)mitoBKCa在細(xì)胞凋亡等多種生理、病理活動中也起著重要作用[4]。筆者對mitoBKCa結(jié)構(gòu)與功能研究的進(jìn)展進(jìn)行一個簡要總結(jié)。

1 mitoBKCa的生物物理性質(zhì)

Siemen等[5]于膠質(zhì)瘤細(xì)胞LN-229中首次發(fā)現(xiàn)線粒體內(nèi)膜上BKca（mitoBKCa）的存在，后續(xù)研究也指出 BKca在膠質(zhì)瘤細(xì)胞增殖、分化及侵襲轉(zhuǎn)移中起著關(guān)鍵作用[6]。隨后研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞膜表面BKca與線粒體BKca形成孔區(qū)的а亞基均由Kcnma1基因編碼而成，其中外顯子DEC是BKca蛋白鉚釘至線粒體膜表達(dá)的關(guān)鍵基因[7-8]。mitoBKCa具有與BKca相似的生物物理學(xué)性質(zhì)，包括對鉀離子具有大的電導(dǎo)作用、對電壓和鈣離子濃度敏感等[9]。但二者也表現(xiàn)出顯著差異。 LN-229 細(xì)胞中，mitoBKCa的電導(dǎo)率為（199±8）pS，而BKca為（278±10）pS。并且二者對電壓和鈣離子濃度的敏感性也不同[10]。mitoBKCa在不同細(xì)胞系中對電壓和鈣離子濃度敏感度也存在差異，如心肌細(xì)胞中mitoBKCa在鈣離子濃度為 0.5 μM的條件下，對-60 mV～+60 mV范圍內(nèi)電壓均呈高敏感性（離子通道開放率為90%）[3]。而在膠質(zhì)瘤細(xì)胞中，mitoBKCa在鈣離子濃度1 μM的條件下，當(dāng)電壓高達(dá)41 mV時，離子通道開放率也僅為為50%[5]。而BKCa也表現(xiàn)出類似情況[11-12]。這種差異可能與BKCa及mitoBKCa存在多種亞型，且在不同細(xì)胞中的生理功能不同有關(guān)。

2 mitoBKCa的結(jié)構(gòu)與功能

BKCa由形成孔區(qū)的α亞基以及輔助性β和γ亞基組成。研究顯示，心肌病變會引起心肌鉀離子通道m(xù)RNA和蛋白表達(dá)均出現(xiàn)不同程度的降低，說明心肌病變可引起離子通道重構(gòu)[13]。其中β亞基已經(jīng)在多種細(xì)胞線粒體上BKca中發(fā)現(xiàn)，但是γ亞基尚無明確證據(jù)顯示其是否參與構(gòu)成mitoBKCa。β1亞基首次分離于大鼠心室肌細(xì)胞線粒體內(nèi)膜。細(xì)胞膜BKcaβ1亞基激動劑雌二醇可增強(qiáng)大鼠心室肌細(xì)胞mitoBKCa活性，進(jìn)一步證明β1亞基是mitoBKCa的輔助性亞基之一。同時也提示，與細(xì)胞膜BKcaβ1亞基相似，mitoBKCaβ1亞基與心肌功能密切相關(guān)。另有研究顯示，β1亞基直接作用于細(xì)胞色素C氧化酶，說明β1亞基與呼吸鏈密切相關(guān)[14-15]；mitoBKCaβ1亞基在 11,12-環(huán)氧二十碳烯酸誘導(dǎo)肺動脈平滑肌收縮的過程中扮演著重要角色[16]。同時，肺動脈高壓(PAH)可引起線粒體功能紊亂，從而抑制mitoBKCa的功能[17]。腦組織中mitoBKCaβ2亞基和β4亞基發(fā)現(xiàn)于大腦網(wǎng)狀核細(xì)胞及腦橋細(xì)胞線粒體中[18]。Skalska等[19]在大腦海馬神經(jīng)元細(xì)胞中觀察到β4亞基的存在。更為重要的是，β4亞基與神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞病變密切相關(guān)。實驗證明，正常神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞線粒體未檢測到β4亞基存在，而神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞（U-87MG）線粒體內(nèi)膜該亞基高度表達(dá)。藍(lán)色非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳(BN-PAGE)證明，U-87MG細(xì)胞中β4亞基可與細(xì)胞色素C氧化酶形成復(fù)合物，從而影響U-87MG細(xì)胞中線粒體的功能[18,20]。以上研究說明，線粒體BKCa輔助β亞基與細(xì)胞膜表面BKCa輔助β亞基相似，具有組織特異性，而其在各組織中的具體功能還需要進(jìn)一步的實驗說明。

3 mitoBKCa與活性氧簇（ROS）產(chǎn)生的關(guān)系

研究證明，mitoBKCa是保護(hù)心肌缺血再灌注損傷的重要靶點之一[21-22]，而該保護(hù)作用極有可能是通過調(diào)控線粒體內(nèi)ROS的產(chǎn)生來完成。研究發(fā)現(xiàn)，mitoBKCa對ROS生成的調(diào)控作用可能與其生成機(jī)制相關(guān)。目前研究認(rèn)為，增加線粒體ROS生成主要通過兩種方式：（1）阻斷線粒體復(fù)合物I NADH脫氫酶系電子流；（2）誘導(dǎo)產(chǎn)生線粒體復(fù)合物Ⅱ到復(fù)合物I的反向電子流，而ROS產(chǎn)生的位置均為復(fù)合物I[23-25]。當(dāng)采用反向電子流誘導(dǎo)心肌細(xì)胞線粒體復(fù)合物I大量生成ROS時，通過加入mitoBKCa特異性激動劑NS1619刺激mitoBKCa開放，可顯著抑制ROS的產(chǎn)生；而加入mitoBKCa抑制劑Paxilline抑制mitoBKCa開放，可增強(qiáng)ROS產(chǎn)生。但是，當(dāng)采用魚藤酮抑制線粒體復(fù)合物I的電子傳遞從而誘導(dǎo)大量ROS產(chǎn)生時，結(jié)果與之前相反，mitoBKCa開放ROS生成增加，而mitoBKCa關(guān)閉ROS生成下降[26-27]。

4 mitoBKCa與線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔(mPTP)的關(guān)系

mPTP開放是引起線粒體死亡的關(guān)鍵事件。應(yīng)激狀態(tài)下，mPTP開放允許小分子物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，從而引起線粒體基質(zhì)蛋白的滲透壓升高，基質(zhì)水腫、外膜損傷，最終導(dǎo)致大量凋亡因子釋放致使細(xì)胞死亡[28-29]。保持mPTP關(guān)閉的關(guān)鍵因素是線粒體內(nèi)鈣容量（CRC）及細(xì)胞內(nèi)ROS水平，mitoBKCa與二者均有密切聯(lián)系。通過測定線粒體內(nèi)CRC，研究者發(fā)現(xiàn)mitoBKCa激動劑NS1619對心肌的保護(hù)作用可能是通過mitoBKCa開放增加CRC獲得的。而BKCa敲除后，NS1619對心肌細(xì)胞無保護(hù)作用[4]。該結(jié)果說明，mitoBKCa開放可能抑制線粒體mPTP開放，從而起到細(xì)胞作用。星形膠質(zhì)細(xì)胞中，Bax可抑制mitoBKCa活性，同時引起mPTP開放并釋放細(xì)胞色素酶C。但是，當(dāng)阻斷mitoBKCa后，Bax引起mPTP開放的現(xiàn)象消失。因此，研究者推測Bax通過抑制mitoBKCa從而引起mPTP開放[30]。mitoBKCa同樣參與CRC調(diào)控的mPTP開放。采用BKCa特異性抑制劑IbTx抑制小鼠膠質(zhì)瘤GL261細(xì)胞mitoBKCa，CRC下降，線粒體去極化，最終引起mPTP開放，大量細(xì)胞色素c釋放，細(xì)胞凋亡[31]。

5 mitoBKCa與組織低氧的關(guān)系

人體在外傷、組織壞死及腫瘤等多種病理情況下，其組織或細(xì)胞處于低氧狀態(tài)。低氧導(dǎo)致一系列細(xì)胞信號通路發(fā)生級聯(lián)改變，從而引起細(xì)胞的生長、增殖或死亡[32]。研究顯示，mitoBKCa在低氧引起的級聯(lián)信號通路改變中扮演著極為重要的角色。Chen等[25]指出，低氧環(huán)境可誘導(dǎo)mitoBKCa開放，導(dǎo)致mPTP關(guān)閉，從而起到保護(hù)細(xì)胞的作用。而低氧狀態(tài)誘導(dǎo)mitoBKCa開放的具體機(jī)制，可能為細(xì)胞內(nèi)低氧誘導(dǎo)血紅素氧化酶-1與線粒體膜表面結(jié)合后介導(dǎo)完成。但是，其具體作用方式尚需進(jìn)一步實驗證明[33-34]。

6 結(jié)語

自mitoBKCa被發(fā)現(xiàn)以來，已證明mitoBKCa具有與細(xì)胞膜表面BKCa相似的結(jié)構(gòu)與生物物理性質(zhì)，兩者а亞基均由Kcnma1基因編碼而成。因mitoBKCa參與調(diào)控mPTP、ROS及組織低氧相關(guān)細(xì)胞信號通路，逐步受到研究者的重視。隨著研究的深入，mitoBKCa被認(rèn)為與細(xì)胞膜BKCa一樣，可能成為腫瘤治療、逆轉(zhuǎn)腫瘤耐藥、保護(hù)心腦血管等多種疾病的治療靶點[35-36]。但對其研究仍有很多不明之處，如其是否存在γ亞基、在不同組織生理或病理下其具體作用為何等。相信隨著分子生物學(xué)技術(shù)及實驗條件的不斷發(fā)展，對mitoBKCa將會有更深入的了解，其在疾病診斷及治療中將會發(fā)揮更重要的作用。