TWIK相關(guān)性酸敏感鉀離子通道與疾病研究進(jìn)展

聞 璐 姚曉光 李南方

雙孔鉀通道(K2p)是背景鉀通道或漏鉀通道，即改變鉀背景電流可以調(diào)節(jié)細(xì)胞膜電位和電阻，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞的興奮性和反應(yīng)性，可由不同類型的G蛋白偶聯(lián)受體的調(diào)節(jié)。雙孔鉀通道是由兩個亞單位組成的雙聚體結(jié)構(gòu)，每個亞單位含有4個跨膜區(qū)(TM1～TM4)，其中TM1與TM2、TM3與TM4之間形成2個孔道(P1和P2)，組成4TM/2P的結(jié)構(gòu)。隨著研究不斷深入，根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)可被劃分為6個亞類[1]。從人類腎臟中克隆到對生理范圍內(nèi)細(xì)胞外pH值變化具有極高敏感性的雙孔鉀通道，命名為TWIK相關(guān)性酸敏感鉀離子通道，包括TWIK相關(guān)性酸敏感鉀離子通道1(TWIK-related acid-sensitive K+channel-1, TASK-1, KCNK 3, K2p3.1)、TWIK相關(guān)性酸敏感鉀離子通道3(TWIK-related acid-sensitive K+channel-3, TASK-3, KCNK 9, K2p9.1)和TWIK相關(guān)性酸敏感鉀離子通道5(TWIK-related acid-sensitive K+channel-5, TASK-5, KCNK 15, K2p15.1)。TASK-3是從大鼠小腦克隆并且發(fā)現(xiàn)與TASK-1具有55%～60%的序列同一性。其中TASK-1和TASK-3構(gòu)成了大部分pH值敏感的鉀電導(dǎo)，這些通道在結(jié)構(gòu)上與酸中毒有關(guān)并受到抑制，在許多生理病理過程均有參與。TASK-5進(jìn)入TASK亞家族主要是基于結(jié)構(gòu)相似性。與TASK-1和TASK-3通道相反，TASK-5不能在功能上表達(dá)，盡管其mRNA在個別組織中大量表達(dá)，但是可能需要一些其他未確定的伙伴亞基在質(zhì)膜或細(xì)胞器中形成功能通道，其相關(guān)研究報道也很少。因此，本文就TASK-1、TASK-3及其表達(dá)產(chǎn)物與疾病的相關(guān)研究進(jìn)展做一綜述。

一、TASK-1、TASK-3的分布與調(diào)節(jié)

TASK-1、TASK-3廣泛表達(dá)于各個組織，例如大腦皮質(zhì)、腦干前包氏復(fù)合體、視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞、頸動脈體、舌下神經(jīng)核、腎上腺皮質(zhì)、心房、棕色脂肪及癌癥中等[2]。TASK-1和TASK-3蛋白約有60%的氨基酸同源性，在鉀傳導(dǎo)、成孔、膜結(jié)合結(jié)構(gòu)域的相似性最高。TASK-1、TASK-3通道能被體內(nèi)外的許多生理和病理因素所調(diào)節(jié)，TASK通道幾乎不依賴電壓，對各種神經(jīng)遞質(zhì)、藥物化合物(即揮發(fā)性麻醉藥)和物理化學(xué)因素(溫度、pH值、氧分壓、CO2分壓、滲透壓、Zn2+等)都很敏感,而經(jīng)典的鉀離子通道阻滯劑對其無影響。TASK鉀通道電導(dǎo)受細(xì)胞外酸性pH值的抑制，是由兩個TASK-1亞基、兩個TASK-3亞基或一個TASK-1和一個TASK-3亞基組成的同源或異二聚體通道，它們有不同的pH值敏感性,其酸敏感性主要是由大胞外環(huán)/螺旋蓋區(qū)域的組氨酸殘基的質(zhì)子化引起,缺乏一個或兩個TASK通道的敲除小鼠表現(xiàn)出多種表型，包括頸動脈體化學(xué)感受受損，睡眠破碎、抗抑郁行為、原發(fā)性醛固酮增多癥、低腎素原發(fā)性高血壓、心臟傳導(dǎo)和復(fù)極異常、癲癇及肺動脈高壓等[3，4]。另外，TASK通道在基因研究中也有報道。在一項全基因組關(guān)聯(lián)研究中，人類TASK-1的失活突變與家族性肺動脈高壓相關(guān)和房性心律失常有關(guān)[4，5]。TASK-3基因770G>A突變使通道活性降低進(jìn)而改變神經(jīng)元發(fā)育，產(chǎn)生以智力遲鈍、低肌張力和面部畸形為特征的Birk Barel綜合征[6]。

二、TASK-1和TASK-3與相關(guān)疾病

1.TASK-1和TASK-3與中樞神經(jīng)系統(tǒng)：TASK通道遍布全身，尤其在大腦，影響多種神經(jīng)元功能。TASK鉀通道可能通過調(diào)節(jié)膜電位和動作電位穩(wěn)定細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度而有助于皮層錐體神經(jīng)元的遷移。Meuth等[7]在小鼠腦片上發(fā)現(xiàn)pH值降低和O2剝奪抑制了K2p3.1(TASK-1)和K2p9.1(TASK-3)通道，這些通道的藥理學(xué)阻斷導(dǎo)致小鼠大腦中動脈短暫閉塞模型的梗死面積增加，最近在對K2p3.1和K2p9.1基因敲除小鼠的單獨(dú)研究中，K2p3.1基因敲除小鼠在腦缺血后表現(xiàn)出更大的梗死，而K2P9.1基因敲除小鼠中梗死體積沒有顯著變化[8]。TASK通道可能是保護(hù)神經(jīng)組織免受缺血損傷的一個新的治療靶點(diǎn)。有研究證明孕酮對腦缺血再灌注損傷有保護(hù)作用，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)其可能通過上調(diào) TASK-3 通道蛋白的表達(dá)，降低神經(jīng)細(xì)胞的興奮性和腦缺血再灌注傷后鉀離子依賴性凋亡， 從而改善腦缺血再灌注損傷后的病死率、神經(jīng)功能缺陷評分和腦梗死體積。Na等[9]發(fā)現(xiàn)機(jī)械通氣下調(diào)大鼠腦干TASK-1通道水平，其影響似乎與潮氣量水平呈正相關(guān)，表明機(jī)械通氣對呼吸中樞有影響，可能通過增加神經(jīng)元興奮性而對其造成損害。TASK通道可能同時具有抗癲癇以及促癲癇潛能，這些相反影響的相對貢獻(xiàn)取決于它們的細(xì)胞類型特異性表達(dá)和細(xì)胞環(huán)境的確切條件。

相關(guān)文獻(xiàn)報道麻醉藥物對TASK通道有一定影響。TASK-1和TASK-3通道對丘腦皮質(zhì)中繼神經(jīng)元的麝香堿和氟烷敏感電導(dǎo)有一定的作用，從而促進(jìn)了睡眠-覺醒周期所觀察到的丘腦皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)活動模式的改變和吸入麻醉劑的應(yīng)用[10]。Conwan等[11]研究與野生型對照小鼠比較，TASK-3基因敲除小鼠需要增加揮發(fā)性麻醉以減少意識喪失和不動性，更容易失去知覺，并且在沒有麻醉的情況下，顯示零散的睡眠。在TASK-1和TASK-3基因敲除小鼠中，TASK-1電流明顯減小，異氟烷和氟烷對細(xì)胞的超極化作用也減弱，相應(yīng)的催眠、鎮(zhèn)靜和制動等麻醉效應(yīng)也減小。TASK通道可能是吸入麻醉藥腦缺血再灌注損傷保護(hù)作用的重要作用靶點(diǎn)之一。另外，用抗抑郁藥氟西汀治療野生動物可明顯減少REM睡眠，同時保持活動清醒和慢波睡眠相對完整，而缺乏TASK-3的動物沒有進(jìn)一步展現(xiàn)。TASK-3可能直接參與氟西汀作用的機(jī)制，但TASK-3仍然可能通過平行途徑起作用，其中TASK-3活性喪失以類似于抗抑郁藥的方式影響REM，因為即使在不存在藥物的情況下TASK-3敲除的基線REM水平也降低。

2.TASK-1和TASK-3與呼吸系統(tǒng):TASK通道對缺氧及高碳酸血癥十分敏感。動物實(shí)驗發(fā)現(xiàn)自發(fā)呼吸暫停指數(shù)與TASK-1和ATSK-3蛋白表達(dá)量的比值(TASK-1/TASK-3)呈正相關(guān)[12]。同時間歇性缺氧伴高碳酸血癥可上調(diào)TASK-1和TASK-3的表達(dá)。據(jù)報道，在TASK-1敲除和TASK-1/3雙敲除小鼠中發(fā)現(xiàn)低氧誘導(dǎo)的通氣功能受損，觀察到呼吸頻率降低，以及在這些基因敲除模型中缺少呼氣時間的縮短，TASK-1和TASK-3似乎是其中的關(guān)鍵[13]。TASK-1的敲除削弱了對缺氧的通氣反應(yīng)，并且在體外抑制了對缺氧的化學(xué)傳入(頸動脈竇神經(jīng))反應(yīng)。TASK-1和TASK-3的雙重敲除類似地降低了對低氧的通氣和化學(xué)感受器神經(jīng)反應(yīng)，但并沒有完全消除，而TASK-3的敲除對低氧的通氣反應(yīng)沒有影響[3]。關(guān)于TASK-1和TASK-3通道對高碳酸血癥的作用的文獻(xiàn)有爭議。有文獻(xiàn)證明TASK-1和TASK-3通道都沒有參與中心二氧化碳化學(xué)傳感[14]。Buehler等[13]報道TASK-1/3敲除小鼠在5%CO2的作用下反應(yīng)正常，當(dāng)CO2逐步增加時，TASK-1/3敲除小鼠在低CO2濃度(1%～4%)下的反應(yīng)較小，而在高濃度(5%～6%CO2)時則有很強(qiáng)的增加。另外，體外實(shí)驗中觀察到TASK-1/3敲除小鼠的頸動脈體與TASK-1或TASK-3敲除的野生型小鼠比較，100% O2顯著增加了單化學(xué)傳入纖維的激發(fā)速率和頸動脈竇神經(jīng)的活性，推測TASK-1和TASK-3的聯(lián)合敲除而引起的頸動脈體功能紊亂與高氧引起的呼吸刺激有關(guān)。在高血壓大鼠中，頸動脈體的球細(xì)胞對低pH值有高度的反應(yīng)，這與TASK-1表達(dá)的增加是一致的。這種增加的TASK-1功能表達(dá)有助于增加交感神經(jīng)活動，這一現(xiàn)象可能與高血壓的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。

3.TASK-1和TASK-3與心房顫動:TASK-1 mRNA在大鼠、小鼠和人的心臟中廣泛存在，且在右心房表達(dá)最高，TASK-1相對于TASK-3的分布更為豐富。TASK-1通道是心肌的背景電流的組成部分，在心房心肌細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能起關(guān)鍵作用。TASK-1在心房顫動中的作用研究較多。Schmidt等[15]報道，心房顫動患者心房組織中編碼TASK-1的基因上調(diào)，同時伴有電流增加，而Harleton等[16]報告，盡管通道蛋白的表達(dá)沒有變化，但電流減少了，發(fā)現(xiàn)TASK-1通道蛋白的強(qiáng)烈磷酸化，伴隨著通道功能受損，可以通過激活磷酸酶來挽救，這表明心房顫動引起的這種電流的電重構(gòu)涉及調(diào)控過程而不是基因表達(dá)的變化。慢性TASK-1抑制導(dǎo)致右心室纖維化顯著增加和IL-6的過量產(chǎn)生，心肌收縮力降低及肺血管重塑，可能導(dǎo)致右心室功能損失[17]。 許多臨床使用和實(shí)驗性抗心律失常藥物是TASK-1通道阻滯劑，可通過作用于平臺期的外向 TASK-1 電流而發(fā)揮作用，發(fā)現(xiàn)胺碘酮可抑制 TASK-1 電流，且這種抑制作用具有劑量依賴性，猜測胺碘酮抗的抗心律失常的作用可能與TASK-1電流受抑制有關(guān)。Kv1.5阻滯劑，如ave 0118和ave 1231，是抗心房顫動或阻塞性睡眠呼吸暫停的有效藥物，實(shí)際上是有效的TASK-1阻滯劑。這些阻滯劑對TASK-1通道的親和力更高，提示TASK-1可能是Kv1.5阻滯劑治療心房顫動或阻塞性睡眠呼吸暫停的未被識別的分子靶點(diǎn)，因此，這些化合物阻斷TASK-1通道可能有助于這些藥物的臨床療效[18]。

4.TASK-1和TASK-3與腎上腺皮質(zhì)激素：腎上腺皮質(zhì)激素分泌的生理調(diào)控依賴于鉀通道的功能，TASK-1、TASK-3在腎上腺皮質(zhì)細(xì)胞中強(qiáng)烈表達(dá)。它們賦予這些細(xì)胞背景的鉀電導(dǎo)，這對于鉀的敏感性以及血管緊張素Ⅱ和促腎上腺皮質(zhì)激素依賴性刺激醛固酮和皮質(zhì)醇的合成都很重要。TASK-1和TASK-3具有不同的功能：TASK-1影響細(xì)胞分化，阻止束狀帶中醛固酮合成酶的表達(dá)，而TASK-3控制腎小球細(xì)胞醛固酮的分泌[19]。

TASK-1與TASK-3雙基因敲除雄性小鼠被認(rèn)為與原發(fā)性醛固酮患者有非常相似的臨床表現(xiàn)，同樣9%～37%的原發(fā)性醛固酮增多癥患者存在低鉀血癥[20]。TASK-1和TASK-3基因敲除小鼠的腎上腺有正常的組織學(xué)特征，但球狀帶細(xì)胞缺乏TASK電流，且細(xì)胞膜有去極化，醛固酮分泌異常增高。David等發(fā)現(xiàn)，在正常鹽飲食，野生型小鼠和敲除基因小鼠動物之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義，增加ANCL濃度至8%在飲食中1周，對野生型小鼠收縮壓無影響，而在TASK-3基因敲除小鼠發(fā)現(xiàn)收縮壓增加大概10mmHg(1mmHg=0.133kPa)，表現(xiàn)為鹽敏感性高血壓。Guagliardo等[21]研究發(fā)現(xiàn)TASK-3基因敲除小鼠可出現(xiàn)人類原發(fā)性低腎素型高血壓的主要特點(diǎn),表明TASK通道活性缺失可能是促進(jìn)低腎素型高血壓發(fā)展的機(jī)制之一。增加TASK通道活性的藥物可能是降低醛固酮水平的一種新的治療途徑，它與現(xiàn)有的鹽皮質(zhì)激素受體阻滯劑一起，可以減輕醛固酮過量導(dǎo)致的高血壓和心臟病的靶器官損害。

5.TASK-1和TASK-3與炎癥和免疫調(diào)節(jié):人類、大鼠、小鼠的T淋巴細(xì)胞均有TASK-3的表達(dá)，TASK通道在調(diào)節(jié)T淋巴細(xì)胞的膜電位和體內(nèi)外免疫調(diào)節(jié)方面起著重要作用，參與了T細(xì)胞的增殖和細(xì)胞因子的產(chǎn)生，因此可能成為自身免疫性疾病藥理方法的一個有趣的新的分子靶點(diǎn)。腫瘤壞死因子α(TNF-α)是最常見的炎性因子之一，TNF-α可能是導(dǎo)致鉀外流的神經(jīng)元內(nèi)鉀穩(wěn)態(tài)變化的中介因素，結(jié)合鉀外流增加，促進(jìn)細(xì)胞凋亡。文獻(xiàn)報道TNF-α主要通過激活A(yù)SK 1，并隨后刺激P38和JNK激酶，從而使TASK-3通道活性增加，但TASK-3通道的C端缺失可阻斷TNF-α的作用[22]。當(dāng)pH值從7.4降低到6.4時，TNF-α介導(dǎo)的TASK-3電流增強(qiáng)被完全廢除，表明TNF-α和通道的pH值調(diào)節(jié)相互作用，但酸性pH值不會干擾導(dǎo)致TNF-α增強(qiáng)的通路，而只是作用于TASK-3通道的水平，從而改變和克服TNF-α的作用。

6.TASK-1和TASK-3與腫瘤：鉀通道在與腫瘤進(jìn)展相關(guān)的細(xì)胞行為中起著重要作用，包括調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、遷移、凋亡和血管生成。研究發(fā)現(xiàn)，在髓母細(xì)胞瘤細(xì)，艾氏腹水腫瘤細(xì)胞和N2A成神經(jīng)細(xì)胞瘤細(xì)胞、非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞可檢測到功能性TASK-1[23]。TASK-3通道基因也已確定在乳腺癌、結(jié)腸癌、惡性黑色素瘤、肺癌等中過度表達(dá)，TASK-3的致癌效應(yīng)可能與其對氧的反應(yīng)能力有關(guān)，尤其與腫瘤病理有關(guān)，因為實(shí)體腫瘤的氧合能力較差。文獻(xiàn)表明TASK-3細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域的具有高親和力的單克隆抗體(Y4)通過誘導(dǎo)內(nèi)化機(jī)制選擇性和有效地抑制TASK-3的功能，能有效抑制小鼠中人肺癌異種移植物和乳腺癌轉(zhuǎn)移的生長，發(fā)現(xiàn)了TASK-3在促進(jìn)癌細(xì)胞存活和生長中的關(guān)鍵作用，并且基于單克隆抗體的TASK-3靶向在治療原發(fā)性腫瘤和轉(zhuǎn)移中具有治療前景，通過抑制TASK-3通道功能或激活抗-腫瘤免疫反應(yīng)[24]。

三、展 望

研究顯示TASK通道在調(diào)節(jié)動脈張力、胃腸道肌肉、乙醇致畸治療、抗艾滋病傳播等方面可能存在某些作用。綜上所述，TASK通道廣泛的表達(dá)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周組織，它參與維持細(xì)胞膜的靜息電位和調(diào)節(jié)細(xì)胞的興奮性，在不同的組織細(xì)胞中，它有著不同的重要生理功能，而相關(guān)藥物治療研究知之甚少。相信隨著對TASK-1和TASK-3研究的不斷深入，其更多生理功能和疾病的關(guān)系將得到進(jìn)一步闡明，將有望成為新的藥物治療靶點(diǎn)。