BK通道在神經(jīng)系統(tǒng)中調(diào)控作用的研究進(jìn)展

李珍儀，張玉姣

(新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院 心理學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

大電導(dǎo)鈣激活電壓依賴性的鉀離子通道(large conductance calcium activated voltage-dependent potassium channel，BKCa，BK，KCa1.1，KCNMA1，Slo1)在所有K+選擇性通道中具有最大的單通道電導(dǎo)，能通過膜的去極化或細(xì)胞內(nèi)Ca2+的升高而激活。BK通道可以參與神經(jīng)遞質(zhì)的釋放[1]，另一方面通過參與細(xì)胞動(dòng)作電位復(fù)極化，形成后超極化電位，從而介導(dǎo)細(xì)胞興奮性[2]。在細(xì)胞膜去極化過程中，Ca2+進(jìn)入胞內(nèi)，在去極化和胞內(nèi)鈣濃度較高的雙重條件下，BK通道被激活，形成細(xì)胞動(dòng)作電位的后超極化電位，使電壓依賴的鈣通道關(guān)閉，抑制Ca2+進(jìn)入細(xì)胞，對(duì)胞內(nèi)鈣水平起到負(fù)反饋的作用[3]。因此，BK通道是神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)中重要的參與者之一。BK通道在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中廣泛分布于嗅球、海馬、皮層、丘腦等部位，其表達(dá)與癲癇、腦缺血、精神分裂癥、認(rèn)知功能障礙等中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生密切相關(guān)。本文結(jié)合BK通道對(duì)神經(jīng)細(xì)胞及神經(jīng)系統(tǒng)疾病的調(diào)控，論述BK通道在神經(jīng)系統(tǒng)中的重要作用。

1 中樞神經(jīng)系統(tǒng)中BK通道的定位表達(dá)

1.1 α亞基BK通道的核心孔道是由α亞基組成的四聚體。α亞基廣泛分布于哺乳動(dòng)物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中。在皮層和海馬區(qū)，BK通道α亞基更多地表達(dá)在谷氨酸能突觸上，其海馬錐體神經(jīng)元上α亞基存在于突觸前膜和樹突棘頭部，這與谷氨酸突觸的突觸后膜特化相關(guān)[4-5]。在小腦的蒲肯野細(xì)胞中，BK通道α亞基定位在胞體和突觸外的樹突軸和樹突棘，而不存在于突觸后致密物質(zhì)中[6]。在小腦區(qū)，α亞基更多地表達(dá)在γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)能神經(jīng)末梢[4]。

1.2 β和γ輔助亞基在中樞神經(jīng)系統(tǒng)，BK通道的輔助亞基與α亞基共表達(dá)，通過改變通道 Ca2+、電壓和毒素敏感性或賦予其激活、去激活等動(dòng)力學(xué)特性以增加通道的多樣性。BK通道β1亞基主要在平滑肌細(xì)胞中大量表達(dá)，而β2亞基主要在內(nèi)分泌組織中檢測(cè)到[7]。β4亞基在中樞神經(jīng)系統(tǒng)組織(包括脊椎神經(jīng))中呈高特異性表達(dá)[7-8]。在CA3神經(jīng)元中，β4的表達(dá)水平幾乎高于嚙齒動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的任何神經(jīng)元[9]。β3亞基在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的表現(xiàn)并不突出[7]。BK通道γ3亞基在腦中選擇性密集，而γ1和γ4亞基在腦中表達(dá)較低，γ2亞基基本上不存在于腦組織中[10]。在腦動(dòng)脈肌細(xì)胞中，γ1亞基調(diào)節(jié)BK通道電壓和Ca2+敏感性，有助于降低肌源性張力，促進(jìn)血管舒張[11]。

2 中樞神經(jīng)系統(tǒng)中BK通道對(duì)神經(jīng)元的調(diào)節(jié)作用

2.1 調(diào)節(jié)神經(jīng)放電在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，BK通道通過調(diào)節(jié)細(xì)胞興奮性促進(jìn)動(dòng)作電位復(fù)極化和尖峰頻率相適應(yīng)。在動(dòng)作電位(action potential，AP)中，BK通道在膜去極化過程中被緩慢激活，通過向外的K+電流建立快速后超極化電位(fast after hyperpolarization potential, fAHP)，使膜電位更負(fù)、更慢地回到基線[12]。去極化后膜電位達(dá)到正常靜息電位造成的延遲可導(dǎo)致AP間隔的增加。通過形成動(dòng)作電位，BK通道對(duì)神經(jīng)元放電產(chǎn)生強(qiáng)大的控制作用[13]。另一方面，BK通道影響AP波形及其發(fā)射頻率。在第5層錐體神經(jīng)元中，BK通道在高頻放電過程中抑制了AP的反向傳播，增加了樹突生成的閾值[14]，限制了Ca2+的峰值。因此，在神經(jīng)元中，其他電流和細(xì)胞特異性因子調(diào)節(jié)BK通道可能有助于AP的復(fù)極化或AHP階段，從而參與神經(jīng)放電的調(diào)節(jié)。

2.2 控制神經(jīng)遞質(zhì)的釋放BK通道是突觸前終末釋放神經(jīng)遞質(zhì)的重要組成部分。在動(dòng)作電位過程中，通過膜去極化和細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平升高而激活，導(dǎo)致K+電導(dǎo)增大，進(jìn)而使膜超極化[15]，關(guān)閉Ca2+通道，從而實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元興奮性和Ca2+信號(hào)傳導(dǎo)的負(fù)反饋調(diào)節(jié)[16]。神經(jīng)遞質(zhì)的釋放是由動(dòng)作電位和通過突觸前電壓敏感鈣通道(voltage sensitive calcium channel，VSCC)產(chǎn)生的Ca2+進(jìn)入觸發(fā)的。BK通道與VSCC共定位并通過膜去極化以及胞質(zhì)游離Ca2+的升高而被激活，因此，BK通道是神經(jīng)遞質(zhì)釋放的關(guān)鍵負(fù)調(diào)節(jié)因子。通過這種負(fù)反饋機(jī)制，BK通道調(diào)節(jié)細(xì)胞膜興奮性和細(xì)胞內(nèi)Ca2+信號(hào)。在海馬切片培養(yǎng)中，由BK通道阻斷劑Iberiotoxin或Paxilline阻斷BK通道后增加了CA3錐體神經(jīng)元突觸間谷氨酸釋放的可能性，表現(xiàn)為自發(fā)的興奮性突觸后電流(excitatory postsynaptic current，EPSC)的頻率增加，誘發(fā)EPSC的振幅增加[17]。BK通道活性的增加會(huì)影響動(dòng)作電位持續(xù)時(shí)間并減少突觸前谷氨酸的釋放，研究發(fā)現(xiàn)RimBP2可以在突觸前末端定位BK通道，并使其發(fā)揮適當(dāng)?shù)耐挥|前釋放功能[18]。阻斷BK通道能夠增強(qiáng)突觸前神經(jīng)末梢谷氨酸神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，但是BK通道的抑制并不影響大腦皮層、海馬、小腦GABA的釋放和皮質(zhì)、海馬和下丘腦以及去甲腎上腺素的釋放，提示突觸前BK通道對(duì)各種神經(jīng)遞質(zhì)的釋放有不同的調(diào)節(jié)作用[19]。此外，BK通道與電壓激活鈣通道Cav2.3相互作用和功能偶聯(lián)，提示這兩個(gè)通道在海馬興奮性的形成和信息處理中發(fā)揮協(xié)同作用[20]。因此，BK通道有選擇地調(diào)節(jié)興奮性傳播，在抑制神經(jīng)遞質(zhì)釋放并防止過度興奮方面發(fā)揮重要作用。

3 BK通道對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的調(diào)節(jié)作用

3.1 癲癇癲癇是一種慢性疾病，神經(jīng)興奮過度和過度同步會(huì)產(chǎn)生異常的腦電活動(dòng)，從而導(dǎo)致意識(shí)喪失，肢體僵硬、抽搐或弛緩癥。許多研究表明，BK通道過度興奮可以增加神經(jīng)元興奮性。在癲癇發(fā)作后，BKα和β4亞單位之間的聯(lián)系減弱，導(dǎo)致β4表達(dá)下調(diào)，DG區(qū)神經(jīng)元興奮性活動(dòng)增加[21]。另一方面，基因敲除β4后引發(fā)的由AP觸發(fā)的BK通道電流，與小鼠的放電活動(dòng)增強(qiáng)和自發(fā)性癲癇發(fā)作相關(guān)[22]。在小鼠軀體感覺皮層的2/3錐體神經(jīng)元，通過GABAA受體拮抗劑Picrotoxin誘導(dǎo)的癲癇發(fā)作中，BK通道電流增加了5倍[23]。在癲癇發(fā)作時(shí)神經(jīng)元大量超活化的過程中，BK通道可能作為一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，通過抵消興奮性損傷來保護(hù)神經(jīng)元[12]。由GABAA受體拮抗劑Picrotoxin和Pentylenetetrazole誘發(fā)的癲癇發(fā)作中阻斷BK通道后具有良好的抗驚厥效應(yīng)，而在其誘發(fā)癲癇發(fā)作24 h后的藥物作用尤為顯著[24]。這種誘發(fā)的癲癇導(dǎo)致新皮質(zhì)錐體神經(jīng)元的BK通道功能增強(qiáng)[23]，其增強(qiáng)與體外自發(fā)放電活動(dòng)增加有關(guān)。因此，在藥物誘導(dǎo)癲癇發(fā)作中通過BK通道阻斷劑的應(yīng)用可能使放電活動(dòng)回歸至控制水平，并阻止體內(nèi)癲癇活動(dòng)的發(fā)生[24]。齒狀回顆粒細(xì)胞(dentate gyrus granule cell，GCs)在海馬癲癇的發(fā)生過程中起著重要的作用，在癲癇發(fā)作后24 h，GCs反應(yīng)增加，APs的持續(xù)時(shí)間縮短，fAHP的幅度增大，這與BK通道活性的增強(qiáng)相一致，應(yīng)用BK通道阻斷劑Paxilline和Iberiotoxin，可逆轉(zhuǎn)Pilocarpine誘導(dǎo)GCs癲癇電生理特性的變化[25]。

3.2 腦缺血在血管系統(tǒng)中，BK通道在健康動(dòng)脈血管壁中的平滑肌細(xì)胞(smooth muscle cell，SMC)中表達(dá)，在調(diào)節(jié)肌源性反應(yīng)中起關(guān)鍵作用。細(xì)胞內(nèi)的賴氨酸受體介導(dǎo)的Ca2+激活BK通道對(duì)SMC膜電位產(chǎn)生超極化影響，從而降低電壓依賴性Ca2+通道的活性，限制Ca2+內(nèi)流，促進(jìn)SMC血管舒張功能[26]。過量的Ca2+流入細(xì)胞是缺血性腦卒中的主要病理生理機(jī)制之一。BK通道通過細(xì)胞膜去極化或細(xì)胞內(nèi)Ca2+的增加而被激活，其激活可以防止過度的Ca2+積累和異常的谷氨酸釋放[27-28]。因此，BK通道可以作為保護(hù)缺血性腦卒中的靶點(diǎn)之一[29]。大量證據(jù)表明，BK通道對(duì)缺血性腦卒中具有神經(jīng)保護(hù)作用，例如在大鼠缺血性腦卒中模型中，應(yīng)用BK通道開放劑后大腦中動(dòng)脈阻塞大鼠皮層梗死體積的減少[30-31]，同時(shí)BK通道參與乙醇介導(dǎo)的I/R效應(yīng)，發(fā)揮其神經(jīng)保護(hù)機(jī)制[32]。另一方面缺血損傷時(shí)阻斷BK通道可能會(huì)促進(jìn)細(xì)胞膜去極化，從而使N-甲基-D-天冬氨酸受體相關(guān)通道激活，引發(fā)興奮性毒性的產(chǎn)生[33]。這進(jìn)一步提示了BK通道活性在神經(jīng)保護(hù)中的作用。

3.3 精神分裂癥精神分裂癥(schizophrenia，SZ)是一種常見的嚴(yán)重精神疾病。有研究發(fā)現(xiàn)，多巴胺、5-HT和GABA在內(nèi)的神經(jīng)遞質(zhì)與SZ病因和病理有關(guān)[34]。證據(jù)表明，鈣激活鉀大電導(dǎo)通道，即BK通道，可能與SZ有關(guān)[35]。BK通道是一類離子通道，在調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性和遞質(zhì)釋放方面起著重要作用[36]。在臨床治療中常用的抗精神病藥在中樞神經(jīng)元的傳導(dǎo)過程中起到調(diào)節(jié)作用。研究表明，鉀通道開放劑二氮嗪可能是一種有效治療精神分裂癥佐劑的藥物[37]。另外，雌激素調(diào)節(jié)BK通道活性和多巴胺能D2受體，具有抗精神病作用[38]。因此，BK通道可能在SZ中發(fā)揮作用，而那些能夠靶向BK通道功能或其表達(dá)的藥物可能有助于SZ的治療。

3.4 認(rèn)知障礙與BK通道相關(guān)的另一種精神障礙為認(rèn)知障礙。BK通道在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中廣泛存在，尤其在海馬中高度表達(dá)。用Paxilline阻斷BK通道介導(dǎo)的fAHP，可在體外增加誘發(fā)的觸發(fā)頻率，在體內(nèi)增加自發(fā)的錐體神經(jīng)元活動(dòng)，這些都與學(xué)習(xí)密切相關(guān)。BK通道被阻斷可導(dǎo)致大鼠在眨眼調(diào)節(jié)過程中海馬依賴性學(xué)習(xí)功能受損[39]。BK通道在小腦中大量表達(dá)，其功能的缺失導(dǎo)致小腦共濟(jì)性失調(diào)，伴有肌肉震顫、步態(tài)異常及運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)障礙[40]。研究發(fā)現(xiàn)，Thalidomide引起的認(rèn)知功能障礙中BK通道功能亢進(jìn)，而阻斷BK通道后認(rèn)知功能得到修復(fù)[41]。BK通道缺陷與智力遲滯、自閉癥和精神分裂癥有關(guān)。脈前抑制障礙是這些精神障礙的常見癥狀之一。在介導(dǎo)前脈沖抑制學(xué)習(xí)的機(jī)制中，BK通道起著至關(guān)重要的作用[42]。另一方面BK通道阻斷劑 Paxilline可改善crbn KO小鼠空間記憶的缺陷[43]。因此，BK通道在關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)機(jī)制方面起關(guān)鍵作用，未來BK通道可以成為開發(fā)用于增強(qiáng)認(rèn)知功能的關(guān)鍵靶點(diǎn)。

4 結(jié)語

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，BK通道可以影響動(dòng)作電位的形狀、頻率和傳播以及突觸前末梢神經(jīng)遞質(zhì)的釋放；也能直接影響基因的表達(dá)轉(zhuǎn)錄和神經(jīng)元形態(tài)結(jié)構(gòu)。BK通道不僅直接作用于神經(jīng)元的調(diào)節(jié)，還控制神經(jīng)元中Ca2+依賴性變化，例如激酶活化，基因轉(zhuǎn)錄和突觸可塑性。因此，BK通道在神經(jīng)活動(dòng)中扮演著重要的角色。另一方面，BK通道在神經(jīng)系統(tǒng)中的病理意義也十分廣泛，越來越多的研究證實(shí)BK通道參與了多種疾病的發(fā)生與演變，未來應(yīng)從不同的機(jī)制和不同的方向來分析和研究其作用機(jī)制，從而為生理基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用提供更多的思路與依據(jù)。