糖尿病對冠狀動脈鉀離子通道的影響及意義?

鹿存玉 錢玲玲 王如興

冠狀動脈舒縮功能障礙是糖尿病心血管系統(tǒng)并發(fā)癥的重要原因,越來越多的研究表明,糖尿病時冠狀動脈鉀離子通道發(fā)生改變,這些變化在糖尿病冠狀動脈舒縮功能障礙中發(fā)揮重要作用[1],但其機(jī)制尚不明確。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)冠狀動脈平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞上主要存在四種鉀離子通道:電壓依賴性鉀離子通道(KV)、鈣依賴性鉀通道(KCa)、內(nèi)向整流性鉀離子通道(Kir)和三磷酸腺苷敏感性鉀通道(KATP)。筆者綜述糖尿病時這四種鉀離子通道的變化及其臨床意義。

1 KV 通道的變化及調(diào)控機(jī)制

活性氧簇(ROS)的過量產(chǎn)生是糖尿病的重要病理改變,與糖尿病的發(fā)生發(fā)展具有密切關(guān)系。研究表明,ROS可以直接或間接對KV通道的功能產(chǎn)生影響[2]。

有研究發(fā)現(xiàn),與非糖尿病大鼠相比,鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠冠狀動脈對KV通道阻滯劑4-氨基吡啶(4-AP)的收縮反應(yīng)減弱,對KV通道激動劑Forskolin誘發(fā)的K＋電流增加幅度顯著降低,而氧自由基清除劑及還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶抑制劑可以部分改善該進(jìn)程[3]。這說明糖尿病時冠狀動脈KV通道功能受損,且NADPH 氧化酶誘導(dǎo)產(chǎn)生的O2－自由基可能是致冠狀動脈功能受損的關(guān)鍵因素。

ROS影響冠狀動脈KV通道的機(jī)制復(fù)雜多樣,可通過直接修飾KV通道復(fù)合體中特定的半胱氨酸、蛋氨酸、組氨酸和酪氨酸殘基而調(diào)節(jié)KV通道功能[4],且這種氧化修飾對KV通道的影響是雙向的,即在生理狀態(tài)下氧化修飾可以增加KV通道的開放概率,但過度氧化修飾則會抑制KV通道活性[2],如腸系膜血管平滑肌細(xì)胞短期暴露于H2O2會引起氧化型谷胱甘肽與KV通道半胱氨酸殘基結(jié)合和修飾,從而使KV通道活性增強(qiáng)[5],這種作用在冠狀動脈平滑肌細(xì)胞中同樣得到證實(shí)[6]；而強(qiáng)氧化劑ONOO-則會硝化冠狀動脈平滑肌KV通道酪氨酸殘基,損害KV通道介導(dǎo)的血管擴(kuò)張[7]。

糖尿病時,除過度激活的ROS對冠狀動脈平滑肌KV通道功能產(chǎn)生直接不良影響外,過量產(chǎn)生晚期糖基化終末產(chǎn)物(AGEs)是導(dǎo)致KV通道表達(dá)減少和功能異常的另一個重要原因。Su等[8]研究發(fā)現(xiàn),鏈脲佐菌素誘導(dǎo)糖尿病大鼠冠狀動脈血管平滑肌細(xì)胞KV通道基因轉(zhuǎn)錄及蛋白表達(dá)較非糖尿病大鼠明顯下降,且KV通道電流密度降低；這些改變在應(yīng)用晚期糖基化終末產(chǎn)物受體(RAGE)阻滯劑后會發(fā)生一定程度的改善。該研究說明,糖基化終末產(chǎn)物/糖基化終末產(chǎn)物受體(AGEs/RAGE)通路異?？赡苁翘悄虿≈翶V通道功能受損的機(jī)制之一。

糖尿病導(dǎo)致KV通道表達(dá)降低和功能受損常常是多因素綜合作用的結(jié)果,如上述ROS和AGEs/RAGE 通路的作用就存在相關(guān)性。AGEs/RAGE 可激活多種細(xì)胞內(nèi)信號通路,如絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)和核因子-κB(NF-κB)等,從而激活氧化應(yīng)激反應(yīng)[9－10],而氧化應(yīng)激水平增加可下調(diào)KV通道m(xù) RNA 和蛋白表達(dá)[11],這可能是AGEs/RAGE下調(diào)KV通道表達(dá)的機(jī)制,但目前在冠狀動脈平滑肌細(xì)胞上研究較少,仍需進(jìn)一步研究以予以證實(shí)。

2 KCa通道的變化及調(diào)控機(jī)制

2.1 對冠狀動脈平滑肌細(xì)胞BK 通道的影響 BK 通道,又稱SLO1、Maxi K 或KCa1.1通道,在冠狀動脈平滑肌細(xì)胞上廣泛分布,是調(diào)節(jié)冠狀動脈血管張力的關(guān)鍵因素。BK 通道具有電壓敏感性和鈣離子濃度敏感性的特點(diǎn),即BK 通道受跨膜電壓和鈣離子濃度雙重門控,當(dāng)細(xì)胞膜發(fā)生去極化和/或細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度水平升高時BK 通道激活。BK 通道通常由4個α亞基和4個β亞基組成,α亞基構(gòu)成BK 通道的孔道結(jié)構(gòu)、電壓敏感閾及鈣離子結(jié)合位點(diǎn),β亞基使BK 通道的Ca2＋敏感性增加、電壓敏感性降低及通道動力學(xué)改變。糖尿病時冠狀動脈平滑肌細(xì)胞BK 通道開放概率降低,電流密度下降,β1亞基表達(dá)下降,這些改變導(dǎo)致了糖尿病冠狀動脈血管舒縮功能異常[12]；而糖尿病時細(xì)胞內(nèi)外的ROS、血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)、內(nèi)皮素1(ET-1)和蛋白激酶C(PKC)等對冠狀動脈平滑肌細(xì)胞BK 通道均具有調(diào)節(jié)作用[13],故糖尿病時調(diào)節(jié)冠狀動脈平滑肌細(xì)胞BK 通道的機(jī)制仍不完全清楚,可能涉及代謝異常、氧化應(yīng)激、慢性炎癥和神經(jīng)內(nèi)分泌紊亂等多方面因素,即糖尿病對冠狀動脈平滑肌細(xì)胞BK 通道的調(diào)控機(jī)制復(fù)雜多樣。

2.2 ROS對BK 通道α亞基的調(diào)控 BK 通道α亞基與KV通道具有類似的跨膜蛋白及胞內(nèi)氨基酸殘基調(diào)節(jié)位點(diǎn),因此,ROS也可以通過對這些位點(diǎn)的修飾完成對BK 通道功能的直接調(diào)節(jié)。研究發(fā)現(xiàn),H2O2通過氧化修飾BK 通道鈣碗附近的C911半胱氨酸殘基抑制BK 通道功能[14]。除對BK通道的直接修飾,ROS還可以通過激活下游信號,如環(huán)磷酸鳥苷(cGMP)相關(guān)信號通路調(diào)節(jié)BK 通道的功能[15]。

2.3 通過不同信號通路介導(dǎo)BK-β1亞基泛素化降解 糖尿病時BK 通道β1亞基(BK-β1)表達(dá)降低,導(dǎo)致BK 通道功能受損。泛素化是一種酶促蛋白質(zhì)翻譯后修飾的過程,通過活化、結(jié)合和連接對蛋白進(jìn)行泛素標(biāo)記。近年來,越來越多的研究表明BK-β1亞基泛素化降解是糖尿病冠狀動脈舒縮功能障礙的發(fā)病機(jī)制之一,包括FBXO(F-box only protein)及肌環(huán)指蛋白1(MURF1)在內(nèi)的E3泛素連接酶在這一過程中發(fā)揮重要作用[16]。

Zhang等[17]研究發(fā)現(xiàn),糖尿病大鼠血管平滑肌細(xì)胞及高糖培養(yǎng)人冠狀動脈平滑肌細(xì)胞中BK-β1表達(dá)下調(diào),BK-β1泛素化增加,上述改變可以被泛素連接酶復(fù)合體的關(guān)鍵組分之一FBXO 激活劑增強(qiáng),被FBXO 抑制劑減弱；抑制Akt/FOXO-3a磷酸化使FBXO 表達(dá)增加,BK-β1表達(dá)減少。以上結(jié)果表明Akt/FOXO-3a/FBXO 信號通路對BK-β1 亞基的泛素化修飾可能是糖尿病時BK-β1亞基表達(dá)下降的機(jī)制之一。進(jìn)一步研究證實(shí)糖尿病時血管平滑肌細(xì)胞ROS代謝異常促進(jìn)了AKT/FOXO-3a/FBXO 依賴性BK-β1亞基表達(dá)下調(diào)[18]。

Mu RF1是在肌組織中特異表達(dá)的另一種泛素連接酶,在糖尿病小鼠血管平滑肌中表達(dá)上調(diào),參與BK-β1亞基的泛素標(biāo)記與降解過程。Yi等[19]研究表明,糖尿病時NF-κB(NF-κB)與IκB 解 離 增 加,NF-κB 入 核 增 加,進(jìn) 而 上 調(diào)MuRF1表達(dá),使BK-β1亞基泛素化降解增加。糖尿病可以通過不同途徑激活NF-κB/MuRF1信號通路,使BK-β1亞基降解。目前認(rèn)為,其可能的上游調(diào)節(jié)途徑包括:①異常生成的ROS通過不同途徑調(diào)節(jié)NF-κB 的表達(dá)。ROS可以通過激活或抑制NF-κB上游通路、調(diào)節(jié)IκB降解和直接修飾NFκB異二聚體以調(diào)整其轉(zhuǎn)錄活性,從而調(diào)節(jié)Nf-κB 相關(guān)信號通路[20],例如,NADPH 氧化酶相關(guān)的ROS通過JNK/NFκB通路導(dǎo)致高血糖相關(guān)的心血管系統(tǒng)損傷[21]。ROS激活NF-κB還可誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化生長因子β1(TGF-β1)基因的表達(dá),而TGF-β1可促進(jìn)NOX4的表達(dá),從而增加ROS的活性[22],由此形成ROS 與NF-κB 相互促進(jìn)的惡性循環(huán)。②Nrf2 對NF-κB/MuRF1信號通路抑制作用受損可能會促進(jìn)糖尿病時BK-β1的降解。Nrf2是一類與細(xì)胞氧化還原狀態(tài)調(diào)節(jié)及解毒反應(yīng)密切相關(guān)的核因子,氧化應(yīng)激可激活Nrf2入核活性,從而誘導(dǎo)抗氧化酶的表達(dá),在糖尿病及其并發(fā)癥中發(fā)揮保護(hù)作用。有研究表明,糖尿病時Nrf2 表達(dá)下調(diào),對NFκB/Mu RF1信號通路的抑制性下降,從而增加BK-β1 泛素化降解[23]。

2.4 ET-1和AngⅡ?qū)K 通道的調(diào)控 近年有研究表明,血管平滑肌細(xì)胞BK-β1亞基除受泛素化調(diào)控外,還與其在細(xì)胞膜及細(xì)胞質(zhì)中的再分布與轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān),ET-1在此過程中發(fā)揮重要作用。ET-1在糖尿病及心肌缺血時表達(dá)較高,從而可能參與疾病的發(fā)生與發(fā)展[24]。Zhai等[25]研究表明,ET-1可以通過PKC 途徑磷酸化細(xì)胞內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)體Rab11A,使Rab11A 活性降低,BK-β1亞基從胞質(zhì)向胞膜表面的轉(zhuǎn)運(yùn)減少,BK-β1亞基細(xì)胞膜表達(dá)降低,進(jìn)而調(diào)控BK 通道功能以及血管平滑肌舒縮功能。該研究是在腦動脈中進(jìn)行的,在其他動脈中是否存在有類似或相同作用目前仍不完全清楚,但作為一種新的調(diào)控機(jī)制,BK-β1亞基膜轉(zhuǎn)運(yùn)在其他類型動脈中的調(diào)控作用和機(jī)制仍需進(jìn)一步研究與探討[26]。

糖尿病時AngⅡ顯著升高,且可通過激活氧化應(yīng)激等方式對血管功能造成損害。Lu等[27]認(rèn)為,AngⅡ通過結(jié)合糖尿病大鼠冠狀動脈血管平滑肌細(xì)胞膜上的血管緊張素1型受體(AT1R),形成AngⅡ/AT1R 復(fù)合體并轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞膜上的小凹結(jié)構(gòu),即caveolae內(nèi)。該過程需要caveolae結(jié)構(gòu)上特異表達(dá)的蛋白caveolin-1(cav-1)協(xié)助完成。AT1R 是一種G蛋白耦聯(lián)受體,可以激活Gαq 和Gβγ 亞單位。Gαq 激活PKC,繼而PKC通過磷酸化NOXO1(又名p47phox)及Rac-1亞單位激活NAD(P)H 氧化酶(NOXs)。NOXs作為血管平滑肌上O2－的主要來源,可以通過ROS途徑損傷BK 通道。Gβγ通過級聯(lián)反應(yīng)激活c-Src/c-Abl激酶,使cav-1酪氨酸14位點(diǎn)磷酸化,進(jìn)而使AT1R 轉(zhuǎn)運(yùn)增加,形成了AT1R轉(zhuǎn)運(yùn)的自我循環(huán)與增強(qiáng)過程。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),cav-1、AT1R 與BK 通道也存在相互作用,使上述機(jī)制中BK 通道、AT1R、G 蛋白、NOXs及c-Src在caveolae中共定位,介導(dǎo)AngⅡ?qū)K 通道的調(diào)控[28－29]。因此,AngⅡ的升高與caveolae的表達(dá)增加共同促進(jìn)了糖尿病狀態(tài)下AngⅡ介導(dǎo)的BK 通道損傷。

2.5 長鏈n-3多不飽和脂肪酸對BK 通道的保護(hù)作用 長鏈n-3多不飽和脂肪酸主要包括二十二碳六烯酸(DHA)和二十碳五烯酸(EPA),具有改善心血管功能的作用。我們課題組的研究發(fā)現(xiàn),DHA 與EPA 均可激活糖尿病大鼠冠狀動脈BK 通道,進(jìn)而改善冠狀動脈舒縮功能[30－31]。進(jìn)一步研究表明,長鏈n-3多不飽和脂肪酸激活BK 通道的機(jī)制復(fù)雜多樣,低濃度DHA 可通過細(xì)胞色素P450環(huán)氧合酶代謝產(chǎn)物介導(dǎo)BK 通道的激活,高濃度DHA 可直接激活BK 通道。低濃度及高濃度DHA 均可通過PLC-IP3-Ca2＋信號途徑提高胞漿鈣離子濃度,進(jìn)而激活BK 通道[32]。

2.6 SK 通道和IK 通道影響及其機(jī)制 BK 通道在血管內(nèi)皮和平滑肌細(xì)胞中均有表達(dá),但在血管平滑肌細(xì)胞中占主導(dǎo)地位,而SK 和IK 通道主要在血管內(nèi)皮細(xì)胞中發(fā)揮作用。SK 和IK 是內(nèi)皮源性超極化的重要啟動因素,通過內(nèi)皮細(xì)胞-平滑肌細(xì)胞間的相互作用,可調(diào)控內(nèi)皮源性超極化因子以及一氧化氮介導(dǎo)的血管舒張。研究發(fā)現(xiàn),鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病小鼠心房細(xì)胞SK2通道和SK3通道的蛋白表達(dá)水平分別下調(diào)85%和92%[33],在血管平滑肌細(xì)胞中也有類似發(fā)現(xiàn)[34],表明糖尿病時SK 通道發(fā)生損傷。對人冠狀動脈微血管(直徑80～150μm)研究發(fā)現(xiàn),糖尿病時SK 通道和IK通道對激活劑的反應(yīng)均顯著降低,內(nèi)皮細(xì)胞SK 通道和IK通道電流密度下降,但SK 通道和IK 通道蛋白表達(dá)及組織分布與非糖尿病組相比并無明顯差異[35－36]。該研究結(jié)果說明,SK 通道和IK 通道活性降低及功能異常是導(dǎo)致糖尿病冠狀動脈血管舒縮功能障礙的重要因素,糖尿病對SK 通道和IK 通道的影響可能主要通過翻譯后修飾導(dǎo)致通道門控及轉(zhuǎn)運(yùn)特性的改變,而與SK 通道和IK 通道的蛋白表達(dá)調(diào)控?zé)o明顯相關(guān)性。

SK 通道在糖尿病心血管病變中的研究主要集中在心房肌組織以及心律失常領(lǐng)域,認(rèn)為糖尿病時氧化應(yīng)激增加導(dǎo)致SK 通道表達(dá)與功能的異常改變[33]。近年來,糖尿病時SK通道變化對冠狀動脈的影響在開始逐步研究中。Feng等[37]發(fā)現(xiàn),與非糖尿病組相比,糖尿病組心臟停搏缺血再灌注后冠狀動脈對二磷酸腺苷(ADP)的舒張反應(yīng)明顯降低,而使用SK 通道激活劑后ADP 舒張作用有所改善；且發(fā)現(xiàn)冠狀動脈血管內(nèi)皮細(xì)胞在缺血再灌注損傷后細(xì)胞膜表面SK通道表達(dá)也明顯下降,但細(xì)胞質(zhì)中SK 通道表達(dá)上升,因此提出在糖尿病心肌缺血再灌注損傷中,冠狀動脈內(nèi)皮細(xì)胞SK 通道內(nèi)化/再分布可能是冠狀動脈微血管舒張功能障礙的潛在機(jī)制。Xie等[38]研究發(fā)現(xiàn)糖尿病可使人冠狀動脈內(nèi)皮細(xì)胞代謝發(fā)生改變,代謝產(chǎn)物還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)升高,而NADH 過量表達(dá)則使內(nèi)皮細(xì)胞SK 通道功能下降。這些研究表明,代謝信號的改變是導(dǎo)致糖尿病患者SK 通道及冠狀動脈內(nèi)皮功能下調(diào)的可能機(jī)制。

3 Kir通道的變化及調(diào)控機(jī)制

Kir通道在阻力血管中的表達(dá)較高,提示Kir通道在調(diào)節(jié)冠狀動脈血流中可能發(fā)揮重要作用；然而,目前對Kir通道在糖尿病冠狀動脈血液循環(huán)中作用研究相對較少。血管平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞主要表達(dá)Kir2.1 亞型。Troncoso等[39]研究發(fā)現(xiàn),Kir通道有助于糖尿病腎傳入小動脈的擴(kuò)張,但主要與Kir1.1即Kir3.x相關(guān),未研究Kir2.1的作用。Ren等[40]研究發(fā)現(xiàn)糖尿病時心血管組織中Kir通道亞型Kir2.1、Kir3.1、Kir6.1和Kir6.2的m RNA 表達(dá)無明顯變化,因此,糖尿病對Kir通道的影響可能不是在基因表達(dá)水平,故糖尿病對冠狀動脈Kir通道的作用及其機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

4 KATP通道的變化及調(diào)控機(jī)制

已有研究表明KATP通道異常與糖尿病及心血管并發(fā)癥發(fā)生密切相關(guān)。KATP通道主要在胰島細(xì)胞中表達(dá),通過調(diào)節(jié)胰島素與胰高血糖素的分泌保持血糖的穩(wěn)態(tài),KATP通道調(diào)節(jié)功能失調(diào)可誘發(fā)糖尿病的發(fā)生發(fā)展,而糖尿病時KATP通道依賴性冠狀動脈血管舒張功能受損,實(shí)驗(yàn)表明KATP通道Kir6.1亞基基因敲除后將加重這種損傷,甚至發(fā)生死亡[41]。糖尿病時KATP通道功能受損的發(fā)生機(jī)制不僅包括細(xì)胞代謝產(chǎn)物對通道蛋白的直接作用,而且包括異常蓄積的代謝產(chǎn)物對KATP基因表達(dá)的調(diào)控。

Yang等[42]研究發(fā)現(xiàn),H2O2和其他類型的氧化劑均可通過S-谷胱甘肽化修飾抑制KATP通道的功能,而炎癥氧化應(yīng)激導(dǎo)致ROS過量產(chǎn)生認(rèn)為是糖尿病的重要病理改變之一,因此,ROS通過S-谷胱甘肽化修飾對KATP通道功能產(chǎn)生強(qiáng)烈抑制作用可能是糖尿病時KATP損傷的重要機(jī)制[41]。硫化氫(H2S)是一種重要的內(nèi)源性血管舒張中介物,可通過增強(qiáng)KATP通道的開放誘導(dǎo)血管舒張。糖尿病時血漿H2S水平以及H2S合成活性均降低,這可能是糖尿病時心血管舒縮功能障礙的另一重要機(jī)制[43]。

有研究發(fā)現(xiàn),糖尿病時心肌細(xì)胞KATP通道Kir6.2/SUR2A 亞型的m RNA 與蛋白表達(dá)水平均下降,但可被氧自由基清除劑部分逆轉(zhuǎn)[44]。與心肌細(xì)胞不同,冠狀動脈血管平滑肌細(xì)胞主要表達(dá)Kir6.1/SUR2B 亞型。Li等[45]認(rèn)為,持續(xù)性高血糖及乙二醛酶活性降低導(dǎo)致活性物質(zhì)甲基乙二醛過量產(chǎn)生,進(jìn)而增加miR-9a-3p的表達(dá),而miR-9a-3p可下調(diào)SUR2B的m RNA,從而損害血管平滑肌細(xì)胞KATP通道的表達(dá)及功能。該研究結(jié)果表明,糖尿病代謝異常從基因表達(dá)水平損傷KATP通道的功能,持續(xù)性高血糖狀態(tài)及其代謝異常、活性物質(zhì)異常生成和解毒機(jī)制的損害均可能參與該過程。

5 結(jié)論

本文主要綜述了糖尿病時冠狀動脈四種主要鉀離子通道的變化和機(jī)制,糖尿病時鉀離子通道的變化是一個復(fù)雜的過程,涉及冠狀動脈內(nèi)皮細(xì)胞與平滑肌細(xì)胞鉀離子通道間、不同類型鉀離子通道間和各因素與通路間的協(xié)同作用和相互影響。盡管已有許多研究探討了鉀離子通道在糖尿病時變化、機(jī)制及對冠狀動脈的影響,但仍需進(jìn)一步研究。通過對糖尿病時冠狀動脈鉀離子通道的變化和機(jī)制的研究,可以深入了解糖尿病冠狀動脈病變的發(fā)病機(jī)制,對尋找預(yù)防和與治療糖尿病及并發(fā)癥的新靶點(diǎn)具有重大的臨床意義。