Piezo1離子通道在心血管疾病中的作用

劉慧意 薛玉梅

機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)將物理力轉(zhuǎn)化為生化反應(yīng),是存在于所有生物體的重要信號傳導(dǎo)機(jī)制[1]。自從1980年人們發(fā)現(xiàn)存在直接由機(jī)械力激活的離子通道,越來越多人對這些離子通道的蛋白質(zhì)感興趣。通過膜片鉗電生理技術(shù),人們在哺乳動物的多種類型細(xì)胞中觀察到了機(jī)械敏感離子通道的活動,包括背根神經(jīng)節(jié)感覺神經(jīng)元、內(nèi)耳毛細(xì)胞、結(jié)節(jié)神經(jīng)節(jié)的主動脈壓力感受器神經(jīng)、腎小球系膜細(xì)胞、肺動脈平滑肌細(xì)胞和骨骼肌管[2]。細(xì)菌中機(jī)械敏感的離子通道的分子成分已經(jīng)研究得很清楚,然而直到現(xiàn)在,高級物種中的機(jī)械激活通道的分子成分還不是很清楚。

近年來,科學(xué)家們通過siRNA篩選,在表達(dá)的機(jī)械激活電流的成神經(jīng)細(xì)胞瘤細(xì)胞系中發(fā)現(xiàn),Piezo蛋白是機(jī)械激活通道的基本組成部分。這種方法發(fā)現(xiàn)了存在于許多機(jī)械敏感組織中的兩種蛋白質(zhì)家族,即Piezo1和2。Piezo1和Piezo2是不同機(jī)械激活離子通道的必要組成部分[3]。人造液滴脂質(zhì)雙分子層實驗表明,Piezo1的機(jī)械敏感性是固有的,不需要其他蛋白質(zhì)或第二信使信號激活[4]。Piezo1廣泛分布于血管內(nèi)皮細(xì)胞中,因此它在心血管疾病發(fā)生發(fā)展中起了相當(dāng)大的作用[5－8]。近年來,Piezo1及其相關(guān)分子作為治療許多心血管疾病的新靶點而被廣泛研究。

1 Piezo1蛋白的結(jié)構(gòu)

Piezo1由Piezo1/FAM38A基因編碼,位于16號染色體上。人Piezo1包含2 521個氨基酸,piezo1蛋白是具有24-40個跨膜結(jié)構(gòu)域的大型整體膜蛋白,也是具有最多跨膜結(jié)構(gòu)域的蛋白[3]。Piezo1具有離子導(dǎo)電孔,它具有許多內(nèi)源性陽離子機(jī)械敏感離子通道共有的電生理特性,具有約0 m V的逆轉(zhuǎn)電位,電壓依賴性失活和肽Gs MTx4的抑制作用[9]。Piezo1蛋白的結(jié)構(gòu)信息首次在小鼠中發(fā)現(xiàn),該蛋白與人Piezo1高度同源。3個Piezo1組裝在一起形成了功能體,每個Piezo1約為300 k Da,并且都是糖基化的[6,10]。Piezo1蛋白的結(jié)構(gòu)是一種類似三葉螺旋槳的三聚體,包括一個中央孔結(jié)構(gòu)域和三個外周擴(kuò)展翼。其中央孔模塊頂部上方的C末端胞外結(jié)構(gòu)域形成了帶有負(fù)電荷殘基的“帽”結(jié)構(gòu),決定了Piezo1選擇性通透陽離子Na＋、K＋、Ca2＋和Mg2＋,略微偏向Ca2＋[6]。三聚體的側(cè)面朝上,可以將膜壓向細(xì)胞質(zhì),這個特征對感測力至關(guān)重要。嵌入膜中的區(qū)域由3組38個α螺旋組成,并帶有額外的細(xì)胞內(nèi)α螺旋和約9 nm細(xì)胞內(nèi)束。這些葉片包括通過非結(jié)構(gòu)化區(qū)域與其相鄰束連接的4個螺旋束。每個亞基的最后2個C端α螺旋(37和38)在結(jié)構(gòu)中處于中心并形成離子孔區(qū)域,C末端細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域在頂部之間和上方。孔隙調(diào)節(jié)滲透。葉片呈弧形彎曲,其外部區(qū)域相對于孔隙區(qū)域的平面升高。產(chǎn)生了倒置的圓頂形或鐘形凹痕,提示此處用于能量存儲,該能量隨膜片張力成比例地調(diào)節(jié)門控通道。機(jī)械計算表明,通道周邊以外的膜環(huán)境變化會產(chǎn)生特殊的印跡,從而決定張力的敏感性[10－11]。Piezo1在皮膚、膀胱、腎臟、肺、內(nèi)皮細(xì)胞、紅細(xì)胞和牙周膜細(xì)胞中廣泛表達(dá)。

2 Piezo蛋白的藥理學(xué)

Yoda1能夠激活Piezo1。在微摩爾范圍內(nèi),Yoda1將Piezo1的壓力效應(yīng)曲線移向較低的壓力值,并顯著減緩了Piezo1的失活[6,12－15]。Yoda1應(yīng)用于內(nèi)皮細(xì)胞,可增加細(xì)胞內(nèi)鈣水平,影響蛋白激酶B(protein kinase B,AKT)和內(nèi)皮型一氧化氮合酶(Endothelial nitric oxide synthase,eNOS)磷酸化以及ATP釋放。重要的是,即使在沒有機(jī)械刺激的情況下,添加Yoda1也會增加Piezo1的通道活性。Yoda1包含兩個氯和一個硫醚基團(tuán),這都是打開Piezo1的關(guān)鍵條件[13]。動力學(xué)分析表明,Yoda1主要穩(wěn)定Piezo1的打開狀態(tài)[13]。值得注意的是,Yoda1還可以在重構(gòu)人造雙層膜打開Piezo1,即Yoda1不需要其他蛋白質(zhì),可以直接作用于Piezo1和(或)脂質(zhì)雙層。這些發(fā)現(xiàn)表明在沒有任何機(jī)械刺激的情況下,存在可以打開Piezo1的天然激動劑。最近,人們合成了名為Dooku1的Yoda1類似物,并顯示出它通過競爭特定的通道結(jié)合位點可逆地拮抗Yoda1誘導(dǎo)的Piezo1激活[12,15]。

辣椒堿在背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元或異源表達(dá)系統(tǒng)中激活辣椒素受體離子通道1(transient receptor potential vanilloid1,TRPV1)通道,后者通過消耗磷脂酰肌醇4,5-二磷酸[PI(4,5)P2]及其前體磷脂酰肌醇4-磷酸[PI(4)P]抑制Piezo1通道(通過Ca2＋誘導(dǎo)的磷脂酶Cδ(PLCδ)激活從質(zhì)膜中獲取[PI(4)P][13,16]。此外,PI(4,5)P2和PI(4)P應(yīng)用于膜貼片可防止Piezo1活性下降。膜磷酸肌醇上調(diào)Piezo1的作用還表明內(nèi)源性脂質(zhì)可能充當(dāng)天然的Piezo開孔劑[13,16]。

在機(jī)械激活通道研究中還使用其他幾種試劑和化合物,包括鑭系元素Gd3＋和La3＋、氨基糖苷類抗生素(例如鏈霉素和慶大霉素)以及從蜘蛛小夜蛾的毒素中分離出的Gs MTx-4肽[17],Gs MTx4在低微摩爾濃度下對Piezo1有效,并且僅在從細(xì)胞外側(cè)施用時才抑制通道[12]。Gs MTx4充當(dāng)通道調(diào)節(jié)器,將激活的中點轉(zhuǎn)移到更高的壓力值。毒素通過插入脂質(zhì)雙分子層和修飾脂質(zhì)通道界面起作用,因此可能影響許多離子通道[5]。這些抑制劑都不是Piezo1特有的,它們同時還是其他許多離子通道的抑制劑,如瞬時受體電位(transient receptor potential,TRP)通道[18]等。另一類化合物,例如兩親氯丙嗪,可以激活原核和真核機(jī)械激活通道[12]。除了這些“典型”的機(jī)械激活通道阻滯劑和激活劑外,還有更具體的化合物僅影響某種類型的機(jī)械激活通道。例如,釕紅可阻斷Piezo1[12]。釕紅對Piezo1的抑制作用與電壓有關(guān),這是孔阻滯劑的共同特征,反映出它們對離子流方向性的依賴性[2]。

3 Piezo1通道與人類疾病

Piezo1突變與兩種主要類型的疾病有關(guān)[5]。常染色體顯性突變(M2225R和R2456H)導(dǎo)致Piezo1信號增強(qiáng),與脫水遺傳性造血細(xì)胞增多癥有關(guān)。脫水遺傳性造血細(xì)胞增多癥的特征在于滲透性驅(qū)動的紅細(xì)胞脫水,脫水的紅細(xì)胞中總陽離子和鉀含量降低,但Na＋和水卻沒有成比例的凈增加,可導(dǎo)致溶血性貧血[11,19]。突變型Piezo1通道滅活速率比野生型慢,并且激活潛伏期延長,這表明突變可能增加陽離子滲透性,導(dǎo)致紅細(xì)胞脫水,這也表明了該通道在紅細(xì)胞體積穩(wěn)態(tài)中的關(guān)鍵作用[9,20]。Piezo1隱性功能喪失突變導(dǎo)致先天性淋巴發(fā)育不良,導(dǎo)致淋巴液泄漏到四肢及胸腔中,產(chǎn)生胸腔積液等[21]。此外,成年淋巴瘤中條件性的Piezo1失活導(dǎo)致大量的淋巴瓣變性[21]。在培養(yǎng)的淋巴內(nèi)皮細(xì)胞中,Piezo1敲除抑制了由剪切應(yīng)力誘導(dǎo)的淋巴瓣特征基因的上調(diào)[21]。相反,在沒有機(jī)械刺激的情況下,由Yoda1激活Piezo1可以加速動物的淋巴瓣形成,并且還觸發(fā)了培養(yǎng)的淋巴內(nèi)皮細(xì)胞中淋巴瓣基因的上調(diào)。同樣,用Yoda1激活Piezo1會誘導(dǎo)培養(yǎng)的淋巴內(nèi)皮中的放線菌素和細(xì)胞粘附表面的重塑[22]。簡而言之,在內(nèi)皮細(xì)胞中敲除Piezo1后,集體遷移,肌動蛋白聚合和細(xì)胞間連接重塑受損[22]。這些發(fā)現(xiàn)表明,Piezo1的剪切應(yīng)力激活是淋巴瓣形態(tài)發(fā)生的關(guān)鍵機(jī)制[21－22]。小鼠遺傳學(xué)研究已確定,轉(zhuǎn)錄因子、粘附蛋白和細(xì)胞間信號傳導(dǎo)介質(zhì)是淋巴管系統(tǒng)和瓣膜的發(fā)育和維持的重要組成部分。此外,機(jī)械力也參與淋巴管系統(tǒng)發(fā)育和維持。應(yīng)當(dāng)指出,Piezo1是一種廣泛表達(dá)的離子通道,尚不清楚其調(diào)節(jié)發(fā)育和生理的完整程度[6]。

4 Piezo1在心血管疾病的作用

4.1 Piezo1在早期血管發(fā)生中的作用 Piezo1整體敲除導(dǎo)致胚胎死亡,表明該機(jī)械敏感離子通道是早期血管發(fā)育的關(guān)鍵內(nèi)皮機(jī)械傳感器[23－25]。在小鼠胚胎期E8.5之后心臟開始跳動并產(chǎn)生血流,產(chǎn)生剪切應(yīng)力刺激內(nèi)皮細(xì)胞。在E9和E10.5天之間,Piezo1在發(fā)育的心血管系統(tǒng)中表達(dá),尤其是內(nèi)皮和心內(nèi)膜,因此E9是器官形成與成熟的關(guān)鍵時期[23－25]。Piezo1也存在于人臍靜脈和胎兒胎盤內(nèi)皮細(xì)胞中。成年小鼠中,Piezo1持續(xù)表達(dá)于內(nèi)皮細(xì)胞和阻力動脈的平滑肌細(xì)胞中[25－27]。

Piezo1遺傳基因缺失導(dǎo)致胚胎死亡[23－25]。Piezo1缺陷胚胎在妊娠中期死亡,在E9.5之前血管新生正常,這表明血管新生本身并沒有受到損害,此過程與剪切應(yīng)力無關(guān)。在Piezo1敲除小鼠中,卵黃囊以及胚胎血管組織通常無序且缺乏主要血管,表明Piezo1缺陷會影響內(nèi)皮細(xì)胞隨后重構(gòu)及成熟為大血管[23－25]。缺乏Piezo1的胚胎表現(xiàn)出大量的心包積液,并在E14.5之前死亡,表明心臟循環(huán)功能缺陷[23－25]。內(nèi)皮特異性缺失Piezo1的小鼠會導(dǎo)致相似的表型(如E9.5胚胎血管破壞,E10.5胚胎生長延遲,胚胎早期死亡)表明,血管結(jié)構(gòu)的缺陷是由內(nèi)皮細(xì)胞中Piezo1的缺失造成的。Piezo1是胚胎心臟開始跳動后產(chǎn)生血液灌注的內(nèi)皮感受器,它促使血流進(jìn)入新生內(nèi)皮血管,刺激血管重構(gòu)與成熟[1,13,19,28]。同時,Piezo1可介導(dǎo)流體剪切力引起的動脈擴(kuò)張,以維持成年小鼠的基礎(chǔ)血壓[29]。

4.2 高血壓時動脈平滑肌中的Piezo1導(dǎo)致動脈重構(gòu) Piezo1在阻力動脈(如腦動脈)平滑肌中大量表達(dá),而在管狀動脈(如主動脈和腎內(nèi)動脈)中表達(dá)很少[30]。動脈平滑肌細(xì)胞中的Piezo1條件缺失完全抑制了阻力動脈肌細(xì)胞中的機(jī)械激活電流。在高血壓情況下,Piezo1開放增強(qiáng)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2＋含量增加,刺激谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶及交聯(lián)酶,這兩種酶都參與阻力動脈重構(gòu)。阻力動脈重構(gòu)使動脈壁增厚,管腔直徑縮小[30]。雖然由腸系膜或大腦動脈的腔內(nèi)壓力升高引起的肌原性收縮與平滑肌細(xì)胞Piezo1無關(guān),但該通道在慢性高血壓期參與了阻力動脈的動脈重構(gòu)[30]。因此,在高血壓狀態(tài)下,平滑肌細(xì)胞Piezo1的缺失降低了動脈直徑和介質(zhì)厚度,從而降低了阻力動脈的橫截面積[30]。在體內(nèi),半胱氨酸對谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶的抑制可以逆轉(zhuǎn)Piezo1依賴的重構(gòu)[30]。這些發(fā)現(xiàn)將血管平滑肌細(xì)胞的Piezo1開放和臨床相關(guān)的動脈重構(gòu)建立聯(lián)系,現(xiàn)在認(rèn)為動脈重塑是心血管高危患者的主要預(yù)后指標(biāo),因此Piezo1可能是治療高血壓疾病新的靶點[30]。

有研究發(fā)現(xiàn)Piezo1在心肌梗死心力衰竭大鼠心臟中表達(dá)增加,并可被血管緊張素受體阻滯劑-氯沙坦所抑制；體外予以血管緊張素Ⅱ(angiotensinⅡ,AngⅡ)刺激新生大鼠心室肌細(xì)胞可通過血管緊張素Ⅱ1型受體(angiotensinⅡtype 1 receptor,AT1)受體依賴性途徑上調(diào)Piezo1[31]。此外,有研究發(fā)現(xiàn)拉伸可激活培養(yǎng)的人和小鼠心臟成纖維細(xì)胞的Piezo1表達(dá),促進(jìn)Ca2＋內(nèi)流,激活下游的p38MAPK,促進(jìn)白細(xì)胞介素6(Interleukin-6,IL-6)分泌,參與心臟重構(gòu)[8]。然而,也有研究顯示,拉伸人心肌細(xì)胞系A(chǔ)C16可下調(diào)Piezo1,降低Ca2＋的釋放,激活Wnt相關(guān)的信號傳導(dǎo)途徑,參與調(diào)控心臟收縮[7]。有關(guān)Piezo1影響機(jī)械應(yīng)力誘導(dǎo)的心臟重塑的研究十分有限,值得進(jìn)一步研究。心房顫動(簡稱房顫)患者心肌細(xì)胞中鈣調(diào)素(Calmodulin,Ca M)激活Src激酶,活化的Src激酶一方面使細(xì)胞核內(nèi)的細(xì)胞L型鈣通道(L-type calcium channel,LCC)和縫隙連接蛋白43(Connexin 43,Cx43)表達(dá)下降,另一方面使膜上的L型鈣電流下降,Cx43分布側(cè)邊化,并促進(jìn)Cx43在非閏盤區(qū)與LCC形成分子復(fù)合物,L型鈣電流下降和Cx43分布側(cè)邊化導(dǎo)致心房肌細(xì)胞的電重塑和細(xì)胞間的傳導(dǎo)障礙,促進(jìn)房顫的發(fā)生和維持。

高血壓患者所致的高靜水壓刺激離子通道Piezo 1開啟,介導(dǎo)Ca2＋內(nèi)流,細(xì)胞內(nèi)鈣增加,激活鈣調(diào)素。由此可以猜想,Piezo1可能是高血壓所致房顫的關(guān)鍵機(jī)械離子通道,Piezo1在房顫產(chǎn)生和維持中的作用值得進(jìn)一步研究。

4.3 Piezo1在血管舒張中的作用 在正常和高血壓情況下,動脈血壓受到各種血管舒張因子的控制,這些因子是由于血液流動引起的流體剪切應(yīng)力而從內(nèi)皮中釋放出來的。這些因素包括NO、內(nèi)皮源性超極化因子和類前列腺素。NO在系統(tǒng)性血壓調(diào)節(jié)中起著主要作用[29]。剪應(yīng)力激活腸內(nèi)皮細(xì)胞中Piezo1從而釋放ATP,ATP通過Gq/G11偶聯(lián)的P2Y2受體起作用,導(dǎo)致血小板內(nèi)皮細(xì)胞黏附分子1(platelet endothelial cell adhesion molecule1,PECAM-1)/血管內(nèi)皮鈣黏素/血管內(nèi)皮生長因子受體2(vascular endothelial growth factor receptor,VEGFR2)介導(dǎo)的AKT活化并隨后通過eNOS形成NO[29]。同時,增加的血流量以一種尚未清楚的方式誘導(dǎo)腎上腺髓質(zhì)素從內(nèi)皮細(xì)胞中以Piezo1依賴的方式釋放,引起蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)連接降鈣素受體樣受體(calcitonin receptor-like,CALCRL)/受體活性修飾蛋白2(Receptor activity-modifying protein 2,RAMP2)受體下游的e NOS 632位點磷酸化,從而進(jìn)一步增強(qiáng)NO水平[29]。升高NO水平進(jìn)而介導(dǎo)血管舒張。

成年期內(nèi)皮細(xì)胞Piezo1失效(或條件敲除)導(dǎo)致體內(nèi)eNOS磷酸化減弱,NO釋放減少,可能與收縮壓升高有關(guān)[29]。Yoda1治療還可使小鼠肺內(nèi)動脈以Piezo1和NO依賴的方式舒張[32]。內(nèi)皮細(xì)胞Piezo1通過控制內(nèi)皮細(xì)胞Ca2＋和NO的產(chǎn)生,從而促進(jìn)肺內(nèi)血管舒張,然而在慢性缺氧條件下,Piezo1的內(nèi)皮細(xì)胞失效并不影響肺動脈高壓的發(fā)展[32]。在大鼠中,Piezo1也證明可以介導(dǎo)妊娠期子宮動脈的血流依賴性血管舒張[27]。同時,miR-103a調(diào)節(jié)Piezo1表達(dá),并隨后影響內(nèi)皮細(xì)胞的功能。高血壓患者中miR-103表達(dá)的升高可能會導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞中Piezo1的表達(dá)降低,并隨后抑制內(nèi)皮功能。這可能與急性心肌梗死的發(fā)作有關(guān)[33]。

4.4 Piezo1在腸系膜平滑肌中的血管收縮作用 內(nèi)皮細(xì)胞分泌的NO、前列腺素、花生四烯酸代謝物、H2O2、CO2、H2S等使平滑肌細(xì)胞K＋通道開放。Ca2＋激活的K＋通道也會通過縫隙連接使電耦合致使平滑肌細(xì)胞超極化,由此產(chǎn)生的超極化處于靜止?fàn)顟B(tài),稱為內(nèi)皮依賴性超極化(endotheliumdependent hyperpolarization,EDH)[26,34]。致舒張EDH功能障礙涉及高血壓在內(nèi)的多種疾病狀態(tài),因此認(rèn)為與EDH作用的許多分子是相關(guān)疾病治療的靶點[34]。

Piezo1通道在質(zhì)膜中打開時,引起細(xì)胞內(nèi)Ca2＋升高和去極化。在可興奮細(xì)胞中,通常會發(fā)生除極,觸發(fā)動作電位,引起心肌細(xì)胞收縮等。但在非興奮性細(xì)胞(如內(nèi)皮細(xì)胞)中,細(xì)胞內(nèi)升高的Ca2＋激活NO合酶,產(chǎn)生強(qiáng)大的血管擴(kuò)張劑NO,引起血管舒張。去極化與內(nèi)皮超極化相反,內(nèi)皮超極化是一種公認(rèn)的由Ca2＋激活的血管舒張劑機(jī)制[6]。在某些類型的血管(如腸系膜動脈)中,通過縫隙連接的有效電傳輸可產(chǎn)生內(nèi)皮和血管平滑肌層的合胞體。在這種情況下,Piezo1通道對內(nèi)皮的去極化作用可能會引起血管平滑肌細(xì)胞的去極化作用,當(dāng)幅度足夠大時,它將激活血管平滑肌細(xì)胞的電壓門控Ca2＋通道并驅(qū)動血管收縮。因此,根據(jù)間隙連接傳輸?shù)男?Piezo1可以在不同的血管床中產(chǎn)生不同的反應(yīng)。例如,在全身體育鍛煉時,內(nèi)臟血管收縮,而骨骼肌灌注保留[6]。當(dāng)小鼠夜間在跑步輪上運動時,內(nèi)皮細(xì)胞中Piezo1缺失顯著降低了升高的血壓。因此,內(nèi)皮Piezo1在運動時有升高血壓的作用,其通過高血流量激活,有抗EDH的作用[34]。

5 小結(jié)

自從發(fā)現(xiàn)Piezo1蛋白作為機(jī)械感覺轉(zhuǎn)導(dǎo)分子,對它們的研究已經(jīng)揭示了除機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)之外的許多意外作用。揭開這些蛋白質(zhì)在細(xì)胞,發(fā)育和分化階段的特定作用和對生物的特定作用,將為相關(guān)疾病治療帶來極大突破。盡管過去30年來在這一領(lǐng)域取得了進(jìn)展,但仍然存在許多懸而未決的問題。因此,我們期待未來的發(fā)展,這可能為治療整個機(jī)械通道病開辟新的途徑!