ATP敏感性鉀通道在帕金森病中的研究進展

唐蘊怡,陳志斌，趙振強，高仕君，王埮

(1.海南醫(yī)學院，?？?571199； 2.海南醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，?？?570102)

帕金森病(Parkinson′s disease，PD)是老年人中常見的一種神經(jīng)退行性疾病，主要病理特征為中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元變性死亡，導致紋狀體多巴胺含量減少及殘存的神經(jīng)元胞質(zhì)內(nèi)出現(xiàn)以α-突觸核蛋白為主要結(jié)構(gòu)的路易小體。PD發(fā)病可能與遺傳、氧化應激、炎癥反應、線粒體功能障礙及鐵異常沉積等有關(guān)，但具體機制尚未完全明確[1-2]。ATP敏感性鉀(ATP-sensitive potassium,KATP)通道是內(nèi)向整流鉀通道的主要成員，廣泛分布于人體的多種組織。正常大腦黑質(zhì)致密部的多巴胺能神經(jīng)元具有高密度的 KATP通道，而有研究發(fā)現(xiàn)在PD模型中功能性KATP通道的存在會促進黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的變性死亡，腹側(cè)被蓋區(qū)的多巴胺能神經(jīng)元則不受影響，提示KATP通道的選擇性激活可能參與了PD的發(fā)病[3]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，激活KATP通道抑制了黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的死亡[4]?，F(xiàn)從KATP通道對黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的作用、對神經(jīng)元電活動的調(diào)節(jié)、對鐵代謝的影響、對α-突觸核蛋白的調(diào)控以及與PD炎癥之間的關(guān)系5個方面介紹KATP通道在PD發(fā)病中的作用，以為PD的靶向治療提供理論依據(jù)。

1 KATP通道的結(jié)構(gòu)及功能

1.1KATP通道的分子結(jié)構(gòu)及分布 功能性KATP通道是由內(nèi)向整流性的K+通道(inwardly rectifying K+channel，Kir)中的Kir6.x亞基和ATP結(jié)合盒蛋白超家族成員中的磺酰脲類受體(sulfonylurea receptor，SUR)亞基組成的復雜八聚體結(jié)構(gòu)[5]。其中Kir6.x為成孔亞基，形成KATP通道的離子通道，包括Kir6.1和Kir6.2，其上有ATP結(jié)合位點；SUR是調(diào)節(jié)亞基，調(diào)節(jié)通道的功能及通道對代謝狀態(tài)的敏感性，也是藥物作用的主要位點，包括SUR1和SUR2(SUR2A和SUR2B)[6-7]。Kir6.x亞基或SUR亞基單獨表達時KATP通道無活性，而當兩個亞基共表達時KATP通道表現(xiàn)出活性[8]，并可組成不同類型的KATP通道[9]。

KATP通道在多種不同類型的細胞和組織中均具有活性[10]。其在神經(jīng)系統(tǒng)廣泛表達，包括皮質(zhì)、海馬、下丘腦和基底神經(jīng)節(jié)等，不同類型的神經(jīng)元[γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid，GABA)神經(jīng)元、谷氨酸能神經(jīng)元和多巴胺能神經(jīng)元等]上也存在KATP通道[11]。此外，KATP通道也存在于細胞膜表面和線粒體內(nèi)膜上，線粒體KATP通道的結(jié)構(gòu)與細胞膜上類似，均由4個Kir6.x亞基和4個SUR亞基構(gòu)成[12]。

1.2KATP通道的功能 KATP通道的活性不僅受細胞內(nèi)ATP水平的調(diào)節(jié)，也受細胞信號分子如瘦素、胰島素、生長素釋放肽、長鏈脂肪酸、脂酰肌醇二磷酸、過氧化氫、一氧化氮等的調(diào)節(jié)[13]。作為神經(jīng)元能量代謝與電活動之間的樞紐，神經(jīng)元上的大部分KATP通道在生理狀態(tài)下處于關(guān)閉狀態(tài)。當電活動增強時，細胞內(nèi)ATP大量消耗，ATP/ADP比值下降，細胞KATP通道被激活，從而引起細胞膜超極化，細胞興奮性下降、ATP消耗減少、電活動降低。激活的KATP通道調(diào)節(jié)神經(jīng)元電活動與能量代謝之間的平衡，保護細胞免受過度興奮的影響[7,13]。而線粒體上的KATP通道則通過維持線粒體上的K+平衡調(diào)節(jié)線粒體基質(zhì)容積變化，使其與細胞內(nèi)能量代謝變化相適應[14]以及維持線粒體氧化呼吸鏈的功能，調(diào)節(jié)線粒體的氧化還原狀態(tài)，從而減少氧化應激[15]。

2 KATP通道在PD發(fā)病中的作用機制

2.1KATP通道對黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的作用 在PD患者存活的黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元上可檢測到SUR1、SUR2和Kir6.2的表達，其中SUR1信使RNA水平上調(diào)，而SUR2和Kir6.2信使RNA水平無明顯變化[16]。在黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元退行性變的遺傳小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，出生14 d后小鼠黑質(zhì)中存活的多巴胺能神經(jīng)元僅表達SUR1/Kir6.2亞基，說明SUR1亞基能保護多巴胺能神經(jīng)元免受損傷，而表達SUR2B亞基易損傷多巴胺能神經(jīng)元；出生30 d后，表達SUR1/Kir6.2亞基的多巴胺能神經(jīng)元也死亡[17]。在大鼠PD模型中敲除Kir6.2基因后發(fā)現(xiàn)，Kir6.2基因沉默可增加存活的黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元數(shù)目[18]。但在Kir6.1亞基敲低的1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine，MPTP)誘導的PD小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元死亡顯著增加[19]。以上研究表明，在黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元上表達的KATP通道的各種亞基具有不同的功能，其在PD中的具體作用有待進一步研究。

目前，關(guān)于KATP通道在PD中的作用有兩種不同的觀點。一種觀點認為開放KATP通道能保護多巴胺能神經(jīng)元。研究發(fā)現(xiàn)，KATP通道激活劑埃他卡林減少了魚藤酮誘導的亞急性PD大鼠黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的變性死亡，而選擇性線粒體KATP通道阻滯劑5-羥基癸酸酯可逆轉(zhuǎn)神經(jīng)元變性死亡[4]；非選擇性KATP通道激活劑吡那地爾以及對SUR1/Kir6.2 KATP通道敏感的二氮嗪通過抑制活性氧類過量產(chǎn)生，改善線粒體功能，保護經(jīng)1-甲基-4-苯基吡啶離子處理后的小鼠中腦神經(jīng)元，尤其是多巴胺能神經(jīng)元免受損傷[20]；用KATP通道抑制劑格列本脲可逆轉(zhuǎn)硫化氫對6-羥基多巴胺誘導的亞急性大鼠PD模型的神經(jīng)保護作用，抑制黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的丟失[21]。另一種觀點則認為，KATP通道的開放增加了1-甲基-4-苯基吡啶離子誘導的大鼠紋狀體中羥自由基的產(chǎn)生；而格列本脲預處理可改善6-羥基多巴胺誘發(fā)的慢性PD大鼠運動癥狀的嚴重程度，且與維生素B合用更為有效；使用二氮嗪激活線粒體KATP通道可加重魚藤酮誘導的PC12細胞模型和慢性大鼠模型中多巴胺神經(jīng)元的變性程度；相反，5-羥基癸酸酯抑制了線粒體KATP通道，通過調(diào)節(jié)線粒體動力學變化改善魚藤酮誘導的多巴胺神經(jīng)退行性變[22-24]?？梢?，抑制KATP通道開放能改善多巴胺神經(jīng)元變性。

KATP通道在PD病理機制中表現(xiàn)出兩種不同的效應可能由于其在不同(急性/亞急性和慢性)的PD模型中發(fā)揮的作用不同。研究發(fā)現(xiàn)，在MPTP誘導的急性PD模型中，KATP通道缺陷(Kir6.2亞基敲除)小鼠的黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元更易出現(xiàn)損傷變性[3]，而在MPTP誘導的慢性PD模型中，Kir6.2亞基的敲除減少了黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的選擇性變性[18]。以上研究表明，急性損傷效應和慢性損傷效應之間的差異可能是KATP通道作用不同的原因之一。

2.2KATP通道對神經(jīng)元電活動的調(diào)節(jié) 黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元在生理情況下表現(xiàn)為整齊、不依賴突觸活動的自發(fā)放電(低頻)，在調(diào)節(jié)多巴胺能神經(jīng)元軸突支配區(qū)域(如紋狀體)局部多巴胺含量中發(fā)揮重要作用[25]。另一種比較少見的放電模式為高頻、短周期的爆發(fā)性放電，可在短時間內(nèi)釋放大量的多巴胺。爆發(fā)性放電與PD的病理狀態(tài)密切相關(guān)[16]，中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元對外界做出反應的方式是從低頻放電轉(zhuǎn)換為高頻放電[26]。N-甲基-D-天門冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid，NMDA)受體是一種對Na+和Ca2+通透的陽離子通道蛋白，因可被細胞外Mg2+電壓依賴性阻斷以及被谷氨酸、甘氨酸等激活，故同時受膜電位和神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)控[27]。NMDA受體由NR1亞基和多個NR2亞基共同組成，功能性的NMDA受體必須含有NR1亞基[28]。

特異性缺失NMDA受體主要亞基的多巴胺能神經(jīng)元大大降低了體內(nèi)爆發(fā)性放電活動，表明NMDA受體是多巴胺能神經(jīng)元爆發(fā)性放電過程的重要組成部分[29]。但體外研究發(fā)現(xiàn)，僅NMDA受體激活并不足以將中腦多巴胺能神經(jīng)元切換為爆發(fā)性放電模式，而施加超極化電流在NMDA受體誘導的體外爆發(fā)過程中是必要的條件[30]。一項研究發(fā)現(xiàn)，NMDA受體刺激可導致黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的強烈爆發(fā)性放電，但僅當與KATP通道共同激活時才發(fā)生[31]。表明NMDA受體和KATP通道的存在是多巴胺能神經(jīng)元爆發(fā)性放電的前提。此外，PD患者存活的黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元中KATP通道調(diào)節(jié)亞基SUR1信使RNA的水平約是健康人的2倍，NMDA受體NR1亞基信使 RNA的水平約是健康人的10倍，同時爆發(fā)性放電也增加[16]。以上研究說明，在PD患者中通過選擇性上調(diào)KATP通道SUR1亞基的表達可促進黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的爆發(fā)性放電。

在能量代謝需求旺盛、神經(jīng)元內(nèi)ATP水平顯著下降的情況下，KATP通道被激活，導致細胞膜電位超極化，從而改變神經(jīng)元的放電模式并降低神經(jīng)元的活性。短期內(nèi)激活KATP通道對代謝有益，但長期激活黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元上的KATP通道可能觸發(fā)神經(jīng)元變性[32]，進而影響PD發(fā)生。KATP通道持續(xù)激活使神經(jīng)元爆發(fā)性放電持續(xù)增加，促進了興奮性毒性的產(chǎn)生，同時KATP通道與NMDA受體和L型Ca2+通道協(xié)同增加鈣負荷[33]，而PARK基因的缺陷與環(huán)境因素進一步降低了線粒體的鈣緩沖能力，并增加了鈣觸發(fā)的活性氧類的產(chǎn)生[34]，線粒體產(chǎn)生的活性氧類激活KATP通道，并可能導致代謝級聯(lián)放大、興奮性毒性和鈣超載的惡性循環(huán)。這種循環(huán)可能會使黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元一直處于高代謝壓力的爆發(fā)放電狀態(tài)，并加速黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元退行性改變的進程[16]。

2.3KATP通道對鐵代謝的影響 鐵沉積可能影響PD的發(fā)病。有研究發(fā)現(xiàn)，與正常對照者相比，PD患者黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元鐵水平升高，并選擇性沉積于黑質(zhì)致密部[2]。在6-羥基多巴胺和MPTP誘導的PD小鼠中均發(fā)現(xiàn)黑質(zhì)中鐵水平的升高和多巴胺能神經(jīng)元的減少；在PD細胞模型中，鐵攝入水平也顯著增加[28]。PD患者大腦中鐵的不平衡分布提示鐵在多巴胺能神經(jīng)元變性中起關(guān)鍵作用。

腦鐵代謝涉及多種功能蛋白，如鐵蛋白、二價金屬轉(zhuǎn)運蛋白1(divalent metal transporter 1，DMT1)、鐵調(diào)節(jié)蛋白。DMT1的轉(zhuǎn)運功能是質(zhì)子耦合的，并取決于細胞膜電位。據(jù)報道，超極化電位可促進DMT1吸收鐵[35]。研究發(fā)現(xiàn)，KATP通道激活通過使細胞膜超極化增強了SK-N-SH細胞中DMT1介導的鐵攝取[36]。隨后ATP消耗和活性氧類的產(chǎn)生在前饋循環(huán)中誘導了其他KATP通道的激活，這種循環(huán)導致細胞內(nèi)鐵水平和氧化應激增加，并最終導致細胞死亡；而抑制KATP通道顯著減少了鐵吸收，并抑制細胞損傷[36]。鐵蛋白是主要的鐵存儲蛋白，由24個亞基組成，亞基包含鐵蛋白重鏈和鐵蛋白輕鏈兩條多肽鏈。研究發(fā)現(xiàn)，在MPTP處理的慢性PD小鼠的黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元中可觀察到鐵蛋白輕鏈積累和鐵沉積，這些變化可能因Kir6.2基因的失活而有所逆轉(zhuǎn)；構(gòu)建Kir6.2亞基基因敲除的SH-SY5Y細胞，用1-甲基-4-苯基吡啶離子處理后發(fā)現(xiàn)，Kir6.2的缺失可通過減少鐵蛋白輕鏈的產(chǎn)生和鐵沉積減少PD模型中黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的變性死亡[18]。以上研究表明，黑質(zhì)中選擇性鐵沉積可能與KATP通道活化有關(guān)，未來需要更多的研究揭示其潛在機制。

2.4KATP通道對α-突觸核蛋白的調(diào)控 α-突觸核蛋白是一種突觸前神經(jīng)元蛋白，參與構(gòu)成路易小體，并與PD相關(guān)[37]。α-突觸核蛋白主要定位于突觸前區(qū)，可與細胞膜結(jié)合，同時也存在于神經(jīng)元細胞核中[38]。研究表明，α-突觸核蛋白可被鄰近的神經(jīng)元吸收，然后神經(jīng)元釋放錯誤折疊和聚集形式的α-突觸核蛋白，這種以朊病毒樣在細胞間傳遞的方式可能是腦內(nèi)PD病變過程的擴散機制之一[39-40]。

在攜帶人突變型α-突觸核蛋白的轉(zhuǎn)基因PD小鼠的紋狀體中發(fā)現(xiàn)，大部分α-突觸核蛋白定位于皮質(zhì)紋狀體谷氨酸能神經(jīng)末梢，而α-突觸核蛋白的分泌通過激活存在于谷氨酸能神經(jīng)末梢上的GABAB受體介導[41]。該研究發(fā)現(xiàn)，表達SUR1亞基的KATP通道激活后會引起細胞膜超極化，減少GABA釋放，而局部降低的GABA水平則抑制鄰近谷氨酸能神經(jīng)末梢上GABAB受體的激活，使神經(jīng)元內(nèi)Ca2+水平升高，從而觸發(fā)α-突觸核蛋白的分泌；相反抑制KATP通道的激活可減少α-突觸核蛋白分泌[41]。以上研究表明，體內(nèi)α-突觸核蛋白的分泌受到表達SUR1亞基的KATP通道的嚴格調(diào)控。而另一項研究發(fā)現(xiàn)，在α-突觸核蛋白過表達的細胞中，SUR1信使RNA的水平被選擇性上調(diào)，提示SUR1過表達可能與PD的進程有關(guān)[42]?？梢?，SUR1亞基可能通過調(diào)控α-突觸核蛋白參與PD的進展，而KATP通道的其他亞基與α-突觸核蛋白之間的聯(lián)系還需要未來進一步的研究。

2.5KATP通道與PD炎癥之間的關(guān)系 神經(jīng)炎癥反應是PD發(fā)病機制的重要組成部分，主要由活化的小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞等神經(jīng)膠質(zhì)細胞介導，并伴有炎癥因子的產(chǎn)生[43]。在PD患者和動物黑質(zhì)變性的神經(jīng)元附近均觀察到大量激活的小膠質(zhì)細胞[44]。以往研究表明，小膠質(zhì)細胞上有KATP通道的分布，包括Kir6.1和Kir6.2、SUR1和SUR2四個亞基[45-46]?；罨男∧z質(zhì)細胞可分為具有促炎作用的M1型和抗炎作用的M2型[19]。在Kir6.1亞基敲低的MPTP誘導的PD小鼠中發(fā)現(xiàn)，黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元死亡顯著增加，并伴有小膠質(zhì)細胞過度活化，小膠質(zhì)細胞M1型/M2型比值增大，同時抑制Kir6.1也可促進脂多糖+γ干擾素處理后的小膠質(zhì)細胞產(chǎn)生促炎因子(白細胞介素-1β、腫瘤壞死因子-α和白細胞介素-6)[19]。該研究表明，Kir6.1亞基對于M2型小膠質(zhì)細胞的產(chǎn)生必不可少，敲低Kir6.1亞基可通過p38促分裂原活化的蛋白激酶-核因子κB信號通路將小膠質(zhì)細胞從有益的M2型轉(zhuǎn)換為有害的M1型，并最終加速多巴胺能神經(jīng)元的死亡。在魚藤酮誘導的 PD大鼠模型中發(fā)現(xiàn)，埃他卡林可減輕黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的變性，并抑制小膠質(zhì)細胞的活化，下調(diào)腫瘤壞死因子-α和環(huán)加氧酶2等炎癥介質(zhì)信使RNA的水平[4]。在原代培養(yǎng)的小膠質(zhì)細胞中，埃他卡林的預處理同樣抑制了魚藤酮誘導的活化，減少腫瘤壞死因子-α和前列腺素E2的產(chǎn)生，同時也減少了小膠質(zhì)細胞中魚藤酮誘導的線粒體膜電位損失[4]。以上研究表明，激活KATP通道可抑制小膠質(zhì)細胞的活化和炎癥因子的釋放，而Kir6.1亞基在其中起重要作用。

在PD患者的黑質(zhì)致密部中也存在反應性星形膠質(zhì)細胞，激活的星形膠質(zhì)細胞可釋放炎癥因子，導致多巴胺能神經(jīng)元變性[47]。星形膠質(zhì)細胞可以放大小膠質(zhì)細胞產(chǎn)生的炎癥反應，導致形成神經(jīng)炎癥的反饋回路[48]。星形膠質(zhì)細胞上有KATP通道表達，以往研究表明，激活星形膠質(zhì)細胞中的KATP通道可以緩解PD模型中的線粒體功能障礙[49]，抑制神經(jīng)炎癥[50]。但與未敲除星形膠質(zhì)細胞Kir6.1的PD小鼠相比，在星形膠質(zhì)細胞上條件性敲除Kir6.1亞基基因的PD小鼠黑質(zhì)致密部處有過度活化的星形膠質(zhì)細胞和更多的多巴胺能神經(jīng)元丟失，紋狀體中的多巴胺水平更低，且運動障礙更嚴重[51]。同時敲除該基因也抑制星形膠質(zhì)細胞中線粒體自噬，導致受損線粒體積累、活性氧類產(chǎn)生增加和神經(jīng)炎癥加重；而恢復線粒體自噬功能可逆轉(zhuǎn)Kir6.1敲除造成的線粒體功能障礙、炎癥和多巴胺能神經(jīng)元死亡[51]。這表明，星形膠質(zhì)細胞中Kir6.1亞基缺乏會加速PD小鼠中多巴胺能神經(jīng)元的變性，而Kir6.1亞基可通過促進線粒體自噬預防PD中多巴胺能神經(jīng)元神經(jīng)變性。可見，在PD模型中星形膠質(zhì)細胞上的KATP通道可能具有相反的作用，未來需要更多的研究闡明。

3 結(jié) 語

正常生理條件下，KATP通道大部分處于關(guān)閉狀態(tài)，其在PD患者的黑質(zhì)中被選擇性激活，激活的KATP通道可偶聯(lián)細胞代謝與電活動，通過影響神經(jīng)元的興奮性和電活動、神經(jīng)元內(nèi)能量代謝、鐵代謝、α-突觸核蛋白分泌以及調(diào)節(jié)神經(jīng)膠質(zhì)細胞介導的炎癥反應等機制，參與黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的退行性變進程。目前，有關(guān)KATP通道在PD發(fā)病機制中的作用尚未統(tǒng)一，其參與PD病理生理調(diào)節(jié)的作用也尚未清楚，未來需要進一步研究KATP通道在PD中的作用機制，以為研發(fā)治療PD的藥物提供更多的理論基礎。