雙孔鉀離子通道與癲癇

李曉莉，王澍，關(guān)宇光

離子通道的選擇性擴(kuò)散是電解質(zhì)平衡、細(xì)胞發(fā)育和興奮性必不可少的條件，鉀離子(K+)通道是離子通道家族中最大和結(jié)構(gòu)最多樣化的一類(lèi)，由超過(guò)80個(gè)人類(lèi)基因編碼。K+通道通過(guò)選擇性控制細(xì)胞內(nèi)外K+的流動(dòng)，廣泛地調(diào)節(jié)細(xì)胞功能，是生物細(xì)胞跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的關(guān)鍵因素。人類(lèi)K+通道主要分為鈣激活K+通道、內(nèi)整流K+通道、雙孔結(jié)構(gòu)域K+通道(K2P)和電壓門(mén)控K+通道等。其中，K2P是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一類(lèi)新型K+通道家族[1]。

癲癇是最常見(jiàn)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病之一，由腦部神經(jīng)元高度同步化異常放電所致。K+通道可通過(guò)控制神經(jīng)元靜息電位、動(dòng)作電位復(fù)極、放電頻率等調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性，參與癲癇發(fā)作[2]。本文對(duì)K2P通道與癲癇的研究進(jìn)展作一概述，以提高K2P通道在癲癇發(fā)病機(jī)制中作用的認(rèn)識(shí)。

1 K2P的結(jié)構(gòu)特征、類(lèi)型和生理功能

與其他K+通道相比，K2P通道家族具有獨(dú)特的四個(gè)跨膜螺旋和兩個(gè)孔域的膜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并以二聚體的形式存在。人類(lèi)基因組中共有15個(gè)K2P通道基因，根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能特性，分為6個(gè)亞群：弱內(nèi)向整流K+通道(TWIK)、TWIK相關(guān)堿性pH激活性K+通道(TALK)、TWIK相關(guān)酸敏K+通道(TASK)、氟烷抑制性K+通道(THIK)、TWIK相關(guān)花生四烯酸刺激性K+通道(TRAAK)、TWIK相關(guān)K+通道(TREK)、TWIK相關(guān)脊髓K+通道(TRESK)[2-3]。

在生理?xiàng)l件下，大多數(shù)K2P通道作為開(kāi)放的整流器，主要向胞外介導(dǎo)背景鉀電流或稱(chēng)“漏電流”，使膜電位低于觸發(fā)閾值，并刺激神經(jīng)元復(fù)極[4]。從遺傳學(xué)角度看，K2P通道和癲癇之間似乎沒(méi)有關(guān)聯(lián)，然而對(duì)癲癇模型的研究[4]卻發(fā)現(xiàn)其可能參與了癲癇的發(fā)生，具體機(jī)制尚不清楚。目前相關(guān)研究主要集中在TREK和TASK兩個(gè)亞家族成員。因此，本綜述著重總結(jié)TREK和TASK亞家族成員與癲癇的相關(guān)報(bào)道。

2 TREK與癲癇

2.1 TREK亞家族成員 TREK亞家族共有三個(gè)成員，包括TREK-1/K+通道亞家族K成員2(KCNK2)、TREK-2/KCNK10和TRAAK/KCNK4。自1996年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，TREK-1已成為迄今為止研究最多的K2P通道?；钚訲REK-1通道是TREK-1亞基以反向平行方式聚集的同型二聚體，相反的孔螺旋和相應(yīng)孔環(huán)形成選擇性K+過(guò)濾器[5]。TREK-1還可與TREK-2和TRAAK通道形成功能性異源二聚體，可被細(xì)胞內(nèi)酸化或堿化激活，并呈現(xiàn)出獨(dú)特的生物學(xué)特性。TREK亞家族成員的異質(zhì)化導(dǎo)致了K2P通道的多樣化和多種調(diào)控功能。盡管三者之間有近80%的同源性，TREK-1的特異性阻滯劑spadin及其類(lèi)似物對(duì)TREK-2和TRAAK均無(wú)影響。一些用于抗精神病藥物被證明是TREK-1通道的有效阻斷劑，但不影響TRAAK通道[6-8]。

2.2 TREK-1與癲癇 TREK-1高表達(dá)于人類(lèi)、大鼠和小鼠CNS，尤其是皮質(zhì)、海馬和丘腦突觸前后部位，而這些部位正是癲癇發(fā)生的敏感腦區(qū)[5]。在亞細(xì)胞水平，TREK-1分布于神經(jīng)元樹(shù)突[1]，并與海馬及皮質(zhì)中GABA能中間神經(jīng)元共定位，可抑制錐體細(xì)胞活性，提示其可能參與控制癲癇發(fā)作[9]。此外，TREK-1還定位于CNS的星形膠質(zhì)細(xì)胞胞體和軸突上，調(diào)控星形膠質(zhì)細(xì)胞谷氨酸能神經(jīng)遞質(zhì)的快速釋放[10]。作為靜息膜電位的關(guān)鍵介質(zhì)，TREK-1可在全部生理電壓范圍內(nèi)被激活，沒(méi)有電壓及時(shí)間依賴性，通過(guò)反去極化維持細(xì)胞靜息膜電位、促進(jìn)膜電位超極化、直接調(diào)節(jié)細(xì)胞的興奮性，控制動(dòng)作電位發(fā)放頻率；除此之外，TREK-1還有助于各種感覺(jué)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程和代謝調(diào)節(jié)[11-13]。TREK-1受多種因素調(diào)控，如機(jī)械變化、溫度、pH變化等物理刺激，多不飽和脂肪酸(如花生四烯酸等)和磷脂(如磷脂酰肌醇)等化學(xué)物質(zhì)[12]。

研究[9]發(fā)現(xiàn)，TREK-1敲除(TREK-1-/-)小鼠更易出現(xiàn)海人酸(KA，谷氨酸受體激動(dòng)劑)和戊四氮(PTZ，GABA能受體拮抗劑)誘發(fā)的癲癇狀態(tài)，且癲癇嚴(yán)重程度評(píng)分、死亡率和平均最大發(fā)作強(qiáng)度均明顯增加，EEG也提示TREK-1-/-小鼠雙側(cè)棘波放電頻率和幅度顯著提高，海馬中c-FOS(神經(jīng)元興奮性標(biāo)志)表達(dá)明顯增高，說(shuō)明TREK-1-/-鼠對(duì)KA和PTZ所致癲癇具有高敏感性，而TREK-1具有降低神經(jīng)元興奮性的重要作用。此外，Harinath等[14]發(fā)現(xiàn)咖啡因和茶堿的致癇作用正是通過(guò)cAMP/PKA信號(hào)通路阻斷TREK-1通道，最終使細(xì)胞膜去極化。另外，多不飽和脂肪酸和磷脂如亞麻酸和溶血磷脂，不能降低KA誘導(dǎo)的TREK-1-/-小鼠癲癇發(fā)作[9]，說(shuō)明多不飽和脂肪酸和磷脂至少部分上是通過(guò)激活TREK-1發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用的。

TREK-1突變體-TREK-M(具有更強(qiáng)結(jié)構(gòu)活性和抗蛋白激酶降解能力)可明顯縮短鋰和匹羅卡品誘導(dǎo)的大鼠癲癇持續(xù)狀態(tài)時(shí)間，還可減少內(nèi)嗅皮質(zhì)和海馬神經(jīng)元死亡，并通過(guò)使靜息膜電位超極化和降低輸入電阻抑制神經(jīng)元放電，說(shuō)明TREK-M通過(guò)沉默超興奮神經(jīng)元抑制癲癇急性發(fā)作[15]。

由于開(kāi)放TREK-1對(duì)癲癇發(fā)作具有神經(jīng)保護(hù)作用，因此阻斷該通道后可能產(chǎn)生有害作用。然而給予TREK-1拮抗劑spadin的小鼠并未出現(xiàn)KA或PTZ所致癲癇發(fā)作增強(qiáng)。更有趣的是，給予spadin的小鼠發(fā)生全身痙攣和后繼死亡的幾率降低[8,13]，其具體機(jī)制有待進(jìn)一步探討。

2.3 TREK-2與癲癇 目前為止，有關(guān)TREK-2與癲癇的報(bào)道仍十分有限。研究[16-17]發(fā)現(xiàn)，去甲腎上腺素通過(guò)激活TREK-2通道使錐體細(xì)胞超極化，從而抑制內(nèi)嗅皮質(zhì)及其海馬投射區(qū)神經(jīng)元興奮性，提示TREK-2可能是單胺類(lèi)藥物抗癲癇的分子基礎(chǔ)。

Haenisch等[18]發(fā)現(xiàn)電誘導(dǎo)顳葉癲癇持續(xù)狀態(tài)后，大鼠海馬中TREK-2表達(dá)明顯上升。由于缺乏TREK-2在癲癇機(jī)制中的研究，基于目前在腦缺血方面的研究結(jié)果，推測(cè)有可能是非編碼RNA所涉及的轉(zhuǎn)錄后機(jī)制在TREK-2調(diào)控中發(fā)揮重要作用，且癇性損傷后上調(diào)的TREK-2可能對(duì)星形細(xì)胞鉀和谷氨酸水平穩(wěn)態(tài)的維持發(fā)揮保護(hù)功能。實(shí)際上，癲癇發(fā)作后腦內(nèi)花生四烯酸、細(xì)胞體積和pH值等的改變，均會(huì)引起TREK-2表達(dá)的變化，其具體作用仍有待更深入的研究。

2.4 TRAAK與癲癇 由于膜電位在細(xì)胞興奮性、神經(jīng)遞質(zhì)釋放、激素分泌和電解液轉(zhuǎn)運(yùn)等多種過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，所以當(dāng)編碼K+通道的基因過(guò)度激活或突變失活，使K+流動(dòng)異?；蚴軗p后，機(jī)體出現(xiàn)相關(guān)多種疾病類(lèi)型，影響神經(jīng)傳導(dǎo)、CNS功能、心臟電生理、激素分泌和腎臟功能等。2018年，Bauer等[19]報(bào)道了3例KCNK4全新錯(cuò)意突變導(dǎo)致患者出現(xiàn)一種獨(dú)特的神經(jīng)發(fā)育綜合征-FHEIG綜合征，主要表現(xiàn)為面部畸形、多毛癥、癲癇、智力障礙、發(fā)育遲緩、牙齦過(guò)度生長(zhǎng)，且KCNK4突變患者臨床表型的特征是隨著年齡的增長(zhǎng)顱面特征有顯著的進(jìn)化，因此在與其他疾病的鑒別診斷中應(yīng)考慮到這種情況。與其他K2P通道不同，KCNK4幾乎只在中樞和外周的神經(jīng)元及視網(wǎng)膜中表達(dá)[20]，因此KCNK4突變后造成的多方位影響是始料未及的。膜片鉗結(jié)果證實(shí)KCNK4通道突變體的功能顯著增加，K+通道持續(xù)性開(kāi)放，基礎(chǔ)K+電流明顯增加，去極化電流顯著加大，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)K+枯竭和間質(zhì)K+濃度增加，同時(shí)造成鄰近細(xì)胞去極化，對(duì)機(jī)械刺激和花生四烯酸的敏感性受損，從而出現(xiàn)一系列嚴(yán)重后果[19]。有趣的是，KCNK4-/-小鼠未表現(xiàn)出明顯的發(fā)育異常和對(duì)癲癇敏感性的增加，且無(wú)認(rèn)知、觸覺(jué)、視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)方面的缺陷，推測(cè)KCNK4功能可能由K2P家族的其他成員所代償，或其相關(guān)性僅限于像腦缺血這樣的病理生理狀況[9,21]。Bauer等[19]認(rèn)為持續(xù)高水平的K+胞外電流導(dǎo)致顯著去極化電位是負(fù)責(zé)FHEIG綜合征的臨床特征和癥狀出現(xiàn)的原因。

3 TASK與癲癇

3.1 TASK通道的分布和作用 TWIK相關(guān)酸敏K+通道可能是大腦中表達(dá)最強(qiáng)的“漏”通道，尤以TASK-1和TASK-3最豐富，幾乎存在于整個(gè)CNS[22]。在人類(lèi)正常海馬錐體神經(jīng)元和齒狀回顆粒細(xì)胞均有TASK-1、TASK-2與TASK-3表達(dá)。在亞細(xì)胞水平，TASK-1表達(dá)在人類(lèi)海馬錐體神經(jīng)元和齒狀回顆粒細(xì)胞的樹(shù)突和核周?chē)?；而TASK-3定位于錐體細(xì)胞和顆粒細(xì)胞的細(xì)胞核而非樹(shù)突中。TASK-1和TASK-3還表達(dá)在海馬非錐體層和齒狀回多形層的中間神經(jīng)元中。在大鼠海馬中，不同腦區(qū)神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中TASK通道的表達(dá)存在差異：TASK-1表達(dá)在錐體細(xì)胞、中間神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞，TASK3只表達(dá)在神經(jīng)元中[23]。TASK2在海馬錐體細(xì)胞、齒狀回顆粒細(xì)胞和血管周?chē)切文z質(zhì)細(xì)胞中均有表達(dá)[16,22,24]。

TASK通道可被細(xì)胞外酸化、缺氧、局部麻醉藥和內(nèi)源性大麻素等抑制，可被吸入麻醉藥激活，中間神經(jīng)元上TASK-1的超極化效應(yīng)可能抑制錐體細(xì)胞內(nèi)在的起搏和激活，同時(shí)還會(huì)影響一些特定類(lèi)型細(xì)胞對(duì)酸化的特異敏感性[22]，因此推測(cè)TASK可能參與細(xì)胞增殖、缺血和癲癇等多個(gè)生理及病理過(guò)程。某些類(lèi)型的額葉癲癇、全面性癲癇和嬰兒癲癇綜合征與編碼離子通道蛋白亞基的基因突變、異常突觸傳遞、跨膜K+梯度的調(diào)節(jié)和細(xì)胞外pH值的活動(dòng)-依賴轉(zhuǎn)換有關(guān)[16]。有趣的是，pH值在癲癇發(fā)作機(jī)制中發(fā)揮重要作用，而且決定著癲癇海馬的病理生理特點(diǎn)，如癲癇發(fā)作導(dǎo)致雙相pH值轉(zhuǎn)換，包括最初的細(xì)胞外堿化及隨后酸化延遲，而一些抗癲癇藥物也會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元pH值的波動(dòng)。由于TASK通道受到pH值的高度調(diào)控，目前其在癲癇發(fā)作中的作用正逐漸受到重視。

3.2 TASK-1與癲癇 研究[23]發(fā)現(xiàn)，海馬硬化的顳葉癲癇患者因神經(jīng)元丟失導(dǎo)致海馬錐體神經(jīng)元和齒狀回顆粒細(xì)胞TASK-1減少，然而非海馬硬化的顳葉癲癇患者盡管海馬錐體細(xì)胞和齒狀回顆粒細(xì)胞的形態(tài)正常，但TASK-1表達(dá)仍明顯降低，而星形膠質(zhì)細(xì)胞TASK-1表達(dá)顯著增高。

Kim等[24]發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)典遺傳性癲癇沙鼠模型中，TASK-1不僅在海馬神經(jīng)元表達(dá)，還在星形膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)，齒狀回中也可見(jiàn)少量TASK1陽(yáng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞。在幼齡期，癲癇抵抗和癲癇易感沙鼠海馬中TASK-1和TASK-2通道表達(dá)無(wú)差異；但成年后癲癇易感沙鼠TASK-1陽(yáng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞明顯高于癲癇抵抗組；當(dāng)癲癇發(fā)作后，TASK-1陽(yáng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量明顯下降。癲癇易感沙鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞中TASK-1的上調(diào)可能通過(guò)增加K+向外整流導(dǎo)致細(xì)胞外K+水平升高，增加了細(xì)胞興奮性；癲癇發(fā)作后，星形膠質(zhì)細(xì)胞中TASK-1的快速下調(diào)是快速適應(yīng)過(guò)程的一部分，通過(guò)減少星形膠質(zhì)細(xì)胞K+外流而抑制癲癇活動(dòng)。

值得注意的是，一些抗癲癇藥物如加巴噴丁、拉莫三嗪、托吡酯和丙戊酸均可減少海馬中10%～25%的TASK-1陽(yáng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞，卡馬西平和維加巴特林可減少約50%TASK-1陽(yáng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量；而TASK-1陽(yáng)性神經(jīng)元數(shù)量不受任何抗癲癇藥物的影響；研究[25]亦發(fā)現(xiàn)在顳葉癲癇患者的海馬星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)向/外向的K+電導(dǎo)比率顯著降低。這些結(jié)果均提示星形膠質(zhì)細(xì)胞TASK-1的下調(diào)可起到抗癲癇效應(yīng)。

3.3 TASK-2與癲癇 TASK-2在海馬和齒狀回各層結(jié)構(gòu)中均有表達(dá)，是一種非失活性通道。TASK-2電流對(duì)細(xì)胞外pH高度敏感(通過(guò)TASK-2的K+電流被酸性pH抑制，被堿性pH激活，估計(jì)pKa為7.6～8.6)[26]。

Kim等[26]報(bào)道大鼠顳葉癲癇與海馬和齒狀回中TASK-2表達(dá)增加有關(guān)。癲癇持續(xù)狀態(tài)后，齒狀回顆粒細(xì)胞層、CA3錐體細(xì)胞層及血管周?chē)鷧^(qū)域的TASK-2免疫反應(yīng)性增強(qiáng)，而CA1錐體細(xì)胞層的TASK-2免疫反應(yīng)性減弱，說(shuō)明癲癇后TASK-2在腦區(qū)中的定位并不均勻，pH波動(dòng)與神經(jīng)元活性的差異可能是導(dǎo)致區(qū)域性差異的原因。TASK-2陽(yáng)性神經(jīng)元增加可能反映了一種快速的適應(yīng)，從而導(dǎo)致癲癇活動(dòng)減弱，以應(yīng)對(duì)早期癲癇相關(guān)的堿化；血管周?chē)鶷ASK-2免疫反應(yīng)性增強(qiáng)由該處TASK-2陽(yáng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞增加引起，這種上調(diào)可能導(dǎo)致血流量異常和/或血-腦屏障異常，從而導(dǎo)致海馬損傷[16,24,26]。

3.4 TASK-3與癲癇 TASK-3通道參與多種病理生理過(guò)程，包括睡眠/清醒控制、認(rèn)知和癲癇[27]。TASK-3通道編碼基因KCNK9位于8號(hào)染色體8q24位點(diǎn)。最近對(duì)不同家系的相關(guān)研究[28]證實(shí)，染色體8q24與特發(fā)性全面癲癇(包括兒童和青少年失神癲癇)和家族性成人肌陣攣性癲癇相關(guān)。

Bonaglia等[29]對(duì)1例嚴(yán)重精神運(yùn)動(dòng)遲緩、特發(fā)性癲癇和生長(zhǎng)遲緩患兒的核型分析發(fā)現(xiàn)，其8q24.3染色體位點(diǎn)出現(xiàn)2.3 Mb的反向重復(fù)。TASK-3通道在遺傳性失神癲癇大鼠模型(GAERS)中發(fā)生了突變-C端胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域中的聚丙氨酸道出現(xiàn)一個(gè)額外丙氨酸殘基。雖然突變體TASK-3通道在丘腦和皮質(zhì)區(qū)表達(dá)水平未出現(xiàn)明顯異常，但這種沉默突變?nèi)员徽J(rèn)為是導(dǎo)致該模型多基因起源表型的潛在因素[27]。

TASK-3在海馬硬化和非海馬硬化顳葉癲癇患者的錐體細(xì)胞和顆粒細(xì)胞中降低；而大鼠癲癇發(fā)作1 d后，TASK-3免疫反應(yīng)在海馬神經(jīng)元中減少，在小膠質(zhì)細(xì)胞中上調(diào)，提示這可能是癲癇發(fā)作的結(jié)果，而非導(dǎo)致癲癇的原因。顆粒細(xì)胞和錐體細(xì)胞中TASK-3免疫反應(yīng)的下降可能使神經(jīng)元發(fā)生持久去極化(可能發(fā)生在細(xì)胞外堿化期間)，導(dǎo)致癲癇長(zhǎng)時(shí)間發(fā)作[23]。Brickley等[30]報(bào)道敲除TASK-3而非TASK-1，可降低小腦顆粒細(xì)胞動(dòng)作電位閾值，導(dǎo)致靜息膜電位去極化增強(qiáng)，細(xì)胞的興奮性增加。因此，TASK-3減少可降低動(dòng)作電位閾值，導(dǎo)致顳葉癲癇患者海馬神經(jīng)元的興奮性延長(zhǎng)。雖然癲癇發(fā)生后小膠質(zhì)細(xì)胞中TASK-3表達(dá)上調(diào)的確切生物學(xué)意義及調(diào)控機(jī)制還不完全清楚，但目前已知TASK上調(diào)在小膠質(zhì)細(xì)胞的轉(zhuǎn)化/分化中發(fā)揮重要作用[23]。因此，星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞上TASK通道可能是癲癇治療的潛在靶點(diǎn)。

內(nèi)嗅皮質(zhì)接收來(lái)自中縫核的5-羥色胺(5-HT)能輸入，抑制神經(jīng)元興奮性。在內(nèi)嗅皮質(zhì)GABA能中間神經(jīng)元中，5-HT通過(guò)抑制TASK3通道和增加動(dòng)作電位點(diǎn)燃產(chǎn)生膜去極化作用，增加中間神經(jīng)元興奮性，因此GABA釋放增加、錐體細(xì)胞活性下降，抑制癲癇發(fā)作，提示5-HT介導(dǎo)的GABA釋放增加和神經(jīng)元興奮性抑制是其在內(nèi)嗅皮質(zhì)中發(fā)揮抗癲癇作用的原因[31]。

綜上，TASK通道具有抗癲癇和促癲癇的雙重潛能，而通道本身既無(wú)保護(hù)作用，也無(wú)損害作用，其相關(guān)作用的發(fā)揮取決于病理生理情況下表達(dá)的細(xì)胞類(lèi)型和環(huán)境?；谶@些發(fā)現(xiàn)，對(duì)TASK通道的認(rèn)識(shí)已從單純的背景通道發(fā)展成為病理生理?xiàng)l件下的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[16]。

4 總結(jié)與展望

在過(guò)去十幾年里，K2P通道的重要性已越來(lái)越清晰。除癲癇外，它們已成為心血管疾病、抑郁癥、記憶障礙及各種疼痛障礙和偏頭痛的重要潛在治療靶點(diǎn)。然而，雖然其生理作用的相關(guān)研究正快速發(fā)展，但目前對(duì)K2P通道門(mén)控和調(diào)控的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和分子機(jī)制仍然知之甚少，特別是在癲癇領(lǐng)域，仍有多種K2P家族成員的作用未得到證實(shí)。因此，未來(lái)需要進(jìn)行更深入、更詳細(xì)的探討，為理解疾病機(jī)制、篩選和開(kāi)發(fā)新型藥物提供更多證據(jù)。