環(huán)核苷酸門控離子通道及其功能的研究進展

［摘要］ 環(huán)核苷酸門控（CNG） 離子通道是一種非選擇性的四聚體陽離子通道，可以直接被細胞內(nèi)信使小分子——環(huán)核苷酸活化，是鈣離子進入細胞的主要通道之一。CNG 通道蛋白由6 種不同基因編碼：4 個A 亞單位和2 個B 亞單位。CNG 離子通道的活性可被鈣離子/鈣調(diào)素（Ca2+/CaM） 及磷酸化或膜上磷酸肌醇作用調(diào)節(jié)，從而改變細胞內(nèi)鈣離子濃度，參與多種生物學功能的調(diào)控。自從在視桿細胞中發(fā)現(xiàn)CNG 離子通道以來，經(jīng)歷了對其生理功能、克隆相關基因、理解調(diào)控方式、解析晶體結(jié)構(gòu)和開發(fā)相關的基因治療方法等研究過程，在視覺和嗅覺感覺神經(jīng)元（OSNs） 的信號轉(zhuǎn)導中發(fā)揮著重要作用?，F(xiàn)就CNG 離子通道的功能、結(jié)構(gòu)、調(diào)控機制及其與相關疾病關系等方面進行簡要綜述，以期為CNG 離子通道相關疾病的治療提供理論依據(jù)。

［關鍵詞］ 環(huán)核苷酸門控離子通道； 鈣離子； 調(diào)控機制； 視網(wǎng)膜

［中圖分類號］ R-33 ［文獻標志碼］ A

1985 年FESENKO 等［1］ 最早在脊椎動物視網(wǎng)膜的視桿細胞外段中發(fā)現(xiàn)環(huán)磷酸鳥苷（cyclicguanosine monophosphate， cGMP） 能直接激活視網(wǎng)膜桿狀體中光依賴性通道， 即環(huán)核苷酸門控（cyclic nucleotide-gated， CNG） 離子通道， 該離子通道允許Na+、K+、Ca2+、Li+和Rb+等多種離子的跨膜轉(zhuǎn)運， 對膜電勢不敏感， 通過與cGMP直接結(jié)合參與視覺調(diào)控。在視錐體光感受器和嗅覺感覺神經(jīng)元（olfactory sensory neurons， OSNs）等組織中發(fā)現(xiàn)了相似的通道［2］。CNG 離子通道作為動物組織細胞和植物細胞中的重要離子通道之一， 近年來在通道蛋白純化、CNG 離子通道分子的克隆及基因功能性表達、CNG 離子通道的信號調(diào)控和CNG 通道基因突變動物模型的構(gòu)建等方面研究的進展迅速。隨著CNG 離子通道的研究深入， 其廣泛的生理作用日益受到關注，然而國內(nèi)相關研究進展的報道較少， 現(xiàn)結(jié)合國內(nèi)外近年來的研究報道對CNG 離子通道功能、結(jié)構(gòu)、調(diào)控機制和CNG 離子通道病變等方面進行綜述。

1 CNG 離子通道的功能

1. 1 CNG 離子通道在視覺信號轉(zhuǎn)導中的作用

CNG 離子通道通過直接與細胞內(nèi)環(huán)核苷酸結(jié)合而被激活，在視覺信號轉(zhuǎn)導中發(fā)揮著關鍵作用［1］。在視桿細胞和視錐細胞中，在無光的情況下，cGMP與CNG 離子通道直接結(jié)合并活化開啟CNG 離子通道，Ca2+通過開啟的CNG 離子通道進入介導陽離子內(nèi)流（暗電流）；當光投射到視網(wǎng)膜上時，光激活的視蛋白依次激活G 蛋白和cGMP 特異的磷酸二酯酶（phosphodiesterase，PDE），觸發(fā)一系列酶促反應，從而導致cGMP 的水解和CNG 離子通道的關閉［3］。CNG 離子通道的關閉降低了細胞內(nèi)Ca2+的濃度，Ca2+濃度降低負反饋刺激cGMP 合成從而介導視覺信號轉(zhuǎn)導級聯(lián)反應，增加通道對cGMP 的親和力［4］。Ca2+減少導致細胞膜的超極化，神經(jīng)遞質(zhì)向二級細胞的釋放減少；同時，位于雙極細胞錐狀光感受器突觸上的CNG 離子通道可以調(diào)節(jié)突觸傳遞及介導一氧化氮的信號傳遞［5］，細胞膜超極化抑制神經(jīng)遞質(zhì)釋放， 光信號被傳遞給周圍的神經(jīng)細胞。

1. 2 CNG 離子通道在嗅覺信號轉(zhuǎn)導中的作用

CNG 通道不僅參與視覺信號傳遞，在嗅覺信號傳導中也發(fā)揮了重要作用［6］。嗅覺上皮細胞中OSNs通過不同的G 蛋白偶聯(lián)嗅覺受體來檢測氣味，空氣中的各種氣味分子隨呼吸氣流進入鼻腔作為配體與上皮細胞中OSNs 膜上的特異性氣味受體（odorant receptors， ORs） 結(jié)合，進而啟動嗅覺信號的轉(zhuǎn)導過程， 激活腺苷酸環(huán)化酶 （adenylatecyclase， AC）， 從而導致胞內(nèi)環(huán)磷酸腺苷（cyclicadenosine monophosphate， cAMP） 的合成增多。增加的 cAMP 通過結(jié)合嗅覺CNG 離子通道使其開放，從而使嗅覺神經(jīng)元去極化［2］。嗅覺CNG 離子通道主要參與轉(zhuǎn)運Ca2+，Ca2+通過激活Cl－通道進一步放大嗅覺信號，沿著嗅神經(jīng)傳導通路到大腦嗅皮質(zhì)而產(chǎn)生嗅覺。胞內(nèi)Cl－外流使OSN 去極化，有助于誘導神經(jīng)遞質(zhì)從嗅覺受體細胞釋放到二級神經(jīng)元［6］。

1. 3 CNG 離子通道的其他生理學功能

CNG 離子通道除了在經(jīng)典的視覺和嗅覺傳導中起作用，還參與許多其他的生理過程：①CNG 離子通道可以響應信號素3A （Sema3A）， 從而使胞內(nèi)Ca2+濃度升高，以控制發(fā)育中神經(jīng)生長錐的遷移方向［7］；② CNG 離子通道還作為NO/cGMP 信號靶點參與抑制脊髓內(nèi)炎癥性疼痛過敏［8］，以及參與周圍神經(jīng)損傷后的病理性神經(jīng)疼痛過程［9］； ③大腦中CNG離子通道可能參與調(diào)節(jié)海馬體可塑性和依賴于杏仁核的恐懼記憶［10］?？傊?，CNG 離子通道參與了體內(nèi)諸多的生理過程， 但其具體機制有待進一步闡明。

2 CNG 離子通道的結(jié)構(gòu)

CNG 離子通道的基本結(jié)構(gòu)類似于電壓依賴的K+ 通道， 由4 個亞基組成一個跨膜通道。每個CNG 離子通道亞基有6 個跨膜區(qū)段（S1～S6），其中S1～S4 為退化的電壓傳感器樣結(jié)構(gòu)域， 由部分孔環(huán)連接S5 和S6 區(qū)段以及遠端S6 區(qū)域共同構(gòu)成一個離子傳導通路。每個亞基的氨基（N） 和羧基（C） 末端結(jié)構(gòu)域均位于胞內(nèi)，CNG 離子通道的C 末端包含1 個環(huán)核苷酸結(jié)合域（cyclic nucleotidebindingdomain， CNBD） 和1 個將CNBD 連接到S6 片段的C-linker 結(jié)構(gòu)域。C-linker 結(jié)構(gòu)域?qū)NBD 結(jié)構(gòu)域連接到成孔結(jié)構(gòu)域上，協(xié)助配體結(jié)合開啟通道。

2. 1 CNG離子通道亞基

哺乳動物中共有6個旁系同源基因編碼CNG 離子通道的亞基，根據(jù)基因序列的相似性將其分為2 個亞型： CNGA 和CNGB［11］。最早克隆的CNG 離子通道基因是牛視網(wǎng)膜視桿細胞α - 亞基（cyclic nucleotide-gatedchannel alpha 1， CNGA1）［12］。隨后， 分別克隆出CNGA2、CNGA3、CNGA4、CNGB1 和CNGB3等亞基的cDNA［13］。在秀麗隱桿線蟲中，已經(jīng)克隆出了Tax-2 和Tax-4 2 個CNG 離子通道亞基［14］。從黑腹果蠅觸角和視覺系統(tǒng)中克隆出1 個CNG 離子通道亞基CNG-P1［15］。從黑腹果蠅觸角中克隆出CNG 通道亞基L （cyclic nucleotide-gated channelL， CNGL）， 并發(fā)現(xiàn)CNGL 基因在其大腦中表達［16］。CNG 亞基CNGA1-3 單獨表達為同源多聚體時可形成有功能的通道。視桿細胞CNG 離子通道由3 個CNGA1 和1 個CNGB1a 亞基組成［17］；視錐細胞CNG 離子通道則由2 個CNGA3 和2 個CNGB3 亞基組成［18］； 嗅覺細胞CNG 離子通道由2 個CNGA2、1 個CNGA4 和1 個CNGB1b 亞基組成［19］。

CNG 離子通道的多樣性來自于前體mRNA 的選擇性剪接。最先發(fā)現(xiàn)CNG 離子通道亞基可變剪切的是 CNGB1 基因， 1 個長型 CNGB1 亞基CNGB1a 在視桿細胞中表達，而嗅覺受體神經(jīng)元產(chǎn)生一個較短的亞型CNGB1b，該亞型缺乏長變體中存在的大部分N-端細胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域。此外， 選擇性剪接可以產(chǎn)生2 種可溶性異構(gòu)體， 其中僅含有CNGB1 的N- 端富含谷氨酸蛋白（glutamic acidrichprotein， GARP） 結(jié)構(gòu)域， 而無通道形成結(jié)構(gòu)域。CNGB1a 的GARP 結(jié)構(gòu)域及其相關的可溶性形式已被證明對光感受器外段的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用至關重要［20］。

2. 2 CNBD結(jié)構(gòu)域

CNG離子通道的CNBD結(jié)構(gòu)域與其他環(huán)狀核苷酸結(jié)合蛋白序列相似， 包括cGMP 依賴的蛋白激酶G （protein kinase G，PKG） 和cAMP 依賴的蛋白激酶A （protein kinaseA， PKA） 以及大腸桿菌代謝基因激活蛋白（catabolite gene activator protein， CAP）。CAP 和PKA 的晶體結(jié)構(gòu)非常相似［21］， 因此， CAP 的CNBD 結(jié)構(gòu)通常被用作CNG 離子通道配體結(jié)合域的模型。

CNG 離子通道具有高度的環(huán)核苷酸特異性。cGMP、環(huán)次黃嘌呤單磷酸核苷（inosine 3′， 5′-cyclic monophosphate， cIMP） 和cAMP 僅存在嘌呤環(huán)的差異， 這3 個環(huán)狀核苷酸都可以與牛CNGA1 離子通道亞基的CNBD 結(jié)合。然而，結(jié)合cGMP 促進通道變構(gòu)開放的效率比結(jié)合cIMP 約高10 倍，比結(jié)合cAMP 高1 000 倍［22］。在CNBD 中至少有2 個重要的氨基酸參與決定配體效率的差異：第1 個是CNGA1 離子通道中β 折疊中的蘇氨酸T560，T560 突變降低了該通道對cGMP 的表觀親和力，但對 cAMP 的表觀親和力影響不大［23］；第2 個參與配體特異性的殘基位于C-螺旋中，牛視桿細胞CNGA1 離子通道C-螺旋上的天冬氨酸殘基D604 的突變顯著改變了配體的特異性［22］。環(huán)核苷酸主要通過其核糖和環(huán)磷酸與β 折疊之間的相互作用與封閉的通道相結(jié)合。環(huán)核苷酸與通道相結(jié)合導致CNBD 構(gòu)象的變化， 隨之孔道打開。同時CNBDs 的這種構(gòu)象變化可能是由于C-螺旋向每個亞基的β 折疊靠攏，從而使C-螺旋上的D604 殘基得以與環(huán)核苷酸的嘌呤環(huán)發(fā)生相互作用［22］。

2. 3 C-linker結(jié)構(gòu)域

C-linker位于連接跨膜區(qū)段S6 和CNBD 之間，是偶聯(lián)配體與視桿細胞、視錐細胞和嗅覺細胞CNG 離子通道結(jié)合開放的關鍵因子［24］。在視桿細胞CNGA1 離子通道中， S6 段下方的組氨酸殘基H420 及相鄰亞基與Ni2+形成配位鍵， 對開放狀態(tài)的通道有較高的親和力［25］。爪蟾卵母細胞中表達牛視桿細胞CNG 離子通道的研究［24］ 發(fā)現(xiàn)：CNGA2 離子通道中396 位的一個組氨酸，相當于CNGA1 離子通道中的第417 位氨基酸，也與Ni2+形成配位鍵，但在封閉狀態(tài)下對Ni2+具有較高的親和力。Ni2+配位的狀態(tài)依賴性研究［24］ 表明：C-linker 區(qū)域的螺旋結(jié)構(gòu)相對于孔隙中心軸的平移和順時針旋轉(zhuǎn)激活了CNG 通道。研究［26］ 表明C-linker 區(qū)域中B ′-螺旋的殘基在有cAMP 存在的情況下，相對于通道對稱軸向外移動，而cGMP 則無此效應。

2. 4 CNG 離子通道其他結(jié)構(gòu)域

CNG 離子通道的氨基末端區(qū)域也可能與通道的變構(gòu)開放有關。CNGA2 離子通道開放自由能低于CNGA1 離子通道，CNGA2 氨基末端區(qū)域的缺失降低了cAMP 的開放概率和對cGMP 的表觀親和力，表明該區(qū)域?qū)νǖ篱T控具有自興奮作用［27］。鈣離子/鈣調(diào)素（calmodulin，CaM） 結(jié)合到CNGA2 氨基末端結(jié)構(gòu)域的自興奮區(qū)域， 抑制了該通道的變構(gòu)開放轉(zhuǎn)變［27］。利用在細菌中表達的多肽，發(fā)現(xiàn)CNGA2 的氨基端和羧基端區(qū)域可以直接相互作用， 添加Ca2+/CaM 阻斷了CNGA2 的氨基末端與羧基末端的相互作用， 而單獨添加Ca2+ 或CaM 則無此效應［28］。推測其可能的機制是CNGA2 氨基端結(jié)構(gòu)域通過與其羧基端結(jié)構(gòu)域相互作用而具有自興奮作用， 而Ca2+/CaM 通過阻止這種相互作用來抑制CNGA2 通道。

Ca2+/CaM 通過結(jié)合CNGB1 的氨基端結(jié)構(gòu)域來抑制視桿細胞CNG 離子通道，并破壞氨基和羧基末端的相互作用［29］。然而，在視桿細胞通道中，Ca2+/CaM 結(jié)合到CNGB1 的氨基端結(jié)構(gòu)域， 阻止了該結(jié)構(gòu)域與異聚體通道中CNGA1 的CNBD 遠端羧基端區(qū)域（post-CNBD 區(qū)域） 相互作用。

CNGB1 中CaM 結(jié)合域或post-CNBD 區(qū)域的缺失并不影響通道門控特性［29］。CNGA 亞基的post-CNBD 區(qū)域包含1 個亮氨酸拉鏈域，在溶液中形成三聚體，表明該區(qū)域在產(chǎn)生異聚通道的3∶1 （CNGA∶CNGB） 化學計量中發(fā)揮了作用［17］。CNGA1 亞基post-CNBD 結(jié)構(gòu)域被敲除的突變體可能導致視網(wǎng)膜色素變性， 截斷post-CNBD 結(jié)構(gòu)域可能影響同型CNG 離子通道［30］ 和異型視桿細胞CNG 離子通道的運輸［29］。

2. 5 CNG 門控機制

CNG 離子通道通過環(huán)狀核苷酸與CNBDs 的結(jié)合而被激活。環(huán)狀核苷酸結(jié)合誘導其構(gòu)象發(fā)生變化， 并通過C 連接體、內(nèi)螺旋（S6）、孔螺旋和選擇性過濾器轉(zhuǎn)導， 最終打開CNG 離子通道離子傳導途徑。配體與CNG 離子通道的CNBD 相互作用有2 個基本步驟：第一步是初始配體與CNBD 對接； 第二步是CNBD 的構(gòu)象變化，促使環(huán)核苷酸結(jié)合到通道上并使其打開［22， 31］。研究［32］ 表明： CNG 離子通道孔的胞質(zhì)側(cè)開口狹窄，通道打開時變寬。在CNGA1 離子通道的無半胱氨酸變體中， 取代S6 （假定的內(nèi)螺旋） 的半胱氨酸（S399C）， 通過自發(fā)形成亞基間二硫鍵促進通道關閉［32］。

配體與CNBD 結(jié)構(gòu)域相結(jié)合繼而激活通道打開的機制存在2 種假說： 一種是協(xié)同變構(gòu)模型（MWC 模型）［33］， CNG 離子通道的MWC 模型假設了4 個等效的結(jié)合位點，配體結(jié)合的協(xié)同性依賴于協(xié)同的構(gòu)象變化和純加性的配體結(jié)合自由能；另一種是順序模型， 包括2～4 個配體結(jié)合步驟和CNBD 構(gòu)象變構(gòu)開放進而激活CNG 離子通道［25］。與順序模型比較，MWC 模型的優(yōu)點是能夠解釋在無配體結(jié)合的情況下，CNG 離子通道可以自發(fā)打開，這反映了通道與配體無關的內(nèi)在門控特性［33］。

盡管在生理濃度下，視桿細胞CNG 離子通道表現(xiàn)出相當大的電壓依賴性［34］，但CNG 離子通道被普遍認為“實際上對電壓不敏感”。這主要源于當Na+和（或） K+離子作為電流載流子時，在飽和濃度下獲得的電記錄，這是許多結(jié)構(gòu)功能研究的常見實驗條件。然而， 當使用Na+或K+以外的離子時，在飽和激動劑濃度下，CNG 離子通道門控也受到膜電壓的有效調(diào)節(jié)，其開放概率隨著膜去極化的增加而顯著增加。人視桿細胞CNGA1 亞基E365Q 突變體晶體結(jié)構(gòu)的解析［35］，為CNG 離子通道的電壓依賴門控特性提供了合理的解釋。

3 CNG 離子通道的調(diào)節(jié)

CNG 離子通道的調(diào)節(jié)對于視網(wǎng)膜光感受器晝夜節(jié)律控制和嗅覺感受器神經(jīng)元的適應等非常重要。CNG 離子通道能夠通過Ca2+依賴的反饋機制、磷酸化或膜上磷酸肌醇（phosphoinositide， PI） 在不同時間內(nèi)作出反應，從而調(diào)節(jié)通道活性。

3. 1 Ca2+依賴性調(diào)節(jié)

對CNGB1b中的CaM結(jié)合域缺失小鼠模型的研究［36］ 表明：Ca2+/CaM 對嗅覺CNG 離子通道的調(diào)節(jié)并不改變嗅覺神經(jīng)元對重復刺激的敏感性， 而主要導致氣味反應的快速終止（100 ms 內(nèi)）。爪蟾卵母細胞中表達小鼠嗅覺CNG離子通道研究［37］ 發(fā)現(xiàn)：CNGB1b 亞單位參與嗅覺CNG 離子通道的配體門控激活，有助于嗅覺感覺神經(jīng)元中氣味信號的快速終止。使用Ca2+螯合劑快速降低Ca2+濃度的研究發(fā)現(xiàn)：僅在視錐細胞內(nèi)檢測到Ca2+依賴的調(diào)節(jié)方式，而在完整的地鼠視桿細胞中未檢測到［38］。

3. 2 磷 酸 化 調(diào) 節(jié)

牛 CNGA1 的 Y498 位 點 和CNGB1a 的Y1097 位點的酪氨酸殘基磷酸化抑制了CNGA1+CNGB1a 離子通道的活性， 導致cGMP表觀親和力下降［39］。蛋白激酶C （protein kinaseC， PKC） 磷酸化CaM 結(jié)合位點的絲氨酸殘基，能夠明顯增加CNG 離子通道對cGMP 的親和力。牛CNGA3 通道受到PKC 介導的CNBD 結(jié)構(gòu)域內(nèi)絲氨酸殘基磷酸化的調(diào)控，導致同型CNGA3 離子通道對cGMP 的親和力降低［40］。

3. 3 磷酸肌醇調(diào)節(jié)

膜結(jié)合的PI是普遍存在的離子通道調(diào)節(jié)劑，在調(diào)節(jié)CNG 離子通道活性中起重要作用。PI （4 和5） P2 和PI （3、4 和5） P3 對桿狀［41］ 及錐狀［42］ CNG 離子通道起抑制作用。PI （3、4 和5） P3 可以抑制大鼠OSNs 中的嗅覺CNG 離子通道以及異源重組表達的CNGA2 離子通道［43］。然而， 這種調(diào)節(jié)在光感受器中的生理作用還不確定。光感受器內(nèi)磷酸肌醇水平受到光、細胞內(nèi)Ca2+、旁分泌信號和晝夜節(jié)律振蕩器等多種因素的調(diào)節(jié)［44］。

3. 4 晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)

天然視錐細胞CNG離子通道對配體親和力還受到視網(wǎng)膜晝夜節(jié)律振蕩的調(diào)節(jié)，白天CNG 離子通道對cGMP 的親和力較低，而夜間對cGMP 親和力增加［44-45］。研究［45］ 表明： 白天的雞視錐細胞多巴胺表達水平高于夜間，應用多巴胺D2 受體激動劑在夜間降低了CNG 離子通道的cGMP 親和力，但在白天未降低。無突觸視網(wǎng)膜細胞釋放的生長激素抑制素在夜間高而白天低；白天可能是通過激活磷脂酶C （phospholipase C，PLC） 和PKC， 生長激素抑制素受體的激活增加了天然視錐細胞CNG 離子通道的配體親和力［44］。此外， cAMP-PKA 信號通路、小單體G 蛋白、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK） 信號通路和鈣- 鈣調(diào)蛋白激酶Ⅱ （Ca2+/calmodulin-dependent protein kinaseⅡ，CaMKⅡ） 均有助于視錐細胞CNG 離子通道的晝夜節(jié)律調(diào)控［46］。

3. 5 其他調(diào)節(jié)方式

光除了通過內(nèi)在的生物鐘調(diào)節(jié)光感受器CNG 離子通道外，還能間接調(diào)節(jié)CNG離子通道活性。Grb14 是一種胰島素受體結(jié)合蛋白，以光依賴的方式直接結(jié)合到CNGA1 的C 端區(qū)域來抑制視桿細胞CNG 離子通道的活性［47］。進一步研究［48］ 表明光誘導的胰島素受體激活是通過磷酸化CNGA1 中的酪氨酸殘基Y498 和Y503 來抑制視桿細胞CNG 離子通道。此外，光依賴胰島素受體發(fā)生磷酸化后，PI3-激酶活性增強，這可能通過調(diào)節(jié)光感受器外段的膜PIP3和PIP2水平來調(diào)節(jié)光感受器CNG 離子通道活性［49］。后期研究［50］ 表明光照可以誘導光感受器外段內(nèi)PIP3水平顯著增加。

4 CNG 離子通道與疾病

4. 1 CNG離子通道與色素性視網(wǎng)膜炎

編碼視桿細胞CNG 離子通道亞基（CNGA1 和CNGB1） 的基因突變與常染色體隱性視網(wǎng)膜色素變性（autosomal recessive retinitis pigmentosa， arRP）有關聯(lián)［51］。視網(wǎng)膜色素變性（retinitis pigmentosa，RP） 的特征是視桿細胞的進行性退化，后期發(fā)展為視錐細胞的消失。遺傳學研究［52］ 分析表明：多個CNGA1 基因突變位點直接導致色素性視網(wǎng)膜炎。CNG 離子通道結(jié)構(gòu)解析闡明了3∶1 亞單位化學計量的結(jié)構(gòu)機制、cGMP 激活的不對稱門控以及天然視桿細胞CNG 離子通道的獨特藥理學特性［53］。在CNGB1 缺陷犬模型中采用基因療法評估人類RP 的治療效果，為CNGB1-RP 療法早日用于臨床試驗奠定了基礎［54］。

4. 2 CNG離子通道與色盲

通過對視桿細胞單色癥（rod monochromacy，RM） 遺傳病家族CNGA3基因序列的鑒定發(fā)現(xiàn)：CNG 離子通道中保守氨基酸的錯義突變可能導致RM 或完全色盲，這是一種罕見的常染色體隱性遺傳和先天性疾病，其特征表現(xiàn)為畏光、視力下降、眼球震顫和完全不能辨別顏色。遺傳分析研究［55］ 表明：CNGB3 移碼突變可能造成視覺缺陷、進行性視錐細胞營養(yǎng)不良和雙側(cè)黃斑變性等遺傳性疾病。天然四聚體視錐細胞高分辨率低溫電鏡結(jié)構(gòu)的解析研究［56］ 表明：CNGB3 在視錐細胞光響應過程中起著關鍵作用。R410W 是人類CNGA3 中一種與色盲相關的功能缺失突變，R421W 為秀麗隱桿線蟲類似突變。R421 位于門控環(huán)中，在關閉狀態(tài)下與S4 段相互作用。R421W 會破壞這種相互作用，破壞閉合狀態(tài)通道的穩(wěn)定性，并穩(wěn)定開放狀態(tài)。R421W 通道在無cGMP 的情況下自發(fā)激活并誘導細胞死亡，表明自發(fā)CNG 離子通道活動引發(fā)的錐體變性可能是導致色盲的原因［57］。

4. 3 CNG離子通道與嗅覺疾病

缺乏 CNGA4的小鼠仍然具有嗅覺，但表現(xiàn)出異常的嗅覺脫敏，這與通道Ca2+/CaM 調(diào)節(jié)的改變有關［11］。CNGA2 基因敲除小鼠先天性嗅覺缺失，嗅覺系統(tǒng)生理異常，此外， KARSTENSEN 等［58］ 報道了2 例嗅覺缺失的兄弟，均由體內(nèi)CNGA2 基因發(fā)生突變導致。通過分析家族性孤立型先天性失嗅癥發(fā)現(xiàn)，對5 例受影響家庭成員和5 名健康成員的全外顯子組測序結(jié)果顯示其CNGA2 基因中均包含有提前終止突變位點［59］； 上述結(jié)果表明關鍵嗅覺信號通路基因的突變與嗅覺疾病密切相關。

5 總結(jié)與展望

目前，不同組織中CNG 離子通道確切的生理功能尚未完全了解。盡管已知CNG 離子通道有可變剪切現(xiàn)象存在，但對其可變剪切的重要意義知之甚少。雖然CNG 離子通道N-C 末端相互作用對于控制通道的門控特性有重要意義，但是CNG 離子通道是如何在精細水平上相互作用的機制仍然有待進一步研究，尤其是在動態(tài)水平上，研究各個結(jié)構(gòu)域之間的相互作用對各種疾病的治療具有非常重要的意義。目前已有很多關于CNG 的疾病相關單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism，SNP） 位點的研究，如編碼CNG 離子通道的基因突變與多種視網(wǎng)膜疾病以及嗅覺疾病有關，因此，進一步研究CNG 門控的分子機制將有助于預防和治療CNG 離子通道上的通道病變。隨著CNG 離子通道基因突變動物模型的構(gòu)建，可用于模擬與疾病相關的人類CNG 離子通道的基因突變， 為探索CNG 離子通道病變的復雜病因提供了研究平臺，從而揭示相關疾病的發(fā)病機制，對人類研究多種視網(wǎng)膜疾病及嗅覺疾病具有深遠意義。同時相關疾病動物模型的建立和可接受高通量藥物篩選，為治療相關疾病的新藥研發(fā)及臨床應用奠定了堅實基礎。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。

作者貢獻聲明：方琳負責論文的撰寫，李世鵬負責論文的整體設計。

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[基金項目] 吉林省教育廳“十三五”科研項目（JJKH20201327KJ）；吉林省衛(wèi)健委技術創(chuàng)新項目（2019J100）