血管平滑肌KATP通道與心血管病的相關(guān)研究近況

1、血管平滑肌KATP通道與心血管病的相關(guān)研究近況    作者：羊富彬(研究生),李家富作者單位：四川，瀘州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院心內(nèi)科        【關(guān)鍵詞】  血管平滑肌;KATP通道;心血管疾病     KATP通道 (ATP-sensitive potassium channel，KATP)是Noma 1983年首先在豚鼠的心肌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)1。隨后的實(shí)驗(yàn)證明此通道廣泛分布于神經(jīng)細(xì)胞、心肌細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞及胰腺細(xì)胞等多種細(xì)胞上，是將細(xì)胞能量

2、代謝和生物電活動(dòng)相耦聯(lián)的一類(lèi)重要通道。它的開(kāi)啟和關(guān)閉與上述組織的功能關(guān)系密切。其分子結(jié)構(gòu)和電生理學(xué)特點(diǎn)屬于配體門(mén)控的電壓非依賴(lài)性?xún)?nèi)向整流鉀通道。KATP通道按其存在的部位可以分為兩類(lèi)：一是位于細(xì)胞膜上的KATP通道 (surface KATP Channel，sKATP);二是位于線粒體膜上 KATP通道 (mitochondrial KATP channel，mitoKATP)。本文綜述KATP通道的結(jié)構(gòu)、功能、信號(hào)調(diào)控機(jī)制，重點(diǎn)介紹血管平滑肌KATP通道與心血管疾病的最新研究進(jìn)展。     1 KATP通道的結(jié)構(gòu)與調(diào)節(jié)     1

3、.1 結(jié)構(gòu)     sKATP的分子結(jié)構(gòu)早已明確，為四個(gè)內(nèi)向整流亞單位Kir6.x 和四個(gè)磺酰脲類(lèi)受體SUR組成相對(duì)分子質(zhì)量約為950×103異源性八聚體。Kir6.x構(gòu)成KATP的K+穿通孔道，家族中共有6個(gè)亞型(Kir6.1Kir6.6)。哺乳動(dòng)物中主要有Kir6.1和Kir6.2亞型，編碼Kir6.1的基因長(zhǎng)為9.7kb，含有3個(gè)外顯子，其基因編碼定位于染色體12p11.23上，編碼Kir6.2的基因長(zhǎng)為4.5kb，其基因編碼定位于11p15.1上2。Kir6.x含有兩個(gè)跨膜螺旋 M1、M2和一個(gè)離子通道形成片段 H5區(qū)，具有ATP抑制作用的結(jié)合位

4、點(diǎn)，控制KATP通道對(duì)K+的選擇性，也有ATP感受器的作用3。SUR作為通道的調(diào)節(jié)亞單位，決定著KATP的藥理學(xué)特性，分為SUR1、SUR2A和 SUR2B三種類(lèi)型，屬 ABC(ATPbinding cassette，ABC)結(jié)合蛋白家族的成員4。SUR分子由3個(gè)疏水結(jié)構(gòu)域 TM0、TM1、TM2，共 17個(gè)跨膜螺旋和兩個(gè)胞內(nèi)核苷酸結(jié)合區(qū) (NBFs)組成，另外還有兩個(gè) N連接糖基化位點(diǎn)，若干個(gè) PKA和 PKC磷酸化位點(diǎn)。目前認(rèn)為 SUR是藥物作用的主要靶點(diǎn)，賦予Kir6.2 對(duì)磺酰類(lèi)藥物和通道開(kāi)放劑(KCOs)的敏感性 ，也增加Kir6.x對(duì)ATP的敏感性，并使KATP的功能得以完整表達(dá)。

5、     研究發(fā)現(xiàn)人類(lèi)、犬、大鼠、小鼠等其他種類(lèi)哺乳動(dòng)物的正常胰腺組織表達(dá)KATP通道的亞基為SUR1和Kir6.25。對(duì)大鼠和小鼠的心臟、冠狀動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞采用免疫組織化學(xué)的方法能檢測(cè)到Kir6.1亞基的表達(dá)。Kir6.2亞基主要在心室肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)，在平滑肌細(xì)胞不表達(dá)。SUR1亞基在心室肌細(xì)胞表面有強(qiáng)烈表達(dá)，在冠狀動(dòng)脈系統(tǒng)無(wú)表達(dá)。SUR2亞基主要在心肌細(xì)胞和冠狀動(dòng)脈系統(tǒng)表達(dá)。在心室肌細(xì)胞的T管膜上聯(lián)合表達(dá)Kir6.2和SUR2亞基;在心室肌細(xì)胞的肌纖維膜上聯(lián)合表達(dá)Kir6.1和SUR1亞基6。敲除小鼠心肌細(xì)胞SUR2亞基上的NBD1區(qū)即格列苯脲

6、的作用位點(diǎn)，仍能用免疫組織化學(xué)、共沉淀和PCR技術(shù)證實(shí)存在格列苯脲敏感KATP通道，這就說(shuō)明心肌細(xì)胞膜上的KATP通道有不同的種類(lèi)組合7。     1.2 KATP通道的調(diào)節(jié)     1.2.1 細(xì)胞內(nèi)ATP/ADP的濃度比     胞內(nèi)ATP對(duì)KATP具有雙向調(diào)節(jié)作用，KATP在開(kāi)放狀態(tài)下，ATP發(fā)揮配基作用抑制通道的開(kāi)放，而不是通常情況下的ATP磷酸化或水解作用;通道在關(guān)閉狀態(tài)下，ATP與Mg2+結(jié)合，恢復(fù)通道的開(kāi)放。ADP對(duì)通道既有激活作用又有抑制作用。無(wú)Mg2+時(shí)，ADP抑制KATP通道，其作用點(diǎn)

7、在 Kir6.x上;在Mg2+和 ATP達(dá)1 mmol/L條件下，ADP又是KATP的強(qiáng)有力的激動(dòng)劑，其作用點(diǎn)在磺酰脲受體亞單位SUR的核苷酸結(jié)合位點(diǎn)NBFs上，根本機(jī)制可能是輔助因子Mg2+介入到了在 NBFs上執(zhí)行的ATP的水解反應(yīng)8。ATP/ADP的濃度比值對(duì)通道的狀態(tài)有著重要的調(diào)節(jié)作用，其比值下降通道開(kāi)放 ，其比值增大通道關(guān)閉。因此使通道的活動(dòng)與細(xì)胞代謝相聯(lián)系。在缺血、缺氧、代謝中毒時(shí)ATP/ADP的濃度比值下降，KATP開(kāi)放，從而介導(dǎo)缺血心肌保護(hù)或心肌缺血預(yù)適應(yīng)9。     1.2.2 細(xì)胞內(nèi)pH     細(xì)胞內(nèi)pH值也對(duì)K

8、ATP具有一定的調(diào)節(jié)作用。酸中毒時(shí)細(xì)胞內(nèi)PH值降低，細(xì)胞內(nèi)H+增加。H+通過(guò)改變ATP敏感性而改變通道活性，減輕了對(duì)KATP通道的抑制作用，使KATP通道的活性增加，通道開(kāi)放，血管張力降低。     1.2.3 蛋白激酶對(duì)KATP的調(diào)節(jié)作用     KATP活性還受蛋白激酶 A(PKA)、蛋白激酶 C(PKC)、蛋白激酶 G(PKG)等磷酸化的調(diào)節(jié)。PKA與 PKG磷酸化可激活血管KATP，而 PKC卻對(duì)其有抑制作用。另外，PKC可激活心肌細(xì)胞KATP，并且當(dāng)PKC被激活時(shí)，代謝抑制或pinacidil可以使心肌細(xì)胞 KATP處于一種

9、預(yù)激活狀態(tài)。PKC對(duì)心肌細(xì)胞KATP的作用與ATP的濃度有關(guān)，呈濃度依賴(lài)性 S形曲線。在 mmol/LATP時(shí)，PKC激活心臟K+ 通道，但在 mol/L ATP時(shí)(<50 mol/L)PKC抑制心臟 KATP10 。     1.2.4 蛋白激酶G、一氧化氮 、C型利鈉肽、血管活性腸肽、1受體、2受體均可活化     KATP通道，缺氧、代謝毒物等應(yīng)激活化分子也可活化KATP ，從而調(diào)節(jié)機(jī)體對(duì)外界的適應(yīng)性。腺苷、兒茶酚胺、緩激肽、降鈣素基因相關(guān)肽和外源性三磷酸鳥(niǎo)苷類(lèi)似物(GTPCs)等都與G蛋白耦聯(lián)可通過(guò)G蛋白活化KATP通道

10、。細(xì)胞骨架，膜磷脂也參與對(duì)KATP的調(diào)控?；酋ｋ鍙?fù)合物(SUs)和鉀通道開(kāi)放劑(KCOs)是外源性KATP通道的阻滯劑和開(kāi)放劑。最近研究發(fā)現(xiàn)，脂多糖可以上調(diào)Kir6.1/SUR2B的表達(dá)，增加KATP通道活性，并且是通過(guò)NF-B信號(hào)途徑11。     2 血管平滑肌KATP通道與調(diào)控     2.1 Kir6.1/SUR2B是血管平滑肌     KATP通道的主要亞型，不過(guò)有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，血管中也存在Kir6.2與SUR2B組成的功能性通道12-13。 Kenneth14等用定量 RTPCR的方法檢測(cè)到大鼠基

11、底動(dòng)脈和大腦中動(dòng)脈有KATP通道亞基Kir6.1、Kir6.2和 SUR1、SUR2的mRNA轉(zhuǎn)錄，但SUR2AmRNA的表達(dá)卻難以測(cè)出;而且在大鼠基底動(dòng)脈和大腦中動(dòng)脈中，Kir6.1和SUR2BmRNA的表達(dá)占主要地位，Kir6.1mRNA的表達(dá)水平更要高于 SUR2BmRNA。用 Western blotting法亦可在這兩種動(dòng)脈中測(cè)到 Kir6.1、Kir6.2和 SUR1、SUR2B蛋白。Kir6.1/SUR2B是大鼠腦中動(dòng)脈和基底動(dòng)脈中 KATP通道的主要組成成分 ，且Kir6.1和SUR2B蛋白在大鼠大腦動(dòng)脈中比在大鼠基底動(dòng)脈中多。因此認(rèn)為，在這兩處血管平滑肌的KATP通道中，以

12、Kir6.1與 SUR2B形成的八聚體為主，Kir6.1與 SUR1形成的八聚體為輔 。共同表達(dá)的SUR2B/Kir6.1對(duì)ATP不敏感,在吡那地爾存在時(shí)電流導(dǎo)電系數(shù)為33pS,比SUR2B/Kir6.2通道低,并可被NDP(GDP、ADP)激活和格列苯脲抑制,吡那地爾可誘發(fā)爆發(fā)性放電15。     2.2 KATP通道對(duì)血管平滑肌的調(diào)控     KATP通道在血管調(diào)節(jié)方面的作用主要表現(xiàn)在維持血管床的基礎(chǔ)張力，缺血缺氧時(shí)擴(kuò)張重要臟器血管口徑，對(duì)血流的代謝調(diào)節(jié)起重要作用。KATP通道在某些血管床如冠脈、腸系膜動(dòng)脈、倉(cāng)鼠頰囊和提睪肌動(dòng)脈基

13、礎(chǔ)張力的維持中起重要作用。腎、腦和肺動(dòng)脈KATP通道雖對(duì)基礎(chǔ)張力的維持不起作用,但在缺氧時(shí)調(diào)節(jié)這些血管的張力。缺血、缺氧造成ATP分解產(chǎn)生大量腺苷，腺苷結(jié)合受體激活KATP通道，使血管擴(kuò)張，增加血流量，增加攜氧量，保持局部代謝平衡。缺血、缺氧引起的擴(kuò)管作用可被優(yōu)降糖抑制。研究表明,內(nèi)皮素1(ETl)、血管緊張素(AT)可選擇性阻斷血管平滑肌細(xì)胞KATP敏感鉀通道,導(dǎo)致平滑肌細(xì)胞收縮、增殖或肥大,使肺血管痙攣和肺血管重構(gòu),表現(xiàn)出慢性低氧性肺動(dòng)脈高壓(HPH)。血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制劑(ACEl)、ATII受體拮抗劑、內(nèi)皮素受體拮抗劑等均可抑制動(dòng)物低氧性肺血管重構(gòu)。最近發(fā)現(xiàn),內(nèi)毒素休克時(shí)KATP通道

14、被過(guò)度激活可能是導(dǎo)致血壓驟降的主要原因，KATP通道過(guò)度激活后，鈣內(nèi)流減少，血管平滑肌松弛，總外周阻力迅速下降15。研究表明,KATP通道參與冠脈血流,特別是缺氧和缺血時(shí)冠脈血流的調(diào)節(jié)。在缺氧、缺血和代謝抑制等狀態(tài)下,ATP分解而產(chǎn)生大量腺苷,后者通過(guò)與受體結(jié)合而激活KATP通道,使冠脈阻力減小(冠脈擴(kuò)張),血流量增加,以補(bǔ)充氧量,維持局部代謝的平衡。這說(shuō)明KATP通道在缺氧和缺血性冠脈擴(kuò)張中起重要作用16。     3 KATP通道與心血管疾病     3.1 KATP通道與高血壓     研究發(fā)現(xiàn)，K

15、ir6.1mRNA表達(dá)水平與收縮壓強(qiáng)烈相關(guān)聯(lián)。在敲除Kir6.1表型的老鼠具有特征型冠脈血管收縮，表現(xiàn)為Kir6.1與血管壁緊張度的調(diào)節(jié)至關(guān)重要，KATP通道表達(dá)上調(diào)會(huì)降低血管緊張度。腎上腺素受體擴(kuò)張血管，部分就是通過(guò)KATP通道作用17。研究表明，在高血壓大鼠，主動(dòng)脈血管平滑肌KATP通道的Kir6.1和SUR2B亞基表達(dá)降低，但和正常血壓老鼠相比，對(duì)吡那地爾，克羅卡林引起的血管舒張反應(yīng)相同。表明，在高血壓時(shí)，KATP通道的亞基表達(dá)下降，但對(duì)鉀通道開(kāi)放劑的反應(yīng)功能是正常的18。KATPCOs可通過(guò)激活血管平滑肌上KATP通道及增加通道m(xù)RNA的表達(dá)而擴(kuò)張血管，臨床可用于高血壓的治療。其抗高血

16、壓作用具有效價(jià)高、口服劑量小、作用持久且不良反應(yīng)少等特點(diǎn)，合用-受體阻滯藥或利尿藥可取得較理想的臨床效果。KATPCOs對(duì)外周血管的具體作用機(jī)制大致包括：(1)KATP 通道開(kāi)放，促進(jìn)K+ 外流 ，細(xì)胞膜超極化使電壓依賴(lài)性Ca+通道失活，阻止Ca+內(nèi)流從而降低胞內(nèi)Ca+濃度。(2)細(xì)胞膜超極化可降低血管平滑肌對(duì)Ca+敏感性。(3)KATPCOs還可通過(guò)影響細(xì)胞內(nèi)的磷酸化酶而產(chǎn)生舒血管效應(yīng)。     3.2 KATP 通道與冠心病     KATP通道不僅參與病理情況下(例如缺血、缺氧)的冠脈血流的調(diào)節(jié)(可以減輕缺血心肌的梗死面積、提高

17、心肌收縮力、減輕心室重構(gòu)等)，對(duì)維護(hù)正常生理狀態(tài)下的冠脈血流也起著重要的作用。KATP通道對(duì)冠狀動(dòng)脈血管平滑肌細(xì)胞靜息膜電位有著重要的作用，也是血管擴(kuò)張藥的作用靶點(diǎn)。最近發(fā)現(xiàn)，在心肌梗死后重構(gòu)的梗死邊緣區(qū)，KATP通道亞基Kir6.1mRNA逐漸增加;當(dāng)心肌梗死發(fā)生后，KATP調(diào)節(jié)亞基SURs的mRNA表達(dá)量逐漸增加，而Kir6.2亞基mRNA的表達(dá)量則逐漸減少19。在心肌梗死大鼠模型的心肌重塑過(guò)程中，開(kāi)放KATP通道能在結(jié)構(gòu)和功能方面起到保護(hù)性作用 ，開(kāi)放KATP 抑制 p70S6激酶而使心肌梗死后蛋白激酶減少，從而減少了心肌細(xì)胞肥大的發(fā)生20。在心臟缺血再灌注模型，敲除SUR1的小鼠在梗死

18、面積和心功能指標(biāo)方面明顯優(yōu)于對(duì)照組21。在敲除SUR2的老鼠，自發(fā)性冠狀動(dòng)脈痙攣與猝死顯著增加22。在心肌缺血時(shí)，線粒體KATP亞基將向細(xì)胞膜轉(zhuǎn)移，使細(xì)胞膜KATP亞基(SUR2)表達(dá)增加，KATP通道的電流密度也增加，從而達(dá)到心肌缺血時(shí)額心肌保護(hù)作用23。     3.3 KATP 通道與心律失常     研究發(fā)現(xiàn)，心臟KATP 通道亞基表達(dá)減少的老鼠和KATP 通道亞基突變的患者易發(fā)生室性或房性心律失常。KATP 通道亞基突變的老鼠在急性和慢性應(yīng)激時(shí)會(huì)發(fā)生心肌損傷，與正常老鼠相比，更易發(fā)生心律不齊，導(dǎo)致室性心律失常和猝死，存活率明

19、顯降低24。劉辰光研究發(fā)現(xiàn)，KATP通道激動(dòng)劑吡那地爾可抑制哇巴因誘發(fā)的期前收縮，降低室速和室顫的發(fā)生率25。     3.4 KATP 通道對(duì)心室重構(gòu)和心力衰竭     在各種病理性刺激的持續(xù)壓力下，心臟自身的調(diào)節(jié)能力下降，使心臟的負(fù)荷壓力和自身能量代謝之間的動(dòng)態(tài)平衡被打破，進(jìn)而導(dǎo)致心室重構(gòu)及心力衰竭的發(fā)生。KATPCOs除了擴(kuò)張血管、降低氧耗從而減輕心臟負(fù)荷外，還可快速協(xié)調(diào)細(xì)胞代謝狀態(tài)與膜的興奮性，通過(guò)保護(hù)線粒體膜結(jié)構(gòu)、減少氧自由基產(chǎn)生及增加ATP生成等作用顯著改善心臟的能量代謝?，F(xiàn)有研究表明，激活KATP通道SUR2B/Kir6

20、.1亞基可以減少壓力負(fù)荷過(guò)重誘發(fā)的心力衰竭26。     【參考文獻(xiàn)】     1 Noma A.ATP-regulated K+ channels in cardiac muscle J.Nature,1983,305(5930):147- 148.     2 Minami K,Miki T,Kadowaki T,et al.Roles of ATP-sensitive K+ channels as metabolic Sensors:studies of Kir6.x null miceJ.diab

21、etes,2004,53(3):S176-S180.     3 Aguilar Bryan L,Clement JP IV, Gonzalez G, et al. Toward understanding the assembly and structure of KATP channels J.Physiol Rev,1998,78(1):227-245.     4 Hansen AM,Hansen JB,Carr RD,et al.Kir6.2-dependent high-affinity repaglinide Bindi

22、ng to beta-cell KATP channelsJ.Br J Pharmacol,2005,144(4):551-557.     5 Donley VR,Hiskett EK,Kidder AC.ATP sensitive potassium channel (KATP channel)expreion in the normal canine pancreas and in canine insulinomasJ.BMC Vet Res,2005,1(12):8-16.     6 Morrissey A,Rosner

23、E,Lanning J.Immunolocalization of KATP channel subunits in Mouse and rat cardiac myocytes and the coronary vasculatureJ.BMC Physiology,2005,5(1):1-9.     7 Pu JL,Ye B,kroboth SL,et al.Cardiac sulfonylurea receptor short form-based Channels confer a glibenclamide-insensitive KATP activ

24、ityJ.J MOL Cell Cardiol ,2008,44(1):188-200.     8 Pel MR,Pah PA,Pen PS,et al.Anaslysis of single KATP channels in mammalian de-ntate gyrus granule cellsJ.J Neurophysiol,2000,84(5):2291-2301.     9 Beheshtian A,Demehri S,Kiumehr S,et al.ATP-sensitive potassium channels

25、mediate the anti-ischemic properties of ischemic and pharmacologic preconditioning in rat random-pattern skin flapJ.Ann Plast Surg,2006,57(1):94-99.     10Rodrigo GC,Standen NB.ATP-sensitive potassium channelsJ.Curr Pharm Des,2005,11(15):1915-1940.     11Shi W,Cui N,Yan

26、g Y,et al.Lipopolysaccharides up-regulate Kir6.1/SUR2B channel Expression channel and enhance vascular KATP channel activtiy via NF-Kappa B-depen-Dent signalingJ.J Biol Chem.2010.285(5):3021-9.     12Cao K,Tang GH,Hu D H,et al.Molecular basis of ATP-sensitive K+ channels in rat Vascul

27、ar smooth musclesJ.Biochem Biophys Res Commun,2002,296(2):463-469.     13Jansen O I,Mortensen C H,Bariaki N E,et al.Characterization of KATP channels in rat basilar and middle cerebral arteries:studies of vasomotor responses and mRNA expressionJ.Eur J Pharmacol,2005,523(1-3):109-118.

28、    14Kenneth B P,Lars E,Jes O.Pharmacological and molecular comparsion of c KATP hannels inrat basilar and middle cerebral arteriesJ.Eur J Pharmacol,2006,553(1-3):254-262.     15Teramoto N.Physiological roles of ATP-sensitive K+ channels in smooth muscleJ.J Physiol,200

29、6,572(3):617-624.     16尹 彤.胞膜和線粒體ATP敏感性鉀通道在心肌保護(hù)中的作用J.河北醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，2001(1)：52-56.     17Miki T,Suzuki M,Skibasaki T,et al.Mouse modle of prinzmetal angina by disrup-tion of the inward rectifier Kir6.1J.Nature Medicine,2002,8:466-472.     18Javier BR,Carlos G,

30、Rosa Aras.Decreased expression of aorcic Kir6.1 and SUR2B In hypertension does not correlate with change in functional role of KATP ch-annelsJ.European Journal of pharmacology,2008,587:204-208.     19Nadia I,Pierre P,Irene P,et al.Expression and function of ATP dependent pot-Assium ch

31、annels in late post infarction remodelingJ.J Mol Cell Cardiol,2007，42(6):1016-1025.     20Lee TM ,Lin Meishu,Chang Nenchung,et al.Effect of ATP-sensitive potassium channel agonists on ventricular remodleing in healed rat infarctsJ.J Am Cell Cardiol,2008,5(13):1309-1318.     21Elrod JW,Harrell M,Flagg TP,et al.Role of sulfonylurea receptor typle subunits Of ATP-sensitive potassium channels in myocardial ischemia/reperfusion injuryJ.C