離子通道與疾病

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘要 細(xì)胞離子通道的結(jié)構(gòu)和功能正常是維持生命過程的基礎(chǔ)，其基因變異和功能障礙與許多疾病的發(fā)生和發(fā)展有關(guān).離子通道的主要類型有鉀、鈉、鈣、氯和非選擇性陽離子通道，各型又分若干亞型.離子通道的主要功能是:提高細(xì)胞內(nèi)鈣濃度，觸發(fā)生理效應(yīng);決定細(xì)胞的興奮性、不應(yīng)性和傳導(dǎo)性;調(diào)節(jié)血管平滑肌的舒縮活動;參與突觸傳遞;維持細(xì)胞的正常體積.離子通道的主要研究方法為膜片鉗技術(shù)、分子生物學(xué)技術(shù)、熒光探針鈣圖像分析技術(shù).離子通道病是指離子通道的結(jié)構(gòu)或功能異常所引起的疾病.疾病中的離子通道改變是指由于某一疾病或藥物引起某一種或幾種離子通道的數(shù)目、功能甚至結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生或糾正某些病理改

2、變.從離子通道與疾病的關(guān)系角度，加強(qiáng)分子生物學(xué)、生物物理學(xué)、遺傳學(xué)、藥理學(xué)等多學(xué)科交叉深入研究，對于深入探討某些疾病的病理生理機(jī)制、早期診斷及發(fā)現(xiàn)特異性治療藥物或措施等均具有十分重要的理論和實際意義. 0引言 離子通道(ion channel)是細(xì)胞膜上的一類特殊親水性蛋白質(zhì)微孔道，是神經(jīng)、肌肉細(xì)胞電活動的物質(zhì)基礎(chǔ).隨著分子生物學(xué)、膜片鉗技術(shù)的發(fā)展，人們對離子通道的分子結(jié)構(gòu)及特性有了更加深入的認(rèn)識，并發(fā)現(xiàn)離子通道的功能、結(jié)構(gòu)異常與許多疾病的發(fā)生和發(fā)展有關(guān)1.近年來，對于離子通道與疾病關(guān)系的研究取得了重大進(jìn)展，不僅闡明了離子通道的分子結(jié)構(gòu)突變可導(dǎo)致某種疾病，而且還明確了某些疾病可影響某種離子通道

3、功能甚至結(jié)構(gòu).本文論述離子通道的主要類型、功能、研究方法及其與疾病的關(guān)系. 1離子通道的主要類型 離子通道的開放和關(guān)閉，稱為門控(gating).根據(jù)門控機(jī)制的不同，將離子通道分為三大類:(1)電壓門控性(voltage gated)，又稱電壓依賴性(voltage dependent)或電壓敏感性(voltage sensitive)離子通道:因膜電位變化而開啟和關(guān)閉，以最容易通過的離子命名，如K+、Na+、Ca2+、Cl-通道4種主要類型，各型又分若干亞型.(2)配體門控性(ligand gated)，又稱化學(xué)門控性(chemical gated)離子通道:由遞質(zhì)與通道蛋白質(zhì)受體分子上的結(jié)

4、合位點結(jié)合而開啟，以遞質(zhì)受體命名，如乙酰膽堿受體通道、谷氨酸受體通道、門冬氨酸受體通道等.非選擇性陽離子通道(non-selective cation channels)系由配體作用于相應(yīng)受體而開放，同時允許Na+、Ca2+ 或K+ 通過，屬于該類.(3)機(jī)械門控性(mechanogated)，又稱機(jī)械敏感性(mechanosensitive)離子通道:是一類感受細(xì)胞膜表面應(yīng)力變化，實現(xiàn)胞外機(jī)械信號向胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)的通道，根據(jù)通透性分為離子選擇性和非離子選擇性通道，根據(jù)功能作用分為張力激活型和張力失活型離子通道.此外，還有細(xì)胞器離子通道，如廣泛分布于哺乳動物細(xì)胞線粒體外膜上的電壓依賴性陰離子通道(v

5、oltage dependent anion channel，VDAC)，位于細(xì)胞器肌質(zhì)網(wǎng)(sarcoplasmic reticulum，SR)或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum，ER)膜上的Ryanodine受體通道、IP3受體通道. 2離子通道的主要功能 離子通道的主要功能有:(1)提高細(xì)胞內(nèi)鈣濃度，從而觸發(fā)肌肉收縮、細(xì)胞興奮、腺體分泌、Ca2+依賴性離子通道開放和關(guān)閉、蛋白激酶的激活和基因表達(dá)的調(diào)節(jié)等一系列生理效應(yīng);(2)在神經(jīng)、肌肉等興奮性細(xì)胞，Na+ 和Ca2+通道主要調(diào)控去極化，K+主要調(diào)控復(fù)極化和維持靜息電位，從而決定細(xì)胞的興奮性、不應(yīng)性和傳導(dǎo)性;(3)調(diào)節(jié)血管

6、平滑肌舒縮活動，其中有K+、Ca2+、Cl-通道和某些非選擇性陽離子通道參與;(4)參與突觸傳遞，其中有K+、Na+、Ca2+、Cl-通道和某些非選擇性陽離子通道參與;(5)維持細(xì)胞正常體積，在高滲環(huán)境中，離子通道和轉(zhuǎn)運系統(tǒng)激活使Na+、Cl-、有機(jī)溶液和水分進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)而調(diào)節(jié)細(xì)胞體積增大;在低滲環(huán)境中，Na+、Cl-、有機(jī)溶液和水分流出細(xì)胞而調(diào)節(jié)細(xì)胞體積減少. 3離子通道的主要研究方法 研究離子通道功能的最直接方法是用膜片鉗技術(shù)直接測定通過離子通道的電流或測量細(xì)胞膜電位的變化.膜片鉗技術(shù)是利用一個玻璃微吸管電極完成膜片或全細(xì)胞電位的監(jiān)測、鉗制和膜電流的記錄，通過觀測膜電流的變化來分析通道個體或

7、群體的分子活動、探討離子通道特性.分子生物學(xué)技術(shù)為離子通道的分子結(jié)構(gòu)分析、基因克隆、功能表達(dá)研究提供了有力工具，對于編碼離子通道亞單位的基因結(jié)構(gòu)可采用基因定位克隆確定其在染色體上的定位，用逆轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng)、Northern雜交等明確其在器官組織中的分布，用Western雜交檢測基因表達(dá)產(chǎn)物等.熒光探針鈣圖像分析技術(shù)為檢測細(xì)胞內(nèi)游離鈣離子濃度提供了有效手段，常用的熒光探針有Fura-2/AM、Indo-1/AM、Fluo-3/AM、Calcium Green等，常用的檢測儀器有雙波長顯微熒光光度計、激光掃描共聚焦顯微鏡等，目前國外Olympus、Zeiss、Spex等公司已生產(chǎn)了測定細(xì)胞內(nèi)游

8、離鈣離子的顯微熒光裝置，國內(nèi)自行研制的活細(xì)胞鈣離子濃度熒光顯微檢測系統(tǒng)也已問世2.將離子濃度圖像記錄和膜片鉗記錄結(jié)合，同時進(jìn)行光電聯(lián)合檢測，從離子產(chǎn)生的離子濃度、圖像變化和電信號變化多個方面研究離子通道，將獲得更多的離子通道功能信息. 4離子通道病(channelopathy) 離子通道病是指離子通道的結(jié)構(gòu)或功能異常所引起的疾病，具體表現(xiàn)在編碼離子通道亞單位的基因發(fā)生突變或表達(dá)異常，或體內(nèi)出現(xiàn)針對通道的病理性內(nèi)源性物質(zhì)時，離子通道的功能發(fā)生不同程度的減弱或增強(qiáng)，導(dǎo)致機(jī)體整體生理功能紊亂，形成某些先天性或后天獲得性疾病，主要累及神經(jīng)、肌肉、心臟、腎臟等系統(tǒng)和器官.迄今為止，研究比較清楚的離子通道

9、病主要涉及鉀、鈉、鈣、氯通道領(lǐng)域，現(xiàn)簡介如下: 4.1 鉀通道病 鉀離子通道在所有可興奮性和非興奮性細(xì)胞的重要信號傳導(dǎo)過程中具有重要作用，其家族成員在調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)釋放、心率、胰島素分泌、神經(jīng)細(xì)胞分泌、上皮細(xì)胞電傳導(dǎo)、骨骼肌收縮、細(xì)胞容積等方面發(fā)揮重要作用.已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的鉀通道病有常染色體顯性良性家族性新生兒驚厥(benign familial neonatal convulsions，BFNC)、1-型發(fā)作性共濟(jì)失調(diào)(episodic ataxia type 1)、陣發(fā)性舞蹈手足徐動癥伴發(fā)作性共濟(jì)失調(diào)(paroxysmal choreoathetosis with episodic ataxia)

10、、癲癇、1-，2-，5-，6-型長QT綜合征、Jervell和Lange-nielsen綜合征3、Andersen綜合征4等. 4.2 鈉通道病 鈉離子通道在大多數(shù)興奮細(xì)胞動作電位的起始階段起重要作用，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的鈉通道病有高鉀型周期性麻痹、正常血鉀型周期性麻痹、部分低鉀型周期性麻痹、先天性副肌強(qiáng)直、各型鉀加重的肌強(qiáng)直、先天性肌無力、3-型長QT綜合征、1-型假性醛固酮減少癥、Liddle綜合征5、全面性癲癇熱性發(fā)作疊加癥(generalized epilepsy with febrile seizures plus)6等. 4.3 鈣通道病 鈣離子通道廣泛存在于機(jī)體的不同類型組織細(xì)胞中，參與神

11、經(jīng)、肌肉、分泌、生殖等系統(tǒng)的生理過程.已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的鈣通道病有家族性偏癱型偏頭痛、低鉀型周期性癱瘓、2-型發(fā)作性共濟(jì)失調(diào)、6-型脊髓小腦共濟(jì)失調(diào)、中央脊髓性肌病(central core disease of muscle)、惡性高熱、Lambert-Eaton肌無力綜合征7、癲癇等. 4.4 氯通道病 氯離子通道廣泛分布于機(jī)體的興奮性細(xì)胞和非興奮性細(xì)胞膜及溶酶體、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞器的質(zhì)膜，在細(xì)胞興奮性調(diào)節(jié)、跨上皮物質(zhì)轉(zhuǎn)運、細(xì)胞容積調(diào)節(jié)和細(xì)胞器酸化等方面具有重要作用.已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的氯通道病有先天性肌強(qiáng)直(Thomsen型)、隱性遺傳全身性肌強(qiáng)直(Becker型)、囊性纖維化病、遺傳性腎結(jié)石病、3-

12、型Bartter綜合征8等. 需要說明的是，相當(dāng)數(shù)量的離子通道病并不是新出現(xiàn)的疾病，而是早已出現(xiàn)甚至早被熟知的疾病，只是此前一直未發(fā)現(xiàn)其在離子通道水平存在病變，如癲癇、偏頭痛等;有些離子通道病為單一離子通道結(jié)構(gòu)或功能異常而至，如1-型發(fā)作性共濟(jì)失調(diào)是由于KCNA1基因突變引起，該基因位于染色體12p13上，編碼電壓依賴性鉀離子通道;也有些離子通道病涉及多種離子通道結(jié)構(gòu)或功能異常，如癲癇與L型電壓依賴性鈣通道(a1 D亞單位基因表達(dá)減弱)、電壓依賴性鉀通道(KCNQ2和KCNQ3基因突變)、乙酰膽堿受體通道(a4和b2亞單位基因突變)等有關(guān). 5離子通道病的主要研究方法 離子通道病研究作為近年來

13、新興的一門前沿交叉學(xué)科研究方向，正在成為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)工作者研究的熱點，其研究的關(guān)鍵因素之一在于離子通道病模型的制備. 對先天性離子通道病，多采用基因克隆技術(shù)將可疑的致病基因剔除或插入(knock out/Knock in)在整體動物上制造基因突變，生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因動物;或?qū)㈦x子通道基因直接微注射于細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)，如爪蟾卵母細(xì)胞(xenopus oocyte)、人胚腎細(xì)胞(HEK293)、中華倉鼠卵母細(xì)胞(CHO)等，然后對其所表達(dá)的離子通道進(jìn)行單通道記錄和分析，并與野生型進(jìn)行比較. 對獲得性離子通道病，主要采用以患者血清或提純的免疫球蛋白被動轉(zhuǎn)移或人工重組抗原主動轉(zhuǎn)移于整體實驗動物的免

14、疫學(xué)方法;或?qū)鞔?xì)胞與患者血清或純化的抗體共同培養(yǎng)，而后對其電生理變化進(jìn)行檢測. 通過制備上述離子通道病研究模型，結(jié)合分子生物學(xué)、膜片鉗記錄、熒光探針鈣圖像分析、細(xì)胞內(nèi)電生理記錄、免疫組化等多種技術(shù)手段進(jìn)行在體(in vivo)和離體(in vitro)實驗研究，是目前離子通道病的主要研究策略. 6疾病中的離子通道改變 病變中的離子通道改變是指由于某一疾病或藥物引起某一種或幾種離子通道的數(shù)目、功能甚至結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生或糾正某些病理生理改變.比如老年性癡呆(Alzheimersdisease，AD)，大量的研究發(fā)現(xiàn)AD患者體內(nèi)的一些內(nèi)源性致病物質(zhì)(如b-淀粉樣蛋白、b-淀粉樣蛋白前體、早

15、老素蛋白-1，2)與鉀通道、鈣通道功能異常密切相關(guān)，可能通過影響鉀通道、鈣通道的本身結(jié)構(gòu)和/或調(diào)節(jié)過程等，參與AD患者早期記憶損失、認(rèn)知功能下降等癥狀的出現(xiàn).又如腦缺血，腦缺血后能量代謝紊亂，細(xì)胞內(nèi)ATP合成下降，突觸間隙的谷氨酸劇增，谷氨酸作用于N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體，引起受體依賴性Ca2+通道開放，Ca2+內(nèi)流增加，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載;谷氨酸還可經(jīng)非NMDA途徑使Na+通道開放，引起Na+通內(nèi)流增加，隨即引起Cl-和H2O內(nèi)流，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞急性滲透性腫脹.再如支氣管哮喘，致病因素作用于肥大細(xì)胞后，引起細(xì)胞膜鈣通道開放，Ca2+內(nèi)流，促使4，5-二磷酸磷脂酰肌醇(PI

16、P2)水解產(chǎn)生肌醇三磷酸(IP3)，后者促進(jìn)肌漿網(wǎng)釋放Ca2+，導(dǎo)致胞內(nèi)Ca2+增多，進(jìn)而激活鈣-鈣調(diào)蛋白依賴性酶(磷酸化酶激酶、腺苷酸環(huán)化酶、磷酸二脂酶等)參與肥大細(xì)胞脫顆粒，釋放組胺，導(dǎo)致炎癥反應(yīng)和哮喘發(fā)作;鈣通道阻滯劑硝苯地平、維拉帕米能阻斷鈣通道，減少胞內(nèi)Ca2+濃度，抑制肥大細(xì)胞脫顆粒，減輕炎癥遞質(zhì)的反應(yīng)性，縮短哮喘發(fā)作時間，改善哮喘癥狀. 7問題和展望 隨著分子生物學(xué)、生物物理學(xué)、遺傳學(xué)、藥理學(xué)等多學(xué)科交叉研究的深入，已經(jīng)逐步明確了許多離子通道的分子結(jié)構(gòu)，克隆了相應(yīng)離子通道的cDNA，使得闡明離子通道結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系、基因突變與疾病的關(guān)系成為現(xiàn)實，從而部分解開了長期以來一直困擾人類的某些疾病的病因、發(fā)病機(jī)制和治療之謎.但還有一些問題有待深入研究，比如基因突變與疾病的不一致性，具體表現(xiàn)為盡管發(fā)現(xiàn)某種離子通道病確實存在基因突變、細(xì)胞膜離子電流變化，然而只有部分患者有臨床癥狀和體征，另一部分患者卻無任何癥狀和體征;又如多種離子通道結(jié)構(gòu)或功能異常導(dǎo)致的離子通道病，為什么不同基因的突變或功能異常會出現(xiàn)相同或相似的癥狀和體征;再如由于離子通道自身的復(fù)雜性和多樣性，使得人們對一些離子通