成骨細胞鉀離子通道研究進展

鄭守超，肖 駿(綜述)，李先濤(審校)

(1三峽大學醫學院，江西宜昌443002;2華中科技大學附屬同濟醫院骨科，武漢430030)

細胞膜離子通道作為一種嵌合在膜上的功能蛋白廣泛分布于興奮細胞和非興奮細胞。在骨形成過程中，成骨細胞要經歷增殖、胞外基質成熟及礦化和凋亡等一系列階段而完成使命。許多因素(如雌二醇、機械壓力等)都能通過調節間充質干細胞的成骨分化以及成骨各階段來調控成骨細胞的功能［1］。在成骨細胞與離子通道的關系方面，研究人員早期多關注鈣離子通道與成骨細胞外基質礦化的關系，但隨著鉀離子通道在細胞活動中諸多重要功能的不斷發現，尤其是許多研究表明其參與細胞的增殖和凋亡，表明該通道在腫瘤的發病機制中扮演著重要角色，這使其成為潛在的腫瘤診斷標志和治療靶點［2］。成骨細胞膜上鉀離子通道的研究也由此成為大家感興趣的焦點之一。現就成骨細胞膜上鉀離子通道的表達與功能的研究進展作一綜述。

1 鉀通道的概述

依據拓樸結構，可將鉀離子通道劃分為三類。

1.1 電壓依賴性鉀通道具有6個跨膜段和1個孔區的鉀通道亞型。電壓門控鉀通道(voltage-gated K+channels，Kv)家族和鈣激活的鉀通道(large-conductance Ca2+-activated potassium channels，BK)屬于這一類。成骨細胞膜上表達Kv和BK。Kv通道由亞基α與調節亞基β組成，是成員最多的鉀通道家族。BK通道也由亞基α與調節亞基β組成，α亞基首先是從果蠅中克隆并表達出來的，其相應位點的突變能改變膜上鈣激活的鉀電流，這種通道又被稱作dSlo。BK通道由α亞基與β亞基組成四聚體結構，每個單體包括一個α亞基或α亞基與β亞基對的結合體。

1.2 內向整流鉀通道 具有2個跨膜段和1個孔區的鉀通道亞型，因其內向電流顯著大于外向電流而得名。ATP敏感的鉀通道就是由內向整流鉀通道和磺脲類受體共同組裝而成的。

1.3 雙孔鉀通道 20世紀90年代發現的具有4個跨膜段和2個孔區的鉀通道亞型，被稱為雙孔鉀通道。由于該通道無電壓依賴性，可以在靜息電位處開放，故也被稱為背景鉀通道或漏流通道。兩孔區鉀通道依據結構和功能的性質可被劃分為6個亞類:TWIK-1、TWIK-2 和 KCNK7;TASK-1、TASK-3 和TASK-5;TREK-1、TREK-2 和 TRAAK;TASK-2、TALK-1和TALK-2;THIK-1和THIK-2;TRESK。兩孔區鉀通道的表達分布非常廣泛，幾乎在各種組織細胞都能發現。

2 成骨細胞鉀離子通道的表達

在成骨細胞中已發現了多種類型的鉀通道，包括 Kv［3-5］、BK［6-8］、雙孔鉀通道［9，10］、內向整流鉀通道［11］以及 ATP 敏感的鉀通道［12］。2009 年，Wu 等［4］通過反轉錄-聚合酶鏈反應技術探測到了三株人骨肉瘤細胞系:MG-63、Saos-2及SOSP-9607，其中有多種Kv通道基因的表達，包括 Kv1.3、Kv1.5、Kv2.1、Kv3.3/3.4、Kv4.1、Kv5.1、Kv9.3、Kcnq1、HERG 和HEAG通道等。Weskamp等［7］應用膜片鉗技術記錄到了成骨前體細胞系C1膜上BK和IK通道電流。Hirukawa等［8］進一步用分子生物學和電生理手段相結合的方法證實了人成骨細胞膜上存在BK和IK通道。2005年，Hughes等［11］在新分離的人成骨細胞和培養的成骨肉瘤細胞系MG-63中發現兩孔鉀通道TREK-1的表達，并記錄到電流，同時還發現TREK2c和TRAAK通道的基因表達。Chen等［12］也發現了另一成骨細胞系UMR-201-10B中存在TREK-2的表達。在人成骨肉瘤細胞系MG-63膜上，較早就已報道存在內向整流鉀電流和ATP敏感的鉀通道電流。由上可見，如同興奮細胞一樣，非興奮的成骨細胞膜上也表達多種鉀離子通道，這可能與其功能密切相關。

3 成骨細胞鉀離子通道的功能

3.1 鉀通道在骨重塑中的作用 骨是高活性組織，通過不斷地重塑修復自身微損傷，保持結構、荷載和鈣的自穩態平衡。這種動態平衡就是骨重塑，也稱為骨的再生循環［13］，可劃分為活化、吸收、逆轉、骨形成及再靜止五個階段。成骨細胞和破骨細胞是骨重塑過程中的兩種主要細胞，破骨細胞完成骨的吸收功能，成骨細胞主導骨的形成功能，它們相互協調平衡骨的吸收與形成是維持骨骼結構完整的關鍵。成骨細胞膜上鉀通道對成骨細胞的數量、形態和礦化能力均有影響，從而可能進一步影響到成骨細胞的成骨活動。

骨重塑還受成骨細胞數目和礦化能力的影響。Henney等［6］在研究成骨細胞的鉀通道功能以及藥理性質時發現，鉀離子通道阻斷劑四乙銨阻斷BK通道后，能夠顯著增加原代培養的成骨細胞礦化，使用藥物改變鉀通道活性能夠影響成骨細胞的數量，這表明鉀通道可通過影響成骨細胞的生長和礦化來調節骨重塑。

此外，在骨形成階段，成骨細胞形態學的改變可影響骨基質分泌和礦物沉積。研究表明鉀通道參與調節成骨細胞的容積，Weskamp等［7］發現使用BK通道阻斷劑能縮小成骨細胞容積，并認為鉀通道與氯通道共同參與人成骨細胞容積的調節，從而進一步影響骨基質分泌和礦物沉積。這些研究結果充分表明鉀通道在成骨細胞的骨重塑活動中具有重要作用。

3.2 鉀通道參與信號轉導 鉀通道作為細胞膜上的功能蛋白還具有接受胞外信號、參與信號轉導的作用。成骨細胞膜上的鉀通道參與激素類物質的非基因組快速調節。已知多種鉀通道的活性可受G蛋白的調節，如G蛋白耦聯的內向整流鉀通道和G蛋白耦聯的雙孔鉀通道等，上游的G蛋白接受外界信號后，βγ亞基游離與下游的鉀通道結合調節鉀通道的開放［14］。研究表明，雌二醇能夠與 BK通道的 β亞基結合，快速激活該通道［15］。在人成骨肉瘤細胞系MG-63中，Rezzonico等［10］發現地諾前列酮也可以開放BK通道。隨后可募集Syk酪氨酸激酶與BK通道的α亞基結合而參與骨重塑。

成骨細胞鉀通道參與機械牽張引起的骨重塑中的信號轉導。Rezzonico等［9］發現在機械牽張或低滲條件下，BK通道作為張力受體，通過其α亞基與酪氨酸激酶局部黏著斑激酶的C端相互作用而進行信號轉導，從而對骨重塑進行調節。雙孔鉀通道中的TREK通道亞類是一種機械敏感性通道，許多類型的細胞表達此種通道，細胞膜張力的變化常可激活該通道。Chen等［12］應用低張溶液作用于成骨細胞系UMR201-10B，低張刺激通過激活TREK-2通道而增加甲狀旁腺素相關蛋白的表達調節骨的合成過程。Hughes等［11］發現成骨細胞中功能性表達的另一機械敏感通道(TREK-1)在骨的增殖中也扮演重要角色。

3.3 鉀通道參與成骨細胞增殖和凋亡 鉀離子通道可以控制細胞膜電位，因而在調節細胞的增殖和凋亡中扮演了重要角色。通常抑制鉀通道可減少細胞增殖，鉀通道阻斷劑如4-氨基吡啶、奎尼丁和四乙胺都有抗細胞增殖的作用，鉀離子通道阻斷劑可以在體內外抑制腫瘤細胞的增殖生長就證明了這一點［16］。HERG通道基因在不同組織來源的腫瘤細胞中均有表達，但在相關正常組織細胞中缺乏表達，它編碼的鉀離子通道是腫瘤細胞凋亡和增殖的調節者，因此，HERG也被認為是有價值的腫瘤診斷標志物。電壓依賴的 Kv1.3與淋巴細胞、乳腺癌細胞等增殖密切相關［2］。在鉀通道調節細胞凋亡方面，鉀通道的激活可導致細胞膜超極化，Cl－可順著電位差而排出到胞外，KCl的丟失可改變滲透壓而致細胞凋亡性皺縮。在紅細胞中，鈣敏感的鉀通道也可介導類似的凋亡［2］。兩孔鉀通道TASK-3在乳腺癌和肺癌組織中高表達，并與人神經膠質瘤細胞的凋亡密切相關［17］。

婦女絕經期后和老年骨質疏松是骨科常見疾病，成骨細胞在骨質代謝平衡的維系中起著重要作用，它的異常增殖和凋亡與骨質疏松的發生密切相關。另外，成骨細胞腫瘤(如骨肉瘤)的發生也是因為成骨細胞增殖與凋亡的平衡遭到破壞，因此對成骨細胞的增殖與凋亡進行深入研究是解開上述疾病發病之迷的重要途徑。

Wu等［4］發現人成骨細胞瘤中表達多種 Kv，非特異性的鉀通道阻斷劑4-氨基吡啶和氯化銫可抑制細胞的增殖，4-氨基吡啶的作用要強于氯化銫。Hughes等［11］使用 10 μmol/L 和 100 μmol/L 局麻藥bupivicaine阻斷MG-63細胞中的TREK-1時，發現分別使細胞增殖上調了87.8%和68.7%。阻斷Kv通道和TREK-1通道對細胞增殖起到相反的作用，可見不同類型的鉀通道對成骨細胞增殖會產生不同的影響，但其機制還不清楚。Henney等［6］發現低濃度鉀通道阻斷劑四己胺和粉防己堿作用于成骨細胞的BK鉀通道后，能夠增加成骨細胞的數目，而高濃度卻減少成骨細胞數目，說明不同濃度的通道阻斷劑對成骨細胞增殖有不同的影響。Cambien等［18］運用RNA干擾技術下調人成骨瘤細胞系Cal72的hSlo(人BK通道的成孔α亞基)表達，結果顯示干預組(hSlo基因下調組)與對照組的細胞增殖率沒有顯著差異，1 μmol/L的BK通道阻斷劑paxilline對實驗組和對照組中Cal72細胞的增殖均沒有顯著影響。上述研究結果表明，在成骨細胞中，鉀通道與細胞增殖的關系十分復雜，需要有更多的研究來澄清兩者的關系。

4 結語

成骨細胞表達多種鉀離子通道，但一些鉀離子通道的電流及藥理學特性還不清楚，有待進一步研究。鉀離子通道參與成骨細胞的重塑、信號轉導、增殖與凋亡，這表明鉀離子通道在成骨細胞中具有重要的生理功能。尤其是鉀離子通道在成骨細胞的增殖和凋亡中的作用，使其與成骨細胞腫瘤的發生緊密連接起來，人們可以把此通道作為靶點，篩選出該通道的特異性阻斷劑，從而找到治療腫瘤的特異性藥物。但鉀離子通道涉及的生理功能廣泛，其阻斷劑與細胞增殖的關系十分復雜，有待做更多的研究工作。因此，鉀離子通道作為腫瘤治療的新靶點值得進一步探討。

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