縫隙連接與高血壓

胡堅 劉詩英 邱元芝

·講座與綜述·

縫隙連接與高血壓

胡堅 劉詩英 邱元芝

縫隙連接(gap junction,GJ),又稱間隙連接、通訊連接,是由連接相鄰兩個細胞之間的連接通道排列而成的一種特殊膜結(jié)構(gòu)。細胞間的通訊方式可分為間接與直接方式。相鄰細胞間通過GJ所介導的細胞間的通訊為直接通訊,又稱縫隙連接細胞間通訊(gap junction intercellular communication,GJIC)。相鄰細胞通過直接通訊進行信息、能量和物質(zhì)交換,參與細胞間物質(zhì)交換的代謝耦聯(lián)和電信號傳遞的電耦聯(lián),對細胞的新陳代謝、內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定、增殖和血管平滑肌舒縮等生理過程起著重要的調(diào)控作用。本文擬就GJ與高血壓關(guān)系的研究進展做一綜述。

1 GJ的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能

細胞間普遍存在GJ,其基本組成單位是連接蛋白(connexin,Cx)。GJ由相鄰細胞膜上的2個連接子(connexon)相互錨定組成。連接子也稱為半通道(hemichannel),是由6個相同或不同的Cx在細胞膜內(nèi)環(huán)繞排列成中空的半通道,相鄰細胞膜上的2個連接子連成直徑約1.5 nm的親水性通道,即GJ[1]。目前發(fā)現(xiàn)哺乳動物細胞的Cx大約有20多種[2],其中Cx37、Cx40、Cx43和Cx45主要表達于心血管系統(tǒng),其表達具有極大的異質(zhì)性[3]。在眾多的細胞膜通道中,GJ是目前發(fā)現(xiàn)的唯一一種允許鄰近細胞直接進行細胞漿之間物質(zhì)交換的細胞膜通道[4]。GJ允許電信號和分子質(zhì)量<1000 D或直徑<1.0 nm的離子或小分子物質(zhì)通過,如:小分子代謝產(chǎn)物、水分子、第二信使(Ca2+、IP3、cAMP)[5]。不同類型GJ通道對不同的物質(zhì)具有選擇性和通透性,Cx的表達比例與GJ的功能也密切相關(guān)[6]。

目前血管中GJ的生理功能受到廣泛關(guān)注。大動脈、血管平滑肌間GJ主要參與細胞間鈣轉(zhuǎn)移,實現(xiàn)平滑肌細胞(smooth muscle cell,SMC)收縮的同步化。此外,GJ沿血管縱軸的長距離通訊可能參與調(diào)節(jié)血管SMC的有絲分裂[7]。在靶向性敲除血管SMC Cx43基因小鼠,Cx43缺失導致SMC增殖增加,該作用可能與GJ數(shù)量有關(guān),因為Cx43水平減半反而抑制SMC增殖[8]。阻力小血管的內(nèi)皮細胞和SMC間存在豐富GJ,稱為肌皮連接(myoendothelial junction,MEJ)。現(xiàn)有研究提示,MEJ參與內(nèi)皮源性超極化因子(endothelium-derived hyperpolarization factor,EDHF)介導的血管舒張效應(yīng)[9]。EDHF是引起阻力小血管平滑肌松弛的主要因素,乙酰膽堿、緩激肽可促進內(nèi)皮細胞合成EDHF,后者通過MEJ進入SMC,激活鈣依賴性鉀通道,使細胞膜超極化,引起血管松弛。此外,SMC也可通過MEJ來影響內(nèi)皮細胞的功能。SMC中IP3可通過MEJ進入內(nèi)皮細胞,進而使內(nèi)皮細胞中Ca2+升高,促進一氧化氮(NO)釋放。最近研究發(fā)現(xiàn),在炎癥狀態(tài)下,肺血管內(nèi)皮細胞中Cx43表達增加，細胞間通訊增強,從而導致肺血管的通透性增加,而后者在急性呼吸窘迫綜合征發(fā)病機制中起重要作用[10]。

GJ功能的調(diào)節(jié)對細胞通訊來說意義重大,胞質(zhì)pH、Ca2+、電壓、原癌基因、核苷酸、激素、神經(jīng)遞質(zhì)、脂質(zhì)、生長因子和許多外源性化學物質(zhì)均可在轉(zhuǎn)錄、翻譯、翻譯后修飾水平調(diào)節(jié)GJ功能,這些調(diào)節(jié)是由多種機制實現(xiàn)的[11-12]。

2 高血壓與Cx的表達

Cx表達的變化和高血壓有著密切的聯(lián)系[13-14]。研究發(fā)現(xiàn):機械牽張不僅增加平滑肌細胞Cx43的表達,還增強其GJIC。Cx在自發(fā)性高血壓大鼠(spontaneously hypertensive rats,SHRs)或高血壓動物模型中的表達發(fā)生改變[15]。其中一些參數(shù)的改變,例如機械負荷、NO的生物利用度、切應(yīng)力、血管緊張素Ⅱ等可能參與了Cx的表達調(diào)節(jié)[16]。而且,GJ對血管的影響涉及不同方面，有時甚至是相反的功能,如血管舒張與收縮。由于實驗?zāi)Ｐ汀游锓N屬或檢測方法的不同,各Cx在高血壓發(fā)生發(fā)展中的動態(tài)變化及作用的研究尚存在一些爭議[3]。因此,簡單地分析Cx表達并不能確定Cx是否在高血壓形成中有作用,或觀察到的Cx表達變化是否是高血壓發(fā)展的結(jié)果。

但小鼠的基因敲除技術(shù)證實了GJ與血壓調(diào)節(jié)存在聯(lián)系。Cx40基因與血管直徑的調(diào)節(jié)作用有關(guān):Cx40基因缺失的小鼠均出現(xiàn)高血壓,且其血管調(diào)節(jié)變得十分不規(guī)律[17]。Cx40基因敲除小鼠血壓持續(xù)顯著升高,與小動脈階段性收縮和不規(guī)則運動有關(guān),提示Cx40與外周阻力和血壓有直接聯(lián)系。最近研究發(fā)現(xiàn),Cx40的表達水平可影響腎素分泌[18]。Cx40基因敲除小鼠的腎素合成與分泌均顯著升高,腎素分泌細胞數(shù)目增加,在入球小動脈中的分布也發(fā)生了變化。

GJ蛋白通過控制腎素的釋放來參與高血壓的形成,Cx37、Cx40和Cx43表達于腎入球小動脈的內(nèi)皮細胞,并且連接腎素生成細胞——腎小球旁器(juxtaglomerular apparatus,JGA)細胞[19]。JGA細胞則高表達Cx40和Cx37[20]。最近研究發(fā)現(xiàn),是JGA細胞而非內(nèi)皮細胞的Cx40表達能改善高血壓和降低腎素水平[21]。缺失Cx40使得腎素生成和血漿腎素水平增加[22]。進一步特異性缺失JGA細胞Cx40,結(jié)果導致腎素分泌過多和高血壓,而恢復JGA細胞的Cx40表達能改善高血壓和降低腎素水平[21],原因可能是JGA細胞與入球小動脈之間不能形成GJ,損害了腎的壓力感受器功能[23]。可以推測,Cx40在腎素系統(tǒng)的緊張性抑制中起重要作用。

Schmidt等[24]研究發(fā)現(xiàn),血管SMC特異性缺失Cx45對小動脈血管舒縮反應(yīng)的轉(zhuǎn)導不是必須的,可能是別的Cx在功能上替代了Cx45;且Cx45在腎素分泌方面的作用似乎不影響小鼠動脈血壓。而Cx43介導的內(nèi)皮細胞通訊在控制腎素分泌中似乎起關(guān)鍵作用[25]。研究發(fā)現(xiàn),Cx43在SHRs中表達明顯下調(diào),替米沙坦能顯著降低血管緊張素Ⅱ水平和血壓,并增強Cx43的表達[26]。

3 Ca2+與GJ

GJ具有離子通道的特性,Ca2+易于通過GJ,且是細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導通路中的重要信使,因此,Ca2+是GJ介導的細胞間信號傳遞的重要載體之一。在缺氧缺糖(OGD)狀況下,Cx43、Cx40、Cx45 GJ通道的電導分別下降了53%、64%和85%,用磷酸鹽緩沖液來限制細胞內(nèi)Ca2+與pH值的變化可完全阻斷通道的電導下降,OGD主要是通過升高細胞內(nèi)Ca2+與降低pH值來調(diào)節(jié)GJ通道的解耦聯(lián),Cx43對OGD最耐受而Cx45對OGD最敏感[27]。研究發(fā)現(xiàn),機械刺激可誘導大鼠腸系膜原代平滑肌細胞(pSMCs)和6B5N細胞(Cx43/Cx40高表達的A7r5克隆細胞)內(nèi)鈣波向臨近細胞傳播,而A7r5細胞內(nèi)鈣波不能向臨近細胞傳播,研究證實,由Cx43構(gòu)成的功能性GJ,參與了細胞間鈣波的調(diào)控,而且,Cx43和Cx40兩者表達的比例不同,可以干擾由Cx43構(gòu)成的功能性GJ,進而改變GJ通訊[28]。GJ鈣信號傳播參與了血管的緊張度調(diào)節(jié)。NO能抑制單純表達Cx37的Hela細胞(Hela-Cx37)的GJ通訊,但不能抑制Hela-Cx40或Hela-Cx43的GJ通訊。在人臍靜脈內(nèi)皮細胞(HUVEC)或人平滑肌細胞(HUVSMC)中,NO并不能影響GJ的Ca2+信號傳播,在兩者共同培養(yǎng)時,NO能減少內(nèi)皮GJ 60%的Ca2+信號傳播[29]。研究還發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的磷酸化與脫磷酸化過程受胞質(zhì)鈣振蕩的調(diào)節(jié),鈣超載可以刺激磷酸酶,它可以使細胞裂解[30]。

4 Cx40遺傳多態(tài)性與高血壓

廣泛缺乏Cx40鼠和腎臟腎素分泌細胞特異性缺乏Cx40鼠均表現(xiàn)為血漿腎素水平升高和顯著的高血壓[22]。ARB和ACEI能減輕Cx40-/-鼠血壓,這些動物的血漿腎素水平較未治療的Cx40-/-鼠水平更高[22]。在C57BL6鼠,Cx40A96S突變導致腎素依賴性血壓升高,其血壓升高與Cx40-/-鼠相似[22]。這提示在腎素生成細胞GJIC需要Cx40的介導來控制腎素的釋放。然而,Kurtz等發(fā)現(xiàn),Cx40缺失鼠腎素水平升高的機制在于Cx40-/-鼠的JGA結(jié)構(gòu)改變而不是GJIC數(shù)量的減少。

與Cx40在控制腎素分泌和協(xié)調(diào)血管緊張度中的重要作用相符,位于人類Cx40基因啟動子區(qū)2個緊密連鎖多態(tài)(-44A和+71G)與男性高血壓風險增加有關(guān)[31]。此性別差異可能與前面提到雌性動物血管舒張反應(yīng)更加依賴EDHF途徑有一定的聯(lián)系。這些多態(tài)似乎改變Cx40基因啟動子的活動,因為體外報道基因分析揭示，Cx40單一型-44A/+71G使熒光素酶的表達減少50%,-44A多態(tài)通過轉(zhuǎn)錄因子Sp1和GATA4負向影響啟動子調(diào)節(jié)作用[31]。

依那普利或坎地沙坦能減少但并不能恢復這些實驗動物的血壓至正常值,因此,在Cx40基因敲除小鼠中觀察到的高血壓不能完全由腎素分泌的增加來解釋。缺失Cx40與不規(guī)則的微血管舒縮和血管舒張信號的轉(zhuǎn)導受損有關(guān)[32-33]。因此,缺乏Cx40引發(fā)高血壓的原因,除腎素—血管緊張素Ⅱ因素外,可能與血管壁細胞控制和協(xié)調(diào)的紊亂有關(guān),提示Cx等可能通過血管內(nèi)皮和SMC對內(nèi)分泌和旁分泌等信號物質(zhì)的直接作用而導致高血壓的發(fā)生。

5 結(jié)語與展望

GJ的表達和功能異常可以引起高血壓,其機制可能為介導的細胞直接通訊參與了血管舒縮運動的調(diào)節(jié)、連接蛋白表達的變化、調(diào)控腎素分泌,導致血管緊張度增加,最終導致高血壓的發(fā)生。盡管GJ參與的血管功能似乎很復雜,但Cx基因敲除動物的發(fā)展對我們理解這些蛋白在血管系統(tǒng)如何起作用提供很大幫助,Cx模擬肽是分析GJ在血管功能中作用的有效工具。隨著轉(zhuǎn)基因動物、特異性更強的阻滯劑、蛋白組學技術(shù)在這些全新的領(lǐng)域應(yīng)用,必將對其了解越來越多,從而最終揭開高血壓發(fā)病機制。

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