酸敏感離子通道的調控新進展

魯璟一 肖哲曼 盧祖能

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酸敏感離子通道的調控新進展

魯璟一 肖哲曼 盧祖能

酸敏感離子通道(acid-sensing ion channels, ASICs)是一類由氫離子(H+)激活的配體門控陽離子通道，是上皮鈉離子通道/退化蛋白(ENaC/DEG)超家族一個分支。1980年Krishtal 等[1]在神經元上首次記錄到了一種被H+激活的陽離子電流, 猜測細胞膜上可能存在質子受體。1997年Waldmann等[2]克隆了第1個被酸激活的通道蛋白，將其命名為酸敏感離子通道(acid-sensing ion channels, ASICs)。此后，人們對ASICs的研究進展也更加迅速。在嚙齒類動物中發現 4 種編碼酸敏感離子通道的基因，分別為 ACCN1、ACCN2、ACCN3 和 ACCN4，迄今為止已成功克隆了6種ASICs亞基蛋白，即ASIC1a、ASIC1b (BNC2)、ASIC2a (MDEG1,BNC1)、ASIC2b (MDEG2)、ASIC3 (DRASIC)和ASIC4。近年來，研究發現ASICs參與多種疾病的發生、發展過程，具有重要的生理和病理意義，已成為神經生物學中發展最為迅速的研究內容之一。本研究目的在于綜述近年國內外酸敏感離子通道蛋白分布、功能及其調節機制的研究進展。

1 ASICs的結構及分布

ASICs 在體內分布廣泛, 但其不同亞基存在著分布特異性。它們具有相同的拓撲結構：2個疏水跨膜區域(TM)、一個短的胞內氨基末端(N末端)、羧基末端(C末端)和一個夾在疏水域之間的大的富含半胱氨酸的胞外環(ECD)。2007年Gouaux等首次描繪酸敏感離子通道的三維結構，指出其中大的ECD突出于膜外，3個獨立的亞基形成三聚體，共同構成了杯狀的酸敏感離子通道。在原子層面酸敏感通道看起來像一個緊握的手，質子主要結合在酸囊袋、“手掌”、“腕關節”處(圖1)[3]。

在神經系統中ASIC1a亞基主要在中樞的大腦皮質、海馬、小腦、上丘腦、脊髓和外周的背根節神經元(DRG)等部位表達，在外周軟骨組織、人類造骨細胞和味蕾細胞中也有表達，它遍及胞體并沿著軸突和樹突的分支分布，但在突觸小體或突觸膜上分布很少[5]。此外，在人的腸神經節細胞中也有ASIC1a亞基的表達。目前ASIC1b只發現存在于外周背根神經節中。 ASIC2a和ASIC2b亞基廣泛分布于神經系統的各部分，包括人的腸神經節細胞。ASIC3主要存在于外周背根神經節，也包括人的腸神經節細胞[6]，但也有報道顯示ASIC3在中樞神經系統中有表達[7]。ASIC4亞基在神經系統各個部位均有分布，在腺垂體中表達量尤其多[8]。

非神經系統中也有ASICs的分布。曾報道在人的肺和睪丸，有ASIC3亞基mRNA的表達[9]。在人的骨細胞中也發現了ASICs的存在[10]。在味覺細胞中也有ASICs亞基的表達。

2 ASICs的功能

在中樞神經系統中ASICs被認為參與了學習記憶過程，Welsh等發現ASIC1a參與突觸可塑性，證明其在學習記憶過程中發揮了作用[11]，且與驚恐和焦慮的產生也有一定的關系[12]。多種研究表明，ASIC1a在腦缺血中也起到了重要的作用。而ASIC1a和ASIC2b可能參與了癥狀性癲癇的發生過程。此外，ASICs可能參與了帕金森病和亨廷頓氏舞蹈病的發生過程，與肝性腦病引起的高血氨綜合癥、惡性膠質瘤的發生、發展也存在著某種聯系[13]。

圖1 酸敏感離子通道的結構[4] 1a為酸敏感離子通道二維結構模擬圖；1b為酸敏感離子通道三維結構模擬圖；1c為酸敏感離子通道在原子層面看起來像一個緊握的手；(TM，transmembranedomin)為跨膜結構域；N(amino)為氨基；C(carboxy)為羧基

在外周神經系統中ASICs已經被普遍認為是一種傷害性感覺的受體，并在炎癥、缺血和組織酸中毒等病理變化中起作用[14]。ASICs參與形成或調制了機械感覺，但在皮膚和內臟發揮的功能是不同的[15]。ASICs作為人體感受皮膚、肌肉酸痛的主要感受器，其在痛覺中也發揮著作用， ASlC1主要和內臟痛有關，參與感受消化道牽拉等機械刺激，ASIC3主要參與外周慢性痛的調制，但是ASICs只是組成痛覺感受器的一部分，即使敲除ASIC基因，也不能完全去除任何一種形式的痛覺[16]。

Ugawa等人證實， ASIC2a同聚體或ASIC2a/ASIC2b異聚體參與了酸味覺的形成，但ASICs介導的味覺信號傳導在不同的物種并不相同。Ettaiche等人發現，ASIC2可以抑制視桿細胞的光傳導過程，對光信號的傳導起到負性調控作用，ASIC1a則對光信號的傳導起到正性調控作用[17]。有實驗表明，多種ASICs亞基在耳蝸中有表達，但ASICs對聽覺的功能作用還有待進一步證實[18]。

3 ASICs的調控

ASICs作為細胞膜受體，除了感受細胞外細微的pH值變化外，還受細胞內、外各種調控分子的調控。調控ASICs的分子，除了細胞外H+外，還包括二價陽離子如鈣、鋅、鎂；多胺類如精胺、胍丁胺；神經肽如強啡肽、神經肽FF和FMRF肽；局部缺血和炎癥條件下產生的調控分子如乳酸鹽、花生四烯酸、NO、三磷酸腺苷、5-羥色胺等；阿米洛利、非甾體抗炎藥和萘莫司他同樣能有效地抑制ASICs，一些毒素也能抑制或激活ASICs(圖2)[19]。

3.1 內源性調控因子

3.1.1 二價陽離子

Ca2+對ASIC1a、ASIC1b和ASIC3亞基都有調控作用。Ca2+對ASlC3亞基的抑制是直接結合阻斷。Ca2+對ASIC1a電流幅值的調控取決于不同的給藥方式：當共給予Ca2+和H+時，Ca2+濃度依賴性的抑制ASIC1a介導的電流，而當給予高濃度Ca2+后再共給予Ca2+和H+時， ASIC電流也出現抑制；但是當給予高濃度Ca2+后再僅僅給予H+時， ASIC電流反而得到了增強。說明在ASIC1a亞基至少存在兩個Ca2+作用位點,一個是通道阻斷位點，Ca2+與之結合可以阻斷離子電流；另一個是調節性位點，Ca2+與之結合可以引起通道蛋白變構，從而影響離子電流大小[20]。Mg2+對ASICs的調控類似于Ca2+。Zn2+可以抑制ASIC1a同聚體介導的電流，對ASIC1a+2a異聚體的作用表現為雙向調節，而Zn2+對ASIC2a同聚體或含有ASIC2a的異聚體(如ASIC1a+2a、ASIC2a+3)介導的電流則表現為增強作用[21]。

Ni2+和Cd2+都可以濃度依賴且電壓不依賴的方式抑制ASIC電流， Ni2+特異性的抑制ASIC1a和ASIC1a+2a通道電流。Cd2+則特異性的抑制同聚體ASIC2a和ASIC3，異聚體ASIC1a+2a、1a+3和2a+3通道電流[21]。Gd3+可以抑制ASIC3和ASIC2a+3通道電流。

3.1.2 多胺類

精胺通過直接與通道的ECD結合提高了ASIC1a的活動性[22]，與其他內源性調控因子不同，胍丁胺直接在中性環境下激活ASIC3，其主要通過與ECD上的質子獨立配合基結合位點結合來實現此功能[23]。

圖2 酸敏感通道的相互作用和調控 酸敏感通道主要通過鈉離子，細胞內鈉離子的增多導致了膜去極化，引起鈣通過電壓門控通道(VGCC)和NMDA受體內流，繼而通過鈣調蛋白激酶II(CaMKII)磷酸化影響下游；ASICs主要被一些內源性和外源性調控因子通過ECD上的位點調控，內源性調控因子包括H+，二價陽離子、多胺類、神經肽、局部缺血和炎癥條件下產生的調控分子等；阿米洛利、非甾體抗炎藥和萘莫司他同樣能有效的抑制ASICs，一些毒素也能抑制ASICs。+為activate(激活)；?為inhibit(抑制)。VGCC(voltage?gatedcalciumchannel)為電壓門控鈣通道；NMDAR(N?methyl?D?asparticacidreceptor)為N?甲基?D?天冬氨酸受體；CaMKII(Calmodulin?DependentProteinKinaseII)為鈣調蛋白激酶II；ca2+(calmodulin?)為鈣離子；Na+(sodion?)為鈉離子；Zn2+(zinc?)為鋅離子。

3.1.3 神經肽

氨基化合物 FMRF及其類似物(神經肽FF和神經肽AF)并不能直接激活ASIC通道，但能增強質子門控電流的強度，減慢ASIC電流的失活速度。另外，它們可以上調異聚體ASIC基因的表達[24]。其中神經肽FF對ASIC1a作用甚輕而對ASIC3影響較大[25]。

強啡肽是在中樞神經系統中大量表達的內源性神經肽，強啡肽A通過直接作用于通道而增強ASIC1a活性，大強啡肽也通過同樣的方式促進酸誘導的神經元死亡[25]。

3.1.4 局部缺血和炎癥產物

炎癥和缺血缺氧條件下機體產生許多代謝產物如花生四烯酸、乳酸鹽、緩激肽和一氧化氮。乳酸可以通過鰲合細胞外的二價金屬陽離子(Ca2+和Mg2+)而間接的上調ASIC電流。神經生長因子(NGF)和5-HT可以通過ASIC3編碼基因的啟動子，上調該通道的表達，其中NGF通過TrkA/PKC和TrkA/JNK兩條信號通路作用于ASIC3編碼基因啟動子的AP1反應元件。5-HT2R通過同源三聚體Gq/11蛋白激活磷脂酶Cβ(PLCβ)，PLCβ胞膜上的磷脂酰肌醇4.5-二磷酸[PI(4.5)P 2]水解成2個第二信使，即1，4，5-三磷酸肌醇(IP3)和二酰基甘油(DAG)，IP3釋放內質網中儲存的鈣離子，DAG激活蛋白激酶C(PKC)，PKC通過酸敏感離子通道C末端的PDZ 結合域與PICK1相互作用，增高酸敏感離子通道活性和表達水平(圖3)[25]?；ㄉ南┧?AA)可以直接調控ASICs，背根感覺神經元中的AsIC1a、ASIC2a和ASIC3都是其作用位點，而對小腦蒲肯野神經元中的ASIC電流則表現為上調作用[25]。

3.1.5 信號分子

一些信號分子也能通過磷酸化作用調控ASIC通道功能，例如Ca2+/CAMKII可增加ASIC電流振幅，磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)被TrkB激活后可通過調控腦源性神經營養因子(BDNF)，通過Akt蛋白增強ASICs的表達(圖3)[25]。

PKC降低ASIC1活性但增加ASIC2活性，寡肽片段CFTR是一種PKC調節劑，可以上調ASIC1a/ASIC2a共表達的ASIC通道，PKC的激活劑OAG可以增強30%左右的ASIC2a電流，而當PDZ域的蛋白PICK1與其共同作用時則可增加3倍左右的電流幅度。活性氧也能通過影響ECD中的半胱氨酸剩余物影響ASIC通道功能。NO、琉基還原劑谷胱甘肽增加ASIC電流，而過氧化氫只降低ASIC1a的表達[20]。

大麻素-1受體(CB1R)主要調節疼痛，它的激活劑WIN55-212-2可以可逆地減少大鼠外周感覺神經的ASIC電流振幅，CB1R可以抑制腺苷環化酶(AC)引起的cAMP水平的減少，cAMP通過抑制PKA與AKAP150的結合減少了ASIC電流的振幅[20]。

3.2 藥物和毒素

3.2.1 藥物

圖3 ASIC通道相關的信號傳導通路[20] +(activate)為激活；?(inhibit)為抑制。5?HT2R(serotonin2receptor5?)為羥色胺受體2；PLCβ(phospholipaseCβ)為磷脂酶Cβ；PI(4，5)P2(phosphatidylinositol4，5?bisphosphate)為磷脂酰肌醇4，5?二磷酸；IP3(inositol1，4，5?trisphosphate)為1，4，5?三磷酸肌醇；IP3R(inositol1，4，5?triphosphatereceptor)為1，4，5?三磷酸肌醇受體；ER(endoplasmicreticulum)為內質網；PKC(proteinkinascC)為蛋白激酶C；DAG(diacylglycerol)為二?；视停籘rkB(tropomyosin?relatedkinaseB)為原肌球蛋白相關激酶B；BDNF(brain?derivedneurotrophicfactor)為腦源性神經營養因子；PI3?K(phosphatidylinositol3?kinase)為磷脂酰肌醇3?激酶；PI(3，4，5)P3(phosphatidylinositol3，4，5?trisphosphate)為磷脂酰肌醇3，4，5?三磷酸；Akt(serine/threoninekinase)為絲氨酸/蘇氨酸激酶；PICK1(proteininteractingwithCkinase1)為蛋白激酶C相互作用蛋白1；ASIC(acid?sensingionchannel)為酸敏感離子通道；AA(arachidonicacid)為花生四烯酸；AKAP150(A?kinaseanchoringprotein150)為A型激酶錨定蛋白150；cAMP(cyclicadenosinemonophosphate)為環腺苷酸；PKA(cAMP?dependentproteinkinaseA，cAMP)為依賴性蛋白激酶A；AC(adenylatecyclase)為腺苷酸環化酶；CB1R(cannabinoid?1recep?tor)為大麻素受體1

表1 酸敏感通道的分布，功能和調控因子

氨氯吡咪及其類似物是目前已知的一大類小分子 ASICs 抑制劑，對H+引起的痛覺感受有抑制作用，可以阻斷傷害感受神經末梢中的 Na+/H+交換泵(NHE)。Amiloride是一種氨氯毗咪類的利尿藥，它是ENaC超家族的非特異阻斷劑，微摩濃度的Amiloride可以濃度依賴性地抑制ASIC電流的幅值，而且可以可逆地抑制酸誘導的神經細胞膜興奮性升高和細胞內Ca2+濃度的升高[13]。 非甾體抗炎藥(NSAIDs)是一類具有解熱、鎮痛作用的藥物，其作用機制主要是抑制花生四烯酸代謝過程中的環氧合酶(COX)。因此，NSAIDs可以抑制炎癥引起的感覺神經中ASICs表達量的增加[13]。

A-317567最初是作為尿激酶抑制劑設計合成的一個新型萘咪類化合物，它可以濃度依賴性地抑制天然細胞中ASIC1a樣、ASIC2a樣和ASIC3樣電流[13]。NS838是一種新的小分子ASICs 抑制劑，可以強力且特異地阻斷ASIC1a或ASIC3亞基，可以有效地減輕病理性的疼痛[26]。

3.2.2 毒素

在體外實驗中一些毒液中提取的毒素也能抑制或激活ASICs，并作為探索ASIC通道功能的實驗工具被廣泛使用， Psalmotoxin1(PcTx1)是一種存在于狼蛛毒液中堿性多肽毒，Mambalgin-1是一種存在于黑眼鏡蛇的毒液中的肽類，它們都可以特異性地抑制ASIC1通道，MitTx是一種德州珊瑚蛇體內的多肽毒素，可以在中性環境下激活ASIC1a和ASIC1b通道[19]。APETx2是一種特異性的ASIC3抑制劑，非天然小分子配體2-肽-4-甲基喹唑啉(GMQ)可以在中性環境下持續地激活ASIC3，PhcrTx1是一種人工萃取出的海葵毒素合成物，可以抑制大鼠DRG上的ASIC電流峰[13](表1)。

綜上所述，ASICs在體內分布廣泛，參與多種生理和病理過程，受細胞內、外多種調控因子的調控，與很多疾病都存在一定的聯系。研究ASICs的作用機制及信號通路對發現更多的神經精神疾病的治療方法是很有意義的。但是，我們對ASICs在許多疾病中表達的調節機制仍處于探索之中，相關分子信號通路尚待更加深入、系統地研究。

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(2016-06-28收稿)

430060 武漢大學人民醫院神經內II科[魯璟一 肖哲曼 盧祖能(通信作者)]

R33

A

1007-0478(2017)02-0161-05

10.3969/j.issn.1007-0478.2017.02.024