Kca3.1通道及其與多個系統疾病關聯的研究進展*

郭姝瑾 李小惠 左秋南 申永春 綜述 文富強 審校

(1．四川省醫學科學院·四川省人民醫院，四川 成都 610072；2.四川大學華西醫院呼吸內科·人類疾病生物治療國家重點實驗室呼吸病學研究室，四川 成都610041

離子通道是維持生命活動的基礎，其結構變異與功能障礙是許多疾病發生發展的重要原因。主要類型有鉀、鈉、氯、鈣和非選擇性陽離子通道。近年來，鉀離子通道成為研究熱點，人體大約50種基因參與編碼不同的鉀離子通道。鉀離子通道在人體分布廣泛，在細胞信號轉移過程起著關鍵作用(如：細胞容積調節、心率、神經遞質釋放、胰島素分泌等)。Kca3.1 為中電導鉀離子通道，屬于鈣激活鉀離子通道。Kca3.1 在人體廣泛分布于神經元及非神經元組織(如內皮細胞、淋巴細胞、平滑肌細胞、成纖維細胞等)[1]，參與細胞膜電位形成、調節細胞內鈣離子濃度、免疫功能調節、調節細胞周期等[2-3]。其結構功能異常導致多種疾病。本文就Kca3.1與疾病的關系進行綜述。

1 Kca3.1 的生物學特征

Kca3.1是由KCNN4(IK1)編碼，位于染色體19q13上。KCa3.1是每個亞基由427個氨基酸組成的四聚體蛋白，具有6個跨膜片段區域(S1-S6)[4]。部分跨膜區域具有鉀離子選擇性的氨基酸序列。C末端含有鈣調蛋白結合區域[5]，對細胞內的鈣敏感，被鈣離子識別、激活而促進信號傳遞。N末端含有內質網識別區域，參與通道轉運。此外，還具有蛋白激酶、酪氨酸磷酸化位點。細胞內鈣離子，通過鈣調蛋白激活Kca3.1，通過細胞膜復極或者超極化引起鉀離子外流，從而促進細胞增殖、遷移等。結構決定功能，因此Kca3.1可被酪氨酸蛋白酶受體激活，促進Ras /ERK等信號傳導通路的相關信息傳遞。

2 Kca3.1與細胞的功能

2.1 Kca3.1與上皮細胞 上皮細胞作為保護屏障，是離子交換的重要場所。當急性或者慢性刺激引起上皮細胞損傷后，上皮再生需要恢復完整性和功能性，需要經過細胞增殖、遷移、分化以恢復上皮細胞的極化及功能[6-8]。這是由許多蛋白及機制參與的復雜過程，包括生長因子及下游信號效應[9]。鉀離子通道不僅調控細胞膜電位、調節跨上皮離子及體液交換，還調節上皮細胞的增殖及遷移[10、11]。目前許多研究證實Kca3.1參與跨上皮離子轉運。抑制氣道上皮的Kca3.1通道后導致鈣激活氯離子分泌受損[12]。Schwab等在遷移的Madin-Darby犬腎細胞(MDCK)發現鈣離子與kca3.1通道功能的關系[13]。腎臟細胞的遷移與Kca3.1通道有關，細胞內鈣離子增多，鉀離子外流引起細胞收縮，引起遷移細胞背部收縮[14]。Schwab等發現藥物阻斷Kca3.1通道可抑制MDCK細胞遷移[15]。Trinh等發現阻斷Kca3.1通道后，EGF刺激引起的正常和囊性纖維化氣管上皮細胞遷移顯著減少[16]。一些研究表明，Kca3.1與細胞骨架重排及細胞體積調節有關[17-18]。在遷移的上皮細胞，被激活的Kca3.1通道引起鉀離子外流。引起細胞收縮，引起肌動蛋白骨架重組，從而促進細胞運動。

許多研究表明Kca3.1與細胞的增殖有密切關系。Kca3.1通道受許多生長因子(如：肝細胞生長/分散因子(SF)，成纖維細胞生長因子2(FGF-2),表皮生長因子，血小板源性生長因子(PDGF))以及信號蛋白(如：MEK 和Ras)調控，與此同時Kca3.1調控細胞有絲分裂及運動[9,19-22]。乳腺癌上皮細胞的細胞周期中觀察到了Kca3.1電流，阻斷該電流干擾了細胞的增殖和周期[23]。通過對不導電的變異的人胚腎細胞(HEK-293)的研究表明，Kca3.1蛋白本身可通過ERK1/2及JNK通路直接調節細胞增殖[24]。此外，鉀離子通道的活性變化通過改變細胞的膜電位、細胞內鈣離子、細胞體積以及生長因子介導的有絲分裂信號等調控細胞增殖[25]。實驗證明抑制Kca3.1通道后，子宮內膜癌細胞停止在G0/G1期的細胞增多，從而抑制了癌細胞的增殖[26]。Kca3.1與損傷后修復亦有關系，抑制腸上皮細胞Kca3.1通道可促進傷口愈合[27]。綜上所述，Kca3.1通道參與調控上皮細胞的增殖與遷移，從而調節細胞再生。

2.2 Kca3.1 與平滑肌細胞 生理學重點研究平滑肌細胞的收縮表型，血管收縮調節血流量。但是當生長因子以及其他環境信號刺激時，血管平滑肌細胞可能會失去收縮性，變化成以形態變化、增殖、遷移為表型的細胞[28]。這種可塑性對于新血管的形成以及血管的重塑有重要意義。調節平滑肌細胞行為的分子機制紛繁復雜，離子通道可通過調節平滑肌的節律性以及調控鈣離子內流，影響細胞的收縮性及其他細胞機制[29]。Kca3.1通道并不依賴于去極化促進通道開放，因此可打開更多的超計劃膜電位，Neylon等發現阻斷Kca3.1通道可抑制血管平滑肌細胞增殖[19]，Cheong等發現阻斷該通道可抑制內膜增生[30]。Dan等發現Kca3.1通道可調控鈣依賴的血管平滑肌細胞增殖，Kca3.1通過控制細胞內鈣離子的濃度，間接調控轉錄因子及細胞周期蛋白的表達，因此Kca3.1通過鈣依賴的信號通路調控細胞的增殖[31]。阻斷冠狀動脈平滑肌細胞kca3.1通道后明顯抑制該細胞增殖。我們的實驗發現，TRAM-34抑制該通道后可減輕低氧誘導的肺動脈平滑肌細胞增殖，進一步的研究證實，Kca3.1主要通過BMP/BMPR2/Smad1調控細胞增殖[32]。

Kca3.1除了調節平滑肌細胞增殖，對細胞遷移及分化也有作用。在冠狀動脈平滑肌細胞中，阻斷該離子通道可抑制細胞遷移，而功能性的Kca3.1表達上調后可促進PDGF引起的細胞表型變化及遷移[33、34]。血管平滑肌鉀離子通道的特點主要取決于表型。健康的平滑肌細胞在收縮狀態時主要表達大電導的鈣離子激活鉀離子通道(BKca)。這不僅僅是響應去極化的電壓特異性，也能滅活超極化潛力，從而允許通過其他方式去接話但抵消強大的去極化刺激[35]。如果血管平滑肌轉變為增殖表型，這種改變可引起Kca3.1表達上調。當抑制Kca3.1通道后發現平滑肌完全的表型轉換受抑制[33、36]。Kohler等發現在血管平滑肌細胞的增殖表型中鉀離子通道發生了轉變，從大電導的鈣離子激活鉀離子通道轉變為Kca3.1[9]。事實上，藥物阻斷Kca3.1通道或Kca3.1基因敲除后，Apo-E敲除鼠的動脈粥樣硬化顯著降低，抑制了動脈平滑肌細胞的增殖和遷移[37]。

Kca3.1通道不僅調節血管平滑肌細胞增殖，Malcolm等發現，TGF-β刺激后，氣道平滑肌細胞Kca3.1表達增加，阻斷該通道后細胞生長停滯在G1期，因此Kca3.1與氣道平滑肌細胞增殖有關。

2.3 Kca3.1與內皮細胞 目前已經證實血管內皮細胞上有Kca3.1離子通道，通道開放后，內皮細胞激動劑(如：乙酰膽堿或者緩激肽)通過增加細胞內鈣離子濃度來激活G蛋白偶聯受體，通過這種方式，內皮超極化和EDH型的擴張被啟動[35]。遺傳學的證據表明，Kca3.1基因被敲除后，乙酰膽堿刺激的EDH型擴張受阻[38、39]。Kca3.1通道通過電化學驅動力調節鈣離子內流，影響了內皮依賴型舒張功能[40]，同時在血管張力調節中起著重要作用，以上表明Kca3.1通道功能障礙可導致血管內皮功能障礙，從而引起血管疾病[36]。Kca3.1通道引起血管擴張不同于經典的NO通路，是重要的內源性擴展機制。

2.4 Kca3.1與免疫細胞 盡管免疫系統的細胞成分是非興奮性的細胞，刺激后不會出現動作電位，但是離子通道對淋巴細胞、巨噬細胞、單核細胞、樹突狀細胞等細胞的功能仍然發揮重要作用，不管是在生理還是病理條件下。

淋巴細胞主要表達電壓門控通道(Kv1.3)和Kca3.1通道。Kca3.1通道對T細胞膜電位的調節主要取決于T細胞亞型Kca3.1的相對表達[41]。因此抑制Kca3.1通道以T細胞亞型特異性的方式抑制細胞增殖。Kca3.1通道在被激活的T細胞、中央記憶T細胞以及TH1/2細胞作用更為突出。Kca3.1通道是T細胞免疫突觸重要的信號體[42]，通過促進轉出-轉進的信號、調節極化及去極化的膜電位以及鈣離子信號[43]，調節鉀以來性整合素的功能[44-45]，通過酪氨酸激酶[46]等促進通道與T細胞受體及細胞內信號分子結合。與Kca3.1通道調節細胞增殖的機制類似，Chandy等發現T細胞的增殖也與此通道有關[47]。B淋巴細胞也表達Kca3.1通道，阻斷該通道可抑制細胞增殖。

人骨髓來源及人外周血來源的肥大細胞也表達Kca3.1通道[48]。該通道在細胞活化的時候保持負的膜電位，導致鈣離子內流增加。因此阻斷Kca3.1通道可抑制人肺肥大細胞脫顆粒[49-50]。Kca3.1通道非選擇性抑制劑蝎毒素可部分抑制人肺肥大細胞釋放組胺，相反，使用Kca3.1通道激活劑1-EBIO促進Ig-E依賴的鈣內流以及脫顆粒作用[51]。Ekaterina等通過小鼠體內、體外實驗證實，Kca3.1通道缺失引起肥大細胞容積調節、Ig-E及內皮素-1誘導的肥大細胞鈣內流及脫顆粒、過敏反應受損[52]。Cruse等研究發現，人肺肥大細胞遷移需要Kca3.1通道，阻斷通道可抑制遷移。Kca3.1通道亦與肥大細胞趨化性有關，阻斷后可抑制趨化性[53]。

離子通道在先天免疫也有關鍵作用，與T細胞一樣，巨噬細胞及小膠質細胞也表達Kca3.1通道，并且調節細胞的遷移。Schilling等發現LPS引起的小膠質細胞遷移與Kca3.1通道有密切關系，阻斷通道后遷移受抑[54]。

2.5 Kca3.1通道與纖維細胞及成纖維細胞 PCR及蛋白印記實驗均證明人肺成纖維細胞(肌成纖維細胞)表達Kca3.1[55]，從特發性肺纖維化患者分離的成纖維細胞的Kca3.1表達較正常人成纖維細胞明顯增高，藥物阻斷該通道，不僅抑制該細胞增殖，細胞遷移亦減少。Schwab阻斷Kca3.1通道后，通過調節肌動蛋白的聚合抑制成纖維細胞遷移[17]。 Shailendra等發現Kca3.1通道對纖維細胞的遷移起著關鍵作用[56]。在腎臟纖維化的研究中發現，藥理阻斷Kca3.1通道可抑制腎成纖維細胞增殖[57]，糖尿病引起的腎間質纖維化，Kca3.1亦參與調節成纖維細胞的激活[58]。

綜上，Kca3.1通道在興奮性及非興奮性的細胞均有表達，Kca3.1在人體分布廣泛，調節平滑肌細胞、纖維細胞、淋巴細胞等增殖與遷移。

3 Kca3.1與疾病

3.1 Kca3.1與惡性腫瘤 惡性腫瘤是異常病理增生性疾病，腫瘤細胞增殖，遷移，分化障礙是生長、浸潤、轉移的重要原因。人類多種腫瘤細胞可見Kca3.1表達上調，阻斷該通道阻斷腫瘤組織生長及相關細胞生長，可能機制為：1)促使膜電位去極化，抑制鈣內流，胞內鈣離子濃度降低，抑制細胞增殖。2)降低細胞周期蛋白的表達，使周期停滯了GO/G1期，主要是因為一直鉀離子外流后，鈣離子內流少從而影響細胞周期。3)抑制相關生長因子的分泌合成。4)抑制腫瘤周圍血管形成。

大量研究表明，Kca3.1在多種腫瘤細胞系表達上調，包括GL-15膠質母細胞瘤細胞[62]，MM-RU 和IGR1黑色素瘤細胞[59、63]，MCF-7乳腺癌細胞[60]，LNCaP和PC-3前列腺癌細胞[64]，HEC-1-A和KLE子宮內膜細胞[25]。體外實驗證明，選擇性抑制Kca3.1通道，可抑制以上腫瘤細胞增殖。體內實驗主要用裸鼠，抑制該通道能子宮內膜癌、胰腺癌、黑色素瘤移植瘤的生長。在MCF-7細胞株及PC-3細胞株的G1和S分裂周期中，PCR發現Kca3.1通道表達增高，膜片鉗檢測到電流密度明顯上調。選擇性藥物阻斷HEC-1-A和KLE細胞后，G0/G1期細胞明顯增多，同時細胞周期蛋白D1表達明顯下調。結腸癌細胞表達的Kca3.1主要定位于線粒體膜，既參與細胞的代謝過程，同時參與信號傳遞[65]。Kca3.1激動劑可促進細胞分化及血管形成。Reich等發現阻斷該通道可抑制細胞因子合成[66]，其機制可能是抑制了腫瘤細胞合成對細胞生長必需的自分泌生長因子。此外，Kca3.1通道激活劑可促進血管內皮細胞分化及血管形成。VEGF及bFGF刺激腫瘤相關內皮細胞后，其Kca3.1表達水平明顯升高，可能由于鈣內流增加改變膜電位，促進內皮細胞遷移及有絲分裂，促進血管形成[67]。此外，Kca3.1通道與腫瘤分期有關，乳腺癌III期的Kca3.1在RNA及蛋白水平均明顯高于I、II期間[68]。Kca3.1對良性增生也有抑制作用，在良性前列腺增生的體外實驗中，選擇性抑制通道后移植體縮小，細胞生長減速[69]。

Kca3.1通道與腫瘤的關系還有腫瘤免疫有關。細胞毒性T淋巴細胞在腫瘤免疫起總要作用，因為能殺死腫瘤細胞[70]，Kca3.1通道參與CD8+細胞毒性T細胞裂解腫瘤細胞。選擇性阻斷NK細胞的Kca3.1通道，可通過增加毒性顆粒的釋放來殺死腫瘤細胞[71]。

3.2 Kca3.1通道與自身免疫性疾病 相對于靜止狀態的免疫細胞，激活狀態的細胞表達Kca3.1上調。該通道與淋巴細胞、巨噬細胞等的功能有密切關系。在小鼠的自身免疫性腦脊髓炎模型中，TRAM-34(選擇性Kca3.1通道阻斷劑)能阻止進行性麻痹，該研究還證實，TRAM-34對風濕性關節炎有一定作用[72]。Chou在多發性硬化的動物實驗中證實，藥理阻斷該通道抑制疾病進展[73]。在炎癥性腸病的研究中，Di等發現抑制Kca3.1通道后減輕T細胞介導的結腸炎。在2個炎癥性腸病小鼠模型中，Kca3.1-/-小鼠及通道阻滯劑治療，均能減輕結腸的炎癥反應[74]。

在移植免疫方面，Chen等研究發現抑制Kca3.1通道可緩解慢性移植性血管病變及氣管移植排斥反應[75]。Wulff等發現抑制該通道，可延長移植心臟成活[76]。

3.3 Kca3.1離子通道與心血管疾病 心血管疾病主要病理表現為血管內皮及平滑肌結構及功能障礙。Kca3.1通道與血管平滑肌細胞的遷移，與血管內皮EDH型擴張有關。Ohta等發現阻斷Kca3,1通道可預防內皮炎癥[77]。小鼠體外實驗證實，Kca3.1通道基因缺陷破壞內皮源性舒張因子(EDHF)通路，從而引起高血壓[78]。但是在人類，藥物阻斷Kca3.1通道并發現血壓升高[79]。阻斷Kca3.1是否降低血壓，需要進一步研究。在動脈粥樣硬化的研究中發現，斑塊組織Kca3.1表達增高。在高脂肪、高膽固醇飼養的豬的早期動脈粥樣改變的冠狀動脈組織中，Kca3.1表達較對照組增高22倍以上[80]。Lemaitre等發現Kca3.1調節動脈粥樣硬化中的單核細胞及單核細胞粘附[81]。在動物實驗中，與實驗組比較，TRAM-34減少60%的動脈粥樣硬化面積，未引起實驗動物血壓。在大鼠的動脈縮窄模型中發現，通過頸動脈球囊造成內膜損傷，局部給予TRAM-34抑制Kca3.1后，內膜增生減少40%[82]。Park等發現Kca3.1與Fabry病引起的內皮受損有關[83]。此外，Kca3.1通道與血管炎癥反應有關。Mauler等在大鼠硬膜下血腫模型發現Kca3.1阻滯劑具有保護作用[84]，Chen等在大鼠缺血再灌注腦卒中模型中阻斷Kca3.1后，腦梗死及神經功能缺損減輕[85]。

3.4 Kca3.1通道與肺部疾病 在肺纖維化的研究中，在博萊霉素誘導的小鼠肺纖維化模型中，Kca3.1在模型組表達增加，使用TRAM-34阻斷通道后，HE切片纖維化評分減低50%左右，明顯稍輕膠原蛋白沉積[60]。在哮喘的研究中發現，Kca3.1與人肺肥大細胞的遷移和脫顆粒有關。在羊的慢性哮喘模型中，阻斷Kca3.1通道可抑制肥大細胞聚集，改善肺功能[86]。從哮喘病人分離的氣管平滑肌細胞的體外實驗發現，Kca3.1通道參與調控細胞對激素的敏感性，阻斷通道可提高重度哮喘的激素活性[87]。Chachi等從哮喘及慢性阻塞性肺疾病患者分離出氣道平滑肌細胞研究激素敏感性，使用Kca3.1通道阻滯劑后可提高激素敏感性[88]。

3.5 Kca3.1通道與其他疾病 在糖尿病腎病的研究中發現，阻斷Kca3.1通道通過抑制成纖維細胞、Smad2/3及ERK1/2的磷酸化激活，減輕腎臟間質纖維化[58]。有絲分裂原刺激小鼠腎成纖維細胞后，經過MEK依賴的機制上調Kca3.1表達，TRAM-34抑制細胞周期停滯在G0/G1期，抑制Kca3.1通道后腎臟纖維化減輕[19]。阻斷Kca3.1通道，可抑制慢性淋巴細胞白血病細胞增殖，可作為治療的選擇[89]。對于鐮狀細胞貧血，目前人體內試驗的報道證明Kca3.1通道阻滯劑的有效性及安全性[79、90]。

4 小結與展望

Kca3.1通道與多種細胞的結構及共能有關，參與了多種疾病的發生及發展過程，因此Kca3.1作為研究熱點，為多種疾病的治療提供新的方向。然而，Kca3.1只是復雜的發病機制中的一個環節，且阻斷或者激活該通道可影響通道正常功能。Kca3.1在體內分布廣泛，缺乏器官特異性，對人體的作用需要更多的實驗研究支持。