TWIK相關性酸敏感鉀離子通道與疾病研究進展

聞 璐 姚曉光 李南方

雙孔鉀通道(K2p)是背景鉀通道或漏鉀通道，即改變鉀背景電流可以調節細胞膜電位和電阻，從而調節細胞的興奮性和反應性，可由不同類型的G蛋白偶聯受體的調節。雙孔鉀通道是由兩個亞單位組成的雙聚體結構，每個亞單位含有4個跨膜區(TM1～TM4)，其中TM1與TM2、TM3與TM4之間形成2個孔道(P1和P2)，組成4TM/2P的結構。隨著研究不斷深入，根據結構和功能性質可被劃分為6個亞類[1]。從人類腎臟中克隆到對生理范圍內細胞外pH值變化具有極高敏感性的雙孔鉀通道，命名為TWIK相關性酸敏感鉀離子通道，包括TWIK相關性酸敏感鉀離子通道1(TWIK-related acid-sensitive K+channel-1, TASK-1, KCNK 3, K2p3.1)、TWIK相關性酸敏感鉀離子通道3(TWIK-related acid-sensitive K+channel-3, TASK-3, KCNK 9, K2p9.1)和TWIK相關性酸敏感鉀離子通道5(TWIK-related acid-sensitive K+channel-5, TASK-5, KCNK 15, K2p15.1)。TASK-3是從大鼠小腦克隆并且發現與TASK-1具有55%～60%的序列同一性。其中TASK-1和TASK-3構成了大部分pH值敏感的鉀電導，這些通道在結構上與酸中毒有關并受到抑制，在許多生理病理過程均有參與。TASK-5進入TASK亞家族主要是基于結構相似性。與TASK-1和TASK-3通道相反，TASK-5不能在功能上表達，盡管其mRNA在個別組織中大量表達，但是可能需要一些其他未確定的伙伴亞基在質膜或細胞器中形成功能通道，其相關研究報道也很少。因此，本文就TASK-1、TASK-3及其表達產物與疾病的相關研究進展做一綜述。

一、TASK-1、TASK-3的分布與調節

TASK-1、TASK-3廣泛表達于各個組織，例如大腦皮質、腦干前包氏復合體、視網膜神經節細胞、頸動脈體、舌下神經核、腎上腺皮質、心房、棕色脂肪及癌癥中等[2]。TASK-1和TASK-3蛋白約有60%的氨基酸同源性，在鉀傳導、成孔、膜結合結構域的相似性最高。TASK-1、TASK-3通道能被體內外的許多生理和病理因素所調節，TASK通道幾乎不依賴電壓，對各種神經遞質、藥物化合物(即揮發性麻醉藥)和物理化學因素(溫度、pH值、氧分壓、CO2分壓、滲透壓、Zn2+等)都很敏感,而經典的鉀離子通道阻滯劑對其無影響。TASK鉀通道電導受細胞外酸性pH值的抑制，是由兩個TASK-1亞基、兩個TASK-3亞基或一個TASK-1和一個TASK-3亞基組成的同源或異二聚體通道，它們有不同的pH值敏感性,其酸敏感性主要是由大胞外環/螺旋蓋區域的組氨酸殘基的質子化引起,缺乏一個或兩個TASK通道的敲除小鼠表現出多種表型，包括頸動脈體化學感受受損，睡眠破碎、抗抑郁行為、原發性醛固酮增多癥、低腎素原發性高血壓、心臟傳導和復極異常、癲癇及肺動脈高壓等[3，4]。另外，TASK通道在基因研究中也有報道。在一項全基因組關聯研究中，人類TASK-1的失活突變與家族性肺動脈高壓相關和房性心律失常有關[4，5]。TASK-3基因770G>A突變使通道活性降低進而改變神經元發育，產生以智力遲鈍、低肌張力和面部畸形為特征的Birk Barel綜合征[6]。

二、TASK-1和TASK-3與相關疾病

1.TASK-1和TASK-3與中樞神經系統：TASK通道遍布全身，尤其在大腦，影響多種神經元功能。TASK鉀通道可能通過調節膜電位和動作電位穩定細胞內鈣離子濃度而有助于皮層錐體神經元的遷移。Meuth等[7]在小鼠腦片上發現pH值降低和O2剝奪抑制了K2p3.1(TASK-1)和K2p9.1(TASK-3)通道，這些通道的藥理學阻斷導致小鼠大腦中動脈短暫閉塞模型的梗死面積增加，最近在對K2p3.1和K2p9.1基因敲除小鼠的單獨研究中，K2p3.1基因敲除小鼠在腦缺血后表現出更大的梗死，而K2P9.1基因敲除小鼠中梗死體積沒有顯著變化[8]。TASK通道可能是保護神經組織免受缺血損傷的一個新的治療靶點。有研究證明孕酮對腦缺血再灌注損傷有保護作用，進一步發現其可能通過上調 TASK-3 通道蛋白的表達，降低神經細胞的興奮性和腦缺血再灌注傷后鉀離子依賴性凋亡， 從而改善腦缺血再灌注損傷后的病死率、神經功能缺陷評分和腦梗死體積。Na等[9]發現機械通氣下調大鼠腦干TASK-1通道水平，其影響似乎與潮氣量水平呈正相關，表明機械通氣對呼吸中樞有影響，可能通過增加神經元興奮性而對其造成損害。TASK通道可能同時具有抗癲癇以及促癲癇潛能，這些相反影響的相對貢獻取決于它們的細胞類型特異性表達和細胞環境的確切條件。

相關文獻報道麻醉藥物對TASK通道有一定影響。TASK-1和TASK-3通道對丘腦皮質中繼神經元的麝香堿和氟烷敏感電導有一定的作用，從而促進了睡眠-覺醒周期所觀察到的丘腦皮質網絡活動模式的改變和吸入麻醉劑的應用[10]。Conwan等[11]研究與野生型對照小鼠比較，TASK-3基因敲除小鼠需要增加揮發性麻醉以減少意識喪失和不動性，更容易失去知覺，并且在沒有麻醉的情況下，顯示零散的睡眠。在TASK-1和TASK-3基因敲除小鼠中，TASK-1電流明顯減小，異氟烷和氟烷對細胞的超極化作用也減弱，相應的催眠、鎮靜和制動等麻醉效應也減小。TASK通道可能是吸入麻醉藥腦缺血再灌注損傷保護作用的重要作用靶點之一。另外，用抗抑郁藥氟西汀治療野生動物可明顯減少REM睡眠，同時保持活動清醒和慢波睡眠相對完整，而缺乏TASK-3的動物沒有進一步展現。TASK-3可能直接參與氟西汀作用的機制，但TASK-3仍然可能通過平行途徑起作用，其中TASK-3活性喪失以類似于抗抑郁藥的方式影響REM，因為即使在不存在藥物的情況下TASK-3敲除的基線REM水平也降低。

2.TASK-1和TASK-3與呼吸系統:TASK通道對缺氧及高碳酸血癥十分敏感。動物實驗發現自發呼吸暫停指數與TASK-1和ATSK-3蛋白表達量的比值(TASK-1/TASK-3)呈正相關[12]。同時間歇性缺氧伴高碳酸血癥可上調TASK-1和TASK-3的表達。據報道，在TASK-1敲除和TASK-1/3雙敲除小鼠中發現低氧誘導的通氣功能受損，觀察到呼吸頻率降低，以及在這些基因敲除模型中缺少呼氣時間的縮短，TASK-1和TASK-3似乎是其中的關鍵[13]。TASK-1的敲除削弱了對缺氧的通氣反應，并且在體外抑制了對缺氧的化學傳入(頸動脈竇神經)反應。TASK-1和TASK-3的雙重敲除類似地降低了對低氧的通氣和化學感受器神經反應，但并沒有完全消除，而TASK-3的敲除對低氧的通氣反應沒有影響[3]。關于TASK-1和TASK-3通道對高碳酸血癥的作用的文獻有爭議。有文獻證明TASK-1和TASK-3通道都沒有參與中心二氧化碳化學傳感[14]。Buehler等[13]報道TASK-1/3敲除小鼠在5%CO2的作用下反應正常，當CO2逐步增加時，TASK-1/3敲除小鼠在低CO2濃度(1%～4%)下的反應較小，而在高濃度(5%～6%CO2)時則有很強的增加。另外，體外實驗中觀察到TASK-1/3敲除小鼠的頸動脈體與TASK-1或TASK-3敲除的野生型小鼠比較，100% O2顯著增加了單化學傳入纖維的激發速率和頸動脈竇神經的活性，推測TASK-1和TASK-3的聯合敲除而引起的頸動脈體功能紊亂與高氧引起的呼吸刺激有關。在高血壓大鼠中，頸動脈體的球細胞對低pH值有高度的反應，這與TASK-1表達的增加是一致的。這種增加的TASK-1功能表達有助于增加交感神經活動，這一現象可能與高血壓的發病機制有關。

3.TASK-1和TASK-3與心房顫動:TASK-1 mRNA在大鼠、小鼠和人的心臟中廣泛存在，且在右心房表達最高，TASK-1相對于TASK-3的分布更為豐富。TASK-1通道是心肌的背景電流的組成部分，在心房心肌細胞結構和功能起關鍵作用。TASK-1在心房顫動中的作用研究較多。Schmidt等[15]報道，心房顫動患者心房組織中編碼TASK-1的基因上調，同時伴有電流增加，而Harleton等[16]報告，盡管通道蛋白的表達沒有變化，但電流減少了，發現TASK-1通道蛋白的強烈磷酸化，伴隨著通道功能受損，可以通過激活磷酸酶來挽救，這表明心房顫動引起的這種電流的電重構涉及調控過程而不是基因表達的變化。慢性TASK-1抑制導致右心室纖維化顯著增加和IL-6的過量產生，心肌收縮力降低及肺血管重塑，可能導致右心室功能損失[17]。 許多臨床使用和實驗性抗心律失常藥物是TASK-1通道阻滯劑，可通過作用于平臺期的外向 TASK-1 電流而發揮作用，發現胺碘酮可抑制 TASK-1 電流，且這種抑制作用具有劑量依賴性，猜測胺碘酮抗的抗心律失常的作用可能與TASK-1電流受抑制有關。Kv1.5阻滯劑，如ave 0118和ave 1231，是抗心房顫動或阻塞性睡眠呼吸暫停的有效藥物，實際上是有效的TASK-1阻滯劑。這些阻滯劑對TASK-1通道的親和力更高，提示TASK-1可能是Kv1.5阻滯劑治療心房顫動或阻塞性睡眠呼吸暫停的未被識別的分子靶點，因此，這些化合物阻斷TASK-1通道可能有助于這些藥物的臨床療效[18]。

4.TASK-1和TASK-3與腎上腺皮質激素：腎上腺皮質激素分泌的生理調控依賴于鉀通道的功能，TASK-1、TASK-3在腎上腺皮質細胞中強烈表達。它們賦予這些細胞背景的鉀電導，這對于鉀的敏感性以及血管緊張素Ⅱ和促腎上腺皮質激素依賴性刺激醛固酮和皮質醇的合成都很重要。TASK-1和TASK-3具有不同的功能：TASK-1影響細胞分化，阻止束狀帶中醛固酮合成酶的表達，而TASK-3控制腎小球細胞醛固酮的分泌[19]。

TASK-1與TASK-3雙基因敲除雄性小鼠被認為與原發性醛固酮患者有非常相似的臨床表現，同樣9%～37%的原發性醛固酮增多癥患者存在低鉀血癥[20]。TASK-1和TASK-3基因敲除小鼠的腎上腺有正常的組織學特征，但球狀帶細胞缺乏TASK電流，且細胞膜有去極化，醛固酮分泌異常增高。David等發現，在正常鹽飲食，野生型小鼠和敲除基因小鼠動物之間差異無統計學意義，增加ANCL濃度至8%在飲食中1周，對野生型小鼠收縮壓無影響，而在TASK-3基因敲除小鼠發現收縮壓增加大概10mmHg(1mmHg=0.133kPa)，表現為鹽敏感性高血壓。Guagliardo等[21]研究發現TASK-3基因敲除小鼠可出現人類原發性低腎素型高血壓的主要特點,表明TASK通道活性缺失可能是促進低腎素型高血壓發展的機制之一。增加TASK通道活性的藥物可能是降低醛固酮水平的一種新的治療途徑，它與現有的鹽皮質激素受體阻滯劑一起，可以減輕醛固酮過量導致的高血壓和心臟病的靶器官損害。

5.TASK-1和TASK-3與炎癥和免疫調節:人類、大鼠、小鼠的T淋巴細胞均有TASK-3的表達，TASK通道在調節T淋巴細胞的膜電位和體內外免疫調節方面起著重要作用，參與了T細胞的增殖和細胞因子的產生，因此可能成為自身免疫性疾病藥理方法的一個有趣的新的分子靶點。腫瘤壞死因子α(TNF-α)是最常見的炎性因子之一，TNF-α可能是導致鉀外流的神經元內鉀穩態變化的中介因素，結合鉀外流增加，促進細胞凋亡。文獻報道TNF-α主要通過激活ASK 1，并隨后刺激P38和JNK激酶，從而使TASK-3通道活性增加，但TASK-3通道的C端缺失可阻斷TNF-α的作用[22]。當pH值從7.4降低到6.4時，TNF-α介導的TASK-3電流增強被完全廢除，表明TNF-α和通道的pH值調節相互作用，但酸性pH值不會干擾導致TNF-α增強的通路，而只是作用于TASK-3通道的水平，從而改變和克服TNF-α的作用。

6.TASK-1和TASK-3與腫瘤：鉀通道在與腫瘤進展相關的細胞行為中起著重要作用，包括調節細胞增殖、遷移、凋亡和血管生成。研究發現，在髓母細胞瘤細，艾氏腹水腫瘤細胞和N2A成神經細胞瘤細胞、非小細胞肺癌細胞可檢測到功能性TASK-1[23]。TASK-3通道基因也已確定在乳腺癌、結腸癌、惡性黑色素瘤、肺癌等中過度表達，TASK-3的致癌效應可能與其對氧的反應能力有關，尤其與腫瘤病理有關，因為實體腫瘤的氧合能力較差。文獻表明TASK-3細胞外結構域的具有高親和力的單克隆抗體(Y4)通過誘導內化機制選擇性和有效地抑制TASK-3的功能，能有效抑制小鼠中人肺癌異種移植物和乳腺癌轉移的生長，發現了TASK-3在促進癌細胞存活和生長中的關鍵作用，并且基于單克隆抗體的TASK-3靶向在治療原發性腫瘤和轉移中具有治療前景，通過抑制TASK-3通道功能或激活抗-腫瘤免疫反應[24]。

三、展 望

研究顯示TASK通道在調節動脈張力、胃腸道肌肉、乙醇致畸治療、抗艾滋病傳播等方面可能存在某些作用。綜上所述，TASK通道廣泛的表達于中樞神經系統和外周組織，它參與維持細胞膜的靜息電位和調節細胞的興奮性，在不同的組織細胞中，它有著不同的重要生理功能，而相關藥物治療研究知之甚少。相信隨著對TASK-1和TASK-3研究的不斷深入，其更多生理功能和疾病的關系將得到進一步闡明，將有望成為新的藥物治療靶點。