膜耦聯(lián)蛋白分子junctophilin的研究進(jìn)展

鄭春光

摘 要：細(xì)胞內(nèi)的Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)是通過特定的鈣離子釋放（例如ryanodine和IP3受體）通道所維持的，而且細(xì)胞內(nèi)的Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)能直接調(diào)控包括肌肉收縮、內(nèi)分泌以及神經(jīng)系統(tǒng)的興奮性等重要的細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)。細(xì)胞內(nèi)肌漿網(wǎng)作為鈣庫即參與了Ca2+攝取，儲(chǔ)存和釋放的過程，又參與細(xì)胞膜與胞漿內(nèi)蛋白之間的協(xié)同合作。最近研究發(fā)現(xiàn)Junctophilin（JPH）是參與形成膜耦聯(lián)復(fù)合體（JMC）的重要蛋白分子。其主要功能是在JMC中使細(xì)胞膜和肌質(zhì)網(wǎng)保持一個(gè)較固定的距離， 為細(xì)胞膜與肌質(zhì)網(wǎng)之間的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。而且大量的基因敲除實(shí)驗(yàn)證明了junctophilin蛋白分子是維持小鼠肌細(xì)胞內(nèi)ryanodine受體介導(dǎo)的鈣釋放所必需的。并且通過對(duì)心肌細(xì)胞鈣釋放的研究，特別是缺乏junctophilin蛋白分子的心肌細(xì)胞突變體，在T管（T-tubule）發(fā)育、心力衰竭、心肌病、心律失常的發(fā)生發(fā)展中起著特別重要的作用[1]。本文主要?dú)w納了junctophilin蛋白分子從發(fā)現(xiàn)到臨床研究的進(jìn)展過程，在此基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)一步的研究方向進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：junctophilin;膜耦聯(lián)復(fù)合體;鈣釋放;心臟疾病

中圖分類號(hào)：R541 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）03-0175-02

1 Junctophilin基因家族

研究發(fā)現(xiàn)JPH在動(dòng)物界的表達(dá)是高度保守的。通過對(duì)比不同物種JPH蛋白序列發(fā)現(xiàn)了JPH家族的進(jìn)化來源，而且JPH分子的進(jìn)化的細(xì)節(jié)也逐漸被發(fā)現(xiàn)。其中在對(duì)41個(gè)物種（27種無脊椎動(dòng)物和14種脊椎動(dòng)物）的進(jìn)化分析中發(fā)現(xiàn)了64個(gè)全長的無重復(fù)的異構(gòu)體。這其中有19種哺乳動(dòng)物的JPH序列和45種非哺乳動(dòng)物序列。JPH蛋白全長序列大約在600到900個(gè)氨基酸之間。只有5個(gè)序列少于560個(gè)氨基酸，這些較短序列的異構(gòu)體在3′末端含有不完整的序列，但是在N末端的MORN區(qū)和鏈接區(qū)仍存在重要的保守序列。

1.1 JPH的序列

通過對(duì)JPH蛋白家族的識(shí)別，其大體結(jié)構(gòu)已經(jīng)被了解到是由8個(gè)在N末端區(qū)域的MORN序列，一個(gè)α螺旋和一個(gè)C末端的跨膜序列共同構(gòu)成的。通過整個(gè)的氨基酸序列分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)JPH異構(gòu)體在整個(gè)進(jìn)化過程中都是高度保守的。甚至已經(jīng)在第一組MORN基序（（I-VI）和第二組MORN基序（VII-VIII），α螺旋樣區(qū)以及跨膜區(qū)發(fā)現(xiàn)了進(jìn)化中的高度保守區(qū)。

在人類的JPH異構(gòu)體（JPH1-4）中，氨基酸序列的保守區(qū)約占整個(gè)序列長度的42%到59%。而α螺旋區(qū)域的保守片段的比例約在40%到68%之間。在六種哺乳動(dòng)物的JPH2亞型中，氨基酸的保守序列占整個(gè)蛋白的73%。這些高度的保守區(qū)域證明了這些區(qū)域在JPH蛋白分子中起著特殊的作用。這些區(qū)域的突變可能會(huì)使蛋白的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生變化從而影響蛋白的正常作用。

1.2 MORN功能區(qū)

JPHs基因包含了多個(gè)重復(fù)的MORN基序。有研究證明MORN基序表達(dá)后的結(jié)構(gòu)可能作用于細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)。在JPHs中MORN基序高度保守，在整個(gè)種屬中其氨基酸同源性大約在76%（MORN II）到90%（MORN I）的范圍內(nèi)。當(dāng)對(duì)在MORN基序中包含的十四個(gè)氨基酸的個(gè)別氨基酸的保守性進(jìn)行分析時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)在整個(gè)JPH異構(gòu)體中大多數(shù)的變異是由第六個(gè)和第七個(gè)氨基酸決定的。大多數(shù)氨基酸的保守度大約在80到100%之間，然而這兩個(gè)氨基酸位置的保守度平均在51到52%之間。有趣的是，在果蠅變異體的MORN IV基序中發(fā)現(xiàn)了在第六個(gè)和第七個(gè)氨基酸的位置之間多了一個(gè)賴氨酸，而在大乳頭水螅變異體中多了一個(gè)天冬氨酸。

MORN基序被認(rèn)為是結(jié)合到細(xì)胞膜的關(guān)鍵功能區(qū)域，所以這些序列被認(rèn)為是決定JPH結(jié)合位點(diǎn)表達(dá)的關(guān)鍵序列。目前發(fā)現(xiàn)人類體內(nèi)的JPH異構(gòu)體基因突變后能引起某些嚴(yán)重的心臟疾病。特別是在MORN基序發(fā)生基因突變時(shí)，能夠改變JPH2的膜結(jié)合能力，從而影響JHP蛋白分子在心臟中的功能，導(dǎo)致心肌病的發(fā)生[2]。

1.3 連接區(qū)

連接區(qū)的序列位置存在于第一組的MORN序列（I-VI）和第二組的MORN序列（VII-VIII）中?，F(xiàn)在已經(jīng)證明了連接區(qū)基因序列表達(dá)后存在高度保守性。為了對(duì)比不同異構(gòu)體JPH1-4連接區(qū)保守型氨基酸的差異，有研究將這四種亞型的JPH序列進(jìn)行排列對(duì)比。通過對(duì)人、褐家鼠與小家鼠的連接區(qū)序列排列對(duì)比后，研究發(fā)現(xiàn)了在神經(jīng)細(xì)胞表達(dá)的JPH高度的保守，其中JPH3的連接區(qū)域有99.3%保守度（在這三個(gè)種群里144個(gè)氨基酸僅有一個(gè)不同），而JPH4高達(dá)98.7%的保守度（139個(gè)氨基酸有兩個(gè)不同）。而在骨骼肌中的JPH1和心肌中的JPH2連接區(qū)域的保守區(qū)域稍微有點(diǎn)低分別為97.0和87.3%。連接區(qū)的高度保守表達(dá)表明了該區(qū)域在JPH的功能中起到了重要的作用，可能在調(diào)節(jié)JPH與脂膜的結(jié)合中起重要的作用。

1.4 α螺旋結(jié)構(gòu)域

α螺旋結(jié)構(gòu)域位于JPH蛋白的中間區(qū)域，由大約100氨基酸組成。α螺旋結(jié)構(gòu)域被認(rèn)為是連接細(xì)胞膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜之間的橋梁。這一區(qū)域在不同異構(gòu)體的保守度非常低，大約在40%到68%之間。在電鏡觀察中發(fā)現(xiàn)心肌細(xì)胞的細(xì)胞膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜之間的間隙大約是12nm。然而當(dāng)JPH2缺失時(shí)心肌細(xì)胞內(nèi)這個(gè)間隙會(huì)明顯變小，這種調(diào)節(jié)可能與α螺旋結(jié)構(gòu)域的作用有關(guān)。

1.5 可變區(qū)

盡管可變區(qū)在整個(gè)物種的基因進(jìn)化中有重要意義，但它的具體功能還并不清楚。通過比較不同異構(gòu)體（JPH1-4）可變區(qū)的基因表達(dá)，發(fā)現(xiàn)其存在較低的保守性，其中人類，小鼠和大鼠分別為17.2%，15.5%和17.5%。在同種屬內(nèi)的不同異構(gòu)體之間的特異性表明了可變區(qū)可能在JPH特異性功能中起到了重要的作用。有一種假設(shè)是可變區(qū)介導(dǎo)了JCM復(fù)合物中蛋白質(zhì)之間的特異性相互作用。

2 JPs的亞型及分布

細(xì)胞膜和肌質(zhì)網(wǎng)（SR）之間的耦聯(lián)復(fù)合體是興奮性細(xì)胞的共有特征，而且耦聯(lián)復(fù)合體介導(dǎo)了細(xì)胞表面和細(xì)胞內(nèi)離子通道的相互作用?，F(xiàn)在研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)JPs是一種屬于耦聯(lián)復(fù)合體的新型的保守型蛋白家族。目前在在小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了至少有四種JPs亞型：JP-1，-2，和-3，-4。研究發(fā)現(xiàn)在mRNA和蛋白表達(dá)水平上，小鼠體內(nèi)JP-1的mRNA主要分布在骨骼肌組織中， 心臟和腦中也有少量分布，而蛋白表達(dá)主要分布在骨骼肌中。并且JP-1和JP-2在骨骼肌細(xì)胞中共定位于三聯(lián)體結(jié)構(gòu)處。而JP-3和JP-4的mRNA及蛋白表達(dá)則均存在于腦中。JP-2主要在心肌細(xì)胞內(nèi)大量表達(dá)，目前研究發(fā)現(xiàn)缺乏JP-2的變異小鼠會(huì)因?yàn)樾墓δ芩ソ叨烙谂咛テ?。目前還有研究者發(fā)現(xiàn)在竇性心律失常與慢性房顫的患者中JP-2的表達(dá)明顯下調(diào)[3]。

3 JPs的結(jié)構(gòu)與功能

哺乳動(dòng)物的JP亞型是由628個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成，在JP的N末端是由14個(gè)氨基酸組成的MORN區(qū)域，在羥基末端有一個(gè)跨膜片段連接內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。含有MORN基序的氨基末端能特異性的與細(xì)胞膜產(chǎn)生相互作用，可能是由于其與磷脂之間有很大的親和力。而且通過兩棲類動(dòng)物胚胎表達(dá)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜與肌質(zhì)網(wǎng)的相互作用可以使JP高效的產(chǎn)生JCMs。哺乳動(dòng)物的基因組中含有四種特異性的JP亞型基因?，F(xiàn)在已經(jīng)成功的培養(yǎng)出敲除JPs亞型的小鼠，實(shí)驗(yàn)證明了JPs是骨骼肌細(xì)胞中鈣離子通道和RyR2之間生理功能耦聯(lián)的關(guān)鍵蛋白分子，并且在心肌的興奮收縮耦聯(lián)中是必不可少的。而且神經(jīng)元中的JPs能介導(dǎo)RyRs通道的功能交聯(lián)，從而在海馬以及小腦的神經(jīng)元中產(chǎn)生后超極化。與哺乳動(dòng)物的JP亞型相比較，無脊椎動(dòng)物只有一個(gè)JP基因，而且這一個(gè)基因亞型對(duì)肌肉的興奮收縮耦聯(lián)有很重要的作用。

電鏡觀察發(fā)現(xiàn)在興奮性細(xì)胞中，細(xì)胞膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜之間的膜耦聯(lián)復(fù)合物（JMCs）有幾種不同的類型：在骨骼肌中的是“三聯(lián)體”;在心肌中是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜與心肌細(xì)胞T-管形成的“二聯(lián)體”;在平滑肌和不成熟的橫紋肌中形成簡單的“外圍耦聯(lián)”，而且在神經(jīng)元內(nèi)也存在相似的超微結(jié)構(gòu)特征。在骨骼肌細(xì)胞三聯(lián)體的組成研究中，JPs被認(rèn)為是參與形成JCMs最有可能的蛋白分子。有研究認(rèn)為JPH與細(xì)胞膜之間的相互作用是蛋白分子與胞膜脂質(zhì)的直接作用。但是一些研究卻得出不相同的結(jié)論，有研究者通過免疫共沉淀實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)位于caveolae區(qū)的JPH2與細(xì)胞膜的相互作用是通過cav-3蛋白介導(dǎo)的[4]。還有研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)經(jīng)過JPH1敲除的小白鼠大腿、舌等多個(gè)部位的肌肉細(xì)胞內(nèi)三聯(lián)體結(jié)構(gòu)數(shù)量明顯的降低。這表明了JPH1可能與肌細(xì)胞內(nèi)三聯(lián)體的形成或維持有關(guān)。在相應(yīng)的心肌細(xì)胞研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的情況，這更加證明了耦聯(lián)體與JPHs之間的作用密不可分。

4 JPs與疾病

最近研究發(fā)現(xiàn)JPs亞型和人類的疾病有著明顯的關(guān)聯(lián)。JP2的表達(dá)水平在心肌肥厚、心力衰竭、心房顫動(dòng)等心臟疾病中出現(xiàn)明顯異常[5]。通過膜片鉗技術(shù)、共聚焦顯微鏡與鈣瞬變技術(shù)的結(jié)合發(fā)現(xiàn)JP2在心肌細(xì)胞鈣促鈣釋放過程（CICR）中起著重要的作用。在患有心肌病的小鼠和人類中發(fā)現(xiàn)JP2蛋白分子的表達(dá)明顯減少，JP2的表達(dá)降低直接影響到鈣離子的穩(wěn)定釋放，這可能是成為心臟病變的基礎(chǔ)。而且在人類的肥厚型心肌病患者中發(fā)現(xiàn)JP2基因有幾個(gè)明顯的錯(cuò)義突變。在這些病人中，JP2的突變可能慢慢的會(huì)導(dǎo)致鈣離子信號(hào)的減弱，從而引起基因表達(dá)改變導(dǎo)致心肌肥厚。另一方面，神經(jīng)中樞中的JP3基因突變可引起與亨廷頓氏舞蹈病相似的表型病變。盡管JP3和JP4在大腦的神經(jīng)系統(tǒng)里可能作為一種輔助性蛋白共表達(dá)，但他們分布和表達(dá)的密度有輕微的不同。在敲除JP3的小鼠中發(fā)現(xiàn)，長期的JP3缺失能引起神經(jīng)元膜電位的異常興奮。而且JP3缺失引起的非正常性神經(jīng)元興奮會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元逐漸退變。

綜上所述JPH是維持細(xì)胞膜和內(nèi)/肌質(zhì)網(wǎng)膜之間信息交通所必不可少的。而且對(duì)JCM的形成起到了重要的作用。其分子表達(dá)和心臟疾病之間有著重要的聯(lián)系。隨著對(duì)JPHs的研究的深入，使人們對(duì)JPHs與其疾病的關(guān)系有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和理解，為臨床上治療疾病提供了新的思路和視點(diǎn)。

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