離子通道調(diào)控成肌細(xì)胞分化的研究進(jìn)展

李雯茜，閆百儀，丁愷志，龔妍春，姚麗華

（江西科技師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，江西南昌 330013）

骨骼肌發(fā)育是一個(gè)受嚴(yán)格調(diào)控的過程，主要包括成肌細(xì)胞經(jīng)過增殖、分化和融合，形成多核肌管。成肌細(xì)胞（Myoblast）是由衛(wèi)星細(xì)胞（Satellite Cells，SCs）大量增殖而來的一組特定的成體干細(xì)胞，具有自我更新、增殖、分化、融合及形成肌纖維的能力[1]。成肌細(xì)胞分化為骨骼肌細(xì)胞的過程除了受生肌調(diào)節(jié)因子調(diào)節(jié)之外，還受到不同離子通道的調(diào)控。目前，隨著細(xì)胞生物學(xué)和電生理技術(shù)的不斷發(fā)展，離子通道對(duì)成肌細(xì)胞的調(diào)控研究逐漸被人們所關(guān)注。因此，本文簡(jiǎn)單對(duì)離子通道調(diào)控成肌細(xì)胞的相關(guān)機(jī)制進(jìn)行總結(jié)。

1 成肌細(xì)胞的分化

骨骼肌成肌細(xì)胞的分化是一個(gè)依賴于鈣離子的多步驟過程，伴隨著退出細(xì)胞周期與細(xì)胞增殖相關(guān)的基因、肌肉特異基因的轉(zhuǎn)錄激活。

肌肉特異性表達(dá)主要由成肌調(diào)節(jié)因子家族（MRFs）調(diào)控，該家族成員主要包括成肌決定蛋白（MyoD）、肌肉生成素（MyoG）、成肌因子5（Myf5）和成肌因子4（MRF4）[2]。成肌細(xì)胞增殖期，首先，MRFs的遠(yuǎn)端增強(qiáng)子和近端啟動(dòng)子啟動(dòng)Myf5及MyoD，上調(diào)其轉(zhuǎn)錄活性，從而調(diào)控成肌細(xì)胞增殖為具有分化能力的肌源性細(xì)胞群，開始分化[3]；其次，在配對(duì)盒轉(zhuǎn)錄因子7（Pax7）及其同系物配對(duì)盒轉(zhuǎn)錄因子3（Pax3）的調(diào)控下，成肌細(xì)胞以不可逆的形式退出細(xì)胞周期，經(jīng)增殖、分化形成多核肌管；再次，MyoG與MRF4相互作用，同時(shí)在肌球蛋白重鏈（MyHC）的參與下，促使末端分化，使細(xì)胞融合為肌管；最后，肌管成熟為肌纖維，完成骨骼肌發(fā)育過程或是損傷肌肉的修復(fù)和再生過程[4]。在成肌細(xì)胞分化過程中，除了必需的生肌調(diào)節(jié)因子調(diào)控之外，各離子通道的調(diào)控作用也非常重要，研究離子通道對(duì)成肌細(xì)胞分化的調(diào)控機(jī)制有助于發(fā)現(xiàn)骨骼肌相關(guān)疾病的治療靶點(diǎn)，為后續(xù)對(duì)于骨骼肌疾病的研究提供重要思路。

2 離子通道對(duì)成肌細(xì)胞分化的調(diào)控

2.1 鈉離子通道對(duì)成肌細(xì)胞分化的調(diào)控

鈉離子通道是細(xì)胞膜上選擇性允許Na+順電化學(xué)梯度進(jìn)入細(xì)胞的內(nèi)向離子通道，主要分為電壓門控型和配體門控型兩種，其功能是維持細(xì)胞膜興奮性及其傳導(dǎo)，主要存在于神經(jīng)組織、內(nèi)分泌組織和肌肉組織等興奮性細(xì)胞中[5]。其中，電壓門控型鈉離子通道（Voltage Gated Sodium Channels，VGSCs）對(duì)于神經(jīng)和肌肉中動(dòng)作電位的啟動(dòng)和傳播是必需的。目前已經(jīng)在哺乳動(dòng)物中鑒定出9種亞型VGSCs，根據(jù)9個(gè)基因編碼哺乳動(dòng)物的α亞單位，蛋白質(zhì)命名為NaV1.1～NaV1.9，其中NaV1.4主要在骨骼肌中表達(dá)[6]。

電壓門控鈉通道NaV1.4主要負(fù)責(zé)形成動(dòng)作電位，是骨骼肌纖維興奮性的主要因素。目前，國內(nèi)外對(duì)NaV1.4調(diào)控成肌細(xì)胞分化的機(jī)制知之甚少。HEBERT S L等[7]發(fā)現(xiàn)MyoG表達(dá)上調(diào)，啟動(dòng)Na+通道，接著由MRF4維持在最高水平。MyoG與MRF4調(diào)控成肌細(xì)胞分化的中后期，肌纖維逐漸形成，這個(gè)階段NaV1.4的突變會(huì)改變骨骼肌的興奮性，導(dǎo)致骨骼肌相關(guān)疾病的產(chǎn)生。截至目前，針對(duì)鈉離子通道對(duì)成肌細(xì)胞的直接調(diào)控研究還寥寥無幾，而研究人員已經(jīng)知道成肌細(xì)胞分化的一個(gè)先決條件是需要Ca2+濃度的增加。在對(duì)鈣離子調(diào)控的研究中發(fā)現(xiàn)，VGSCs會(huì)干擾胞外Ca2+信號(hào)，通過Na+內(nèi)流使膜去極化，激活細(xì)胞膜上的電壓門控鈣離子通道，啟動(dòng)Na+/Ca2+交換器（NCX），使細(xì)胞內(nèi)Ga2+的濃度增加[8]。Na+釋放到細(xì)胞質(zhì)中后，通過NCX交換進(jìn)入線粒體，緩沖細(xì)胞質(zhì)中的Na+含量變化，導(dǎo)致Ca2+從線粒體中釋放出來[9]，從而增加細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度。因此推測(cè)，VGSCs通過使膜去極化激活鈣通道，啟動(dòng)NCX，促使鈣離子濃度增肌而調(diào)控成肌細(xì)胞分化。

2.2 鉀離子通道對(duì)成肌細(xì)胞分化的調(diào)控

鉀離子通道是選擇性允許K+跨膜通過的外向離子通道，其最大特點(diǎn)是特異性允許鉀離子通過質(zhì)膜而阻礙其他離子特別是鈉離子通過[10]。在成肌細(xì)胞分化中，鉀離子通道的激活和隨后的超極化對(duì)于肌源性分化是必不可少的，成肌細(xì)胞在誘導(dǎo)分化前必須超極化[11]。超極化是細(xì)胞膜電位的一種生理狀態(tài)，即靜息膜電位的數(shù)值向膜內(nèi)負(fù)值加大的方向變化。在成肌細(xì)胞中，Kir2.1通道受到P38MAPK信號(hào)通路去磷酸化調(diào)控被激活，導(dǎo)致K+外流、Ca2+內(nèi)流，靜息電位從約-10 mV超極化到約-70 mV[12-13]。Kir2.1通道的激活是生肌程序的早期必需步驟，由此導(dǎo)致的成肌細(xì)胞靜息膜電位的超極化觸發(fā)了MyoG和肌細(xì)胞增強(qiáng)因子-2（MEF2）的表達(dá)和活性，增加了Ca2+的驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)Kir2.1介導(dǎo)的超極化激活了鈣依賴的鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶途徑，使T型電壓門控鈣離子通道被激活，導(dǎo)致Ca2+經(jīng)由瞬時(shí)受體電位（TRPC）和T型Ca2+通道流入，促進(jìn)了肌源性分化，這是分化過程的重要早期步驟[14]。

2.3 鈣離子通道對(duì)成肌細(xì)胞分化的調(diào)控

鈣離子作為第二信使之一，在細(xì)胞增殖、分化和細(xì)胞凋亡中發(fā)揮著重要作用。機(jī)體細(xì)胞中存在多種鈣離子通道，它們是調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的主要途徑，維持細(xì)胞外的鈣離子濃度遠(yuǎn)大于細(xì)胞內(nèi)的鈣離子濃度。在骨骼肌的發(fā)育中，成肌細(xì)胞的融合與分化是一個(gè)嚴(yán)格依賴于鈣離子的過程，并且鈣離子內(nèi)流是成肌細(xì)胞肌管形成的先決條件[15]。

電壓依賴性鈣通道（Voltage Dependent Calcium Channels，VDCCs）存在于骨骼肌中，它可隨著膜電位的改變而進(jìn)行通道的開放、關(guān)閉和激活[16]。VDCCs根據(jù)鈣通道傳導(dǎo)性和電壓敏感性的不同又分為L、T、N 3種亞型，在骨骼肌中表達(dá)的亞基類型為L型和T型：（1）L型VDCCs由CaV1.1/A1S亞基產(chǎn)生，在興奮-收縮耦合中發(fā)揮關(guān)鍵作用；（2）T型VDCCs由CaV3.2/a1H亞基產(chǎn)生，存在于發(fā)育中的肌肉[17]。在肌肉發(fā)生的早期階段，成肌細(xì)胞主要表達(dá)T型鈣通道，為具有融合能力的成肌細(xì)胞提供超極化。T型VDCCs在分化成肌細(xì)胞的靜息膜電位范圍內(nèi)存在穩(wěn)定的內(nèi)向鈣電流，被證明有助于成肌分化的過程[18]。電壓門控T通道由3種類型的鈣通道組成，分別命名為CaV3.1、CaV3.2和CaV3.3[19]。AVILA T等[19]研究發(fā)現(xiàn)，CaV3.1在未分化或融合能力強(qiáng)的C2C12成肌細(xì)胞中存在，但不存在CaV3.2和CaV3.3mRNA的轉(zhuǎn)錄，而在隨后的細(xì)胞分化后發(fā)現(xiàn)了CaV3.2的mRNA。此研究表明，CaV3.1通道在成肌細(xì)胞增殖階段表達(dá)，進(jìn)入分化階段啟動(dòng)CaV3.2通道，CaV3.2通道是成肌細(xì)胞分化中的主要鈣通道。因此，T型鈣通道并不是分化的先決條件，而是在分化過程中表達(dá)。

在骨骼肌細(xì)胞分化過程中，隨著肌漿網(wǎng)Ca2+釋放響應(yīng)肌膜去極化，細(xì)胞超極化時(shí)膜電位的下降反過來觸發(fā)T型VDCC的激活，導(dǎo)致成肌細(xì)胞分化為肌管所需的細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度增加[20]，Ca2+參與成肌細(xì)胞的融合和分化，此結(jié)論已經(jīng)在多個(gè)實(shí)驗(yàn)室得到證實(shí)。

3 結(jié)語

成肌細(xì)胞分化是胚胎、胎兒和出生后骨骼肌生長所必需的，它為骨骼肌的發(fā)育和修復(fù)提供了基礎(chǔ)，深入解析離子通道對(duì)成肌細(xì)胞分化的調(diào)控，有助于為骨骼肌疾病提供新的思路。相信隨著電生理技術(shù)及細(xì)胞生物學(xué)等多種技術(shù)與學(xué)科的發(fā)展，在未來對(duì)離子通道調(diào)控成肌分化的機(jī)制研究得到更充分的認(rèn)識(shí)，以便更好地在臨床與運(yùn)動(dòng)生理上對(duì)骨骼肌疾病和骨骼肌質(zhì)量改變上有不同的治療方案。