BKCaβ1亚单位调控机制研究及其与离子通道病的关系

【摘要】 BKCa通道广泛存在于多种组织，调控细胞的多种功能，对于细胞功能的实现起着重要的作用。研究发现，BKCa通道的调控机制主要是辅助性的β1亚单位的组织特异性调控。β1亚单位异常所造成的BKCa通道的功能异常会形成多种疾病。本文就β1亚单位的调控机制及其与疾病的关系做如下概述。

【关键词】 大电导钙激活钾通道；β1亚单位；调控；离子通道病

1 BKca通道

　　在人类组织细胞中，有三种对钙离子敏感的钾通道，包括大电导（large conductance Ca2+activated K+channel，BK）、中电导（intermediate conductance Ca2+activated K+channel，IK)及小电导（small conductance Ca2+activated K+channel，SK)的钙激活钾通道。其中，BKCa通道广泛分布于除心肌以外的所有组织［1］。

　　1.1 BKCa通道β1亚基的分子结构及特性

　　1.1.1 总论：BKCa即大电导钙激活钾通道(largeconductance Ca2+activated K+channel，BKca or MaxiK or Slo)。BKCa是由4个α亚单位以及附属的β调节亚单位（β1～β4）共同组成的。分子学研究显示：该通道蛋白的基础结构同常规电压门控钾通道的S1～S6穿膜区域有着高度的同源性。事实上，该通道可被看作添加了一个新奇的羧基末端（含四个疏水区域S7～S10，未知拓扑）的复合的电压门控通道，而电压依赖性、通道开放时间及电导被认为是S1～S6区域的一个功能。有些学者从另一个角度描述了该通道：α亚单位包括一个执行钾通道功能的依赖电压激活的核心区域（S0～S8）及一个高度保守的同钙调节相关的近羧基端的尾区域（S9～S10），α亚单位近氨基末端的跨膜片段S0是BKCa通道最特殊的部位，对β亚单位的钙调节起着重要作用；β亚单位由两个穿膜片段（T1、T2）组成，但在不同的组织中，β亚单位的组成不同（脑细胞β1～β4、肾足细胞β3～β4、子宫平滑肌细胞仅含β1)。从平滑肌中复制出的BKCa通道的α亚单位上有PKG和PKC的磷酸化位点，β亚单位上有PKG的磷酸化位点，在两种亚单位上可能同时存在PKA的磷酸化位点。

　　1.1.2 α亚单位：BKCa通道中由四个相同的α亚单位组成的通道已具备基本的功能：钙离子敏感性，电压敏感性以及单通道电导。这些孔样的α亚单位有一个单基因编码——KCNMA1，且其在哺乳动物中有着很高的同源性（如人类和牛约为100%的氨基酸同源）。

　　1.1.3 β1亚单位：大电导钙激活钾通道在不同的组织有不同的表型，我们认为这主要是由于组织特异性表达的BKCa的四个相似的β亚单位（β1β4）[2.3.4]。而不同的β亚单位则有不同的基因编码（KCNMB14）[4]，其在哺乳动物中同源性为82%～85%。有体外研究发现，合成的β1亚基存在于微粒体中而不存在于上清液中，提示了β1 亚基的内嵌胞膜[5]。现已证实BKCa通道的β亚基(包括β1 亚基)有1个特征性的膜结构：2个跨膜结构域连接一个膜外环型结构(该环型结构由120个氨基酸残基构成，并携有几个保守的N－连接糖基化位点，且－Nh3和－COOH末端指向胞质面)。对比人、牛、狗、大鼠和小鼠的β1亚基(由191个残基组成)的氨基酸序列，发现约有71％的一致性。β1亚基的高度保守区域如下：2个疏水的跨膜区域(TM1和TM2)；N－末端可能的蛋白激酶A识别位点(TI4)；2个N－连接糖基化位点(NS0和N142)；ChTX 的可能的交叉连接位点(K69或K70)；膜外环型结构中的半胱氨酸残基(C53、C76 、C103、C135)，这能形成二硫键桥联。

　　BKca通道β1亚基的生理特性 在不同种类的细胞中，BKCa通道的功能各不相同。在神经元及骨骼肌细胞上BKCa主要参与动作电位快后超极化的形成和神经递质的释放从而引起神经元冲动的发放；在平滑肌细胞包括血管平滑肌及子宫平滑肌等，则参与维持膜电位及调节肌紧张等生理过程。β1亚基发挥作用的关键在于其专一依赖细胞内钙离子浓度：当胞内钙离子浓度低于100nmol／L时，BKCa通道仅表现为单一的电压依赖性，并无钙离子依赖性，β1亚基和a亚基结合的作用不能表现出来；而微摩尔级的胞内钙离子浓度就能影响β1亚基对通道电压和钙离子的敏感性。故当通道处于钙调范围[(Ca )i大于lμmol／L)时，β1亚基和α亚基结合的作用就能表现出来：β1 亚基能使α亚基对钙离子或电压更加敏感，对之调节[6]。

　　2 BKca通道β1亚单位的调控机制

　　在过去的几年中，逐渐清楚的知道大电导钙激活钾通道调控的重要机制是辅助性的β1亚单位的组织特异性调控。在这些机制中首先被确定的是，β1主要在平滑肌细胞中表达并且产生作用。检测50例不同组织的BKCa通道β1亚基的mRNA水平的表达情况，发现这个通道蛋白分子在主动脉、结肠、膀胱、子宫、前列腺、胃、小肠、阑尾和气管表达，尤其是主动脉、膀胱和子宫平滑肌中的β1 亚基表达丰富，其mRNA表达水平约是脑组织的500倍[3][7]。那么β1亚单位究竟是如何改变BK通道而产生了如钙离子耦联，电压敏感性和通道开放内在能量学这一系列效应的，对于这些的研究目前主要有以下一些观点。

　　现在大多数学者认为β1亚单位是通过增加通道的钙离子敏感性而达到以上效应的。那么β1亚单位是如何明显增加通道的钙离子敏感性的？在单通道水平，Nimigean 和 Magleby已经证实了β1增加了小鼠大电导钙激活钾通道的一系列开放时间，那种简单的认为增加所有通道钙离子耦联速率的说法已经不能解释这种现象。因此，可能发生了某些增加钙离子亲和力的事件。另一方面，他们的实验也没有排除β1诱导的钙离子解耦联速率的改变。事实上，Meera 等人已经在人类的标本上发现必须有足够的钙离子（～300nM）为β1亚单位做准备，使大电导钙激活钾通道的GV关系曲线向负电位更大的方向迁移。这个似乎和β1在钙离子耦联和解耦联上的直接作用相吻合，因为当钙离子消失的时候，其耦联特性是无关的，β1稳定状态的作用也完全消失了。

　　还有学者为了区分这些可能性，在有β1以及没有β1存在的情况下分别研究了小鼠大电导钙激活钾通道的门控特性，并且分析了以我们现在对BK通道的理解所构建的空间模型的变化。分析的结果表明，β1增加了小鼠大电导钙激活钾通道的钙离子敏感性，既通过改变不包括钙离子耦联的门控特性，又通过在通道开放以及关闭的状态下，对通道钙离子亲和力做出虽然小但是重要的改变[3]。BKCa的β1效应似乎来源于对电压传感蛋白激活作用的稳定，而这种情况无论在通道开放还是关闭的情况下都是存在的。这些通道钙离子的敏感性增加是因为在所有电压的情况下，只需要较少的钙离子结合能就可以使通道开放[4]。

　　另外，β1亚单位增强了BKCa通道的氧化调节。β1存在时由ChT介导的氧化反应其半数激活电压与只有α时相比向超级化的方向移动（-30mv～-75mv）[8]。这种改变在高钙离子浓度时可以消失，但是在生理适宜电压下基本无钙离子的情况下增加BKCa通道的开放概率仍然非常重要。

3 BKca通道β1亚单位与疾病的关系

　　3.1 高血压与β1亚单位的关系高血压是严重危害人类健康的常见病。统计资料显示，我国现有高血压病患者已超过1.6亿人，每年新增300万人以上。高血压临床表现的综合征主要为动脉血管张力增加，动脉张力的持续增加及血管对各种刺激的反应性改变在高血压的发病中普遍存在。小鼠实验证明，BKCa通道β1亚单位的缺失将导致轻微的高血压，以及在用血管收缩剂时增加血管收缩反应[4] 。Brenner 等人最近的研究表明，鼠大脑动脉平滑肌细胞上β1亚单位的缺失将导致BKCa的钙离子敏感性下降及钙火花对BKCa激活作用功能耦联的下调，最终将导致动脉张力的增加及血压的升高[9]。编码β 1亚基的基因KCNMB1位于人类染色体5q34，与人类高血压无直接关联[10]。但Fernandez等报道，人类βl亚基功能的增强与防止舒张期高血压有关。据3 876例对象的流行病学研究表明，在KCNMB1基因第3个外显子出现单个新的核苷酸替代物G352A 时能表达突变蛋白βlE65K(该突变蛋白为第65位谷氨酸变成赖氨酸)。研究者发现在舒张期血压严重升高的人群中(舒张压&>110mHg)，βlE65K多型性的频率很低，为3.2％ ，而血压正常者为21.6%。βlE65K 等位基因频率与收缩期高血压无关。βlE65K 亚基的作用可能为来自β1 亚基某处的突变导致钾通道功能增加和血管扩张。局部钙离子释放(钙火花)通过位于肌浆网膜的成群的兰诺定受体激活附近BKCa通道，导致膜的超极化，通过电压依赖钙离子通道减少钙内流，减少收缩 [11]。 如上所述，突变的β1亚基(βlE65K 亚基)表现为单个氨基酸的取代，甚至有更加高的钙离子敏感性。因此，在限制血管收缩和抗舒张期高血压的保护机制时突变的βlE65K 亚基增强了钙火花－BKCa通道负反馈机制。βlE65K 等位基因频率与收缩期高血压无关。BKCa-βlE65K通道对血管平滑肌收缩，可提供更有效的负反馈影响，与钾的等位基因防止严重舒张期高血压有相同的保护作用。Fernandez等[12]研究提示，BKCa通道和β1亚基功能增加的变化有抗舒张期高血压的保护功能。在鼠类的研究中，提示β1 亚基的丢失会增加血管张力和高血压。人为损坏大鼠β1 亚基编码基因(KCNMB1)使BKCa通道活性与钙火花分离，会导致膜电位去极化、血管收缩、血压升高和左心室肥厚等。对普遍使用的高血压大鼠模型(包括自发性高血压模型及血管紧张素Ⅱ诱发的高血压模型)的研究发现血压的升高与β1亚基表达下调有关，而与α亚基无关[13.14]。

　　3.2 高胆固醇血症与β1亚单位的关系高胆固醇饮食已经被认为是健康的十大危险因素之一，它可能诱导循环系统疾病，胆道系统疾病，肾脏疾病，以及多种癌症。高胆固醇饮食和胆汁淤积之间的关系已经成为医学科学研究的重要课题。奥迪括约肌是胆汁流出的唯一通道，因此奥迪括约肌的机能障碍与胆囊胆汁淤积密切相关。奥迪括约肌机能障碍的主要症状就是奥迪括约肌的压力增高以及胆囊体积的增加。临床资料以及之前的发现都表明胆汁代谢紊乱可以导致奥迪括约肌的机能障碍，这是由奥迪括约肌持续性的收缩所导致的一系列的临床症状，包括腹痛及黄疸。已有研究表明高胆固醇血症可以减少兔奥迪括约肌细胞上β1亚单位的表达，也就是说BKCa通道β1亚单位的表达减少可以导致奥迪括约肌的机能障碍[15]。

　　3.3 雌激素与β1亚单位的关系：有实验证明每天服用17β雌二醇可以增加基础子宫血流量，并且加强了急性E2β介导的非孕母羊卵巢切除后子宫血流量的增加。急性E2β介导的子宫血流量的增加涉及了血管平滑肌上钙激活钾通道。BKCa包括核心的α亚单位及β1调节亚单位，β1调节通道的功能及E2β的反应性。经实验证明，急性服用E2β没有改变任何组织上的α或者β1亚单位的表达。每日服用E2β也没有影响任何组织上的α亚单位的mRNA或者蛋白。但是，每日服用E2β可以分别使子宫和乳房动脉血管平滑肌上β1亚单位的mRNA增加32%和83%，子宫血管平滑肌BKCa蛋白增加30%，子宫肌层上的β1亚单位的mRNA和蛋白增加74%。用免疫染色的方法处理子宫动脉，子宫肌层，以及子宫内膜动脉联合免疫印迹的方法分析两个亚单位。虽然BKca的蛋白密度没有受每日服用及急性服用E2β的影响，但是每日服用E2β可以增加子宫动脉平滑肌近侧及远侧的β1亚单位。因此，延长E2β的使用时间，可能会改变BKCa的功能，雌激素的反应性，和基础血管张力和生殖动脉的反应性，这些都是通过改变α和β1的化学计量而实现的[9]。

　　3.4β1亚单位与肾血流量及电解质的关系大电导钙激活钾通道的β1亚单位主要在平滑肌细胞中发现，调节钙离子的敏感性及BKCa通道的药理学特性。缺失β1亚单位的小鼠有适度的高血压，这个是与BKCa通道调节内在血管紧张度一致的。因为BKCa通道在各种肾脏细胞包括肾小球系膜及皮质集合管都表达，因此我们认为在肾脏体积增大，以及高盐饮食的情况下，缺失β1亚单位的小鼠，是否其肾血流量及电解质分泌受到了损伤，而肾脏功能在敲除了β1亚单位和没有敲除β1亚单位的小鼠中没有区别。然而，在敲除了β1亚单位的小鼠其肾小球滤过率以及K+的微小分泌明显减少以适应急性容量扩张。在慢性高盐饮食喂养的小鼠中，两种小鼠的肾小球功能没有发现差别。这些观察结果表明，BKCa通道的β1亚单位导致了肾小球率过滤的增加同时伴有盐及容量负荷并且增加了在这些情况下的调节K+分泌的可能性[16]。

　　小结：目前，对BKCa通道β1亚单位的研究已经深入到了分子和基因水平，其中对β1亚单位调控机制的研究仍然是研究的热点。迄今为止，对此通道的研究大多集中在动物研究上，直接研究人类标本的报道很少。如果我们能非常清楚的了解此通道的作用机制，并且能够找到针对β1亚单位的特异性药物，相信，人类很多疾病的治疗将会迈上一个新的台阶。

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