鄭守超，肖 駿(綜述)，李先濤(審校)

(1三峽大學(xué)醫(yī)學(xué)院，江西宜昌443002;2華中科技大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院骨科，武漢430030)

細(xì)胞膜離子通道作為一種嵌合在膜上的功能蛋白廣泛分布于興奮細(xì)胞和非興奮細(xì)胞。在骨形成過程中，成骨細(xì)胞要經(jīng)歷增殖、胞外基質(zhì)成熟及礦化和凋亡等一系列階段而完成使命。許多因素(如雌二醇、機(jī)械壓力等)都能通過調(diào)節(jié)間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化以及成骨各階段來調(diào)控成骨細(xì)胞的功能［1］。在成骨細(xì)胞與離子通道的關(guān)系方面，研究人員早期多關(guān)注鈣離子通道與成骨細(xì)胞外基質(zhì)礦化的關(guān)系，但隨著鉀離子通道在細(xì)胞活動(dòng)中諸多重要功能的不斷發(fā)現(xiàn)，尤其是許多研究表明其參與細(xì)胞的增殖和凋亡，表明該通道在腫瘤的發(fā)病機(jī)制中扮演著重要角色，這使其成為潛在的腫瘤診斷標(biāo)志和治療靶點(diǎn)［2］。成骨細(xì)胞膜上鉀離子通道的研究也由此成為大家感興趣的焦點(diǎn)之一?，F(xiàn)就成骨細(xì)胞膜上鉀離子通道的表達(dá)與功能的研究進(jìn)展作一綜述。

1 鉀通道的概述

依據(jù)拓樸結(jié)構(gòu)，可將鉀離子通道劃分為三類。

1.1 電壓依賴性鉀通道具有6個(gè)跨膜段和1個(gè)孔區(qū)的鉀通道亞型。電壓門控鉀通道(voltage-gated K+channels，Kv)家族和鈣激活的鉀通道(large-conductance Ca2+-activated potassium channels，BK)屬于這一類。成骨細(xì)胞膜上表達(dá)Kv和BK。Kv通道由亞基α與調(diào)節(jié)亞基β組成，是成員最多的鉀通道家族。BK通道也由亞基α與調(diào)節(jié)亞基β組成，α亞基首先是從果蠅中克隆并表達(dá)出來的，其相應(yīng)位點(diǎn)的突變能改變膜上鈣激活的鉀電流，這種通道又被稱作dSlo。BK通道由α亞基與β亞基組成四聚體結(jié)構(gòu)，每個(gè)單體包括一個(gè)α亞基或α亞基與β亞基對(duì)的結(jié)合體。

1.2 內(nèi)向整流鉀通道 具有2個(gè)跨膜段和1個(gè)孔區(qū)的鉀通道亞型，因其內(nèi)向電流顯著大于外向電流而得名。ATP敏感的鉀通道就是由內(nèi)向整流鉀通道和磺脲類受體共同組裝而成的。

1.3 雙孔鉀通道 20世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)的具有4個(gè)跨膜段和2個(gè)孔區(qū)的鉀通道亞型，被稱為雙孔鉀通道。由于該通道無電壓依賴性，可以在靜息電位處開放，故也被稱為背景鉀通道或漏流通道。兩孔區(qū)鉀通道依據(jù)結(jié)構(gòu)和功能的性質(zhì)可被劃分為6個(gè)亞類:TWIK-1、TWIK-2 和 KCNK7;TASK-1、TASK-3 和TASK-5;TREK-1、TREK-2 和 TRAAK;TASK-2、TALK-1和TALK-2;THIK-1和THIK-2;TRESK。兩孔區(qū)鉀通道的表達(dá)分布非常廣泛，幾乎在各種組織細(xì)胞都能發(fā)現(xiàn)。

2 成骨細(xì)胞鉀離子通道的表達(dá)

在成骨細(xì)胞中已發(fā)現(xiàn)了多種類型的鉀通道，包括 Kv［3-5］、BK［6-8］、雙孔鉀通道［9，10］、內(nèi)向整流鉀通道［11］以及 ATP 敏感的鉀通道［12］。2009 年，Wu 等［4］通過反轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng)技術(shù)探測(cè)到了三株人骨肉瘤細(xì)胞系:MG-63、Saos-2及SOSP-9607，其中有多種Kv通道基因的表達(dá)，包括 Kv1.3、Kv1.5、Kv2.1、Kv3.3/3.4、Kv4.1、Kv5.1、Kv9.3、Kcnq1、HERG 和HEAG通道等。Weskamp等［7］應(yīng)用膜片鉗技術(shù)記錄到了成骨前體細(xì)胞系C1膜上BK和IK通道電流。Hirukawa等［8］進(jìn)一步用分子生物學(xué)和電生理手段相結(jié)合的方法證實(shí)了人成骨細(xì)胞膜上存在BK和IK通道。2005年，Hughes等［11］在新分離的人成骨細(xì)胞和培養(yǎng)的成骨肉瘤細(xì)胞系MG-63中發(fā)現(xiàn)兩孔鉀通道TREK-1的表達(dá)，并記錄到電流，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)TREK2c和TRAAK通道的基因表達(dá)。Chen等［12］也發(fā)現(xiàn)了另一成骨細(xì)胞系UMR-201-10B中存在TREK-2的表達(dá)。在人成骨肉瘤細(xì)胞系MG-63膜上，較早就已報(bào)道存在內(nèi)向整流鉀電流和ATP敏感的鉀通道電流。由上可見，如同興奮細(xì)胞一樣，非興奮的成骨細(xì)胞膜上也表達(dá)多種鉀離子通道，這可能與其功能密切相關(guān)。

3 成骨細(xì)胞鉀離子通道的功能

3.1 鉀通道在骨重塑中的作用 骨是高活性組織，通過不斷地重塑修復(fù)自身微損傷，保持結(jié)構(gòu)、荷載和鈣的自穩(wěn)態(tài)平衡。這種動(dòng)態(tài)平衡就是骨重塑，也稱為骨的再生循環(huán)［13］，可劃分為活化、吸收、逆轉(zhuǎn)、骨形成及再靜止五個(gè)階段。成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞是骨重塑過程中的兩種主要細(xì)胞，破骨細(xì)胞完成骨的吸收功能，成骨細(xì)胞主導(dǎo)骨的形成功能，它們相互協(xié)調(diào)平衡骨的吸收與形成是維持骨骼結(jié)構(gòu)完整的關(guān)鍵。成骨細(xì)胞膜上鉀通道對(duì)成骨細(xì)胞的數(shù)量、形態(tài)和礦化能力均有影響，從而可能進(jìn)一步影響到成骨細(xì)胞的成骨活動(dòng)。

骨重塑還受成骨細(xì)胞數(shù)目和礦化能力的影響。Henney等［6］在研究成骨細(xì)胞的鉀通道功能以及藥理性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，鉀離子通道阻斷劑四乙銨阻斷BK通道后，能夠顯著增加原代培養(yǎng)的成骨細(xì)胞礦化，使用藥物改變鉀通道活性能夠影響成骨細(xì)胞的數(shù)量，這表明鉀通道可通過影響成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)和礦化來調(diào)節(jié)骨重塑。

此外，在骨形成階段，成骨細(xì)胞形態(tài)學(xué)的改變可影響骨基質(zhì)分泌和礦物沉積。研究表明鉀通道參與調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的容積，Weskamp等［7］發(fā)現(xiàn)使用BK通道阻斷劑能縮小成骨細(xì)胞容積，并認(rèn)為鉀通道與氯通道共同參與人成骨細(xì)胞容積的調(diào)節(jié)，從而進(jìn)一步影響骨基質(zhì)分泌和礦物沉積。這些研究結(jié)果充分表明鉀通道在成骨細(xì)胞的骨重塑活動(dòng)中具有重要作用。

3.2 鉀通道參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo) 鉀通道作為細(xì)胞膜上的功能蛋白還具有接受胞外信號(hào)、參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的作用。成骨細(xì)胞膜上的鉀通道參與激素類物質(zhì)的非基因組快速調(diào)節(jié)。已知多種鉀通道的活性可受G蛋白的調(diào)節(jié)，如G蛋白耦聯(lián)的內(nèi)向整流鉀通道和G蛋白耦聯(lián)的雙孔鉀通道等，上游的G蛋白接受外界信號(hào)后，βγ亞基游離與下游的鉀通道結(jié)合調(diào)節(jié)鉀通道的開放［14］。研究表明，雌二醇能夠與 BK通道的 β亞基結(jié)合，快速激活該通道［15］。在人成骨肉瘤細(xì)胞系MG-63中，Rezzonico等［10］發(fā)現(xiàn)地諾前列酮也可以開放BK通道。隨后可募集Syk酪氨酸激酶與BK通道的α亞基結(jié)合而參與骨重塑。

成骨細(xì)胞鉀通道參與機(jī)械牽張引起的骨重塑中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。Rezzonico等［9］發(fā)現(xiàn)在機(jī)械牽張或低滲條件下，BK通道作為張力受體，通過其α亞基與酪氨酸激酶局部黏著斑激酶的C端相互作用而進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而對(duì)骨重塑進(jìn)行調(diào)節(jié)。雙孔鉀通道中的TREK通道亞類是一種機(jī)械敏感性通道，許多類型的細(xì)胞表達(dá)此種通道，細(xì)胞膜張力的變化常可激活該通道。Chen等［12］應(yīng)用低張溶液作用于成骨細(xì)胞系UMR201-10B，低張刺激通過激活TREK-2通道而增加甲狀旁腺素相關(guān)蛋白的表達(dá)調(diào)節(jié)骨的合成過程。Hughes等［11］發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞中功能性表達(dá)的另一機(jī)械敏感通道(TREK-1)在骨的增殖中也扮演重要角色。

3.3 鉀通道參與成骨細(xì)胞增殖和凋亡 鉀離子通道可以控制細(xì)胞膜電位，因而在調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖和凋亡中扮演了重要角色。通常抑制鉀通道可減少細(xì)胞增殖，鉀通道阻斷劑如4-氨基吡啶、奎尼丁和四乙胺都有抗細(xì)胞增殖的作用，鉀離子通道阻斷劑可以在體內(nèi)外抑制腫瘤細(xì)胞的增殖生長(zhǎng)就證明了這一點(diǎn)［16］。HERG通道基因在不同組織來源的腫瘤細(xì)胞中均有表達(dá)，但在相關(guān)正常組織細(xì)胞中缺乏表達(dá)，它編碼的鉀離子通道是腫瘤細(xì)胞凋亡和增殖的調(diào)節(jié)者，因此，HERG也被認(rèn)為是有價(jià)值的腫瘤診斷標(biāo)志物。電壓依賴的 Kv1.3與淋巴細(xì)胞、乳腺癌細(xì)胞等增殖密切相關(guān)［2］。在鉀通道調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡方面，鉀通道的激活可導(dǎo)致細(xì)胞膜超極化，Cl－可順著電位差而排出到胞外，KCl的丟失可改變滲透壓而致細(xì)胞凋亡性皺縮。在紅細(xì)胞中，鈣敏感的鉀通道也可介導(dǎo)類似的凋亡［2］。兩孔鉀通道TASK-3在乳腺癌和肺癌組織中高表達(dá)，并與人神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的凋亡密切相關(guān)［17］。

婦女絕經(jīng)期后和老年骨質(zhì)疏松是骨科常見疾病，成骨細(xì)胞在骨質(zhì)代謝平衡的維系中起著重要作用，它的異常增殖和凋亡與骨質(zhì)疏松的發(fā)生密切相關(guān)。另外，成骨細(xì)胞腫瘤(如骨肉瘤)的發(fā)生也是因?yàn)槌晒羌?xì)胞增殖與凋亡的平衡遭到破壞，因此對(duì)成骨細(xì)胞的增殖與凋亡進(jìn)行深入研究是解開上述疾病發(fā)病之迷的重要途徑。

Wu等［4］發(fā)現(xiàn)人成骨細(xì)胞瘤中表達(dá)多種 Kv，非特異性的鉀通道阻斷劑4-氨基吡啶和氯化銫可抑制細(xì)胞的增殖，4-氨基吡啶的作用要強(qiáng)于氯化銫。Hughes等［11］使用 10 μmol/L 和 100 μmol/L 局麻藥bupivicaine阻斷MG-63細(xì)胞中的TREK-1時(shí)，發(fā)現(xiàn)分別使細(xì)胞增殖上調(diào)了87.8%和68.7%。阻斷Kv通道和TREK-1通道對(duì)細(xì)胞增殖起到相反的作用，可見不同類型的鉀通道對(duì)成骨細(xì)胞增殖會(huì)產(chǎn)生不同的影響，但其機(jī)制還不清楚。Henney等［6］發(fā)現(xiàn)低濃度鉀通道阻斷劑四己胺和粉防己堿作用于成骨細(xì)胞的BK鉀通道后，能夠增加成骨細(xì)胞的數(shù)目，而高濃度卻減少成骨細(xì)胞數(shù)目，說明不同濃度的通道阻斷劑對(duì)成骨細(xì)胞增殖有不同的影響。Cambien等［18］運(yùn)用RNA干擾技術(shù)下調(diào)人成骨瘤細(xì)胞系Cal72的hSlo(人BK通道的成孔α亞基)表達(dá)，結(jié)果顯示干預(yù)組(hSlo基因下調(diào)組)與對(duì)照組的細(xì)胞增殖率沒有顯著差異，1 μmol/L的BK通道阻斷劑paxilline對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組中Cal72細(xì)胞的增殖均沒有顯著影響。上述研究結(jié)果表明，在成骨細(xì)胞中，鉀通道與細(xì)胞增殖的關(guān)系十分復(fù)雜，需要有更多的研究來澄清兩者的關(guān)系。

4 結(jié)語

成骨細(xì)胞表達(dá)多種鉀離子通道，但一些鉀離子通道的電流及藥理學(xué)特性還不清楚，有待進(jìn)一步研究。鉀離子通道參與成骨細(xì)胞的重塑、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、增殖與凋亡，這表明鉀離子通道在成骨細(xì)胞中具有重要的生理功能。尤其是鉀離子通道在成骨細(xì)胞的增殖和凋亡中的作用，使其與成骨細(xì)胞腫瘤的發(fā)生緊密連接起來，人們可以把此通道作為靶點(diǎn)，篩選出該通道的特異性阻斷劑，從而找到治療腫瘤的特異性藥物。但鉀離子通道涉及的生理功能廣泛，其阻斷劑與細(xì)胞增殖的關(guān)系十分復(fù)雜，有待做更多的研究工作。因此，鉀離子通道作為腫瘤治療的新靶點(diǎn)值得進(jìn)一步探討。

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