呼 嘯 劉 青 劉 琳 (吉林大學(xué)白求恩第一醫(yī)院內(nèi)分泌科，吉林 長春 130021)

間隙連接(gap junction，GJ)是由相鄰兩個細胞膜上的GJ蛋白(connexin，Cx)構(gòu)成的一種細胞間連接方式。GJ直接連接相鄰細胞的胞漿，建立細胞間隙連接通訊(gap junctional intercellular communication，GJIC)，介導(dǎo)細胞間信息、能量及物質(zhì)的交換，對細胞的新陳代謝、內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定、生長、增殖和分化等生理過程起著重要的調(diào)控作用〔1，2〕。研究發(fā)現(xiàn)Cx43表達及功能的改變與糖尿病腎病的發(fā)生、發(fā)展有著密切的關(guān)系〔3，4〕。本文就Cx43以及GJIC在糖尿病腎病病理生理過程中所發(fā)揮作用的研究進展做一綜述。

1 GJ的結(jié)構(gòu)與功能

Cx是由Cx基因家族編碼的跨膜整合蛋白。6個Cx聚合構(gòu)成細胞膜上的“半孔道”(hemichannel)，又稱連接子(connexon)，與相鄰細胞膜上的半孔道共同組成一個GJ，將相鄰細胞的胞漿直接相連，連接子中間形成閉合的小孔道，可以傳遞小于1.2 kDa的分子，包括大多數(shù)第二信使，如環(huán)磷腺苷(cAMP)、三磷酸腺苷(ATP)、三磷酸肌醇(IP3)以及 Ca2+等〔5〕。目前，在嚙齒類基因組中發(fā)現(xiàn)的Cx基因至少有20種，在人類基因組中已發(fā)現(xiàn)21種〔6，7〕。Cx的命名主要依據(jù)其編碼蛋白的分子量，如分子量為43KD的Cx稱為Cx43。

GJ廣泛表達于脊椎動物的各器官、組織(紅細胞、血小板、精子、成熟骨骼肌纖維除外)〔8〕，但各種細胞表達Cx種類有一定的特異性。不同Cx亞型組成的GJ孔徑在0.8～1.6 nm的范圍內(nèi)〔6〕。GJ對不同的分子具有不同的親和力，不同Cx構(gòu)成的GJ對同一種生物分子的通透性也有所不同〔9〕。因此，GJ功能不僅具有多樣性，而且在不同組織器官中發(fā)揮作用又具有一定的特異性。Cx43是分布最廣泛的Cx亞型，在細胞的不同活動中起至關(guān)重要的協(xié)調(diào)作用〔13〕，它是腎臟細胞間最主要的通訊蛋白，其表達量與細胞GJIC功能以及GJIC調(diào)控的生理過程密切相關(guān)〔11，12〕。

2 Cx43與糖尿病腎病

腎臟是糖尿病微血管病變累及的主要器官之一。隨著糖尿病發(fā)病率的不斷升高，在發(fā)達國家，糖尿病腎病已成為終末期腎病的首位原因。糖尿病腎病合并心血管事件發(fā)生率增加，導(dǎo)致病人預(yù)后不良和過早死亡〔13〕。近年來糖尿病腎病在我國逐漸成為慢性腎衰竭的一個主要病因，受到廣泛關(guān)注。多項研究發(fā)現(xiàn)腎臟多種細胞能夠表達Cx43，并且在糖尿病腎病的發(fā)病與進展過程中起到了重要的作用。

2.1 Cx43在糖尿病腎小球病變中的變化與作用 糖尿病腎病病程中出現(xiàn)的腎小球病理改變主要包括細胞肥大、系膜廣泛增生、基底膜增厚以及硬化性改變。這些病變與系膜細胞、足細胞、毛細血管內(nèi)皮細胞功能障礙密切相關(guān)。因此，研究Cx43如何參與維持上述細胞的功能有助于更深入地了解Cx43在糖尿病腎病中發(fā)揮作用的機制。

2.1.1 Cx43與系膜細胞 Cx43在腎小球系膜細胞大量表達〔14〕。系膜細胞之間通過GJ形成了一個交錯相連的網(wǎng)絡(luò)〔15〕，其中Cx43是構(gòu)成系膜細胞GJ的主要蛋白〔5〕。系膜細胞位于毛細血管袢內(nèi)，能夠接受液體的剪切力、靜水壓力以及相互牽拉等多種機械牽張刺激而發(fā)生收縮〔5〕。系膜細胞通過GJ在互相之間以及與其他細胞之間進行廣泛的聯(lián)絡(luò)，從而與毛細血管基底膜聯(lián)合作用，共同調(diào)節(jié)濾過膜面積和小球內(nèi)血流量。因此，系膜細胞的協(xié)調(diào)收縮是維持腎小球血流動力學(xué)穩(wěn)態(tài)的重要因素〔16〕，其功能的障礙參與了糖尿病腎病早期腎小球高灌注狀態(tài)的病理生理過程〔17〕。系膜細胞的收縮需要Ca2+參與〔17〕，體外使用機械牽張刺激單個系膜細胞引起該細胞內(nèi)Ca2+水平顯著增高，周圍的系膜細胞Ca2+水平也很快發(fā)生改變，導(dǎo)致系膜細胞收縮增強，并且Ca2+的擴播主要通過Cx43形成的GJ完成〔16〕。而血糖增高可導(dǎo)致系膜細胞Cx43下調(diào)，系膜細胞收縮能力普遍下降，不能夠有效調(diào)節(jié)腎小球毛細血管床面積，很可能是造成腎小球高灌注的重要原因。

此外，筆者的研究發(fā)現(xiàn)Cx43下調(diào)參與介導(dǎo)了高糖引起的系膜細胞肥大，通過基因轉(zhuǎn)染技術(shù)上調(diào)Cx43能夠阻止高糖引起細胞肥大，從而揭示了Cx43在糖尿病腎病發(fā)病過程中的另一作用。另外還有研究指出Cx43下調(diào)與系膜細胞增生有關(guān)〔18〕，可能參與了糖尿病腎病發(fā)展過程中的系膜增生性病變，但其作用機制還有待更深入的研究。

高糖刺激下系膜細胞Cx43下調(diào)的原因可能與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激有關(guān)。高糖刺激可造成系膜細胞近400種基因表達發(fā)生改變，這些基因所調(diào)控的主要生物活動之一是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激〔19〕，刺激內(nèi)質(zhì)網(wǎng)產(chǎn)生未折疊或錯誤折疊的蛋白，最終造成細胞產(chǎn)生一系列變化，包括減少某些蛋白的合成以降低內(nèi)質(zhì)網(wǎng)負荷等〔20〕。研究表明，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激能夠抑制Cx合成，造成Cx表達量下降，GJIC功能減退〔11〕。因此內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激很可能是造成糖尿病腎病系膜細胞Cx43表達下降的一個重要原因。

2.1.2 Cx43與足細胞 足細胞是高度分化的腎小球細胞，是腎小球選擇性濾過屏障的重要組成部分。足細胞損傷可造成蛋白尿，且大多數(shù)病例中，腎單位缺失始于足細胞損傷〔21〕。足細胞覆蓋在腎小球基底膜的包曼囊腔側(cè)，缺少足細胞的裸露基底膜會造成壁層上皮細胞直接與基底膜貼附而引起腎小球硬化，從而形成不可逆的腎小球損傷〔21〕。在糖尿病腎病患者以及動物模型腎組織中也能夠觀察到足細胞缺失〔22〕。

在對人類腎組織活檢病理切片的觀察中發(fā)現(xiàn)在正常腎小球中Cx43沿基底膜呈均勻的線狀、顆粒狀分布。而糖尿病腎病患者Cx43在基底膜的分布失去均一性，表達量也減少。研究發(fā)現(xiàn)，Cx43表達量能夠體現(xiàn)足細胞損傷的程度，并與取活檢時的腎功能呈正相關(guān)。此外，根據(jù)Cx43表達狀態(tài)評價的足細胞損傷程度與腎小球功能的預(yù)后具有顯著的相關(guān)性〔22〕。值得指出的是，糖尿病腎病足細胞Cx43表達的改變不僅包括Cx43表達量降低，還包括Cx43的分布改變，二者均可導(dǎo)致細胞間通訊功能的降低，加速高糖引起的足細胞損傷〔22〕。

2.1.3 Cx43與毛細血管內(nèi)皮細胞 研究發(fā)現(xiàn)高糖環(huán)境下培養(yǎng)毛細血管內(nèi)皮細胞9 d，Cx43 mRNA與蛋白同時下調(diào)，并伴隨GJIC功能下降，而Cx37和Cx40并無改變〔3〕。對高糖培養(yǎng)的胚胎內(nèi)皮細胞進行免疫熒光染色僅見少量Cx43分布于細胞質(zhì)，而細胞膜上很少，提示高糖下調(diào)Cx43表達量的同時改變了Cx43的分布〔23〕。高糖造成血管內(nèi)皮細胞Cx43下調(diào)伴隨GJIC功能下降造成了細胞凋亡明顯加劇〔24〕，這可能是腎小球濾過膜破壞的原因之一。但也有報道腎小球內(nèi)皮細胞表達Cx43較少，而Cx40較多〔25〕。故Cx43對腎小球內(nèi)皮細胞功能是否有影響及影響程度尚未定論。

2.2 Cx43在糖尿病腎小管病變中的變化與作用 集合管上皮細胞能夠感受小管液成分及壓力變化，參與調(diào)節(jié)鈉的重吸收。這個過程中細胞內(nèi)Ca2+水平變化起到重要作用〔26〕。Cx43在集合管上皮細胞大量表達〔12〕。體外培養(yǎng)的人類集合管細胞受高糖刺激48 h后能夠高表達Cx43，使細胞間通訊加強，Ca2+擴播明顯，可能發(fā)揮維持腎小管完整性、調(diào)節(jié)重吸收等保護作用。Cx43的上調(diào)與高糖造成細胞轉(zhuǎn)化生長因子(TGF－β)分泌增多有關(guān)〔27〕。但長期高糖刺激可能造成這種保護作用的下降，引起腎臟損害，甚至促成繼發(fā)性高血壓的發(fā)生〔28〕。

2.3 Cx43在調(diào)節(jié)腎臟血流中的作用 高灌注、高濾過是糖尿病腎病早期，甚至在臨床癥狀出現(xiàn)之前就發(fā)生的血流動力學(xué)改變。腎臟的血流主要依靠細胞因子刺激、管球反饋機制、腎素－血管緊張素分泌等因素調(diào)節(jié)，Cx43在其中是否也發(fā)揮作用吸引了眾多學(xué)者的關(guān)注。

2.3.1 Cx43參與腎臟血管對血管舒張因子的反應(yīng) 誘導(dǎo)小鼠發(fā)生糖尿病時，觀察到入球小動脈平滑肌細胞Cx40表達明顯增高，而且腎素分泌細胞也開始表達Cx43。通訊功能的增加造成血管對一氧化氮(NO)等舒張因子反應(yīng)增強，這可能是糖尿病腎小球高灌注狀態(tài)的機制之一。相反，出球小動脈Cx43表達下降，血管的舒張反映下降，這可能是糖尿病腎病腎小球內(nèi)壓升高、腎小球高濾過等血流動力學(xué)改變的原因之一〔29〕。

關(guān)于糖尿病腎病Cx43在腎臟血管表達發(fā)生改變的機制研究也在不斷進行，有研究結(jié)果表明，過表達內(nèi)皮型NO合酶(eNOS)可造成與糖尿病小鼠類似的Cx43表達改變，而eNOS敲除小鼠在發(fā)生糖尿病后Cx43變化也不明顯，提示eNOS以及其產(chǎn)生的NO參與了對糖尿病情況下腎組織Cx43表達的調(diào)控〔30〕。

2.3.2 Cx43參與管球反饋的調(diào)節(jié) 管球反饋由球旁器完成，包括遠曲小管近血管極處的致密斑、入球小動脈遠端的顆粒細胞以及兩者之間的球外系膜細胞。球外系膜細胞互相之間以及與小球內(nèi)系膜細胞之間通過GJ廣泛相連形成一個合胞體〔31〕，同時與入球小動脈血管平滑肌細胞、內(nèi)皮細胞也有GJIC信號通訊〔32〕，在致密斑向入球小動脈傳遞信號的過程中起重要作用。系膜細胞損傷或GJ抑制均可發(fā)生管球反饋失衡，提示這些細胞之間通過GJ直接進行信號聯(lián)絡(luò)可能是管球反饋的一個重要途徑〔5，33〕。介于致密斑與入球小動脈之間的系膜細胞通過間隙連接傳遞舒縮信號，如NO等，協(xié)助完成管球反饋〔34〕。管球反饋過程中，在致密斑內(nèi)形成Ca2+高峰，并通過球外系膜細胞向入球小動脈擴播，而抑制GJ功能后Ca2+的擴播也受到明顯的抑制〔33〕。這些結(jié)果提示了Cx43在管球反饋中扮演著重要角色。

2.3.3 Cx43參與腎組織對血流量的協(xié)同調(diào)節(jié) 研究發(fā)現(xiàn)，在血流調(diào)節(jié)過程中，血管的舒縮活動在腎單位之間是協(xié)同進行的，單個腎小球毛細血管受刺激引起的舒縮改變會引起周圍其他腎小球也發(fā)生類似變化〔34〕。腎內(nèi)的入球小動脈和小葉間動脈表達大量的Cx可能是鄰近腎單位之間協(xié)同調(diào)節(jié)腎小球濾過率和腎血流量的途徑之一。糖尿病小鼠入球小動脈平滑肌細胞Cx40表達明顯增高，而腎素分泌細胞也開始表達Cx43。通訊功能的增加造成血管對舒張因子反應(yīng)增強的同時，鄰近腎單位之間的協(xié)同作用也加強，共同造成腎小球內(nèi)高灌注的血流動力學(xué)改變〔29〕。

2.3.4 Cx43參與腎素分泌的調(diào)節(jié) 顆粗細胞，即腎素分泌細胞，相互之間以及與周圍內(nèi)皮細胞、系膜細胞之間也存在廣泛的GJ聯(lián)絡(luò)。構(gòu)成腎素分泌細胞GJ的主要是Cx40，但Cx43缺乏的小鼠會發(fā)生顯著的腎素分泌障礙，表現(xiàn)為腎素基礎(chǔ)水平降低，且腎素分泌對低灌注、低鹽飲食的反應(yīng)降低〔35〕。因此，腎素的分泌也受到周圍內(nèi)皮細胞、系膜細胞表達的Cx43所介導(dǎo)的細胞通訊調(diào)控。但也有人提出對小鼠注入Cx43阻斷劑并不能改變腎素血管緊張素活性，也不影響血壓水平，但腎小球濾過率顯著升高，其原因可能是同時阻斷了足細胞的Cx43〔25〕。

目前關(guān)于Cx43在腎血管系統(tǒng)中所發(fā)揮作用的研究仍較少，現(xiàn)有的資料支持Cx43在腎血管血流動力學(xué)調(diào)節(jié)、管球平衡調(diào)節(jié)、腎單位的協(xié)調(diào)作用以及腎素分泌等過程中均發(fā)揮了一定的作用，參與了糖尿病腎病的血流動力學(xué)改變。

3 小結(jié)與展望

Cx43在腎臟表達豐富，參與維持正常的腎小球功能、腎小管功能及腎血流量的調(diào)節(jié)，其表達改變和功能障礙從多個方面參與了糖尿病腎病的發(fā)病過程。雖然目前其確切的調(diào)控機制尚未明了，有些觀點在不同的研究中也尚未達成一致，但Cx43的發(fā)現(xiàn)還是為糖尿病腎病的發(fā)病機制研究提出了一個新的非常有前景的方向。隨著新技術(shù)和方法的不斷進步，對于Cx43以及細胞GJ通訊的了解會日漸深入，對糖尿病腎病發(fā)病機制的認識也會日漸清晰。

1 Wei CJ，Xu X，Lo CW.Connexins and cell signaling in development and disease〔J〕.Annu Rev Cell Dev Biol，2004;20:811－38.

2 Solan JL，Lampe PD.Connexin43 phosphorylation:structural changes and biological effects〔J〕.Biochem J，2009;419(2):261－72.

3 Sato T，Haimovici R，Kao R，et al.Downregulation of connexin 43 expression by high glucose reduces gap junction activity in microvascular endothelial cells〔J〕.Diabetes，2002;51(5):1565－71.

4 Liu L，Hu X，Cai G，et al.High glucose－induced hypertrophy of mesangial cells is reversed by connexin43 overexpression via PTEN/Akt/m TOR signaling〔J〕.Nephrol Dial Transplant，2011〔Epub ahead of print〕

5 Yao J，Zhu Y，Morioka T，et al.Pathophysiological roles of gap junction in glomerular mesangial cells〔J〕.J Membr Biol，2007;217(1－3):123－30.

6 Wagner C.Function of connexins in the renal circulation〔J〕.Kidney Int，2008;73(5):547－55.

7 Sohl G，Willecke K.An update on connexin genes and their nomenclature in mouse and man〔J〕.Cell Commun Adhes，2003;10(4－6):173－80.

8 Willecke K，Eiberger J，Degen J，et al.Structural and functional diversity of connexin genes in the mouse and human genome〔J〕.Biol Chem，2002;383(5):725－37.

9 Harris AL.Connexin channel permeability to cytoplasmic molecules〔J〕.Prog Biophys Mol Biol，2007;94(1－2):120－43.

10 Bloor DJ，Wilson Y，Kibschull M，et al.Expression of connexins in human preimplantation embryos in vitro〔J〕.Reprod Biol Endocrinol，2004;2(1):25.

11 Huang T，Wan Y，Zhu Y，et al.Downregulation of gap junction expression and function by endoplasmic reticulum stress〔J〕.J Cell Biochem，2009;107(5):973－83.

12 Guo R，Liu L，Barajas L.RT－PCR study of the distribution of connexin 43 MRNA in the glomerulus and renal tubular segments〔J〕.Am J Physiol，1998;275(2－2):439－47.

13 Gross JL，de Azevedo MJ，Silveiro SP，et al.Diabetic nephropathy:diagnosis，prevention，and treatment〔J〕.Diabetes Care，2005;28(1):164－76.

14 Pricam C，Humbert F，Perrelet A，et al.Gap junctions in mesangial and lacis cells〔J〕.J Cell Biol，1974;63(1):349－54.

15 Inkyo－Hayasaka K，Sakai T，Kobayashi N，et al.Three－dimensional analysis of the whole mesangium in the rat〔J〕.Kidney Int，1996;50(2):672－83.

16 Yao J，Morioka T，Li B，et al.Coordination of mesangial cell contraction by gap junction－mediated intercellular Ca(2+)wave〔J〕.J Am Soc Nephrol，2002;13(8):2018－26.

17 Stockand JD，Sansom SC.Glomerular mesangial cells:electrophysiology and regulation of contraction〔J〕.Physiol Rev，1998;78(3):723－44.

18 Yao J，Morioka T，Oite T.PDGF regulates gap junction communication and connexin43 phosphorylation by PI 3－kinase in mesangial cells〔J〕.Kidney Int，2000;57(5):1915－26.

19 Cheng DW，Jiang Y，Shalev A，et al.An analysis of high glucose and glucosamine－induced gene expression and oxidative stress in renal mesangial cells〔J〕.Arch Physiol Biochem，2006;112(4－5):189－218.

20 Kitamura M.Endoplasmic reticulum stress and unfolded protein response in renal pathophysiology:Janus faces〔J〕.Am J Physiol Renal Physiol，2008;295(2):323－34.

21 Pavenstadt H，Kriz W，Kretzler M.Cell biology of the glomerular podocyte〔J〕.Physiol Rev，2003;83(1):253－307.

22 Sawai K，Mukoyama M，Mori K，et al.Redistribution of connexin43 expression in glomerular podocyres predicts poor renal prognosis in patients with type 2 diabetes and overt nephropathy〔J〕.Nepnrol Dial Transplant，2006;21(9):2472－7.

23 Willmott T，Leach L.The effects of high glucose on connexin 43 in human endothelial cells〔J〕.J ANAT，2002;200(5):532.

24 Li AF，Roy S.High glucose－induced downregulation of connexin 43 expression promotes apoptosis inmicrovascular endothelial cells〔J〕.Invest Ophthalmol Vis Sci，2009;50(3):1400－7.

25 Takenaka T，Inoue T，Kanno Y，et al.Expression and role of connexins in the rat renal vasculature〔J〕.Kidney Int，2008;73(4):415－22.

26 Oku H，Kodama T，Sakagami K，et al.Diabetes－induced disruption of gap junction pathways within the retinal microvasculature〔J〕.Invest Ophthalmol Vis Sci，2001;42(8):1915－20.

27 Hills CE，Bland R，Bennett J，et al.TGF－beta1 mediates glucose－evoked up－regulation of connexin－43 cell－to－cell communication in HCD－cells〔J〕.Cell Physiol Biochem，2009;24(3－4):177－86.

28 Hills CE，Bland R，Wheelans DC，et al.Glucose－evoked alterations in connexin43－mediated cell－to－cell communication in human collecting duct:a possible role in diabetic nephropathy〔J〕.Am J Physiol Renal Physiol，2006;291(5):1045－51.

29 Zhang J，Hill CE.Differential connexin expression in preglomerular and postglomerular vasculature:accentuation during diabetes〔J〕.Kidney Int，2005;68(3):1171－85.

30 Zhang JH，Kawashima S，Yokoyama M，et al.Increased eNOS accounts for changes in connexin expression in renal arterioles during diabetes〔J〕.Anat Rec A Discov Mol Cell Evol Biol，2006;288(9):1000－8.

31 Goligorsky MS，Iijima K，Krivenko Y，et al.Role of mesangial cells in macula densa to afferent arteriole information transfer〔J〕.Clin Exp Pharmacol Physiol，1997;24(7):527－31.

32 Mene P，Simonson MS，Dunn MJ.Physiology of the mesangial cell〔J〕.Physiol Rev，1989;69(4):1347－424.

33 Peti－Peterdi J.Calcium wave of tubuloglomerular feedback〔J〕.Am J Physiol Renal Physiol，2006;291(2):473－80.

34 Steinhausen M，Endlich K，Nobiling R，et al.Electrically induced vasomotor responses and their propagation in rat renal vessels in vivo〔J〕.J Physiol，1997;505(2):493－501.

35 Haefliger JA，Krattinger N，Martin D，et al.Connexin43－dependent mechanism modulates renin secretion and hypertension〔 J〕.J Clin Invest，2006;116(2):405－13.