胡堅(jiān) 劉詩英 邱元芝

·講座與綜述·

縫隙連接與高血壓

胡堅(jiān) 劉詩英 邱元芝

縫隙連接(gap junction,GJ),又稱間隙連接、通訊連接,是由連接相鄰兩個(gè)細(xì)胞之間的連接通道排列而成的一種特殊膜結(jié)構(gòu)。細(xì)胞間的通訊方式可分為間接與直接方式。相鄰細(xì)胞間通過GJ所介導(dǎo)的細(xì)胞間的通訊為直接通訊,又稱縫隙連接細(xì)胞間通訊(gap junction intercellular communication,GJIC)。相鄰細(xì)胞通過直接通訊進(jìn)行信息、能量和物質(zhì)交換,參與細(xì)胞間物質(zhì)交換的代謝耦聯(lián)和電信號(hào)傳遞的電耦聯(lián),對(duì)細(xì)胞的新陳代謝、內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定、增殖和血管平滑肌舒縮等生理過程起著重要的調(diào)控作用。本文擬就GJ與高血壓關(guān)系的研究進(jìn)展做一綜述。

1 GJ的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能

細(xì)胞間普遍存在GJ,其基本組成單位是連接蛋白(connexin,Cx)。GJ由相鄰細(xì)胞膜上的2個(gè)連接子(connexon)相互錨定組成。連接子也稱為半通道(hemichannel),是由6個(gè)相同或不同的Cx在細(xì)胞膜內(nèi)環(huán)繞排列成中空的半通道,相鄰細(xì)胞膜上的2個(gè)連接子連成直徑約1.5 nm的親水性通道,即GJ[1]。目前發(fā)現(xiàn)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的Cx大約有20多種[2],其中Cx37、Cx40、Cx43和Cx45主要表達(dá)于心血管系統(tǒng),其表達(dá)具有極大的異質(zhì)性[3]。在眾多的細(xì)胞膜通道中,GJ是目前發(fā)現(xiàn)的唯一一種允許鄰近細(xì)胞直接進(jìn)行細(xì)胞漿之間物質(zhì)交換的細(xì)胞膜通道[4]。GJ允許電信號(hào)和分子質(zhì)量<1000 D或直徑<1.0 nm的離子或小分子物質(zhì)通過,如:小分子代謝產(chǎn)物、水分子、第二信使(Ca2+、IP3、cAMP)[5]。不同類型GJ通道對(duì)不同的物質(zhì)具有選擇性和通透性,Cx的表達(dá)比例與GJ的功能也密切相關(guān)[6]。

目前血管中GJ的生理功能受到廣泛關(guān)注。大動(dòng)脈、血管平滑肌間GJ主要參與細(xì)胞間鈣轉(zhuǎn)移,實(shí)現(xiàn)平滑肌細(xì)胞(smooth muscle cell,SMC)收縮的同步化。此外,GJ沿血管縱軸的長(zhǎng)距離通訊可能參與調(diào)節(jié)血管SMC的有絲分裂[7]。在靶向性敲除血管SMC Cx43基因小鼠,Cx43缺失導(dǎo)致SMC增殖增加,該作用可能與GJ數(shù)量有關(guān),因?yàn)镃x43水平減半反而抑制SMC增殖[8]。阻力小血管的內(nèi)皮細(xì)胞和SMC間存在豐富GJ,稱為肌皮連接(myoendothelial junction,MEJ)?，F(xiàn)有研究提示,MEJ參與內(nèi)皮源性超極化因子(endothelium-derived hyperpolarization factor,EDHF)介導(dǎo)的血管舒張效應(yīng)[9]。EDHF是引起阻力小血管平滑肌松弛的主要因素,乙酰膽堿、緩激肽可促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞合成EDHF,后者通過MEJ進(jìn)入SMC,激活鈣依賴性鉀通道,使細(xì)胞膜超極化,引起血管松弛。此外,SMC也可通過MEJ來影響內(nèi)皮細(xì)胞的功能。SMC中IP3可通過MEJ進(jìn)入內(nèi)皮細(xì)胞,進(jìn)而使內(nèi)皮細(xì)胞中Ca2+升高,促進(jìn)一氧化氮(NO)釋放。最近研究發(fā)現(xiàn),在炎癥狀態(tài)下,肺血管內(nèi)皮細(xì)胞中Cx43表達(dá)增加，細(xì)胞間通訊增強(qiáng),從而導(dǎo)致肺血管的通透性增加,而后者在急性呼吸窘迫綜合征發(fā)病機(jī)制中起重要作用[10]。

GJ功能的調(diào)節(jié)對(duì)細(xì)胞通訊來說意義重大,胞質(zhì)pH、Ca2+、電壓、原癌基因、核苷酸、激素、神經(jīng)遞質(zhì)、脂質(zhì)、生長(zhǎng)因子和許多外源性化學(xué)物質(zhì)均可在轉(zhuǎn)錄、翻譯、翻譯后修飾水平調(diào)節(jié)GJ功能,這些調(diào)節(jié)是由多種機(jī)制實(shí)現(xiàn)的[11-12]。

2 高血壓與Cx的表達(dá)

Cx表達(dá)的變化和高血壓有著密切的聯(lián)系[13-14]。研究發(fā)現(xiàn):機(jī)械牽張不僅增加平滑肌細(xì)胞Cx43的表達(dá),還增強(qiáng)其GJIC。Cx在自發(fā)性高血壓大鼠(spontaneously hypertensive rats,SHRs)或高血壓動(dòng)物模型中的表達(dá)發(fā)生改變[15]。其中一些參數(shù)的改變,例如機(jī)械負(fù)荷、NO的生物利用度、切應(yīng)力、血管緊張素Ⅱ等可能參與了Cx的表達(dá)調(diào)節(jié)[16]。而且,GJ對(duì)血管的影響涉及不同方面，有時(shí)甚至是相反的功能,如血管舒張與收縮。由于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?dòng)物種屬或檢測(cè)方法的不同,各Cx在高血壓發(fā)生發(fā)展中的動(dòng)態(tài)變化及作用的研究尚存在一些爭(zhēng)議[3]。因此,簡(jiǎn)單地分析Cx表達(dá)并不能確定Cx是否在高血壓形成中有作用,或觀察到的Cx表達(dá)變化是否是高血壓發(fā)展的結(jié)果。

但小鼠的基因敲除技術(shù)證實(shí)了GJ與血壓調(diào)節(jié)存在聯(lián)系。Cx40基因與血管直徑的調(diào)節(jié)作用有關(guān):Cx40基因缺失的小鼠均出現(xiàn)高血壓,且其血管調(diào)節(jié)變得十分不規(guī)律[17]。Cx40基因敲除小鼠血壓持續(xù)顯著升高,與小動(dòng)脈階段性收縮和不規(guī)則運(yùn)動(dòng)有關(guān),提示Cx40與外周阻力和血壓有直接聯(lián)系。最近研究發(fā)現(xiàn),Cx40的表達(dá)水平可影響腎素分泌[18]。Cx40基因敲除小鼠的腎素合成與分泌均顯著升高,腎素分泌細(xì)胞數(shù)目增加,在入球小動(dòng)脈中的分布也發(fā)生了變化。

GJ蛋白通過控制腎素的釋放來參與高血壓的形成,Cx37、Cx40和Cx43表達(dá)于腎入球小動(dòng)脈的內(nèi)皮細(xì)胞,并且連接腎素生成細(xì)胞——腎小球旁器(juxtaglomerular apparatus,JGA)細(xì)胞[19]。JGA細(xì)胞則高表達(dá)Cx40和Cx37[20]。最近研究發(fā)現(xiàn),是JGA細(xì)胞而非內(nèi)皮細(xì)胞的Cx40表達(dá)能改善高血壓和降低腎素水平[21]。缺失Cx40使得腎素生成和血漿腎素水平增加[22]。進(jìn)一步特異性缺失JGA細(xì)胞Cx40,結(jié)果導(dǎo)致腎素分泌過多和高血壓,而恢復(fù)JGA細(xì)胞的Cx40表達(dá)能改善高血壓和降低腎素水平[21],原因可能是JGA細(xì)胞與入球小動(dòng)脈之間不能形成GJ,損害了腎的壓力感受器功能[23]?？梢酝茰y(cè),Cx40在腎素系統(tǒng)的緊張性抑制中起重要作用。

Schmidt等[24]研究發(fā)現(xiàn),血管SMC特異性缺失Cx45對(duì)小動(dòng)脈血管舒縮反應(yīng)的轉(zhuǎn)導(dǎo)不是必須的,可能是別的Cx在功能上替代了Cx45;且Cx45在腎素分泌方面的作用似乎不影響小鼠動(dòng)脈血壓。而Cx43介導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞通訊在控制腎素分泌中似乎起關(guān)鍵作用[25]。研究發(fā)現(xiàn),Cx43在SHRs中表達(dá)明顯下調(diào),替米沙坦能顯著降低血管緊張素Ⅱ水平和血壓,并增強(qiáng)Cx43的表達(dá)[26]。

3 Ca2+與GJ

GJ具有離子通道的特性,Ca2+易于通過GJ,且是細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的重要信使,因此,Ca2+是GJ介導(dǎo)的細(xì)胞間信號(hào)傳遞的重要載體之一。在缺氧缺糖(OGD)狀況下,Cx43、Cx40、Cx45 GJ通道的電導(dǎo)分別下降了53%、64%和85%,用磷酸鹽緩沖液來限制細(xì)胞內(nèi)Ca2+與pH值的變化可完全阻斷通道的電導(dǎo)下降,OGD主要是通過升高細(xì)胞內(nèi)Ca2+與降低pH值來調(diào)節(jié)GJ通道的解耦聯(lián),Cx43對(duì)OGD最耐受而Cx45對(duì)OGD最敏感[27]。研究發(fā)現(xiàn),機(jī)械刺激可誘導(dǎo)大鼠腸系膜原代平滑肌細(xì)胞(pSMCs)和6B5N細(xì)胞(Cx43/Cx40高表達(dá)的A7r5克隆細(xì)胞)內(nèi)鈣波向臨近細(xì)胞傳播,而A7r5細(xì)胞內(nèi)鈣波不能向臨近細(xì)胞傳播,研究證實(shí),由Cx43構(gòu)成的功能性GJ,參與了細(xì)胞間鈣波的調(diào)控,而且,Cx43和Cx40兩者表達(dá)的比例不同,可以干擾由Cx43構(gòu)成的功能性GJ,進(jìn)而改變GJ通訊[28]。GJ鈣信號(hào)傳播參與了血管的緊張度調(diào)節(jié)。NO能抑制單純表達(dá)Cx37的Hela細(xì)胞(Hela-Cx37)的GJ通訊,但不能抑制Hela-Cx40或Hela-Cx43的GJ通訊。在人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(HUVEC)或人平滑肌細(xì)胞(HUVSMC)中,NO并不能影響GJ的Ca2+信號(hào)傳播,在兩者共同培養(yǎng)時(shí),NO能減少內(nèi)皮GJ 60%的Ca2+信號(hào)傳播[29]。研究還發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的磷酸化與脫磷酸化過程受胞質(zhì)鈣振蕩的調(diào)節(jié),鈣超載可以刺激磷酸酶,它可以使細(xì)胞裂解[30]。

4 Cx40遺傳多態(tài)性與高血壓

廣泛缺乏Cx40鼠和腎臟腎素分泌細(xì)胞特異性缺乏Cx40鼠均表現(xiàn)為血漿腎素水平升高和顯著的高血壓[22]。ARB和ACEI能減輕Cx40-/-鼠血壓,這些動(dòng)物的血漿腎素水平較未治療的Cx40-/-鼠水平更高[22]。在C57BL6鼠,Cx40A96S突變導(dǎo)致腎素依賴性血壓升高,其血壓升高與Cx40-/-鼠相似[22]。這提示在腎素生成細(xì)胞GJIC需要Cx40的介導(dǎo)來控制腎素的釋放。然而,Kurtz等發(fā)現(xiàn),Cx40缺失鼠腎素水平升高的機(jī)制在于Cx40-/-鼠的JGA結(jié)構(gòu)改變而不是GJIC數(shù)量的減少。

與Cx40在控制腎素分泌和協(xié)調(diào)血管緊張度中的重要作用相符,位于人類Cx40基因啟動(dòng)子區(qū)2個(gè)緊密連鎖多態(tài)(-44A和+71G)與男性高血壓風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)[31]。此性別差異可能與前面提到雌性動(dòng)物血管舒張反應(yīng)更加依賴EDHF途徑有一定的聯(lián)系。這些多態(tài)似乎改變Cx40基因啟動(dòng)子的活動(dòng),因?yàn)轶w外報(bào)道基因分析揭示，Cx40單一型-44A/+71G使熒光素酶的表達(dá)減少50%,-44A多態(tài)通過轉(zhuǎn)錄因子Sp1和GATA4負(fù)向影響啟動(dòng)子調(diào)節(jié)作用[31]。

依那普利或坎地沙坦能減少但并不能恢復(fù)這些實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的血壓至正常值,因此,在Cx40基因敲除小鼠中觀察到的高血壓不能完全由腎素分泌的增加來解釋。缺失Cx40與不規(guī)則的微血管舒縮和血管舒張信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)受損有關(guān)[32-33]。因此,缺乏Cx40引發(fā)高血壓的原因,除腎素—血管緊張素Ⅱ因素外,可能與血管壁細(xì)胞控制和協(xié)調(diào)的紊亂有關(guān),提示Cx等可能通過血管內(nèi)皮和SMC對(duì)內(nèi)分泌和旁分泌等信號(hào)物質(zhì)的直接作用而導(dǎo)致高血壓的發(fā)生。

5 結(jié)語與展望

GJ的表達(dá)和功能異?？梢砸鸶哐獕?其機(jī)制可能為介導(dǎo)的細(xì)胞直接通訊參與了血管舒縮運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)、連接蛋白表達(dá)的變化、調(diào)控腎素分泌,導(dǎo)致血管緊張度增加,最終導(dǎo)致高血壓的發(fā)生。盡管GJ參與的血管功能似乎很復(fù)雜,但Cx基因敲除動(dòng)物的發(fā)展對(duì)我們理解這些蛋白在血管系統(tǒng)如何起作用提供很大幫助,Cx模擬肽是分析GJ在血管功能中作用的有效工具。隨著轉(zhuǎn)基因動(dòng)物、特異性更強(qiáng)的阻滯劑、蛋白組學(xué)技術(shù)在這些全新的領(lǐng)域應(yīng)用,必將對(duì)其了解越來越多,從而最終揭開高血壓發(fā)病機(jī)制。

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江西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2010GZY0100)

330006江西省南昌市，江西省人民醫(yī)院老年科

邱元芝，Email:huyidao998@163.com

R 544.1

A

10.3969/j.issn.1003-9198.2015.10.024

2014-11-12)