發布時間：2021-06-11所屬分類：免費文獻瀏覽：1次
摘 要： 基因組學與應用生物學
《鈉離子通道在神經性疾病發病機制的研究進展》論文發表期刊：《基因組學與應用生物學》；發表周期：2020年10期
《鈉離子通道在神經性疾病發病機制的研究進展》論文作者信息：張慧敏是本研究的構思者和負責人，執行本研究的實驗和初稿撰寫；張慧敏、田歡和張晶鈺參與數據分析。全體作者都閱讀并同意最終的文本。
摘要電壓門控型鈉離子通道(voltage-gated sodium channel，VGSC)是大腦所有區域神經元興奮性的關鍵膜蛋白通道，也是影響神經元電興奮性的關鍵因素。它們通過外周和中樞神經系統中的動作電位產生和傳播來傳輸電信號，在靜止、激活和失活狀態之間進行轉換。越來越多的證據表明VGSC不僅在神經元的正常電生理活動中起重要作用，而且與神經性疾病密切相關，目前，已經成為治療多種神經性疾病的靶點。本綜述總結了VGSC的結構和功能及在神經性疾病中所發揮的作用，為今后神經性疾病的治療提供理論基礎。
關鍵詞鈉離子通道，神經性疾病，突變
Abstract Voltage-gated sodium channel (VGSC) is a key membrane protein channel for neuronal excitability in all regions of the brain, and also a key factor affecting neuronal electrical excitability. They transmit electrical signals through the generation and transmission of action potentials in the peripheral and central nervous systems, and switch between resting, activating and inactivating states. More and more evidences show that VGSC not only plays an important role in the normal electrophysiological activities of neurons, but also is related to neurological diseases. At present, VGSC has become a target to a variety of neurological diseases. This article reviews the structure and function of VGSC and its role in neurological diseases, providing a theoretical basis for the treatment of neurological diseases in the future
Keywords Sodium channels, Neurological diseases, Mutation
電壓門控型鈉離子通道(voltage-gated sodium channel，VGSC)是一種微孔跨膜蛋白，主要負責鈉離子的跨膜轉運，是動作電位產生和傳遞最重要的膜通道，影響可興奮細胞對刺激發生反應的能力和生物體基本生理功能。目前已鑒定出超過1000個突變與神經性疾病有關(Huang et al.，2017)。如癲癇、心律失常、神經性疼痛、偏頭痛、神經功能癥和肌肉失能等疾病。編碼 VGSC 的基因信息解析在多種遺傳和獲得性疾病中發揮著重要作用，近年來 VGSC 作為治療疾病的藥物作用靶點得到了廣泛研究。本綜述總結了 VGSC 的結構和功能及與在神經系統性疾病發生相關的研究進展。
1基本生物學特征
1.1鈉離子通道結構
電壓門控型鈉離子通道(VGSC)主要分布在神經元、心肌和骨骼肌細胞以及一些內分泌細胞中，允許去極化脈沖在細胞和細胞網絡中快速傳輸的關鍵膜蛋白。VGSC最早在動作電位的發生過程中得到功能性鑒定，隨后被命名為蛤蚌毒素(saxitoxin，STX)和蝎毒素(Scorpion toxin)受體。VGSC由形成孔的a亞基和兩個p亞基構成異源三聚體復合物，p亞基由一個非共價連接的p1或B3和一個共價連接的B2或B4亞單位組成(圖一)。
a亞基是VGSC的核心，分子量為240-260 kD，由SCN(X)A家族基因編碼，由4個序列相近結構類似的跨膜結構域1-IV組成，每個結構域具有6個a螺旋跨膜區段(S1-S6)。其中S1-S4被稱為電壓傳感器(voltage-sensing domain，VSD)，其含有5-6個帶正電荷的精氨酸殘基，與附近跨膜區段中的帶負電荷的殘基配對，在膜去極化時，這些殘基導致S4螺旋旋轉或向外滑動產生激活通道孔的門控電流。4個跨膜結構域中的S5-S6共同形成a亞基孔結構域，連接跨膜螺旋S5-S6之間的半穿膜短螺旋序列構成細胞外域，選擇性過濾器(selectivity filter，SF)和SF支持螺旋P1和P2，Shen等(2017)首次報道了真核生物電壓門控鈉離子通道的3.8分辨率的冷凍電鏡結構，結果表明4個重復序列的電壓傳感器(VSD)具有不同的構象，不對稱的選擇性過濾器(SF)被具有高度糖基化和二硫鍵的細胞外環所保護，他們的結果還表明，保守氨基酸的N末端位于VSD-1下方，其C末端與胞質側的結構域IIIV連接體結合(圖1)。位于跨膜結構域11和IV的胞質區域中的疏水氨基酸簇(異亮氨酸，苯丙氨酸，甲硫氨酸和蘇氨酸)，即IFMT基序，是電壓門控鈉離子通道快速失活所必需的。傳統觀點認為單個a亞單位作為單體發揮功能，但實驗證明a亞單位不僅在物理上相互作用，實際上通過a亞單位的第一個細胞內環中氨基酸493和517之間的相互作用位點介導形成二聚體發揮作用(Clatot et al.，2017)
B亞基是VGSC的輔助亞基，有5種類型由4個基因家族編碼，B1及其剪接變異體BIB由SCNIB編碼，B2.B3和B4分別由SCN2B、SCN3B和SCN4A編碼(Kruger and Isom，2016)。除B1B外，B亞單位具有1型拓撲結構，由一個具有細胞外N末端的多肽鏈、單個跨膜區段和一個細胞內C端組成。因此，BIB是發育調節的分泌蛋白(Edokobi and Isom，
2018)，VGSC的a和p亞基通過兩種不同的機制相互作用。B1和p3亞基具有57%的序列同源性，通過其N端和C端與a亞基非共價結合。B2和p4亞基具有35%的序列同源性(Yu et al，2003)，通過細胞外免疫球蛋白環中的N端半胱氨酸與a亞基形成二硫鍵共價結合。
1.2鈉離子通道的分布與功能
人類中已經鑒定出9種VGSC的a亞型命名為Navl.1-Nav1.9和4種p(B1-B4)亞基，不同亞型在組織、細胞和亞細胞水平上具有不同的表達(Bao，
2015)，a亞基是VGSC的主要亞基，負責正常的電生理功能，也是決定VGSC正常生理活動的主要因素，如電壓門控活性，離子選擇性和河豚毒素抗性。雖然單獨的a亞基足以發揮離子滲透的電壓依賴性門控，但它受一個或多個B輔助亞基的調節(Gawali and Todt，2016)。
VGSC在中樞和外周神經元，心肌細胞，骨骼肌和一些不可興奮的特殊細胞中高表達，例如乳腺癌細胞，星形膠質細胞和少突膠質細胞(Brunklaus et al，20140。
VGSC在中樞神經系統中普遍表達，對于調節神經元興奮性以及整個神經系統網絡活動至關重要，其在郎飛氏節和軸突起始區段的節點處密度增加。
在有髓鞘的神經元中，VGSC在郎飛氏節的節點處的聚集，可以加速動作電位的傳播。軸丘是動作電位的發生位點，因為VGSC在該位點分布密集，該處的發生閾值低于鄰近區域(Kol et al，2008)。通常，Navl.1-1.3和Nav1.6是中樞神經系統的主要亞型，Nav1.1和Nav1.3主要定位于神經元胞體和近端樹突，其中神經元興奮性通過突觸沖動的整合來控制，使動作電位發生和傳播達到樹突和軸突區室的閾值。Navl.7~Nav1.9主要位于周圍神經系統。Nav1.5主要表達于心臟。Nav1.4是骨骼肌的主要亞型。VGSC有3個主要特征：(1)電壓依賴激活：(2)快速失活：(3)Na"選擇性。
B亞基不參與通道孔結構的形成，但可以改變a亞基電壓門控依賴性和離子通道動力學，從而調節細胞的興奮性。此外，最近的一項研究發現 亞基可以影響a亞基的功能，并調節其生物物理特性以及通道磷酸化(Soko et l，2018)199年對編碼B1和B2的CDNA序列進行比較，發現兩種蛋白質具有與免疫球蛋白(lg)超家族CAMs同源的區域并起著對鈉離子通道調節作用。B1和p2可以通過1g環參與相鄰細胞的跨膜親和黏附，與細胞骨架蛋白，細胞外基質和其他細胞因子相互作用，從而調節細胞遷移和聚集，對于大腦發育和興奮性至關重要，包括軸突生長、軸突尋路和細胞遷移等(Winters and Isom，2016)通過對p1和B4晶體結構導光交聯實驗揭示了負責嗜同性細胞粘附的特定殘基，進一步闡明了VGSC復合物的結構(Shimizu et al.，2016)
2 VGSC與神經系統疾病
VGSC的結構變化引發多種疾病，目前已知的VGSC與疾病相關的對照(表1)。
2.1 VGSC a亞基基因突變會引起癲癇
癲癇是當今世界上最常見的神經系統疾病之一。各種癲癇綜合征是由編碼VGSCa亞基或p亞基的基因突變引起的，已鑒定出700多個基因突變，許多常見的臨床抗癲癇藥物基本上是鈉離子通道抑制劑。目前已證明編碼Nav1.1 Na"通道a亞基的SCNIA基因突變是許多原發性癲癇的病因(Schutte et al，2016)，SCNIA的突變會導致許多癲病病癥，包括全面性癲癇伴熱性驚厥附加癥(GEFS)和Dravet綜合征(DS)。患有SCNIA突變的患者經常會出現早期發熱性癲癇(FSs)，SCNIA中的GEFS突變主要是錯義突變，而在DS中，40%是錯義突變，40%是截斷突變，其余是剪接變異。研究表明，將表達人類SCNIA GEFS-突變的R1648H的21-23 d大的小鼠長期高熱，然后檢查成年期間的癲癇發作和行為表型。研究發現，在成年期，早期FSs導致誘發癲病的潛伏期較低，自發癲癇增加，還會產生多動癥和社會行為認知記憶障礙(Dutton et al，2017)。此外，Nav1.2，Nav1.3.Nav1.5和Nav1.6通道a亞基的編碼基因SCN2A SCN3A，SCN5A和SCN8A的突變也可能導致某些相關癲癇疾病的發生。
SCN84基因編碼的鈉通道Nav1.6是腦神經元中主要的電壓門控通道之一，并且在動作電位的發
生和傳播中起重要作用。在將4種不同的SCN8A突變基因轉染到神經母細胞瘤細胞和原代培養神經元
實驗中發現，Nav1.6活性的喪失導致神經元興奮性降低，而功能突變則可增加神經元興奮性(Liu et al，，2019)，低濃度的大麻二酚可以通過將激活的電壓依賴性轉移到更大的去極化電位，減緩通道從快速失活中恢復，抑制復活和持續電流來降低突變通道的活性
(Patel et al，2016)，Klassen等(2011)對152名原發性癲癇患者和139名健康對照者的237個離子通道基因進行了Sanger測序，鑒定了數千個單核苷酸多態性，這些單核苷酸多態性分布在癲病患者和對照組中沒有明確的分離。當研究僅限于已知的與癲癇相關基因時，研究人員發現對照組中有大量錯義突變。這些發現表明，常見的遺傳性癲癇是由突變離子通道的積累引起的。
除了編碼VGSC a亞基基因突變會引起癲癇外，編碼B亞基的基因突變也可能導致癲病。研究發現，編碼B1亞單位的SCNIB基因突變可誘發全面性癲癇伴熱性驚厥附加癥(GEFS)，位于19q13號染色體上的SCNIB基因的錯義突變將121位的Cys轉變為Tp，導致VGSC的正常電生理功能發生改變，神經元異常放電(Hull and Isom，2018)。目前，VGSC基因突變到癲癇發生的整個過程很復雜，誘發癲癇的具體機制尚不清楚，但與VGSC的正常電特征密切相關。
2.2多種疼痛癥與vGSC相關
疼痛是由于實際或潛在的組織損傷而產生的一種自然防御機制。這種機制包括PNS中的初級感覺神經元和軸突，它們通過離子通道和受體感受有害刺激，而VGSC在這種信號中起著關鍵作用。Nav1.3
Nav1.6，Nav1.7，Nav1.8和Nav1.9的多種Nav亞型參與初級傳入神經元傳遞疼痛信號，并且已被提議作為亞型選擇性鎮痛藥的靶標(Bennett et al，209)。
研究表明，Navl.1與機械性疼痛有關，但與熱性疼痛無關(Osteen et al.，2016)，Nav1.6與熱性疼痛在內的多種外周疼痛有關(Deuis et al，2013)，缺乏Nav1.7或Nav1.9的個體表現出先天性疼痛不敏感性(CIP)(Phatarakijnirund et al.，2016)
當前，3種已知的疼痛癥：遺傳性紅斑性肢痛癥(IEM)，陣發性極度疼痛癥(PEPD)和先天性無痛癥(CIP)都與編碼Nav1.7 Nar通道a亞基的SCN9A基因突變有關，但它們的機制卻不同。Sokolov實驗表明B3亞基的糖基化程度影響Nav1.7對鈉通道阻滯劑的敏感性及通道磷酸化程度，當抑制激酶的活性時會增加通道的失活(Sokolov et al.，2018)，為藥物開發提供了新的方向。鈉離子通道是各種天然毒素和治療藥物的靶點，特別是一些具有亞型特異性的毒素，為治療疼痛提供了潛在的治療方法。Shen等(2017)通過冷凍電鏡技術發現了鈉離子通道與小分子神經毒素河豚毒素(TTX)和蛤蚌毒素(STX)發生相互作用的特定氨基酸位點，從而為藥物開發做出了巨大貢獻。目前已知的Nav配體結合位點中，VSDIV處的磺酰胺結合位點，VSDII處的肽毒素位點，以及細胞外孔成為選擇性抑制Nav1.7的靶標(Payandeh and Hackos，2018)
Nav1.9 Na"通道主要在初級感覺神經元和周圍神經的腸神經元中表達。Nav1.9 Na"通道介導神經病理，炎癥和內臟疼痛，Leo等將各種炎癥介質注射到敲除Nav1.9基因的小鼠中，發現小鼠沒有產生或產生輕度的疼痛(Leo et al.，2010)，Nassar等(2006)實驗敲除了小鼠的Nav1.3時，小鼠仍具有疼痛的感覺，表明Nav1.3的快速激活和失活與其快速再啟動和產生持續電流相關聯，這有助于受損感覺神經元中的異位放電和持續放電。
2.3其他VGSC相關的系統性疾病
心臟疾病中心電長QT綜合征是一種可能威脅生命的疾病，其特征是心肌細胞的復極化延遲，心電圖中的QT間期延長，容易引發室性心律失常引起和心源性猝死。該綜合征的類型11是由心鈉通道基因SCN5A功能突變引起的，其在動作電位發生中介導快速Nav 1.5電流。Malan等(2016)通過人誘導的多能干細胞衍生的心肌細胞分析發現去極化后早期的高發生率是LQT3中心律失常的觸發機制，研究發現特定的鈉離子通道抑制劑能以劑量依賴的方式縮短動作電位持續時間，這些發現與潛在患者和同一家族的其他患者的藥理反應特征完全一致(Malan et al.，2016)
多發性硬化癥(multiple sclerosis，MS)是中樞神經系統的一種慢性炎癥性疾病。最近的一項研究發現，Nav1.5的表達水平在反應性星形膠質細胞顯著增加，而Nav1.1-Nav1.3和Nav1.6通道的表達水平僅表現出與正常白質中的星形膠質細胞相比有輕微變化。VGSCs可能在MS病變中，反應性神經膠質細胞的功能反應中發揮作用，研究人員推測電壓門控Nav1.5通道的表達水平增加可能是一種代償機制。在依托Nat-K-ATP酶的維持細胞內外離子穩態中起重要作用(Black et al.，2010)。
3結論
隨著生理、藥理、病理、遺傳、進化、分子多學科跨學科研究的深入，電壓門控鈉離子通道與神經性疾病之間關系的研究取得很大進展。目前臨床最大的挑戰是治療藥物的非特異性，多數抗癲癇、抗驚厥藥物及抗心律失常藥，比如苯妥英鈉和利多卡因等具有療效差，產生多重不良反應，個體差異也成為臨床用藥的最大問題。隨著新技術的不斷發展和完善，VGSC的深入研究將為治療提供更多的方法，比如誘導多能干細胞技術可以在臨床試驗之前檢驗藥物對患者的靶向性和毒性，為治療提供額外的重要輔助工具;特別是CRISPR/Cas9基因編輯技術很大程度上提高了轉基因細胞系和單基因突變動物模型的精確度，速度和準確性。未來的研究將加深我們對鈉通道的結構和功能及其與人類疾病的關系的了解。
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