孫中洋，李東韜,2 綜述 張 舒 審校

1第四軍醫(yī)大學 航空航天生物動力學教研室，航空航天醫(yī)學教育部重點實驗室，陜西西安 710032；2海軍總醫(yī)院 心臟中心，北京 100048

綜 述

成骨細胞鉀、鈣離子通道的研究進展

Advances in research on osteoblast potassium and calcium ion channels

孫中洋1，李東韜1,2綜述 張 舒1審校

1第四軍醫(yī)大學 航空航天生物動力學教研室，航空航天醫(yī)學教育部重點實驗室，陜西西安 710032；2海軍總醫(yī)院 心臟中心，北京 100048

骨質疏松的發(fā)病率呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，患者生活質量下降，其所帶來的危害已引起全世界的廣泛關注。骨質疏松的發(fā)病機制復雜，涉及因素較多，但成骨細胞功能障礙處于中心環(huán)節(jié)。研究發(fā)現(xiàn)成骨細胞表達多種離子通道，本文將對鉀離子和鈣離子通道進行綜述分析。

成骨細胞；骨質疏松；鉀離子通道；鈣離子通道

骨質疏松癥(osteoporosis，OP)是一種最常見的代謝性骨病，病理特征為骨量減低，骨組織微結構退行性變和骨脆性增加。OP主要癥狀是骨痛和肌無力，嚴重者可發(fā)生骨折和脊柱變形。成骨細胞在骨重建過程中起到核心作用。成骨細胞不僅調節(jié)骨的礦化，還間接調節(jié)破骨細胞的骨吸收功能，它的數(shù)量和功能變化直接影響代謝性骨病的發(fā)生、發(fā)展和預后[1]。作為骨代謝治療藥物的靶細胞，成骨細胞功能受許多激素和骨組織局部調節(jié)因子的影響。因此，成骨細胞的功能及調節(jié)機制已成為OP研究的重中之重。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，成骨細胞存在多種離子通道，尤以K+通道和Ca2+通道的研究最為深入。這些離子通道不僅調節(jié)成骨細胞的分化和增殖等生理活動，還參與機械信號感知、傳遞及轉導過程，進而影響其成骨功能。本文針對成骨細胞上K+通道和Ca2+通道的結構和特性等相關研究進行綜述。

1 成骨細胞上鉀、鈣離子通道的分類與特征

K+是細胞內的重要離子，有很高的電化學活性。在成骨細胞的收縮過程起始階段起作用。其在成骨細胞的線粒體上也有分布，并且和細胞的凋亡關系密切[2]。依據(jù)拓撲結構，成骨細胞上K+通道可劃分為3大類，分別為電壓依賴性鉀離子通道(voltage-dependent potassium channels)，內向整流鉀離子通道(inwardly rectifying potassium channels，Kir)和雙孔鉀離子通道(two-pore domain potassium channel，2PK+)。

1.1 電壓依賴性鉀離子通道 具有6個跨膜段和1個孔區(qū)的K+通道亞型。成骨細胞上表達的電壓依賴性鉀離子通道主要有以下4種。電壓門控性鉀離子通道(voltage-gated potassium channels，Kv)由4個孔道形成亞基α和4個輔助亞基β組成，α亞基有6個穿膜結構域，其主要負責細胞膜的復極化[2-3]。大電導鈣激活鉀離子通道(large-conductance calcium activated potassium channels，BK)由α亞單位和β亞單位組成，其中α亞單位組成孔道，β亞單位可調節(jié)通道的電學和藥理學特點。BK屬于機械敏感性通道，因其在成骨細胞上高表達和可在膜牽張時開放，能夠使機械牽張轉變成為胞內反應，可將其看作是骨組織的機械感受器[4]。BK參與許多胞內活動，比如細胞容積的調節(jié)，控制細胞的黏附，在機械負荷下調節(jié)細胞膜電位，調節(jié)細胞因子釋放和細胞遷徙等[5-7]，并參與細胞形態(tài)的保持[8]。此外，成骨細胞上BK還可快速持續(xù)地反饋調節(jié)細胞膜去極化[9]。BK可被奎尼丁、粉防己堿和四乙胺阻斷，被異松脂酸、甲狀旁腺素和前列腺素E2激活，表現(xiàn)為Ca2+和電壓依賴[10]。BK通道的活性還受到動態(tài)聚合狀態(tài)或解離狀態(tài)肌動蛋白等細胞骨架的影響[4]。中電導鈣激活鉀離子通道(intermediateconductance calcium activated potassium channels，IK)與BK相似，在成骨細胞上廣泛表達，而且有著相似的電生理性質。即使在ATP足夠的情況下，BK調控細胞膜電位的作用也較?。?相反，IK可在激動劑的作用下促進Ca2+的移動，從而調控細胞膜電位。ATP介導的細胞內Ca2+濃度增加主要是激活IK，引起細胞膜的超極化。IK通道表現(xiàn)為Ca2+依賴，可被環(huán)磷酰胺阻斷[11]。瞬時外向鉀離子通道(transient outward potassium channels)電流在去極化刺激時被引出，表現(xiàn)出激活快，失活慢的特點[12]。細胞膜的去極化和細胞內Ca2+的濃度增加都可激活此通道，從而緩沖胞內Ca2+濃度。瞬時外向鉀離子通道在成骨細胞中Ca2+信號轉導機制起到重要作用，由于它的存在，細胞內Ca2+增加是暫時的[13]。

1.2 內向整流鉀離子通道 具有2個跨膜段和1個孔區(qū)，這2個跨膜結構域形成了孔道。Kir是由4個α亞基組成的同聚體或異聚體[2]。Kir負責當膜電位小于K+平衡電位時內向轉運K+，從而使電流進入細胞比出細胞更容易。這種內向電流伴隨著細胞外K+濃度的增加而增加。它還可增加K+膜電導，有效地控制膜電位接近K+的平衡電位。值得注意的是Kir雖具有整流作用，但無電壓依賴性[14]。Kir的門控特性不僅受到膜電位的影響也受到細胞外K+濃度的調節(jié)[13]。其最具確定意義的特點是可被細胞外Ba2+可逆性阻斷。

1.3 雙孔鉀離子通道 雙孔鉀離子通道是20世紀90年代發(fā)現(xiàn)的具有4個跨膜段和2個孔區(qū)的K+通道亞型。由于該通道無電壓依賴性，可在靜息電位時開放，故也被稱為背景K+通道或漏流通道[4,14]。2PK+的表達分布非常廣泛，與細胞增殖和細胞膜靜息電位的關系密切。在成骨細胞中與在神經(jīng)系統(tǒng)中的作用相似，調節(jié)靜息電位和細胞電興奮性。2PK+對機械作用敏感，與電壓門控和Ca2+激活的K+通道配合，使細胞膜的復極化速率與機械作用的影響相偶聯(lián)。2PK+還可作為機械信號轉導下游通路信號[14]。2PK+對細胞膜的牽張、pH、溫度等因素敏感，而對于傳統(tǒng)K+通道阻斷劑不敏感，但又能被前列腺素和cAMP阻斷[15]。

除此以外，最近還發(fā)現(xiàn)一類特殊的K+通道-EAG(ether a go-go related)通道。傳統(tǒng)觀點認為K+通道通過控制膜電位，調節(jié)K+內流從而促進細胞的增殖，但EAG通道能夠抑制細胞的增殖[16]。K+通道對成骨細胞的數(shù)量、形態(tài)和礦化等能力的影響是復雜的，在調節(jié)其生理活動過程中扮演了極為重要的角色。

2 鈣離子通道

Ca2+在成骨細胞中發(fā)揮了至關重要的作用。Ca2+的增加可來自細胞外也可來自細胞內鈣庫釋放。細胞內的鈣庫在成骨細胞是指內質網(wǎng)。為了了解成骨細胞中的Ca2+穩(wěn)態(tài)，要區(qū)分一個重要的概念，信號Ca2+和無機Ca2+。在細胞外的礦化作用中，無機Ca2+作為細胞內其他信號通路的下游被調控，和羥基磷灰石晶體一同沉積在蛋白質支架上。在第二信使作用中，信號Ca2+在激活細胞反應中起到基礎作用。作為主要的細胞內離子，Ca2+已經(jīng)被證明和細胞內的許多功能相關，但更重要的是，Ca2+信號的微小變化可以在細胞中產(chǎn)生不同的信號通路，從而產(chǎn)生不同的作用。任何原因、任何形式的細胞內Ca2+長時程的增多都會引起細胞的死亡或凋亡[17]。成骨細胞膜片鉗研究集中在2大類Ca2+通道，即電壓敏感性鈣離子通道(voltage-sensitive calcium channels，VSCC)和配基門控性鈣離子通道(ligand-gated calcium channels)。

2.1 電壓敏感性鈣離子通道 電壓敏感性鈣離子通道是蛋白質復合體，可調節(jié)Ca2+內流等生理功能。根據(jù)通道的動力學和藥理學特性，可以將VSCC超家族分為5個亞群： L，T，P，N和Q。其中L型是細胞中發(fā)現(xiàn)分布最廣研究最透徹的Ca2+通道，其次是T型，而P、N和Q型少有報道[18-20]。VSCC是異質二聚體，由4個亞單位組成，分別是α1、α2、β和δ[21-22]。α亞單位組成通道的孔道，這個亞單位由4個跨膜結構域組成，每個結構域又是由6穿膜結構組成[23]。α亞單位既有電壓敏感的序列，也有二氫吡啶結合的序列?？烧J為α亞單位是產(chǎn)生通道活性的唯一亞單位，在其他亞單位缺失的情況下，α仍然可以發(fā)揮作用，但此時膜電流密度變低，電壓激活更加緩慢[18,24]。分子克隆證明VSCC具有非常大的多態(tài)性，α亞基就由至少3個基因調控。根據(jù)α1亞基藥理學和生理學功能的不同，VSCC可以分為以下兩類，高電壓激活型(L，P/Q，N和R亞型)和低電壓激活型(T亞型)[25]。低電壓激活的通道和高電壓激活的通道在蛋白質水平序列的相似性＜25%，并且在功能特性上有著顯著的差異[22]。其他輔助亞基，特別是β亞基，調節(jié)VSCC的門控特性和控制通道的裝配和運輸。β亞基可促進VSCC的正確折疊，并幫助其在細胞膜上定位。研究發(fā)現(xiàn)β亞基與和細胞膜鏈接的鳥苷酸激酶蛋白結構相似[26-28]。β亞基通過許多不同蛋白質的相互作用影響細胞間的信號轉導。成骨細胞上有3種β亞基，其中β2亞基的密度最大，并起到主要作用[29]。δ亞基的分子量有24 kU和27 kU兩種。

成骨細胞上表達的VSCC是可興奮細胞上的特征性通道，但又很難引起鈣誘導的鈣釋放現(xiàn)象，而此現(xiàn)象又是絕大多數(shù)可興奮細胞的重要特征[30]。成骨細胞上VSCC表達與一般可興奮細胞的最大不同在于其表達的數(shù)量要少得多。比如，成熟的橫紋肌細胞上VSCC的數(shù)量是成骨細胞數(shù)十倍，VSCC數(shù)量上的不同也體現(xiàn)在mRNA水平[31]。推測成骨細胞可根據(jù)其功能需要的不同，表達出數(shù)量介于可興奮細胞和不可興奮細胞之間的VSCC。其功能是隨著激素和機械刺激的影響，調節(jié)多種細胞外基質蛋白的分泌[32-33]。VSCC在成骨細胞乃至骨骼系統(tǒng)的生理作用中起到核心作用。

L型VSCC在細胞體外培養(yǎng)7 ～ 8 d后才能被檢測出來，在1 ～ 2周時活性達到峰值。但如果用無血清的培養(yǎng)基來培養(yǎng)成骨細胞，L型的活性可更早出現(xiàn)。然而，T型在培養(yǎng)2 ～4 d后就可檢出，而且活性在8 d后就減低或消失[34]。由此產(chǎn)生一個假設，T型在細胞分化的早期發(fā)揮作用，而L型和分化一直相關。L型是高電壓激活且電流持續(xù)時間長，可被二氫吡啶特異性阻斷。而T型能夠在微小去極化的情況下被激活且很快失活，T型對二氫吡啶不敏感但可被Ni2+阻斷，此為T型通道的主要特征[35]。

胞膜去極化、VD3、PTH和表皮生長因子可調節(jié)成骨細胞上VSCC的功能。VSCC的功能是根據(jù)Ca2+進入細胞的時空方式不同而改變。而Ca2+進入細胞的時空方式不同主要是因為細胞膜上表達不同亞型的VSCC，每種亞型都具有不同的激活和失活動力學特征、藥理學特征和組織的分布特征[36]。

2.2 配基門控性鈣離子通道 代謝型谷氨酸受體和離子型谷氨酸受體在成骨細胞上功能性表達。離子型谷氨酸受體作為谷氨酸門控型離子通道，它的激活可引起Ca2+內流。而代謝型谷氨酸受體可和G蛋白偶聯(lián)，進而激活磷脂酶C合成二酰甘油和三磷酸鹽，或被動地與腺核苷酸環(huán)化酶結合[37]。

離子型受體根據(jù)激活受體的配體不同，可以將其分為N-methyl-D-aspartate (NMDA)，a-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid (AMPA)和Kainate (KA)等不同型別，研究主要集中在NMDA上[37-38]。

成骨細胞上離子型受體的激活引起細胞膜去極化和Ca2+內流，進而增加谷氨酸釋放和激活第二信號通路，同時也會影響成骨細胞表型。離子型谷氨酸受體的阻斷會使骨質合成減少，減緩成骨細胞的分化，降低骨基質蛋白的翻譯，說明谷氨酸信號的調控可促進骨質形成[39]。

3 問題與展望

綜上所述，鉀、鈣離子通道通過調節(jié)成骨細胞的增殖和分化等功能影響骨組織的生長和發(fā)育，揭示了鉀、鈣離子通道，成骨細胞和骨質疏松的密切關系。成骨細胞上鉀、鈣離子通道的進一步研究將對理解和治療骨質疏松有積極意義。

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2095-5227(2014)02-0186-04

10.3969/j.issn.2095-5227.2014.02.026

2013-10-24 10:19

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20131024.1019.002.html

2013-09-02

國家自然科學基金項目(31170889；30870595)；教育部留學回國啟動基金(HG4406)

Supported by the National Natural Science Foundation of China(31170889; 30870595); Project-sponsored by SRF for ROCS, SEM(HG4406)

孫中洋，男，在讀碩士。研究方向：航空航天醫(yī)學。Email: szylpxt@163.com

張舒，男，博士，教授，博士生導師。Email: shuzhang@ fmmu.edu.cn