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©://

酸敏感离子通道的研究进展

张 政,蔡炳祥,关永源

(中山大学中山医学院药理学教研室,广东广州 510080

)

收稿日期:2005-07-20,修回日期:2005-10-23

基金项目:国家自然科学基金资助项目(

No30271503

)

作者简介:张 政(

1981-

)

,男,硕士生,Tel:,E2mail:

pharmzhangzheng@;

关永源(

1946-

)

,男,教授,博士生导师,研究方向:心血

管药理,Tel:,E2mail:yyguan@

中国图书分类号:R205;R322181;R329125;R322185;

R33812;R39412;R91413

文献标识码:A文章编号:1001-1978

(

2005

)

12-1414-04

摘要:酸敏感通道广泛表达于中枢与外周神经系统,在疼痛、

伤害感觉中发挥了重要的作用。其分子结构与分布特点、调

控机制以及在某些病理生理过程中的作用已经得到了部分

阐明。未来对其研究将是离子通道研究领域的热门课题。

关键词:酸敏感通道;痛觉;伤害感觉;缺血

pH是一个重要的生理参数,是内环境稳态的重

要指标。在正常生理环境下,pH受到十分精密的调

节以达到内环境稳定。基于氢离子在机体内独特的

地位,我们有理由相信这样一个假设:既然pH的稳

定如此重要,机体内必定存在一种独特的受体物质,

其可以感受微小的氢离子浓度变化,而且这种独特

的感受物质应该在体内有广泛分布。

1980年,Krishtal等[1]首先在神经细胞膜上记

录到了一种可以被氢离子激活的电流,并认为细胞

膜上可能存在质子的受体。在接下来很长时间内,

对于此现象的研究并没有太大进展。1997年,

Waldmann等[2]第1次克隆出被酸激活的通道蛋白,

并将其命名为酸敏感离子通道(

Acid2nsingion

channelsASICs

)。由于他们的杰出工作,从此对于

ASICs的研究进入了一个崭新的时代。

1 ASICs简介

ASICs属于ENaC

(

Epithelialsodiumchannels

)

/DEG

(

Degenerins

)通道家族。ASICs由4个功能基

因编码,分别为asic1、asic2、asic3、asic4。到目前为

止,已经克隆出ASICs的6个亚单位ASIC1a〔或

BNaC2a

(

BrainNa+channels

)〕、ASIC1b

(或

BNaC2b

)、ASIC2a〔或BNaC1a、MDEG1

(

Mammalian

degenerin

)〕、ASIC2b

(或BNaC2a、MDEG2

)、ASIC3

〔DRASIC

(

Dorsalrootacid2nsingionchannels

)〕、

ASIC4。

ASICs各亚单位的组织分布不尽相同。

ASIC1a、ASIC2a都广泛表达于中枢与外周神经系

统。而对于上述两类通道蛋白的剪接变异体

ASIC1b、ASIC2b,都只表达于外周神经系统。ASIC3

存在于外周伤害感受神经元(

Nociceptivensory

neurons

)上,如感受冷热、疼痛等刺激的神经元,由

于其最初在脊髓背根神经节被克隆到,所以又被冠

以脊髓背根ASIC。ASIC4是最近才被克隆到的新

的成员,被发现只表达于垂体[3]。到目前为止,没

有发现ASICs在正常胶质细胞上有表达,但最近有

证据表明在恶性胶质细胞瘤上有高水平的表达,对

于这种差异的原因暂时还不清楚[4]。

2 ASICs的调控机制

H+是ASICs目前唯一已知的通道激动剂,所以

ASICs又可以被看成配体调控的通道家族。Liu

等[5]研究了几乎所有可能的通道同聚体及异聚体

后发现,不同的组合其pH

50

(即酸激活的离子电流

为最大电流的50%时的pH值)不尽相同,即各类亚

单位对酸的敏感性各异,表明这些单一通道及组合

体可能在不同的病理生理过程中发挥不同的作用。

除了H+外,多种物质对这种通道亦有调控作用。

此前的研究发现,FMRF肽可以增强ASICs介

导的电流,但并不知道是由哪种通道亚型介导的。

Xie等[6]报道,在ASIC3缺失的脊髓背根神经元,

FMRF肽及FRRF肽对ASICs电流的增强作用减

弱;但在ASIC1缺失的细胞,这种作用却增强;

ASIC2缺失并不影响FMRF肽和FRFF肽对ASICs

的作用。非常明显,FMRF和FRRF是通过ASIC3、

ASIC1而发挥作用的。

细胞外液中的金属离子的浓度变化可以调节

ASICs的活动。在生理pH范围内,Ca2+可以与

ASIC3通道孔的外侧结合而关闭通道,而且具有非

常高的亲和力;但当pH快速下降时,H+与ASIC3

通道上的酸敏感部位结合后,使得Ca2+与ASIC3结

合的亲和力下降,Ca2+离开通道孔,通道开放。H+

通过降低Ca2+对通道的阻断作用而开放ASIC3[7]。

近来的研究表明,ASIC1的第2个跨膜区的两个氨

・4141・中国药理学通报 ChinePharmacologicalBulletin 2005Dec;21

(

12

)

:1414～7

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基酸E425和D432在Ca2+对ASIC1的阻断作用中

起着关键的作用。但是将这两个氨基酸替换后,并

没有发现通道的构成性开放;此外,H+对通道的门

控作用以及Ca2+对H+与通道间的亲和力的调节并

没有明显改变。说明H+对ASICs的门控作用与

Ca2+对通道的作用并没有内在的必然的联系,即

H+开放通道不是必然通过降低Ca2+的阻断作用而

实现的,可能还存在其它的门控机制[8]。对于Zn2+

对ASICs的调控作用还存在争议。Baron等[9]报道

Zn2+作为H+的协同激活子,协助H+对ASICs的作

用,即可以增强ASIC的酸敏感性,使得ASICs的

pH

50

更接近于生理pH波动范围内,这样有助于

ASICs在生理环境中发挥功能。但大部分的研究结

果表明,Zn2+可以抑制ASICs电流;用Zn2+的鳌合

集剂TPEN鳌合细胞外Zn2+,发现同聚体ASIC1a、

异聚体ASIC1a/ASIC2a介导的电流有明显增强,而

对同聚体的ASIC1b、ASIC2a、ASIC3介导的电流没

有明显改变,说明Zn2+对ASICs的抑制作用依赖于

ASICa的存在[10]。

ASIC3的C末端有可以与PDZ

(

PSD295,Dro2

sophiladiscs2largeprotein,Zonulaoccludensprotein2

1

)结构域相结合的模序。Roy等[11]检测了人脑内

的几种含有PDZ结构域的蛋白质(即PSD295,Lin2

7b,MAGI21b和PIST

)后发现,PSD295通过降低

ASIC3在细胞膜上的表达而减弱电流;Lin27b的作

用与PSD295完全相反,但是这些具有PDZ结构域

的蛋白并不改变通道的特性,如对酸的敏感性、失活

的速度。这些胞内的具有脚手架功能的蛋白通过与

ASIC3相互作用而在机械性传导过程中发挥作用。

丝氨酸蛋白酶只对ASIC1a、ASIC1b有调节作

用,而对ASIC2、ASIC3没有影响。对ASIC1的作用

呈双向性:如果pH从714开始下降,ASIC1电流减

弱;但如果从710开始降低,ASIC1电流则增强[12]。

Stomatin是一种膜蛋白,它在不影响ASIC3蛋

白表达量的前提下,显著降低ASIC3电流的幅度。

此外,它还可以加速ASIC2及其异多聚体的失活的

速度,但电流的幅度并不受到影响。这些都提示

Stomatin可能直接作用于ASICs,它的作用可能和

ASICs家族中的辅助性亚单位(如ASIC1b,ASIC2b

)

比较相似[13]。

最近,McIlwrath等[14]报道,在脑源性神经营养

因子(

Brain2derivedneurotrophicfactor,BDNF

)缺陷

的小鼠,其ASIC2的mRNA转录水平大大下降。将

这种小鼠的脊髓背根神经元进行培养,在培养过程

中加入10～100

μ

g・L-1BDNF发现,ASIC2转录与

表达水平恢复。如果在这个过程中加入阻断转录与

蛋白合成的药物,ASIC2的水平不能恢复到正常水

平,提示BDNF可以通过影响ASIC2的表达而对

ASIC2进行调控。

3 ASICs的生理作用以及在病理生理过程中的作

用

3.1 中枢作用 最近,Xiong等[15]的研究结果表

明,钙通透的酸敏感通道ASIC1a,在缺血性脑损伤

过程中发挥了重要的作用。以往的研究表明,NM2

DA受体在酸中毒导致的脑细胞死亡过程中作用重

大,但NMDA受体阻滞剂的临床研究,得到的结果

却令人失望,表明NMDA受体在此过程中的贡献非

常有限。Xiong等的研究显示,脑缺血损伤中,脑细

胞无氧代谢增强,pH严重下降,导致严重酸中毒而

致ASIC1激活,钙离子大量内流,胞内钙超载后脑

细胞大量死亡。应用特异性的ASIC1a阻断剂PcTX

或非特异性的ASICs阻断剂Amiloride发现,不论

是invivo还是invitro,酸中毒所致的神经元损伤都

有显著的减轻,脑梗死的范围也大大下降,提示

ASIC1a介导了脑缺血过程中酸中毒所致的神经元

的死亡。他们的研究也为脑缺血性损伤的防治提供

了新的靶点[16]。

已有的研究表明,ASIC1a表达于小鼠与恐惧相

关的脑区。Wemmie等[17]利用转基因技术,大大提

高ASIC1a在其分布区域的表达水平。之后的研究

显示,这种小鼠出现获得性焦虑(

acquiredanxiety

)、

惊恐等精神症状。他们的研究提示ASIC1a可能参

与了某些精神功能的调节。

3.2 外周功能 对于ASICs在外周功能的研究上,

目光主要集中在疼痛传导、机械性感觉以及炎症、缺

血性心绞痛等生理及病理生理过程中。其中,

ASIC3由于其的组织分布特征而最为受到关注[3],

但是近两年来,ASIC2却越来越受到研究人员的关

注。由于对于ASICs家族成员的功能还知之甚少,

所以目前很多对于其生理功能的研究采用了基因敲

除的技术。敲除某个特定的基因,然后观察动物的

相关功能的改变,从而推断这种特定基因可能的生

理功能。但最近的这些研究结果却给我们带来了更

多的问题,也使得ASICs的研究越来越复杂。

最近的报道称,ASIC2敲除的小鼠,皮肤的机械

感觉、内脏对机械性伤害刺激的感觉、以及听力并没

有受到损害,说明ASIC2并没有参与上述的过

程[18],这个结果提示ASIC2的实际功能与我们的设

想并不完全一致。

之前,研究人员已经发现在大鼠的味蕾细胞上

・5141・中国药理学通报 ChinePharmacologicalBulletin 2005Dec;21

(

12

)

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有ASIC2的表达,也已发现其参与了酸性味觉的传

导。研究显示,在小鼠的味蕾细胞中,有ASIC1、

ASIC3表达,没有ASIC2的表达;此外,敲除小鼠的

ASIC2基因,小鼠味蕾细胞对酸刺激的反应仍然正

常,具体表现为这些味觉细胞在酸的刺激下,仍然有

胞内Ca2+上升。说明ASIC2并不参与小鼠的酸味

觉传导。对于上述研究结果的确切机制并不清楚,

但至少可以告诉我们ASIC2不是一条不同种系共

同拥有的酸味觉传导通路[19]。

视网膜在光传导过程中伴随有pH的波动;

2004年,Mohamed等[20]发现小鼠的视椎细胞上有

ASIC2的表达;敲除ASIC2基因,视椎细胞对光的传

导增强,小鼠对光诱导的视网膜变性(

Light2induced

retinaldegeneration

)变得更加敏感;上述结果提示在

正常生理情况下,ASIC2可以抑制视椎细胞的光传

导过程,并且可以使视网膜免受强光诱导的变性损

伤。

一直以来,ASICs都被怀疑是机械性传导的可

能分子基础。脊髓背根神经元在缺失ASIC2、ASIC3

或ASIC2/ASIC3的情况下,对于机械性刺激的反应

与野生型没有差异。提示我们ASIC2、ASIC3并不

参与机械性刺激的传导[21]。

3.3 病理生理过程中的作用 已有很多ASICs在

炎症过程中作用的报道。2003年底,Sluka等[22]报

道,给小鼠长期肌肉注射pH为4的酸性盐溶液,致

使动物对疼痛过敏。敲除ASIC3,小鼠的疼痛过敏

现象消失;然而,敲除ASIC1并不影响小鼠对痛觉

过敏。分离脊髓背根神经元进行酸诱导的电流记录

也显示,ASIC3缺失的细胞与野生型相比,电流幅度

大大下降;ASIC1缺失细胞的细胞和野生对照比较

没有区别。说明ASIC3参与了疼痛的传导过程,可

能是一个新的镇痛治疗的靶点。

4 ASICs研究的展望

对于通道的研究有赖于特异性工具药的发展,

PcTX1的出现加速了ASIC1a的研究。对于ASICs

家族中其它成员的研究还有赖于新的、高效特异的

工具性阻断药的发现。当然,研究某些药物对

ASICs的作用也尤显重要,为将来发展可供临床应

用的药物提供依据。

ASICs属于ENaC/DEG通道家族。大多数的研

究亦显示其对钠离子的高通透性。随着研究的深

入,关于ASIC的离子选择性,目前存在较大的争

议。钙离子是重要的第二信使物质,广泛参与细胞

内的重要的生理及病理生理过程。所以我们非常有

兴趣知道,是否ASICs对钙离子有高的通透性,从而

揭示ASICs可能在一些疾病过程中的作用。以往的

研究在ASICs对钙通透性存在很大的差异,对于表

达于爪蟾卵细胞的ASIC1a,有报道称其具有很高的

钙通透性(

P

Na

/P

Ca

=215

)

,而也有报道称其对钙的

通透性很低(

P

Na

/P

Ca

=1815

)。内源表达于PC12、

HEK293、大鼠感觉神经元的ASIC1a以及表达于

COS27细胞系的重组ASIC1a,对钙的通透性有着很

大的差异,其P

Na

/P

Ca

从312到50不等。2003年,

Yermolaieva等[23]报道海马神经元上的ASIC1a同聚

体是非电压依赖性Ca2+内流的一条通路,但

ASIC1a/ASIC2a及ASIC2a同聚体对Ca2+几乎不通

透。

以前对ASICs的研究主要集中在神经系统,没

有研究涉及到心血管系统。将来有必要探讨这一新

的通道在心血管系统中的作用。Xiong等的研究给

我们很大的提示,ASICs可能会在某些与酸中毒,缺

血性损伤相关的病理生理过程中发挥了重要的作

用。心肌缺血过程中,心肌无氧代谢增强,细胞外酸

中毒,pH可以快速下降两个数量级。假设在心肌细

胞上存在ASICs,完全可以被细胞外严重的酸中毒

激活,从而介导心肌缺血性损伤。若假设成立,将为

我们发展新的心脏缺血防治方法提供靶点。

参考文献:

[1] KrishtalOA,torforprotonsinthenerve

cellmembrane[J].Neuroscience,1980,5

(

12

)

:2325-7.

[2] WaldmannR,ChampignyG,n2gated

cationchannelinvolvedinacid2nsing[J].Nature,1997,386

(

6621

)

:173-7.

[3] Cs:signalingmolecules?Modulators?[J]

TrendsNeurosci,2003,26

(

9

)

:477-83.

[4] BerdievBK,XiaJ,2nsingionchannels

inmalignantgliomas[J].JBiolChem,2003,278

(

17

)

:15023-

34.

[5] HeslagerM,TimmermannDB,ndencyand

densitizationkineticsofheterologouslyexpresdcombinationsof

acid2nsingionchannelsubunits[J].JBiolChem,2004,279

(

12

)

:11006-15.

[6] XieJ,PriceMP,3andASIC1mediate

FMRFamide2relatedpeptideenhancementofH+2gatedcurrentsin

cultureddorsalrootganglionneurons[J].JNeurophysiol,2003,89

(

5

)

:2459-65.

[7] ImmkeDC,sopenacid2nsingionchan2

nelsbycatalyzingreliefofCa2+blockade[J].Neuron,2003,37

(

1

)

:75-84.

[8] PaukertM,BabiniE,ficationoftheCa2+

blockingsiteofacid2nsingionchannel

(

ASIC

)

1:Implications

forchannelgating[J].JGenPhysiol,2004,124

(

4

)

:383-94.

[9] BaronA,SchaeferL,2+andH+arecoac2

・6141・中国药理学通报 ChinePharmacologicalBulletin 2005Dec;21

(

12

)

©://

tivatorsofacid2nsingionchannels[J].JBiolChem,2001,276

(

38

)

:35361-7.

[10]ChuXP,WemmieJA,t2dependenthigh2

affinityzincinhibitionofacid2nsingionchannels[J].JNeuros2

ci,2004,24

(

40

)

:8678-89.

[11]Hruska2HagemanAM,BensonCJ,295and

Lin27binteractwithacid2nsingionchannel23andhaveopposite

effectsonH+2gatedcurrent[J].JBiolChem,2004,279

(

45

)

:

46962-8.

[12]PoirotO,VukicevicM,iveregulationof

acid2nsingionchannel1byrineproteas[J].JBiolChem,

2004,279

(

37

)

:38448-57.

[13]PriceMP,ThompsonRJ,inmodulatesga2

tingofASICchannel[J].JBiolChem,2004,279

(

51

)

:53886-

91.

[14]McIlwrathSL,HuJ,sorymechano2

transductionionchannelASIC2

(

acidnsitiveionchannel2

)

is

regulatedbyneurotrophinavailability[J].Neuroscience,2005,131

(

2

)

:499-511.

[15]XiongZG,ZhuXM,rotectioninischemia:

blockingcalcium2permeableacid2nsingionchannels[J].Cell,

2004,118

(

6

)

:687-98.

[16]BenvenisteM,ngstroke2induceddamageby

targetinganacidchannel[J].NEnglJMed,2005,352

(

1

)

:85-

6.

[17]WemmieJA,CoryellMW,pressionof

acid2nsingionchannel1aintransgenicmiceincreasacquired

fear2relatedbehavior[J].ProcNatlAcadSciUSA,2004,101

(

10

)

:3621-6.

[18]RozaC,PuelJL,utoftheASIC2channel

inmicedoesnotimpaircutaneousmechanonsation,visceral

mechanonociceptionandhearing[J].JPhysiol,2004,558

(

Pt

2

)

:659-69.

[19]RichterTA,DvoryanchikovGA,2nsingion

channel22isnotnecessaryforsourtasteinmice[J].JNeurosci,

2004,24

(

16

)

:4088-91.

[20]EttaicheM,GuyN,2nsingionchannel2

isimportantforretinalfunctionandprotectsagainstlight2induced

retinaldegeneration[J].JNeurosci,2004,24

(

5

)

:1005-12.

[21]DrewLJ,RohrerDK,2nsingionchannels

ASIC2andASIC3donotcontributetomechanicallyactivatedcur2

rentsinmammaliannsoryneurones[J].JPhysiol,2004,556

(

Pt3

)

:691-710.

[22]SlukaKA,PriceMP,chyperalgesiain2

ducedbyrepeatedacidinjectionsinmuscleisabolishedbytheloss

ofASIC3,butnotASIC1[J].Pain,2003,106

(

3

)

:229-39.

[23]YermolaievaO,LeonardAS,ellularac2

idosisincreasneuronalcellcalciumbyactivatingacid2nsing

ionchannel1a[J].ProcNatlAcadSciUSA,2004,101

(

17

)

:

6752-7.

Growinginsightsintoacid2nsingionchannels

ZHANGZheng,CAIBing2xiang,GUANYong2yuan

(

DeptofPharmacologicalScience,MedicalSchoolofSunYat2SenUniversity,Guangzhou 510080,China

)

Abstract:Acid2nsingionchannels

(

ASICs

)

areu2

biquitouslyexpresdbothinperipherynervoussys2

tem,wheretheyareinvolvedinnociception,mecha2

nonsation,inflammation,cardiacangina,andincen2

tralnervoussystem,wheretheyareesntialtoavarie2

tyofphysiologicandpathophysiologicprocess,such

assynapticplasticity,learning,memoryandischemic

thearticle,weprentacollec2

tionofkeypointsaboutASICs,rangingfrommolecular

identityandexpression,regulatorymechanismsrespon2

2

nally,afutureprospectfortheinvestigationofASICsis

outlined.

Keywords:acid2nsingionchannels;ASICs;noci2

ception;ischemia

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