发布时间：2021-06-11所属分类：免费文献浏览：1次
摘 要： 基因组学与应用生物学
《钠离子通道在神经性疾病发病机制的研究进展》论文发表期刊：《基因组学与应用生物学》；发表周期：2020年10期
《钠离子通道在神经性疾病发病机制的研究进展》论文作者信息：张慧敏是本研究的构思者和负责人，执行本研究的实验和初稿撰写；张慧敏、田欢和张晶钰参与数据分析。全体作者都阅读并同意最终的文本。
摘要电压门控型钠离子通道(voltage-gated sodium channel，VGSC)是大脑所有区域神经元兴奋性的关键膜蛋白通道，也是影响神经元电兴奋性的关键因素。它们通过外周和中枢神经系统中的动作电位产生和传播来传输电信号，在静止、激活和失活状态之间进行转换。越来越多的证据表明VGSC不仅在神经元的正常电生理活动中起重要作用，而且与神经性疾病密切相关，目前，已经成为治疗多种神经性疾病的靶点。本综述总结了VGSC的结构和功能及在神经性疾病中所发挥的作用，为今后神经性疾病的治疗提供理论基础。
关键词钠离子通道，神经性疾病，突变
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
电压门控型钠离子通道(voltage-gated sodium channel，VGSC)是一种微孔跨膜蛋白，主要负责钠离子的跨膜转运，是动作电位产生和传递最重要的膜通道，影响可兴奋细胞对刺激发生反应的能力和生物体基本生理功能。目前已鉴定出超过1000个突变与神经性疾病有关(Huang et al.，2017)。如癫痫、心律失常、神经性疼痛、偏头痛、神经功能症和肌肉失能等疾病。编码 VGSC 的基因信息解析在多种遗传和获得性疾病中发挥着重要作用，近年来 VGSC 作为治疗疾病的药物作用靶点得到了广泛研究。本综述总结了 VGSC 的结构和功能及与在神经系统性疾病发生相关的研究进展。
1基本生物学特征
1.1钠离子通道结构
电压门控型钠离子通道(VGSC)主要分布在神经元、心肌和骨骼肌细胞以及一些内分泌细胞中，允许去极化脉冲在细胞和细胞网络中快速传输的关键膜蛋白。VGSC最早在动作电位的发生过程中得到功能性鉴定，随后被命名为蛤蚌毒素(saxitoxin，STX)和蝎毒素(Scorpion toxin)受体。VGSC由形成孔的a亚基和两个p亚基构成异源三聚体复合物，p亚基由一个非共价连接的p1或B3和一个共价连接的B2或B4亚单位组成(图一)。
a亚基是VGSC的核心，分子量为240-260 kD，由SCN(X)A家族基因编码，由4个序列相近结构类似的跨膜结构域1-IV组成，每个结构域具有6个a螺旋跨膜区段(S1-S6)。其中S1-S4被称为电压传感器(voltage-sensing domain，VSD)，其含有5-6个带正电荷的精氨酸残基，与附近跨膜区段中的带负电荷的残基配对，在膜去极化时，这些残基导致S4螺旋旋转或向外滑动产生激活通道孔的门控电流。4个跨膜结构域中的S5-S6共同形成a亚基孔结构域，连接跨膜螺旋S5-S6之间的半穿膜短螺旋序列构成细胞外域，选择性过滤器(selectivity filter，SF)和SF支持螺旋P1和P2，Shen等(2017)首次报道了真核生物电压门控钠离子通道的3.8分辨率的冷冻电镜结构，结果表明4个重复序列的电压传感器(VSD)具有不同的构象，不对称的选择性过滤器(SF)被具有高度糖基化和二硫键的细胞外环所保护，他们的结果还表明，保守氨基酸的N末端位于VSD-1下方，其C末端与胞质侧的结构域IIIV连接体结合(图1)。位于跨膜结构域11和IV的胞质区域中的疏水氨基酸簇(异亮氨酸，苯丙氨酸，甲硫氨酸和苏氨酸)，即IFMT基序，是电压门控钠离子通道快速失活所必需的。传统观点认为单个a亚单位作为单体发挥功能，但实验证明a亚单位不仅在物理上相互作用，实际上通过a亚单位的第一个细胞内环中氨基酸493和517之间的相互作用位点介导形成二聚体发挥作用(Clatot et al.，2017)
B亚基是VGSC的辅助亚基，有5种类型由4个基因家族编码，B1及其剪接变异体BIB由SCNIB编码，B2.B3和B4分别由SCN2B、SCN3B和SCN4A编码(Kruger and Isom，2016)。除B1B外，B亚单位具有1型拓扑结构，由一个具有细胞外N末端的多肽链、单个跨膜区段和一个细胞内C端组成。因此，BIB是发育调节的分泌蛋白(Edokobi and Isom，
2018)，VGSC的a和p亚基通过两种不同的机制相互作用。B1和p3亚基具有57%的序列同源性，通过其N端和C端与a亚基非共价结合。B2和p4亚基具有35%的序列同源性(Yu et al，2003)，通过细胞外免疫球蛋白环中的N端半胱氨酸与a亚基形成二硫键共价结合。
1.2钠离子通道的分布与功能
人类中已经鉴定出9种VGSC的a亚型命名为Navl.1-Nav1.9和4种p(B1-B4)亚基，不同亚型在组织、细胞和亚细胞水平上具有不同的表达(Bao，
2015)，a亚基是VGSC的主要亚基，负责正常的电生理功能，也是决定VGSC正常生理活动的主要因素，如电压门控活性，离子选择性和河豚毒素抗性。虽然单独的a亚基足以发挥离子渗透的电压依赖性门控，但它受一个或多个B辅助亚基的调节(Gawali and Todt，2016)。
VGSC在中枢和外周神经元，心肌细胞，骨骼肌和一些不可兴奋的特殊细胞中高表达，例如乳腺癌细胞，星形胶质细胞和少突胶质细胞(Brunklaus et al，20140。
VGSC在中枢神经系统中普遍表达，对于调节神经元兴奋性以及整个神经系统网络活动至关重要，其在郎飞氏节和轴突起始区段的节点处密度增加。
在有髓鞘的神经元中，VGSC在郎飞氏节的节点处的聚集，可以加速动作电位的传播。轴丘是动作电位的发生位点，因为VGSC在该位点分布密集，该处的发生阈值低于邻近区域(Kol et al，2008)。通常，Navl.1-1.3和Nav1.6是中枢神经系统的主要亚型，Nav1.1和Nav1.3主要定位于神经元胞体和近端树突，其中神经元兴奋性通过突触冲动的整合来控制，使动作电位发生和传播达到树突和轴突区室的阈值。Navl.7~Nav1.9主要位于周围神经系统。Nav1.5主要表达于心脏。Nav1.4是骨骼肌的主要亚型。VGSC有3个主要特征：(1)电压依赖激活：(2)快速失活：(3)Na"选择性。
B亚基不参与通道孔结构的形成，但可以改变a亚基电压门控依赖性和离子通道动力学，从而调节细胞的兴奋性。此外，最近的一项研究发现 亚基可以影响a亚基的功能，并调节其生物物理特性以及通道磷酸化(Soko et l，2018)199年对编码B1和B2的CDNA序列进行比较，发现两种蛋白质具有与免疫球蛋白(lg)超家族CAMs同源的区域并起着对钠离子通道调节作用。B1和p2可以通过1g环参与相邻细胞的跨膜亲和黏附，与细胞骨架蛋白，细胞外基质和其他细胞因子相互作用，从而调节细胞迁移和聚集，对于大脑发育和兴奋性至关重要，包括轴突生长、轴突寻路和细胞迁移等(Winters and Isom，2016)通过对p1和B4晶体结构导光交联实验揭示了负责嗜同性细胞粘附的特定残基，进一步阐明了VGSC复合物的结构(Shimizu et al.，2016)
2 VGSC与神经系统疾病
VGSC的结构变化引发多种疾病，目前已知的VGSC与疾病相关的对照(表1)。
2.1 VGSC a亚基基因突变会引起癫痫
癫痫是当今世界上最常见的神经系统疾病之一。各种癫痫综合征是由编码VGSCa亚基或p亚基的基因突变引起的，已鉴定出700多个基因突变，许多常见的临床抗癫痫药物基本上是钠离子通道抑制剂。目前已证明编码Nav1.1 Na"通道a亚基的SCNIA基因突变是许多原发性癫痫的病因(Schutte et al，2016)，SCNIA的突变会导致许多癫病病症，包括全面性癫痫伴热性惊厥附加症(GEFS)和Dravet综合征(DS)。患有SCNIA突变的患者经常会出现早期发热性癫痫(FSs)，SCNIA中的GEFS突变主要是错义突变，而在DS中，40%是错义突变，40%是截断突变，其余是剪接变异。研究表明，将表达人类SCNIA GEFS-突变的R1648H的21-23 d大的小鼠长期高热，然后检查成年期间的癫痫发作和行为表型。研究发现，在成年期，早期FSs导致诱发癫病的潜伏期较低，自发癫痫增加，还会产生多动症和社会行为认知记忆障碍(Dutton et al，2017)。此外，Nav1.2，Nav1.3.Nav1.5和Nav1.6通道a亚基的编码基因SCN2A SCN3A，SCN5A和SCN8A的突变也可能导致某些相关癫痫疾病的发生。
SCN84基因编码的钠通道Nav1.6是脑神经元中主要的电压门控通道之一，并且在动作电位的发
生和传播中起重要作用。在将4种不同的SCN8A突变基因转染到神经母细胞瘤细胞和原代培养神经元
实验中发现，Nav1.6活性的丧失导致神经元兴奋性降低，而功能突变则可增加神经元兴奋性(Liu et al，，2019)，低浓度的大麻二酚可以通过将激活的电压依赖性转移到更大的去极化电位，减缓通道从快速失活中恢复，抑制复活和持续电流来降低突变通道的活性
(Patel et al，2016)，Klassen等(2011)对152名原发性癫痫患者和139名健康对照者的237个离子通道基因进行了Sanger测序，鉴定了数千个单核苷酸多态性，这些单核苷酸多态性分布在癫病患者和对照组中没有明确的分离。当研究仅限于已知的与癫痫相关基因时，研究人员发现对照组中有大量错义突变。这些发现表明，常见的遗传性癫痫是由突变离子通道的积累引起的。
除了编码VGSC a亚基基因突变会引起癫痫外，编码B亚基的基因突变也可能导致癫病。研究发现，编码B1亚单位的SCNIB基因突变可诱发全面性癫痫伴热性惊厥附加症(GEFS)，位于19q13号染色体上的SCNIB基因的错义突变将121位的Cys转变为Tp，导致VGSC的正常电生理功能发生改变，神经元异常放电(Hull and Isom，2018)。目前，VGSC基因突变到癫痫发生的整个过程很复杂，诱发癫痫的具体机制尚不清楚，但与VGSC的正常电特征密切相关。
2.2多种疼痛症与vGSC相关
疼痛是由于实际或潜在的组织损伤而产生的一种自然防御机制。这种机制包括PNS中的初级感觉神经元和轴突，它们通过离子通道和受体感受有害刺激，而VGSC在这种信号中起着关键作用。Nav1.3
Nav1.6，Nav1.7，Nav1.8和Nav1.9的多种Nav亚型参与初级传入神经元传递疼痛信号，并且已被提议作为亚型选择性镇痛药的靶标(Bennett et al，209)。
研究表明，Navl.1与机械性疼痛有关，但与热性疼痛无关(Osteen et al.，2016)，Nav1.6与热性疼痛在内的多种外周疼痛有关(Deuis et al，2013)，缺乏Nav1.7或Nav1.9的个体表现出先天性疼痛不敏感性(CIP)(Phatarakijnirund et al.，2016)
当前，3种已知的疼痛症：遗传性红斑性肢痛症(IEM)，阵发性极度疼痛症(PEPD)和先天性无痛症(CIP)都与编码Nav1.7 Nar通道a亚基的SCN9A基因突变有关，但它们的机制却不同。Sokolov实验表明B3亚基的糖基化程度影响Nav1.7对钠通道阻滞剂的敏感性及通道磷酸化程度，当抑制激酶的活性时会增加通道的失活(Sokolov et al.，2018)，为药物开发提供了新的方向。钠离子通道是各种天然毒素和治疗药物的靶点，特别是一些具有亚型特异性的毒素，为治疗疼痛提供了潜在的治疗方法。Shen等(2017)通过冷冻电镜技术发现了钠离子通道与小分子神经毒素河豚毒素(TTX)和蛤蚌毒素(STX)发生相互作用的特定氨基酸位点，从而为药物开发做出了巨大贡献。目前已知的Nav配体结合位点中，VSDIV处的磺酰胺结合位点，VSDII处的肽毒素位点，以及细胞外孔成为选择性抑制Nav1.7的靶标(Payandeh and Hackos，2018)
Nav1.9 Na"通道主要在初级感觉神经元和周围神经的肠神经元中表达。Nav1.9 Na"通道介导神经病理，炎症和内脏疼痛，Leo等将各种炎症介质注射到敲除Nav1.9基因的小鼠中，发现小鼠没有产生或产生轻度的疼痛(Leo et al.，2010)，Nassar等(2006)实验敲除了小鼠的Nav1.3时，小鼠仍具有疼痛的感觉，表明Nav1.3的快速激活和失活与其快速再启动和产生持续电流相关联，这有助于受损感觉神经元中的异位放电和持续放电。
2.3其他VGSC相关的系统性疾病
心脏疾病中心电长QT综合征是一种可能威胁生命的疾病，其特征是心肌细胞的复极化延迟，心电图中的QT间期延长，容易引发室性心律失常引起和心源性猝死。该综合征的类型11是由心钠通道基因SCN5A功能突变引起的，其在动作电位发生中介导快速Nav 1.5电流。Malan等(2016)通过人诱导的多能干细胞衍生的心肌细胞分析发现去极化后早期的高发生率是LQT3中心律失常的触发机制，研究发现特定的钠离子通道抑制剂能以剂量依赖的方式缩短动作电位持续时间，这些发现与潜在患者和同一家族的其他患者的药理反应特征完全一致(Malan et al.，2016)
多发性硬化症(multiple sclerosis，MS)是中枢神经系统的一种慢性炎症性疾病。最近的一项研究发现，Nav1.5的表达水平在反应性星形胶质细胞显著增加，而Nav1.1-Nav1.3和Nav1.6通道的表达水平仅表现出与正常白质中的星形胶质细胞相比有轻微变化。VGSCs可能在MS病变中，反应性神经胶质细胞的功能反应中发挥作用，研究人员推测电压门控Nav1.5通道的表达水平增加可能是一种代偿机制。在依托Nat-K-ATP酶的维持细胞内外离子稳态中起重要作用(Black et al.，2010)。
3结论
随着生理、药理、病理、遗传、进化、分子多学科跨学科研究的深入，电压门控钠离子通道与神经性疾病之间关系的研究取得很大进展。目前临床最大的挑战是治疗药物的非特异性，多数抗癫痫、抗惊厥药物及抗心律失常药，比如苯妥英钠和利多卡因等具有疗效差，产生多重不良反应，个体差异也成为临床用药的最大问题。随着新技术的不断发展和完善，VGSC的深入研究将为治疗提供更多的方法，比如诱导多能干细胞技术可以在临床试验之前检验药物对患者的靶向性和毒性，为治疗提供额外的重要辅助工具;特别是CRISPR/Cas9基因编辑技术很大程度上提高了转基因细胞系和单基因突变动物模型的精确度，速度和准确性。未来的研究将加深我们对钠通道的结构和功能及其与人类疾病的关系的了解。
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