钠钙交换蛋白特异调控与相关临床疾病研究进展

祖 源，万丽娟，龚燕平，李春霖

解放军总医院 老年内分泌科，北京 100853

综 述

钠钙交换蛋白特异调控与相关临床疾病研究进展

祖 源，万丽娟，龚燕平，李春霖

解放军总医院 老年内分泌科，北京 100853

钠钙交换蛋白是广泛存在于动物细胞膜上的一种离子转运蛋白，分为SLC8基因家族编码的钠钙交换蛋白(NCX)和SLC24基因家族编码的钾依赖的钠钙交换蛋白(NCKX)。新发现的线粒体NCLX由SLC8B1基因编码现被认为是NCX家族成员，对线粒体钙稳态起重要作用。NCX与心脑血管疾病、肿瘤、糖尿病关系密切；而NCKX参与光感、嗅觉、皮肤色素沉着、脑功能的调控。对钠钙交换蛋白的研究可为临床相关疾病的研究提供新思路。

钠钙交换蛋白；分子生物学；基因

钠钙交换蛋白是广泛存在于动物细胞膜上的一种离子转运蛋白，通过将细胞内的Ca2+泵出以及反向转运将细胞外的Ca2+泵入维持细胞内Ca2+浓度的稳态，从而满足细胞功能活动对Ca2+的需求。早在20世纪60年代末，科学家们就观察到在心肌细胞、小肠内皮细胞以及某些神经元细胞膜上存在一种Na+/Ca2+偶联的反向转运蛋白。1990年，第一个钠钙交换蛋白基因由Nicoll等从狗的心肌细胞中克隆成功，之后其他不同的钠钙交换蛋白被相继克隆。2012年《Science》首次发表了钠钙交换蛋白的三维立体结构图，其穿膜结构、离子通道及作用机制得以证实[1]。本文简要综述钠钙交换蛋白的结构、分布和相关临床疾病，望为临床疾病的研究提供新思路和新方向。

1 钠钙交换蛋白的结构及分布

迄今为止，科学家已克隆出两大家族9个不同类型的钠钙交换蛋白。它们是由SLC8基因家族编码的钠钙交换蛋白NCX1(SLC8A1)、NCX2(SLC8A2)、NCX3(SLC8A3)；SLC24基因家族编码的钾依赖的钠钙交换蛋白NCKX1(SLC24A1)、NCKX2(SLC24A2)、NCKX3(SLC24A3)、NCKX4(SLC24A4)、NCKX5(SLC24A5)及最新克隆出来的NCKX6(SLC24A36)。NCKX6现被认为是NCLX (SLC8B1)(钠/锂钙交换蛋白)归属SLC8基因家族，NCLX(NCKX6)在线粒体钙离子交换中发挥着重要作用[2-3]。

SLC8基因家族编码钠钙交换蛋白NCX，以3Na+：1Ca2+转运比例调节细胞膜钙离子的跨膜转运，调节多种细胞内的钙离子水平。NCX与Na+的结合有浓度依赖性，与Na+的结合可以降低NCX与Ca2+的亲和力，但只有当细胞内Na+降低时，Ca2+结合位点的Ca2+才会释放。NCX具有10个螺旋形反复穿膜的结构，钙离子结合区在第五跨膜和第六跨膜间，剪切性突变也发生在第五跨膜和第六跨膜间的胞内环上的6个小外显子(A、B、C、D、E和F)。不同组织NCX1基因在此胞内环上所含的6个小外显子有所不同，因此NCX1又分为不同亚型，迄今发现心脏、肾、大脑和胰岛B细胞分别表达NCX1.1(含外显子A、C、D、E、F)、NCX1.3(含外显子B、D)、NCX1.4(含外显子A、D)和NCX1.7(含外显子B、D、F)。不同NCX1蛋白亚型对钙离子的调控转运能力存在差异[1]。但所有剪切性突变体都含有外显子A或B以保持开放阅读框架。可兴奋组织如神经元、心肌细胞表达的NCX一般含有外显子A，其他如肾、胃和骨骼肌表达的NCX含外显子B。在NCX的不同类型中，NCX1分布广泛，在哺乳动物的各组织细胞都有表达，而NCX2、NCX3仅在大脑和骨骼肌表达。如图1。

SLC24基因家族编码的钾依赖的钠钙交换蛋白NCKX转运比例为4Na+：1Ca2++1K+，这意味着Ca2+由胞内转运至胞外，需要由细胞内外的Na+和K+的电位共同驱使。相比NCX转运比例3Na+∶1 Ca2+，NCKX转运模式可以维持较大的Ca2+梯度。NCX和NCKX蛋白对Ca2+的转运模式可以由外排转换成内流，模式的转换主要取决于跨膜两侧Na+浓度及膜电位。由于NCKX蛋白还要受跨膜两侧K+浓度的调控，因此其钙转运模式的转换相对于NCX蛋白来说更为复杂。NCKX具有12个反复穿膜的结构并且与NCX有着相似性，离子结合区在第五和第六跨膜间。其中NCKX1主要分布于光感细胞视杆、视锥细胞；大脑组织有NCKX2、NCX3、NCX4的表达；NCKX3还表达于子宫，并且受月经周期类固醇激素的影响；NCKX4表达于嗅觉神经元；NCKX5主要分布于视网膜以及皮肤的色素细胞层[2]。

图 1 NCX蛋白及钠钙离子通道的三维结构及其钠钙交换机制

2 钠钙交换蛋白相关疾病

2.1心血管疾病 NCX与心肌的电节律、兴奋收缩偶联、缺血预适应及高血压的发生均存在着密切的联系。多项研究显示，在心肌缺血、心律失常、心衰等心脏疾病中存在NCX1表达及功能的改变。过量表达NCX1，可能导致心肌的收缩功能失调及心律失常的发生。代谢抑制处理后，敲除NCX蛋白的小鼠兴奋收缩偶联效率较普通小鼠高[4]。心肌特定敲除NCX1的小鼠，心肌抵抗缺血再灌注损伤的能力增强，这可能是由于阻止了钙超载[5]。一些研究发现，心衰患者NCX1表达量增加[6]。此外，在原发性肺动脉高压及多种盐敏感性高血压动物模型中发现NCX1的表达增高。对盐敏感型高血压相关联的蛋白组学的研究显示，NCX1和NCKX3的基因多态性与收缩压升高的病理生理密切相关[7]。

2.2缺血再灌注神经损伤 有研究表明，在大脑病理生理变化过程中，NCX对维持神经细胞内Na+和Ca2+的平衡发挥重要作用。Boscia等[8]在利用永久性局灶性大脑中动脉阻断脑缺血(pMCAO)大鼠模型研究神经元的自我保护机制时发现，NCX1和NCX3在神经元损伤过程中起到一定的保护作用，尤其是NCX3，它广泛表达于肌肉和脑组织，即使在缺少ATP情况下仍然可以发挥作用，并且NCX3基因敲除小鼠缺血后脑损伤明显加重。Molinaro等[9]在缺氧缺糖的情况下体外培养NCX3基因敲除小鼠和野生型小鼠的大脑皮质及海马细胞后再复氧，发现前者神经细胞大量死亡，这说明NCX3可减轻缺血再灌注对神经的损伤。此外，NCX2和NCKX2也对缺血性脑损伤也有保护作用，并且NCKX2基因敲除的小鼠学习和记忆能力明显下降[10]。

2.3肿瘤新生血管生成 体外研究发现，NCX抑制剂可以减少血管内皮生长因子诱导的人脐静脉内皮细内的增殖、迁移、管状分化。同时NCX还可能参与了细胞外的信号磷酸化及凝血酶原和血管生成素的激活[11-12]。因此NCX有可能成为肿瘤治疗的新靶点。

2.4糖尿病 胰岛B细胞特异性表达NCX1中的两个亚型NCX1.3和NCX1.7。NCX1在胰岛B细胞中对Ca2+含量的调控及胰岛素的分泌扮演重要角色。研究显示，在高糖刺激胰岛B细胞时，电压敏感性钙离子通道和NCX参与了胰岛细胞膜的慢速持续去极化及动作电位的叠加过程。此外，NCX1过表达所导致的胰岛细胞凋亡，还可能参与了1型糖尿病发生的病理过程[13]。Herchuelz等[13]敲除NCX1(SLC8A1)一个等位基因的小鼠，发现胰岛B细胞凋亡减少，糖刺激胰岛素分泌增加，并且在初始阶段的胰岛素分泌增加明显。体外抑制NCX1的表达，胰岛B细胞的功能、增殖、面积及抵抗外界刺激的能力均有提升。此外，NCX1对钙的调控机制同样参与糖尿病大血管和微血管的病变过程。将NCX1抑制剂KB-R7943加入高糖环境下离体培养大鼠主动脉内皮细胞，可减少内皮细胞黏附分子的集聚。高糖培养大鼠肾系膜细胞，NCX1蛋白表达降低。因此对于NCX分子及调控机制的研究，有助于糖尿病发病机制的研究[14]。

2.5其他疾病 NCKX分布于全身多处组织，其作用功能有所不同，功能的改变将导致所在组织器官出现相应的功能缺陷。对NCKX的研究相对较少。NCKX1主要分布于光感细胞视杆、视锥细胞，其基因SLC24A1被认为是遗传性视网膜疾病致病基因[15]；NCKX2对脑损伤有保护作用，并与学习能力有关；NCKX4表达于嗅觉神经元，NCKX4敲除的小鼠存在嗅觉持续时间及感知的缺陷[16]；NCKX5主要分布于视网膜及皮肤的色素细胞层，NCKX5基因敲除的小鼠，皮肤颜色无显著改变，但视网膜色素上皮细胞的色素沉着明显减少[17]。

3 新型线粒体钠钙交换蛋白NCLX

线粒体钙活动与细胞形态、细胞钙稳态及基本生理过程密切相关，例如：胞内钙调节、激素分泌、氧化磷酸化、突触传递及凋亡因子的释放等。2010年Palty和Cai等[18-19]发现并命名了线粒体上的钠钙交换蛋白NCLX，其定位在线粒体嵴上，功能是调控线粒体钙外排。Cai和Lytton[19]教授首先提出K+参与NCLX(NCK6)蛋白调控Na+/Ca2+的交换，但随后Palty等[18]发现提高胞内Li+浓度可促进线粒体钙外排，抑制NCLX表达后，此现象不明显，但未发现K+参与NCLX蛋白对线粒体钙的转运。

线粒体NCLX蛋白高表达于骨骼肌、心肌、脑、胰岛B细胞、淋巴B细胞，但肝含量较低。目前发现，高糖环境抑制MIN6线粒体NCLX表达，其线粒体钙释放减少，NAD(P)H/NAD+基础代谢比值增加，葡萄糖刺激胰岛素释放延迟[20]。心肌细胞NCLX通过对线粒体钙离子的调控，影响肌浆网钙离子的释放，从而参与调节心肌细胞的自主节律[21]。星形胶质细胞线粒体NCLX可促进胶质细胞源性递质谷氨酸分泌，抑制NCLX的表达使星形胶质细胞的增殖和迁移能力下降[22]。NCLX蛋白对Ca2+信号传导的调控，还影响B淋巴细胞抗原抗体反应[23]。我们团队的早期研究发现，NCKX6(NCLX)在人主动脉内皮上表达，并受葡萄糖调控[24]；对大鼠主动脉内皮功能的研究发现，NCLX可能从凋亡途径、炎症相关途径及一氧化氮释放等多方面参与内皮功能的调节。我们将上述与NCX和NCLX相关的疾病及研究进展进行了总结，具体见图2。

图 2 NCX相关的疾病研究现状及进展图中灰色方格所示为研究认为的可能与NCX有关的致病机制，黄色方格所示为可能与NCX有关的保护机制，白色方格所示为NCX参与但机制目前仍未证实，仍处于研究中的可能作用机制。方格后的标示是研究所涉及NCX的不同类型

目前对NCLX的功能及机制的了解仍非常有限。能广泛抑制线粒体钠钙交换活动的抑制剂CGP-37157，对NCLX蛋白抑制的选择敏感性低；与传统NCX蛋白相比，NCLX蛋白第五跨膜和第六跨膜间的胞内环非常短，这也就意味着NCLX蛋白可能无钙离子结合区域，所以NCLX蛋白如何转运离子，其生理调节的因素是怎样的，需要我们进一步研究与探索。

4 结语

钠钙交换蛋白参与心肌兴奋收缩偶联，血管平滑肌的收缩，胰岛B细胞胰岛素的分泌，神经突触的释放，肾钙离子的重吸收等生理活动，与心脑血管疾病、肿瘤、糖尿病等都有密切关系。新发现的线粒体NCLX对线粒体钙稳态起重要作用，参与多种疾病的发生和发展。过去几年中，虽然对钠钙交换蛋白已经有所认识，但是其作用机制及功能仍有待更深入的研究。对NCX的研究有可能为临床治疗提供一种新的思路和方向。

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Advances in specific regulation of sodium-calcium exchanger and its related clinical disease

ZU Yuan, WAN Lijuan, GONG Yanping, LI Chunlin

Department of Geriatric Endocrinology, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China

LI Chunlin. Email: Lichunlin301@163.com

Sodium-calcium exchangers are widely expressed in animal cell membrane, which can be divided into two groups: the Na+/Ca2+exchangers encoded by SLC8 gene family (NCX) and the K+dependent Na+/Ca2+exchangers encoded by SLC24 gene family (NCKX). A mitochondrial Na+/Ca2+exchanger has recently been identified as NCLX protein, which is a gene product of SLC8B1, and it is now included in NCX family. NCLX plays an important role in mitochondrial calcium homeostasis. According to current studies, NCX is closely related with cardiovascular disease, cancer and diabetes; while NCKX participates in biological process like vision, olfaction, skin pigmentation and brain function. Researches focused on sodium-calcium exchanger can provide new ideas and new directions in clinic diseases.

sodium-calcium exchanger; molecular biology; gene

Q 428；Q 493；Q 423

A

2095-5227(2015)04-0393-04

10.3969/j.issn.2095-5227.2015.04.024

时间：2014-12-12 10:45

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20141212.1045.002.html

2014-10-24

国家自然科学基金项目(H2811，81373458)

Supported by the National Natural Science Foundation of China (H2811, 81373458)

祖源，女，在读博士。研究方向：线粒体钠钙交换蛋白在糖尿病大血管病变中作用。Email: 267146981@qq.com

李春霖，女，主任医师，主任，博士生导师。Email: Lichunlin301@163.com