大电导钙激活钾通道与大动脉血管舒缩功能研究进展

张鹏、付幼林综述，罗骏审校

正常血管壁上存在3种类型的钙激活钾通道，分别称为大电导钙激活钾（BKCa）通道、中电导钙激活钾通道（IKCa）和小电导钙激活钾（SKCa）通道。其中BKCa通道在血管平滑肌细胞上表达丰富，IKCa和SKCa通道在血管内皮细胞上表达较多[1]。研究发现许多慢性心血管病变疾病与平滑肌细胞上BKCa通道结构、功能以及门控特性改变有关，从而导致血管舒缩功能障碍，本文主要对BKCa通道在大动脉血管平滑肌舒缩调节机制中的研究进展作一综述。

1 BKCa通道结构、生理功能以及影响因素

1.1 BKCa通道的结构

BKCa又称为maxi-K或KCa1.1，其电导为200～300 pS。BKCa通道由4个α亚基和4个β亚基组成，每一个α亚基结合一个起调节作用的辅助性β亚基组成四聚体结构，从而增加了BKCa通道对钙离子的敏感性和电压依赖性[2]。其中α亚基由KCNMA1基因编码，由细胞外氨基端相连的7个跨膜片段（S0～S6）以及位于细胞内与羧基端相连的4个疏水片段（S7～S10）组成。其中S2、S3结构域中的酸性位点与S4结构域中的碱性位点共同构成了电压感受器，S5、S6结构域和位于其之间的P环共同构成了钾离子选择性滤过器。细胞内羧基端结构上存在两种钾离子电导调控元件（RCK）结构域，RCK结构域与同在羧基端的钙离子球共同调节通道钙离子依从性，是钙离子敏感区域[3-5]。4个α亚基组成的8个RCK结构域构成通道的门控环[6]。β亚基含有β1～β4 四种亚型，含两次跨膜蛋白（TM），分别称为跨膜蛋白1（TM1）和跨膜蛋白2（TM2），其氨基端和羧基端位于细胞内，而细胞外大约有120个氨基酸残基组成的肽链将两者链接。Liu等[7]研究发现，TM1邻近S1和S2，TM2位于S0旁而邻近α亚单位。β亚基表达的多态性是构成BKCa通道多样性的基础[8]。在血管平滑肌细胞上主要表达β1亚基，由KCNMB1基因编码，β1亚基可增加BKCa通道对钙离子敏感性[9]。

1.2 BKCa通道的生理功能

BKCa通道具有高密度表达、大电导和多重门控机制等一系列特性，其广泛分布于血管平滑肌细胞、心肌细胞、神经细胞以及骨骼肌细胞等多种细胞中并对其功能活动起重要的调节作用。在血管平滑肌细胞中，BKCa通道除位于细胞膜中，还表达于内质网、细胞核、线粒体等[10,11]，当细胞内局部钙离子浓度增加或膜电位改变时，BKCa通道激活开放，钾离子外流，平滑肌细胞膜超极化，阻断电压依赖性钙通道，细胞内钙浓度降低，血管舒张。相反，当使用特异性阻滞剂（IBTX）阻断BKCa通道后，血管平滑肌细胞去极化可引起血管收缩，血管张力增加。因此，BKCa通道在调节血管舒缩过程中具有重要作用。

1.3 BKCa通道激活的影响因素

与其他类型离子通道不同，BKCa通道是细胞膜上唯一接受两种基本信号胞内钙离子浓度和膜电位双重调控的离子通道。当细胞膜发生去极化或细胞内钙离子浓度增加时，BKCa通道开放增加发挥其生理功能。其中胞内钙离子浓度增加包括两种途径，其一是通过细胞膜上L型电压门控钙通道开放引起的钙内流，亦称为电压依赖性钙内流。其二是通过肌浆网中钙离子释放，亦称为钙火花。BKCa通道电压依赖性激活研究较为深入的为金属镁离子[12]，通过作用于电压感受域与RCK1接口部位发挥调控作用。此外，雌激素、血红素、一氧化碳、活性氧、脂类及其代谢产物等一些内源性信号分子均可对BKCa通道发挥调控作用[13,14]。

2 BKCa通道调控血管舒缩机制

BKCa通道在大动脉内皮细胞及平滑肌细胞中均有广泛的分布，其参与大动脉的舒缩活动涉及一系列信号通路。Wang等[15]在EEH(一种大韩属植物提取物)引起内皮细胞依赖的血管舒张机制研究中发现，EEH引起的血管舒张与BKCa通道密切相关，并提出苏氨酸蛋白激酶（Akt）-内皮型一氧化氮合酶（eNOS）-环磷酸鸟苷（cGMP）和eNOS-一氧化氮（NO）-cGMP两条信号通路，其中在eNOS-NO-cGMP信号通路中，首先EEH引起主动脉内皮细胞内钙库的释放以及内流钙离子的增加引起内皮细胞去极化，内皮细胞中钙离子浓度增加将结合并激活eNOS，随之合成NO以自由扩散形式穿过细胞膜后进入平滑肌细胞结合并激活可溶性鸟氨酸环化酶。该酶使得三磷酸鸟苷（GTP）转化为cGMP，cGMP直接激活蛋白激酶G发挥抑制钙内流并减少钙对收缩刺激因素的敏感性从而舒张血管[16]。此外，cGMP也可通过BK通道直接调控，引起钾外流细胞膜超极化，阻断电压依赖钙通道的开放，引起血管平滑肌细胞内钙浓度下降从而引起血管舒张。同时，eNOS可由非钙依赖的通过激活Akt-eNOS-cGMP信号通路，其中Akt表达于内皮细胞膜，可磷酸化激活eNOS,此通路产生NO后同eNOS-NO-cGMP信号通路。此外，Lunardi等[17]在新型NO合成研究中亦提出，RUNOCL引起的主动脉血管舒张是通过NO-cGMP依赖的BK通道激活机制。因此，我们认为，在以上两条信号通路中NO以及cGMP的含量具有重要的调节作用，增加或减少NO、cGMP均可通过BK通道调节血管的舒缩活动。Shen等[18]在研究白藜芦醇引起主动脉血管舒张的机制中亦提出，白藜芦醇通过NOGC-cGMP通路增加细胞内cGMP含量同时，亦可抑制细胞内磷酸二酯酶活性，从而抑制cGMP的降解明显增加细胞内cGMP含量，调节血管张力。除NO和cGMP含量调控BKCa通道外，Li等[19]在研究西洛他唑通过BKCa通道引起胸主动脉舒张机制中发现，西洛他唑通过增加cAMP含量激活蛋白激酶A（PKA）信号通路从而激活BKCa通道调节血管张力。

2.1 分子生物学机制

BK通道由4个α亚基及4个β亚基组成，每个α亚基结合一个起调节作用的辅助性β亚基形成通道四聚体结构，β亚基的多态性是构成BK通道生物多样性的基础，在心血管平滑肌上表达的主要是β1亚基，由KCNMB1基因编码，β1亚基可增加BKCa通道对钙离子的敏感性，调控通道的激活，其具体调控机制认为是增加BKCa通道对钙离子的敏感性，使静息膜电位处于更负的状态更靠近其阈值，减小激活BKCa通道所需的刺激强度。因此,不管是β1亚基质或量的改变都将影响BKCa通道功能，影响其对血管舒缩功能的调节。在引起心血管系统慢性病变常见的疾病中，如高血压、糖尿病、尿毒症、动脉硬化等疾病中均有报道血管平滑肌中BKCa通道β1亚基表达的改变，进而影响血管的舒缩活动[20-24]。正常细胞功能的顺利进行依赖于体内蛋白的合成与降解处在一个平衡状态，在哺乳动物体内细胞中80%～90%的蛋白降解依赖于泛素蛋白酶体系统（UPS)[25]。Yi等[26]在糖尿病血管平滑肌BKCa通道β1亚基表达的调节中提出，肌环指蛋白1（MuRF1）参与BKCa通道β1亚基的调节，通过UPS使其降解，其中MuRF1的表达受NF-κB的调节[27]，在糖尿病血管病变中NF-κB表达上调通过MuRF1加速BK β1亚基的蛋白水解作用。此外，众所周知，在氧化应激中，NF-κB复合体的激活是心血管疾病病理生理中关键的起始环节[28-30]。NF-κB复合 体 是 由 p65（RelA）、RelB、c-Rel、p105/p50（NF-B1）)或 p100/p52（NF-B2）亚基组成，在未受刺激的细胞，p65（RelA）与抑制性亚基（IκB）结合，使其在细胞质中保持无活性状态。IκB激酶引起的IκB磷酸化作用使其与p65分离，将促进p65与p50或p65与p52聚合促进其转录活动[31]。此外，未结合磷酸化的IκB则被UPS降解，MuRF1就是受NF-κB调节的目标基因[27]。吴宾等[32]在姜黄素调控糖尿病小鼠主动脉BKCaβ1亚基表达中亦证实，糖尿病组MuRF1、NF-κB较对照组明显增加。除了NF-κB/MuRF1依赖的β1亚基降解外，Nieves-Cintron等[33]在血管紧张素Ⅱ诱发的高血压大鼠模型中发现，钙调磷酸酶/NFATC3信号通路亦可抑制BKβ1亚基的表达。当BKCa通道β1亚基表达减少时，BKCa通道对钙离子及膜电压的敏感性降低，从而影响其对血管张力的调节。

2.2 细胞电生理机制

细胞电生理研究显示，多种因素可通过改变BK通道其门控特性而调节血管张力，如Zhao等[34]在运动改变主动脉血管平滑肌BK通道门控特性中发现，定期有氧运动可显著增加BK通道开放概率，减少平均关闭时间，增加平均开放时间，同时增加其对钙离子及电压的敏感性，但对其电导及离子选择性则无改变。金属镁离子亦是通过改变其门控特性而发挥作用，Yang等[12]发现，镁离子与金属离子结合位点相结合，通过作用于电压感受域与RCK1结构域间的接口部位电压依赖性介导激活BKCa通道；表现为平均开放时间及数量增加，平均关闭时间减少及增加BKCa通道的开放概率[14]。总体而言，BKCa通道开放时间的延长以及关闭时间的缩短将增加平滑肌细胞内钾离子的外流，引起细胞膜超极化，阻断电压依赖性钙通道，导致钙内流减少，从而舒张血管。

3 总结与展望

BKCa通道在机体广泛表达，参与众多生理、病理过程。随着血管平滑肌细胞上BKCa通道结构、功能及其调控机制研究研究的深入，发现其与高血压、糖尿病、动脉硬化、肾功能衰竭等一系列心血管危险因素密切相关。这些危险因素通过一系列途径及细胞信号转导机制引起血管平滑肌上BKCa通道的表达以及门控特性的变化，从而引起胞内外离子平衡的改变，进而导致血管舒缩功能障碍，表现为血管张力的改变，最终加重心血管疾病的发展。因此，BKCa通道可能是许多心血管疾病潜在的治疗靶点，有助于为开阔心血管疾病治疗提供新思路。