成骨细胞钾离子通道研究进展

郑守超，肖 骏(综述)，李先涛(审校)

(1三峡大学医学院，江西宜昌443002;2华中科技大学附属同济医院骨科，武汉430030)

细胞膜离子通道作为一种嵌合在膜上的功能蛋白广泛分布于兴奋细胞和非兴奋细胞。在骨形成过程中，成骨细胞要经历增殖、胞外基质成熟及矿化和凋亡等一系列阶段而完成使命。许多因素(如雌二醇、机械压力等)都能通过调节间充质干细胞的成骨分化以及成骨各阶段来调控成骨细胞的功能［1］。在成骨细胞与离子通道的关系方面，研究人员早期多关注钙离子通道与成骨细胞外基质矿化的关系，但随着钾离子通道在细胞活动中诸多重要功能的不断发现，尤其是许多研究表明其参与细胞的增殖和凋亡，表明该通道在肿瘤的发病机制中扮演着重要角色，这使其成为潜在的肿瘤诊断标志和治疗靶点［2］。成骨细胞膜上钾离子通道的研究也由此成为大家感兴趣的焦点之一。现就成骨细胞膜上钾离子通道的表达与功能的研究进展作一综述。

1 钾通道的概述

依据拓朴结构，可将钾离子通道划分为三类。

1.1 电压依赖性钾通道具有6个跨膜段和1个孔区的钾通道亚型。电压门控钾通道(voltage-gated K+channels，Kv)家族和钙激活的钾通道(large-conductance Ca2+-activated potassium channels，BK)属于这一类。成骨细胞膜上表达Kv和BK。Kv通道由亚基α与调节亚基β组成，是成员最多的钾通道家族。BK通道也由亚基α与调节亚基β组成，α亚基首先是从果蝇中克隆并表达出来的，其相应位点的突变能改变膜上钙激活的钾电流，这种通道又被称作dSlo。BK通道由α亚基与β亚基组成四聚体结构，每个单体包括一个α亚基或α亚基与β亚基对的结合体。

1.2 内向整流钾通道 具有2个跨膜段和1个孔区的钾通道亚型，因其内向电流显著大于外向电流而得名。ATP敏感的钾通道就是由内向整流钾通道和磺脲类受体共同组装而成的。

1.3 双孔钾通道 20世纪90年代发现的具有4个跨膜段和2个孔区的钾通道亚型，被称为双孔钾通道。由于该通道无电压依赖性，可以在静息电位处开放，故也被称为背景钾通道或漏流通道。两孔区钾通道依据结构和功能的性质可被划分为6个亚类:TWIK-1、TWIK-2 和 KCNK7;TASK-1、TASK-3 和TASK-5;TREK-1、TREK-2 和 TRAAK;TASK-2、TALK-1和TALK-2;THIK-1和THIK-2;TRESK。两孔区钾通道的表达分布非常广泛，几乎在各种组织细胞都能发现。

2 成骨细胞钾离子通道的表达

在成骨细胞中已发现了多种类型的钾通道，包括 Kv［3-5］、BK［6-8］、双孔钾通道［9，10］、内向整流钾通道［11］以及 ATP 敏感的钾通道［12］。2009 年，Wu 等［4］通过反转录-聚合酶链反应技术探测到了三株人骨肉瘤细胞系:MG-63、Saos-2及SOSP-9607，其中有多种Kv通道基因的表达，包括 Kv1.3、Kv1.5、Kv2.1、Kv3.3/3.4、Kv4.1、Kv5.1、Kv9.3、Kcnq1、HERG 和HEAG通道等。Weskamp等［7］应用膜片钳技术记录到了成骨前体细胞系C1膜上BK和IK通道电流。Hirukawa等［8］进一步用分子生物学和电生理手段相结合的方法证实了人成骨细胞膜上存在BK和IK通道。2005年，Hughes等［11］在新分离的人成骨细胞和培养的成骨肉瘤细胞系MG-63中发现两孔钾通道TREK-1的表达，并记录到电流，同时还发现TREK2c和TRAAK通道的基因表达。Chen等［12］也发现了另一成骨细胞系UMR-201-10B中存在TREK-2的表达。在人成骨肉瘤细胞系MG-63膜上，较早就已报道存在内向整流钾电流和ATP敏感的钾通道电流。由上可见，如同兴奋细胞一样，非兴奋的成骨细胞膜上也表达多种钾离子通道，这可能与其功能密切相关。

3 成骨细胞钾离子通道的功能

3.1 钾通道在骨重塑中的作用 骨是高活性组织，通过不断地重塑修复自身微损伤，保持结构、荷载和钙的自稳态平衡。这种动态平衡就是骨重塑，也称为骨的再生循环［13］，可划分为活化、吸收、逆转、骨形成及再静止五个阶段。成骨细胞和破骨细胞是骨重塑过程中的两种主要细胞，破骨细胞完成骨的吸收功能，成骨细胞主导骨的形成功能，它们相互协调平衡骨的吸收与形成是维持骨骼结构完整的关键。成骨细胞膜上钾通道对成骨细胞的数量、形态和矿化能力均有影响，从而可能进一步影响到成骨细胞的成骨活动。

骨重塑还受成骨细胞数目和矿化能力的影响。Henney等［6］在研究成骨细胞的钾通道功能以及药理性质时发现，钾离子通道阻断剂四乙铵阻断BK通道后，能够显著增加原代培养的成骨细胞矿化，使用药物改变钾通道活性能够影响成骨细胞的数量，这表明钾通道可通过影响成骨细胞的生长和矿化来调节骨重塑。

此外，在骨形成阶段，成骨细胞形态学的改变可影响骨基质分泌和矿物沉积。研究表明钾通道参与调节成骨细胞的容积，Weskamp等［7］发现使用BK通道阻断剂能缩小成骨细胞容积，并认为钾通道与氯通道共同参与人成骨细胞容积的调节，从而进一步影响骨基质分泌和矿物沉积。这些研究结果充分表明钾通道在成骨细胞的骨重塑活动中具有重要作用。

3.2 钾通道参与信号转导 钾通道作为细胞膜上的功能蛋白还具有接受胞外信号、参与信号转导的作用。成骨细胞膜上的钾通道参与激素类物质的非基因组快速调节。已知多种钾通道的活性可受G蛋白的调节，如G蛋白耦联的内向整流钾通道和G蛋白耦联的双孔钾通道等，上游的G蛋白接受外界信号后，βγ亚基游离与下游的钾通道结合调节钾通道的开放［14］。研究表明，雌二醇能够与 BK通道的 β亚基结合，快速激活该通道［15］。在人成骨肉瘤细胞系MG-63中，Rezzonico等［10］发现地诺前列酮也可以开放BK通道。随后可募集Syk酪氨酸激酶与BK通道的α亚基结合而参与骨重塑。

成骨细胞钾通道参与机械牵张引起的骨重塑中的信号转导。Rezzonico等［9］发现在机械牵张或低渗条件下，BK通道作为张力受体，通过其α亚基与酪氨酸激酶局部黏着斑激酶的C端相互作用而进行信号转导，从而对骨重塑进行调节。双孔钾通道中的TREK通道亚类是一种机械敏感性通道，许多类型的细胞表达此种通道，细胞膜张力的变化常可激活该通道。Chen等［12］应用低张溶液作用于成骨细胞系UMR201-10B，低张刺激通过激活TREK-2通道而增加甲状旁腺素相关蛋白的表达调节骨的合成过程。Hughes等［11］发现成骨细胞中功能性表达的另一机械敏感通道(TREK-1)在骨的增殖中也扮演重要角色。

3.3 钾通道参与成骨细胞增殖和凋亡 钾离子通道可以控制细胞膜电位，因而在调节细胞的增殖和凋亡中扮演了重要角色。通常抑制钾通道可减少细胞增殖，钾通道阻断剂如4-氨基吡啶、奎尼丁和四乙胺都有抗细胞增殖的作用，钾离子通道阻断剂可以在体内外抑制肿瘤细胞的增殖生长就证明了这一点［16］。HERG通道基因在不同组织来源的肿瘤细胞中均有表达，但在相关正常组织细胞中缺乏表达，它编码的钾离子通道是肿瘤细胞凋亡和增殖的调节者，因此，HERG也被认为是有价值的肿瘤诊断标志物。电压依赖的 Kv1.3与淋巴细胞、乳腺癌细胞等增殖密切相关［2］。在钾通道调节细胞凋亡方面，钾通道的激活可导致细胞膜超极化，Cl－可顺着电位差而排出到胞外，KCl的丢失可改变渗透压而致细胞凋亡性皱缩。在红细胞中，钙敏感的钾通道也可介导类似的凋亡［2］。两孔钾通道TASK-3在乳腺癌和肺癌组织中高表达，并与人神经胶质瘤细胞的凋亡密切相关［17］。

妇女绝经期后和老年骨质疏松是骨科常见疾病，成骨细胞在骨质代谢平衡的维系中起着重要作用，它的异常增殖和凋亡与骨质疏松的发生密切相关。另外，成骨细胞肿瘤(如骨肉瘤)的发生也是因为成骨细胞增殖与凋亡的平衡遭到破坏，因此对成骨细胞的增殖与凋亡进行深入研究是解开上述疾病发病之迷的重要途径。

Wu等［4］发现人成骨细胞瘤中表达多种 Kv，非特异性的钾通道阻断剂4-氨基吡啶和氯化铯可抑制细胞的增殖，4-氨基吡啶的作用要强于氯化铯。Hughes等［11］使用 10 μmol/L 和 100 μmol/L 局麻药bupivicaine阻断MG-63细胞中的TREK-1时，发现分别使细胞增殖上调了87.8%和68.7%。阻断Kv通道和TREK-1通道对细胞增殖起到相反的作用，可见不同类型的钾通道对成骨细胞增殖会产生不同的影响，但其机制还不清楚。Henney等［6］发现低浓度钾通道阻断剂四己胺和粉防己碱作用于成骨细胞的BK钾通道后，能够增加成骨细胞的数目，而高浓度却减少成骨细胞数目，说明不同浓度的通道阻断剂对成骨细胞增殖有不同的影响。Cambien等［18］运用RNA干扰技术下调人成骨瘤细胞系Cal72的hSlo(人BK通道的成孔α亚基)表达，结果显示干预组(hSlo基因下调组)与对照组的细胞增殖率没有显著差异，1 μmol/L的BK通道阻断剂paxilline对实验组和对照组中Cal72细胞的增殖均没有显著影响。上述研究结果表明，在成骨细胞中，钾通道与细胞增殖的关系十分复杂，需要有更多的研究来澄清两者的关系。

4 结语

成骨细胞表达多种钾离子通道，但一些钾离子通道的电流及药理学特性还不清楚，有待进一步研究。钾离子通道参与成骨细胞的重塑、信号转导、增殖与凋亡，这表明钾离子通道在成骨细胞中具有重要的生理功能。尤其是钾离子通道在成骨细胞的增殖和凋亡中的作用，使其与成骨细胞肿瘤的发生紧密连接起来，人们可以把此通道作为靶点，筛选出该通道的特异性阻断剂，从而找到治疗肿瘤的特异性药物。但钾离子通道涉及的生理功能广泛，其阻断剂与细胞增殖的关系十分复杂，有待做更多的研究工作。因此，钾离子通道作为肿瘤治疗的新靶点值得进一步探讨。

［1］Ward DF Jr，Salasznyk RM，Klees RF，et al.Mechanical strain enhances extracellular matrix-induced gene focusing and promotes osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells through an extracellular-related kinase-dependent pathway［J］.Stem Cells Dev，2007，16(3):467-480.

［2］Fraser SP，Pardo LA.Ion channels:functional expression and therapeutic potential in cancer.Colloquium on ion channels and cancer［J］.EMBO Rep，2008，9(6):512-515.

［3］Li GR，Deng X，Sun H，et al.Ion channels in mesenchymal stem cells from rat bone marrow［J］.Stem Cells，2006，24(6):1519-1528.

［4］Wu J，Yang T，Gan L，et al.Effects of voltage-gated potassium channel on the proliferation of human osteosarcoma［J］.Sci Tech Engng，2009，9(16):4619-4623.

［5］Li GR，Sun H，Deng X，et al.Characterization of ionic currents in human mesenchymal stem cells from bone marrow［J］.Stem Cells，2005，23(3):371-382.

［6］Henney NC，Li B，Elford C，et al.A large-conductance(BK)potassium channel subtype affects both growth and mineralization of human osteoblasts［J］.Am J Physiol Cell Physiol，2009，297(6):C1397-C1408.

［7］Weskamp M，Seidl W，Grissmer S，et al.Characterization of the increase in［Ca2+］i during hypotonic shock and the involvement of Ca2+-activated K+channels in the regulatory volume decrease in human osteoblast-like cells［J］.J Membr Biol，2000，178(1):11-20.

［8］Hirukawa K，Muraki K，Ohya S，et al.Electrophysiological properties of a novel Ca2+-activated K+channel expressed in human osteoblasts［J］.Calcif Tissue Int，2008，83(3):222-229.

［9］Rezzonico R，Cayatte C，Bourget-Ponzio I，et al.Focal adhesion kinase pp125FAK interacts with the large conductance calcium-activated hSlo potassium channel in human osteoblasts:potential role in mechanotransduction［J］.J Bone Miner Res，2003，18(10):1863-1871.

［10］Rezzonico R，Schmid-Alliana A，Romey G，et al.Prostaglandin E2 induces interaction between hSlo potassium channel and Syk tyrosine kinase in osteosarcoma cells［J］.J Bone Mine Res，2002，17(5):869-878.

［11］Hughes S，Magnay J，Foreman M，et al.Expression of the mechanosensitive 2PK+channels TREK-1 in human osteoblasts［J］.J Cell Physi，2006，206(3):738-748.

［12］Chen X，Macica CM，Ng KW，et al.Stretch induced PTH related protein gene expression in osteoblasts［J］.J Bone Miner Res，2005，20(8):1454-1461.

［13］Deal C.Potential new drug targets for osteoporosis［J］.Nat Clin Pract Rheumatol，2009，5(1):20-27.

［14］Smrcka AV.G protein βγ subunits:central mediators of G proteincoupled receptor signaling［J］.Cell Mol Life Sci，2008，65(14):2191-2214.

［15］Hou S，Heinemann SH，Hoshi T.Modulation of BKCa channel gating by endogenous signaling molecules［J］.Physiology，2009，24:26-35.

［16］Pardo LA.Voltage-gated potassium channels in cell proliferation［J］.Physiology，2004，19(5):285.

［17］Meuth SG，Herrmann AM，Ip CW，et al.The two-pore domain potassium channel TASK3 functionally impacts glioma cell death［J］.J Neurooncol，2008，87(3):263-270.

［18］Cambien B，Rezzonico R，Vitale S，et al.Silencing of hSlo potassium channels in human osteosarcoma cells promotes tumorigenesis［J］.Int J Cancer，2008，123(2):365-371.