超极化激活的环核苷酸门控的阳离子通道与神经疾病关系的研究进展

王 巍综述， 冯加纯审校

二十世纪70年代末和80年代初，人们在心脏窦房结细胞和神经元发现了一类称为超极化激活的环核苷酸门控的阳离子通道(hyper polarization-activated cyclic nucleotide-gated cation channel，HCN)，该通道是一类有孔阳离子通道，激活可产生Ih电流(hyper polarization-activated current)，所以本质上HCN也代表着Ih电流。HCN通道的激活依赖于膜的超级化，对Na+、K+具有通透性，受细胞内环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophos phate，cAMP)的易化调节并能被细胞外铯离子(Cs+)阻断。HCN通道主要表达于心脏和神经系统，控制着起搏细胞的节律性活动和神经元自发放电活动，并广泛参与稳定细胞膜电位、心脏和神经节律调节、树突整合以及调节神经递质释放等生理功能。本文主要就HCN通道的基本结构、生理特性、在神经系统中的分布及与慢性脑缺血、癫痫、神经病理性疼痛之间的关系作以综述。

1 HCN的概述

该通道的分子结构与其他有孔阳离子通道类似，但是却具有在膜超级化时被激活、对Na+、K+具有通透性、受细胞内cAMP的易化调节并被细胞外Cs+阻断等独特的生理特性。此外，HCN还受到多种蛋白及小分子物质的调节。

1.1 HCN的基本结构 迄今为止，人们发现在哺乳动物中共存在4种HCN通道亚型(HCN1～HCN4)，每个亚型均由4个亚基构成的同源四聚体组成，而每个亚基又由3个重要的结构模块组成:(1)跨膜的核心区:由6个跨膜α螺旋片段(S1～S6)组成，其中S4(带正电荷的电压感受器)和P区(S5-S6之间的片段，离子通过孔)是该模块中的重要功能区;(2)COOH末端:包括cAMP结合区(cyclic nucleotide banding domain，CNBD)和C-linker(连接跨膜结构与CNBD的氨基酸片段)，CNBD不仅调节HCN活化过程，而且调控HCN在细胞膜上的表达［1］。这2个区域调节cAMP与通道的结合过程，在序列上高度保守，HCN活化时核心区和CNBD均发生别构调节;(3)NH2末端下游变异性较大，一致性低。

1.2 HCN的生理特性 HCN的结构决定其生理特性，主要有以下特点:(1)细胞膜超极化时被激活。几乎所有的电压门控通道都是在膜电位去极化时激活，而HCN的激活则依赖于细胞膜的超极化。HCN的激活电位为一50～70mV，接近大多数细胞的静息电位，HCN在此电位水平部分激活;当膜超极化至-100mV时，通道可被完全激活。(2)对Na+、K+均具有通透性。在静息状态下部分活化的HCN，允许大量Na+内流、少量K+外流，从而形成一个净内向电流，当膜电位去极化达到动作电位阈值时，即形成动作电位。(3)可被细胞外Cs+阻断。Cs+是非选择性HCN通道阻滞剂，较低浓度时几乎可将HCN通道完全阻滞，同时还可阻断其它K+通道。此外，人们又发现一些能特异性阻断HCN通道的有机复合物，包括 ZD7288、UL·FS49、DK-AH 268、S-16257、EC18和 MEL57A，其中，EC18和 MEL57A分别是HCN1和HCN4的特异阻滞剂［2］，ZD7288是常用的工具药。(4)受胞内的cAMP易化调节。cAMP与CNBD结合后，通道开放速度加快。多种神经递质可改变cAMP水平进而调控HCN通道，如去甲肾上腺素(NA)、5一羟色胺(5-HT)、乙酰胆碱(ACh)、前列腺素(PGE2)等［3］;HCN 通道除受胞内cAMP的调节外，还受到一些蛋白及细胞内外小分子物质的调节，这些物质包括酸性脂质、质子、氯离子、Src激酶介导的酪氨酸激酶磷酸化、p38丝裂原活化蛋白激酶(p38-mitogen activated protein kinase，p38-MAPK)及跨膜和细胞基质蛋白等。其中酸性脂质PIP2、H+、p38-MAPK、神经支架蛋白在神经系统中发挥了显著的调节作用［4］，它们通过调控HCN通道在神经元上的表达及细胞特定区域的分布，最终影响神经元兴奋性和放电频率。明确HCN的分子结构、功能及调节机制，在阐明其生理功能中尤为重要。

1.3 HCN在神经系统中的分布 HCN具有一定的组织和细胞特异性，主要集中于心脏和神经系统。在中枢神经系统中，HCN 4种亚型分布各不相同，(1)HCN1在新皮层、海马、小脑皮层、脑干及脊髓均有表达，在大脑皮质第V层锥体神经元高度表达，而在皮质其它层没有表达;(2)HCN2数量多、分布广、几乎表达于整个脑组织，其中以丘脑和脑干神经核表达最多;(3)HCN3表达微弱，仅在嗅球和下丘脑核少许表达;(4)HCN4在神经系统表达较少，仅在一些区域低度表达，如内侧缰核、丘脑、嗅球僧帽细胞层和基底神经节［5］;脊髓上也有少许表达。在周围神经系统背根神经节中，HCN1 表达最为丰富，依次是 HCN2、HCN3 和 HCN4［6］。这一分布特点与其功能密切相关。

3 HCN与神经系统疾病的关系

HCN在神经系统广泛表达并发挥重要的神经生理功能。人们发现，HCN与慢性脑缺血、癫痫和神经病理性疼痛密切相关。

3.1 HCN与慢性脑缺血的关系

3.1.1 海马与学习记忆 海马是学习记忆形成的重要组织，相关电生理研究表明:记忆形成机制是内嗅皮层(entorhinal cortex，EC)Ⅱ/Ⅲ层接受皮层的输入信息，经前穿质纤维(perforant path，pp)→海马齿状回颗粒细胞;颗粒细胞发出的苔状纤维(mossyfiber)→CA3锥体细胞;CA3锥体细胞发出的Schaffer侧支→CA1锥体细胞上可记录长时程增强(long-term potentiation，LTP)。可见海马CA1区是记忆形成及储存的重要功能区域。目前普遍认为海马受损是学习记忆形成障碍的主要原因之一，对认知障碍的研究主要集中于对海马的研究，尤其是CA1区的研究。研究证实4种HCN亚型中，HCN1在海马CA1区高度表达，将大鼠HCN1敲除后多种形式的学习记忆受损。研究表明，HCN1控制ECⅡ层网状细胞静息和活化状态的整合过程及特性影响学习与记忆［7］，并且HCN1敲除大鼠海马CA1区的范围及稳定性均增加，突触整合、LTP和网络活动均明显增强，空间学习记忆能力也显著提高，机制可能与EC输入CA1区的信息增多有关［8］。以上研究结果提示学习记忆形成依赖于海马，并且在海马高度表达的HCN1与学习记忆存在必然的联系。

3.1.2 HCN与学习记忆 HCN在神经系统中参与调节和控制长时程增强、树突整合、学习记忆、运动学习等功能，而这些神经生理功能又与学习记忆形成密切相关。LTP和LTD是学习和记忆形成的基本机制，是突触可塑性的功能性指标之一，抑制其功能可导致学习记忆形成障碍。Tsay D等［9］证明HCN1敲除鼠空间学习记忆功能较正常鼠明显增强，海马LTP和树突兴奋性明显提高。还有研究表明HCN1敲除的大鼠可使海马CA1区的LTD较野生鼠明显增强，应用ZD7288阻滞野生鼠的HCN后，也可得到相似的结果［10］。提示HCN1与空间学习记忆功能密切相关，可能的机制是HCN1抑制海马LTP和LTD有关，从而影响空间学习和记忆的形成。HCN除与空间学习记忆相关，Nolan MF等［11］还发现HCN1基因敲除鼠学习记忆能力增强的同时对于复杂和重复动作的学习能力明显下降。提示HCN与复杂运动学习呈正相关。此外，在学习和记忆形成过程中，对信息接受及处理需准确无误，突触传递及树突整合功能确保了信息传递及处理的精确性。树突整合是树突可将多个不同时间、不同部位到达突触的EPSPs进行整合，从而将整合后的电信号传至胞体，产生动作电位，最终完成信息传递。在这一过程中，只有远端和近端的EPSPs同时到达胞体，才能保证信号传递无误。HCN可以加快EPSPs的产生和消灭，HCN在神经元树突上呈梯度分布(远端多、近端少)，远端的EPSPs传递时程变短，这样远端与近端的电信号同时到达胞体［12］，表明HCN可通过使树突近端和远端携带相同的信息，从而提高神经元处理信息的能力，参与神经元树突整合过程。但Angelo等人［13］认为，树突整合功能并非取决于HCN分布特点，而是由HCN的总量决定。总之，HCN1表达改变，可引起信息传递及处理能力受损，最终导致学习及记忆形成障碍。

3.1.3 HCN与慢性脑缺血 慢性脑缺血是各种原因引发的长期慢性脑血流灌注不足导致的以持久或进展性认知功能障碍为主要特点的一组疾病。而认知障碍最主要的特点是学习及记忆能力下降，在神经科学研究中通常将空间学习记忆能力下降程度作为评价认知障碍程度的指标。脑组织的不同部位对缺血的耐受性不一样，具有组织和细胞特异性。海马CA1区锥体细胞对缺血缺氧特别敏感，称为选择性缺血易损细胞。动物实验及临床观察表明脑缺血引起海马CA1区锥体细胞的丢失，可使空间记忆形成发生困难。由于HCN1在海马高度表达并参与各种形式学习记忆的形成，人们猜想是否HCN1表达改变是否与慢性脑缺血导致认知障碍有关。喻欣等人［14］应用行为学研究，观察到小鼠连续反复多次缺氧后，可导致学习记忆功能减退，同时采用原位杂交方法发现小鼠海马HCN1 mRNA表达下降;研究发现CsCl可以抑制海马谷氨酸的释放，反复多次给予小鼠CsCl后，亦出现学习记忆下降。提示学习记忆功能可能与HCN通道调节海马氨基酸递质释放有关。Li等人［15］研究发现慢性脑缺血大鼠的空间学习和记忆功能明显下降，长时程增强减弱，同时采用原位杂交和RT-PCR技术均检测到海马CA1区和皮层HCN1 mRNA明显减少。一系列的证据表明HCN与慢性脑缺血导致的认知障碍密切相关，但其具体机制尚有待于进一步研究。

3.2 HCN与癫痫 癫痫是由脑部神经元自发高度同步化异常放电导致的一种慢性神经疾病，严重影响患者的生活质量、威胁人类健康。癫痫发病机制极其复杂，迄今尚未完全明确，目前认为离子通道变异是引起神经元自发放电与癫痫发生的主要原因之一。HCN是控制神经元自发放电的重要通道，人们推测HCN表达异常可能导致癫痫发作。许多抗癫痫药物，如拉莫三嗪、加巴喷丁、乙酰唑胺和乙琥胺等可直接或间接作用于HCN通道，从而达到抗癫痫的效果，提示二者之间存在某种必然联系。

近期Jung S等人研究发现［16］，癫痫持续状态后，海马锥体神经元中HCN mRNA、蛋白表达均迅速下降。这一结果在临床中也得到印证，临床症状严重的颞叶癫痫或额叶癫痫患者的新皮层Ih电流明显减少［17］。既然癫痫后会导致HCN表达发生改变，那么HCN缺失是否会导致癫痫?对基因鼠的研究证实了这一假设。研究发现，HCN2基因敲除鼠可自发出现失神发作，其丘脑皮层和丘脑接替神经元Ih几乎完全缺失，残留的Ih激活缓慢并处于超级化水平，因此更容易发生自发放电，导致典型棘波放电。应用红藻氨酸和毛果芸香碱诱发大鼠发生癫痫持续状态，HCN1敲除鼠癫痫发作的潜伏期较正常大鼠明显缩短，并且相对较低的剂量既可诱发基因鼠癫痫发作［18～20］。Wierschke 等［21］运用单细胞膜片钳技术，记录取自96例颞叶癫痫和32例额叶癫痫患者手术切除脑组织的第Ⅱ或Ⅲ层神经元细胞的Ih电流，发现颞叶癫痫及发作频率高的患者，平均电流密度小，提示额颞叶癫痫患者皮质神经元HCN1缺损，神经元兴奋性增加，可能诱发癫痫发作。综上，HCN通道缺乏，癫痫易感性增高，究竟是HCN表达改变异常导致癫痫，还是癫痫致使HCN发生代偿性改变，还有待进一步阐明。

3.3 HCN与神经病理性疼痛 神经病理性疼痛是以自发性疼痛、痛觉过敏和痛觉超敏为特征的一类神经疾病，其致病因素可能包括创伤、病毒感染、代谢性疾病、血管疾病和自身免疫病等。目前没有有效的治疗方法。目前认为损伤神经元异常自发放电是该疾病的电生理特点，大量研究证明HCN介导的神经元异位放电是导致神经病理性疼痛发生的重要原因之一［22］。Takasu K［23］等人将小鼠坐骨神经部分结扎制作神经病理性疼痛模型，随后给予腹腔和鞘内注射ZD7288，模型鼠对热和机械刺激的敏感性显著降低。给予其它神经病理性疼痛的模型疼痛部位局部注射ZD7288可达到显著的镇痛效果。此外，Yeon KY等人应用丁子香酚阻滞三叉神经的Ih电流，可有效消除眶下神经损伤和三叉神经痛引发的触摸痛［24］。人们发现HCN2通道在脊髓背侧角第Ⅰ-Ⅱ层椎板中表达，Papp I等人给大鼠一侧后爪注入CFA，诱发大鼠一侧后爪发生炎症反应诱发疼痛，随后通过免疫标记法检测到脊髓背侧角第Ⅰ-Ⅱ层椎板HCN2明显增多［25］。提示HCN2亦参与慢性炎症性神经疼痛。进一步研究将HCN2敲除鼠的神经人为损伤后，则不发生神经痛［26］。由此推断可能是因为HCN2驱动动作电位发放而引发神经病理性疼痛。这一系列研究表明，HCN/Ih电流参与神经病理性疼痛的发生。

4 小结与展望

尽管HCN通道在上个世纪后期才被发现，但是由于它在心脏及神经系统发挥着重要的生理功能，在发现该通道的几十年里，人们便明确HCN的结构、特性、调节机制、表达及功能等，并成功将其克隆。HCN在脑中分布广泛并参与多种神经生理功能，其表达、分布和功能异常与慢性脑缺血、癫痫、神经病理性疼痛、等神经系统疾病存在一定关系。所以对HCN深入而细致的研究，为HCN如何参与神经系统疾病的病理生理过程提供理论依据，并能进一步发现与该通道有关神经系统疾病，并为这些疾病的预防及治疗提供新的药物靶点。

［1］NazzariH，AngoliD，Chow SS，etal.Regulation of cell surface expression of functional pacemaker channels by amotif in the B-helix of the cyclic nucleotide-binding domain［J］.Physiol Cell Physiol，2008，295:C642-C652.

［2］岳 鑫，王均辉，秦绿叶，等.HCN通道在神经系统中的功能和作用［J］.生理科学进展，2008，39(3):247-250.

［3］Del Lunqo M，Melchiorre M，Guandalini L，etal.Novel blockers ofhyperpolarization-activated current with isoform selectivity in recombinant cells and native tissue［J］.Br JPharmacol，2012，166(2):602-616.

［4］Biel M，Wahl-Schott C，Michalakis S，etal.Hyperpolarization-activated cation channels:from genes tofunction［J］.Physiol Rev，2009，89:847-885.

［5］涂会引，万 有.超级化激活环核苷酸门控的超级化阳离子通道在神经系统中的分布及功能［J］.神经损伤与功能重建，2006，1(1):45-48.

［6］Chaplan SR，Guo HQ，Lee DH，etal.Neuronal hyperpolarization-activated pacemaker channels drive neuropathic pain［J］.Neurosci，2003，23:1169-1178.

［7］Nolan MF，Dudman JT，Dodson PD，etal.HCN1 channels control resting and active integrative propertiesof stellate cells from layer IIof the entorhinal cortex［J］.Neurosci，2007，27(46):12440-12451.

［8］Hussaini SA，Kempadoo KA，Thuault SJ，etal.Increased S ize a nd Stability of CA1 and CA3 Place Fields in HCN1 KnockoutMice［J］.Neuron，2011，72(4):643-653.

［9］Tsay D，Dudman JT，Siegelbaum SA.HCN1 channels constrain synaptically evoked Ca2+spikes in distal dendrites of CA1 pyramidal neurons［J］.Neuron，2007，56:1076-1089.

［10］Tokay T，Rohde M，Krabbe S，etal.HCN1 channels constrain DHPG-induced LTD at hippocampal Schaffer collateral-CA1 synapses［J］.Learn Memory，2009，16(12):769-776.

［11］Nolan MF，MalleretG，Lee KH，etal.The hyperpolarization-activated HCN1 channel is important formotor learning and neuronal integration by cerebellar Purkinje cells［J］.Cell，2003，115:51-564.

［12］Lorincz A，Notomi T，Tamas G，etal.Polarized and compartment-dependent distribution of HCN1 in pyramidal cell dendrites［J］.Nat Neurosci，2002，5:1185-1193.

［13］Angelo K，London M，Christensen SR，etal.Local and global effects of I(h)distribution in dendrites ofmammalian neu-rons［J］.Neurosci，2007，27:8643-8653.

［14］喻 欣.超极化激活-环核苷酸门控的阳离子通道对小鼠学习记忆功能的影响及机制的研究［D］.华中科技大学，博士学位论文.1-80.

［15］Li S，He Z，Guo L，etal.Behavioral alterations associated with a down regulation of HCN1mRNA in hippocampal cornusammon 1 region and neocortex after chronic incomplete global cerebral ischemia in rats behavioral alterations associated with a down regulation of HCN1 mRNA in hippocampal cornus ammon 1 region and neocortex after chronic incomplete global cerebral ischemia in rats［J］.Neuroscience，2010，165(3):654-661.

［16］Jung S，Warner LN，Pitsch J，etal.Rapid loss of dendritic HCN channel expression in hippocampal pyramidal neurons following status epilepticus［J］.Neurosci，2011，31(40):14291-14295.

［17］Wierschke S，Lehmann TN，Dehnicke C，etal.Hyperpolarization-activated cation currents in human epileptogenic neocortex［J］.Epilepsia，2010，51:404-414.

［18］Huang Z，Walker MC，Shah MM.Loss of dendritic HCN1 subunits enhances cortical excitability and epileptogenesis［J］.Neurosci，2009，29，10979-10988.

［19］Santoro B，Lee JY，Englot DJ，etal.Increased seizure severity and seizure-related death inmice lacking HCN1 channels［J］.Epilepsia，2010，51(8):1624-1627.

［20］Wierschke S，Lehmann TN，Dehnicke C，etal.Hyperpolarization-activated cation currents in human epileptogenic neocortex［J］.Epilepsia，2010，51:404-414.

［21］Wierschke S，Lehmann TN，Dehnicke C，etal.Hyperpolarization-activated cation currents in human epileptogenic neocortex［J］.Epilepsia，2010，51:404-414.

［22］卢大力，林 春.HCN通道与疼痛之间关系的研究进展［J］.福建医科大学学报，2010，44(2):154-156.

［23］Takasu K，Ono H，Tanabe M.Spinal hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated cation channels at primary afferent terminals contribute to chronic pain［J］.Pain，2010，151(1):87-96.

［24］Yeon KY，Chung G，Kim YH，etal.Eugenol reversesmechanical allodynia after peripheral nerve injury by inhibiting hyperpolarizationactivated cyclic nucleotide-gated(HCN)channels［J］.Pain，2011，152(9):2018-2016.

［25］Papp I，Hollo’K ，Antal M.Plasticity of hyperpolarization-activated and cyclic nucleotide-gated cation channel subunit 2 expression in the spinal dorsal horn in inflammatory pain［J］.Eur Neurosci，2010，32(7):1193-1201.

［26］Emery EC，Young GT，Berrocoso EM，etal.HCN2 ion channels play a central role in inflammatory and neuropathic pain［J］.Science，2011，333(6048):1462-1466.