胰岛素促进低血钾型周期性麻痹机制的研究进展

智红叶，姚合斌

胰岛素促进低血钾型周期性麻痹机制的研究进展

智红叶，姚合斌

低血钾型周期性麻痹(hypokalemic periodic paralysis，HPP)是一组与细胞内外K＋跨膜转移异常相关的疾病。该病在发病前通常伴有明显的诱因，这些诱因均可导致体内胰岛素水平升高，促进细胞外K＋向细胞内转移，从而诱发HPP的发作。HPP患者骨骼肌细胞膜上存在通道基因CACNA1S或SCN4A突变。胰岛素在突变基础上激发HPP的发作。作者对其相关机制的研究进展进行综述。

胰岛素；低血钾；周期性麻痹；Na＋-K＋-ATP酶；信号通路

体内绝大多数K＋都分布在细胞内，其中80%又分布在骨骼肌细胞内，细胞外K＋仅占体内K＋的2%，而且细胞内K＋浓度约为细胞外液中的35倍，而细胞外液中Na＋的浓度约为胞质内的10倍，如此巨大的浓度梯度差由Na＋-K＋-ATP酶维持。Na＋-K＋-ATP酶又称为Na＋-K＋泵，是镶嵌在哺乳动物细胞膜上的一种膜蛋白。每分解1分子ATP可将3个Na＋移出细胞外，同时将2个K＋移入细胞内。体内短期或急骤的K＋负荷主要由骨骼肌细胞质膜上的Na＋-K＋-ATP酶来调节[1-2]。

低血钾型周期性麻痹(hypokalemic periodic paralysis，HPP)典型临床特征为低钾血症和由其引发的肌肉麻痹。低钾血症按病因不同可分为转移性低钾血症、缺钾性低钾血症及稀释性低钾血症。HPP属于转移性低钾血症，即体内总K＋浓度正常，由于细胞外K＋转移至细胞内，细胞内外K＋异常分布而引起的血中K＋浓度下降。HPP主要分为原发性HPP和继发性HPP(甲状腺功能亢进性周期性麻痹为主)。现已发现该病确实存在着与某些离子通道相关的基因位点的突变。原发性HPP患者骨骼肌细胞膜上特异性表达的电压闸门型Ca2＋、Na＋通道基因存在着突变，其中约60%病例是由Ca2＋通道基因CACNA1S错义突变所致，20%病例是由Na＋通道基因SCN4A突变导致，而20%病例病因未明，故认为原发性HPP是一种与骨骼肌离子通道异常有关的常染色体显性遗传病[3-4]。在甲状腺功能亢进性周期性麻痹中，骨骼肌上也发现了相关离子通道突变，即内向整流K＋通道(Kir2.6)的突变，其阳性率在甲状腺功能亢进性周期性麻痹中占1%～33%[5]。离子通道的突变如何导致骨骼肌细胞膜离子的通透性发生改变，如何改变细胞内外K＋的平衡，成为HPP的发病机制研究的热点。有研究表明，突变的离子通道会产生非选择性内向性阳离子的渗漏，也称为闸孔电流，导致骨骼肌细胞内Na＋负荷的增加，进而激活Na＋-K＋-ATP酶的活性，代偿性地将3个Na＋转移到细胞外，同时将细胞外2个K＋转移至细胞内，致使低血钾的发生[6]。但携带突变基因的患者平时并不发病，一般只有在诱因的作用下才发病，如饱餐、大量高碳水化合物的饮食、剧烈运动后休息时等，这些诱因均可导致体内激素水平的变化，尤其是胰岛素水平升高。因此，作者就其作用、分子机制以及在HPP发生中的作用进行综述。

1 胰岛素促进血中K＋跨膜转移及其机制

1.1 胰岛素促进血中K＋跨膜转移的研究 消化道或静脉滴注的钾溶液首先分布在细胞外液，包括血液，然后需Na＋-K＋-ATP酶转运至细胞内，而转移量的多少与吸收入血中总K＋浓度呈负相关。有实验显示胰岛素通过促进血中K＋跨膜转移而降低血中K＋浓度，并且在临床上也经常使用胰岛素这种作用来治疗高钾血症[7]。研究显示，胰岛素能增加离体大鼠肌肉细胞K＋的流入和Na＋的排出，导致细胞外K＋的减少及Na＋的增多，而这种作用可以被Na＋-K＋-ATP酶抑制剂(毒毛旋花苷G)所抑制，因此推测胰岛素是通过调控Na＋-K＋-ATP酶来影响血中K＋浓度[8]。

在对HPP患者体内多种激素水平进行动态观察中，发现多种激素与细胞内外K＋跨膜转移有关，且患者在发作时部分内源性激素水平变化显著，因此激素变化在HPP的发病中起着重要的作用，尤其是胰岛素水平。HPP患者存在着高胰岛素血症，且伴有Na＋，K＋-ATP酶活性的增加。李财峰等[9]对48例HPP患者行口服糖耐量实验并测定血糖、胰岛素，计算胰岛素抵抗指数；结果显示HPP患者的胰岛素抵抗指数为0.97±0.53，正常对照组胰岛素抵抗指数为0.09±0.59，HPP患者几乎是正常对照组的10倍，差异有统计学意义(P＜0.001)，且各个时间点胰岛素水平均高于正常对照组，说明HPP患者确实存在胰岛素抵抗和高胰岛素血症；HPP患者在发病期间，血中K＋浓度低于缓解期，但胰岛素水平不仅显著高于正常对照组而且也显著高于其缓解期，同时Na＋-K＋-ATP酶活性也显著高于正常对照组，反映胰岛素水平及Na＋-K＋-ATP酶活性与低血钾有相关性。

1.2 胰岛素促进血中K＋跨膜转移的分子生物学机制 胰岛素促进细胞外K＋向细胞内转移主要是通过调控骨骼肌细胞膜上Na＋-K＋-ATP酶的活性来实现的。Na＋-K＋-ATP酶是一个由α、β及FXYD亚基组成的寡聚体，其最小功能单位则是由一个α亚基和一个β亚基以非共价结合组成的二聚体[10]。其中，α亚基是催化亚基，它包含了ATP、Na＋、K＋、Mg2＋及一些蛋白激酶如蛋白激酶C、磷酸肌醇-3-激酶的结合位点；β亚基主要负责酶α亚基从内质网合成位置转位到细胞质膜上；FXYD亚基则是调节Na＋泵的辅助成分，可以与α亚基和β亚基结合调节Na＋-K＋-ATP酶的转运功能。目前发现FXYD家族蛋白至少有12个亚群，表达有组织依赖性和特异性；其中，FXYD1主要在骨骼肌和心肌中表达，是细胞膜上蛋白激酶(protein kinases，PK)A和PKC重要的基底物，对骨骼肌细胞膜上的Na＋-K＋-ATP酶有重要的调控作用。FXYD1本身对Na＋-K＋-ATP酶有抑制作用，而通过PKA和PKC磷酸化后的FXYD1可以消除对Na＋-K＋-ATP酶的这种抑制作用[11]。Na＋-K＋-ATP酶受多种因素的调控，即细胞内Na＋、K＋浓度、激素以及运动等，它们主要通过调节酶本身的活性、亚单位的分布以及细胞质膜上的数量而影响其活性。其中激素对Na＋-K＋-ATP酶的调节分为短时调节和长时调节，短时调节主要是酶在空间位置上的改变，并没有新蛋白的合成，主要包括酶的翻转率、对底物的亲和性以及从细胞器或胞质内转移到质膜上；长时调节主要是酶亚基mRNA和蛋白水平的改变[12]。胰岛素、甲状腺素、肾上腺素等激素既可以通过短时调节影响细胞质膜上Na＋-K＋-ATP酶的活性及数量，也可以通过长时调节来影响其总体表达量。

胰岛素对Na＋-K＋-ATP酶活性的调节主要通过以下机制包括酶催化亚基(α亚基)可逆的共价修饰、酶对Na＋的亲和性以及细胞质膜上Na＋-K＋-ATP酶的数量。胰岛素可以通过细胞外调节蛋白激酶(ex-tracellular regulated protein kinases，ERK)磷酸化Na＋-K＋-ATP酶上α亚基，进一步促进酶的活性和酶转位到细胞质膜上，ERK依赖的Na＋-K＋-ATP酶α亚基磷酸化是Na＋泵激活的一个触发信号[13]；胰岛素也会增加Na＋-K＋-ATP酶对Na＋的亲和性；实验证实在青蛙骨骼肌上，胰岛素能刺激Na＋-K＋-ATP酶从细胞池内转位到细胞膜上，增加骨骼肌细胞膜上的Na＋-K＋-ATP酶的数量[14]。FXYD1是骨骼肌上Na＋-K＋-ATP酶的一个重要调控亚基。FXYD1本身与α亚基结合可以降低Na＋-K＋-ATP酶与Na＋的亲和性及最大动作电位速度，对Na＋-K＋-ATP酶有抑制作用，而通过PKA和PKC磷酸化后的FXYD1会解除FXYD1-α-亚基的相互作用增加酶活性[15]。胰岛素和肾上腺素都可以诱导FXYD1的磷酸化，它们通过PKA或PKC途径使FXYD1的63位或68位氨基酸磷酸化，增加Na＋-K＋-ATP酶与Na＋的亲和力，并提高反应速度，加速将K＋转移至细胞内[16]。

有研究发现，胰岛素是通过ERK1/2磷酸化α亚基途径增加Na＋-K＋-ATP酶活性或刺激Na＋-K＋-ATP酶α1和α2亚基从细胞池内转位到细胞质膜上的，在Na＋-K＋-ATP酶α亚基的序列中存在着的ERK磷酸化位点，其中α亚基上的Thr-Pro序列也是特定的ERK基底物[13]。胰岛素诱导Na＋-K＋-ATP酶的活化、磷酸化以及易位到细胞质膜上的过程可以被MEK1/2(细胞外调节蛋白激酶1/2的上游激酶)抑制剂(PD98059)所抑制，同时也能被磷脂酰肌醇-3，4，5-三磷酸激酶抑制剂(Wortmannin)及PKC抑制剂(GF10903X)阻止[13，17]。因此，胰岛素调节Na＋-K＋-ATP酶的过程主要是通过磷脂酰肌醇-3激酶(phosphoinositide 3-kinase，PI3K)、非典型蛋白激酶、细胞外调节蛋白激酶1/2途径实现的[18-19]。

2 胰岛素在HPP中诱发低钾血症发生的可能机制

临床观察到HPP患者存在高胰岛素血症[20]，但未发现与K＋跨膜转移直接相关的Na＋-K＋-ATP酶异常，却发现通道基因CACNA1S和SCN4A以及个别K＋通道基因的突变，提出HPP可能由于突变通道所产生的闸孔电流导致细胞内Na＋负荷增多，进而激活Na＋-K＋-ATP酶出现低钾血症假说。但最新研究显示，细胞内Na＋负荷增多是继发于低血钾的，轻度低血钾会引起Na＋-K＋-ATP酶的抑制，使细胞内Na＋和Ca2＋超载；激活钙调蛋白激酶Ⅱ，再顺序激活延迟Na＋通道和L型Ca2＋通道，进一步加强和恶化了细胞内Na＋和Ca2＋的超载，研究结果与上述假说相悖[21]。目前，在HPP患者中所发现的基因突变主要是在CACNA1S跨膜域的电压感受器片段，其次是SCN4A，与K＋跨膜转移并不直接相关，而与K＋跨膜外向扩散相关的K＋通道仅有个别发现阳性突变，但不具有代表性，负责K＋向细胞内跨膜转移的Na＋-K＋-ATP酶的α、β和FXYD1亚基均无阳性发现[22-23]。再结合HPP患者虽然携带突变基因，但大多数情况下并不发病，只有在一定的年龄段和诱因如高碳水化合物的饮食或者应激等作用下才发病。这提示HPP患者携带的突变基因仅是一个致病基础，而胰岛素增多仅是一个激发因素，激发因素如何把与K＋跨膜转运无关的CACNA1S和SCN4A突变与负责K＋跨膜转运的Na＋泵或K＋通道相联结，导致K＋跨膜转运异常，而表现为低血钾、肌无力症状，尚无合理的解释。提出电压依赖和Ca2＋激活大电导K＋通道可与泵的β1亚基相互作用，又可被细胞膜去极化电位和细胞内Ca2＋激活，是CACNA1S、SCN4A及Na＋-K＋-ATP酶之间的桥梁和纽带假设，在胰岛素诱发HPP中的作用有必要进一步研究[24]。当然这只是一个假设，需要进一步的实验验证。

3 总结

综上所述，胰岛素增多在HPP的发病中起到了激发、促进的作用。但目前关于如何导致HPP的发病仍无合理满意的解释。我们可以通过胰岛素促进血中K＋跨膜转移的分子生物学机制，尤其是将来关于对突变通道基因CACNA1和SCN4A与Na＋-K＋-ATP酶之间的相互联结关系的进一步研究，揭示HPP的发病机制，为HPP的临床诊断、治疗及预防开拓新的领域。

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The research progress about mechanism of insulin stimulating hypokalemic periodic paralysis

ZHI Hongye，YAO Hebin
(Department of Endocrinology，Rheumatology and Immunology，Navy General Hospital，Beijing 100048，China)

Hypokalemic periodic paralysis(HPP)is a group of diseases associated with abnormal transmembrane transfer of the intracellular or extracellular potassium ions.The disease is usually associated with significant incentives before the onset，and these incentives can lead to elevated insulin levels and promote the transfer of extracellular K＋into the cells，and induce the outbreak of HPP.Previous studies found mutations in CACNA1S or SCN4A on the skeletal muscle cell of patients with HPP.How to stimulate the onset of HPP about insulin on the basis of the mutation has many new trends.This paper reviewed research progress of HPP mechanism.

Insulin；Hypokalemia；Periodic paralysis；Na＋-K＋-ATPase；Signaling pathway

R746.3

A

2095-3097(2017)03-0189-04

10.3969/j.issn.2095-3097.2017.03.015

2016-03-15 本文编辑:张在文)

国家自然科学基金面上项目(81170800)

100048北京，海军总医院内分泌风湿免疫科(智红叶，姚合斌)

姚合斌，E-mail:yhb196321＠163.com