NCX1在消化系统疾病中的研究进展

袁 娅，徐靖宇，文国容，金 海，庹必光

·综 述·

NCX1在消化系统疾病中的研究进展

袁 娅，徐靖宇，文国容，金 海，庹必光

NCX1是阳离子转运蛋白家族中的一员，具有双向转运Ca2+和Na+的功能，参与肌细胞的兴奋、神经递质的释放、细胞信号的转导、免疫细胞的活化及细胞凋亡等生理过程。近年来NCX1在消化系统疾病发生发展中的相关研究逐渐受到重视，其不但可参与胃溃疡、胃黏膜损伤的愈合过程，介导胃炎、胃癌、肝细胞癌及急性胰腺炎的发生发展，而且可调节肠道对Ca2+信号的转导。本文就NCX1在消化系统疾病中的研究进展做一综述，以指导临床治疗。

钠钙交换体NCX1；消化系统疾病；钙超载；综述

NCX是阳离子转运蛋白，具有双向转运Ca2+和Na+模式，包括介导Ca2+外排、Na+内流的前向转运模式和与之相反的反向转运模式,其广泛分布于膜性结构上，以前向转运模式参与多种重要的生理功能[1-2]，以反向转运模式参与细胞凋亡、缺血再灌注损伤等多种生理病理过程。1969年，Baker等[3]对枪乌贼巨大神经轴突进行实验，首次对NCX进行报道。1988年实现了NCX的部分钝化，1990年在狗的心肌细胞中首次克隆成功[4]。目前，NCX包括非K+依赖的钠钙交换蛋白、阳离子依赖的钠钙交换蛋白和K+依赖的钠钙交换蛋白三大家族。近年来，通过对NCX的深入研究，表明NCX不仅可以通过调控细胞内Ca2+浓度，来调节可兴奋细胞的兴奋性及兴奋收缩偶联功能[5-10]，而且还参与了细胞的生长发育[11-15]以及调控信号转导通路[16-17]。而且研究还发现，NCX亚家族成员NCX1在消化系统中普遍存在，并在消化系统疾病的发生、发展中发挥了重要作用[18-19]。本文旨在介绍NCX1在消化系统疾病中的研究进展，为相关研究提供重要线索。

1 NCX1的结构与功能

1.1 NCX1的结构 NCX1是一种糖基化跨膜蛋白，完全成熟后其羧基端位于膜内，氨基端位于膜外。NCX1分子量为110 kDa，共由970个氨基酸构成，其中50%的氨基酸残基形成跨膜域，另50%则暴露在细胞质中。拓扑学研究显示，最初NCX1包括10个跨膜片段，其中第一个跨膜片段在分子成熟时被信号肽酶裂解，剩余9个跨膜片段则被位于第6个跨膜片段和第7个跨膜片段间的亲水性环分为羧基端和氨基端[11]。在亲水性环的氨基端，有许多碱性氨基酸分散在疏水性氨基酸之间，氨基酸的这种分布与许多蛋白质上的钙调素结合区域结构相似，具有自动抑制作用，即与结合区域相对应的一段肽链对整个蛋白质的功能具有抑制作用。亲水性环上存在有Na+、Ca2+的结合调节位点，以及1个与Ca2+有高亲和力的次级Ca2+调节位点[13]。在NCX1的跨膜片段上，有2个内部重复序列，称为α1和α2重复序列[12]。

1.2 NCX1的功能 NCX具有双向转运模式，可调节细胞内Ca2+浓度。前向转运模式将Ca2+转运到细胞外，其转运Na+和Ca2+的比例为3︰1；反向转运模式将Ca2+转运到细胞内，其转运Na+和Ca2+的比例为1︰1[17]。NCX1的运转模式主要取决于细胞膜电位和细胞内外Na+、Ca2+浓度差。不同的细胞膜电位不同，NCX1运转模式也可能不一样。研究显示，肠肌层神经细胞上有NCX1和NCX2表达，经敲除基因技术和给予外源刺激物质等手段，发现NCX1可通过增加肠肌层神经细胞释放乙酰胆碱来增强结肠蠕动[7]。对血液单核细胞和肝巨噬细胞的研究表明，两种细胞均有NCX1表达，NCX1可通过反向转运模式增加Ca2+内流来介导肿瘤坏死因子-α(TNF-α)的释放[20]。在病理条件下，NCX1的活动主要与反向转运模式被激活密切相关。NCX1的反向转运模式被激活后，细胞外Ca2+流入细胞内，进而引起钙超载，细胞内Ca2+稳态被打破，造成细胞损伤甚至细胞凋亡。大量研究显示，NCX1在心肌缺血再灌注损伤、心律失常的发生和脑细胞缺血损伤与凋亡中发挥了重要作用[21-24]。

2 NCX1在消化系统疾病中的作用

2.1 NCX1与胃疾病 众所周知，NCX对维护可收缩细胞中Ca2+内环境稳态具有重要作用。肌成纤维细胞是一种在纤维细胞和平滑肌细胞间的过渡期细胞，具有收缩性、非兴奋性。肌成纤维细胞是在转化生长因子作用下由成纤维组织转化而来，并且广泛分布于胃肠道黏膜下层。研究显示，肌成纤维细胞在鼠和兔胃和食管溃疡模型病灶愈合中发挥了重要作用[25-27]。兔胃黏膜被乙醇损伤后，NCX参与其修复再生过程[28]。在病理生理条件下，肌成纤维细胞参与慢性胃炎和胃癌的发生。此外，肿瘤相关肌成纤维细胞也可以见于恶化的肿块和参与恶性细胞的转移[29-30]。在人胃肌成纤维细胞中有NCX1、NCX2、NCX3 mRNA和蛋白表达，对维护细胞内Ca2+和Na+稳态发挥了重要的作用。研究显示，NCX1在肌成纤维细胞Ca2+内环境调节、增殖和迁移中发挥了非常重要的作用，同时还指出NCX1阻断剂可能是未来治疗胃疾病的一种潜在药物[31]。

2.2 NCX1与肠疾病 NCX1在小肠细胞内Ca2+外流过程中发挥作用，主要存在于肠上皮细胞。NCX1在大鼠、小鼠、小鸡、马和狗的肠上皮细胞中均可检测到。小肠细胞NCX1运载3个Na+和1个Ca2+，其前向转运模式使Ca2+外流，反向转运模式使Ca2+内流，主要确定其具体工作模式的是Na+和Ca2+的浓度梯度和膜两侧的势能。研究发现，无论是分化成熟的还是未分化成熟的小鸡十二指肠上皮细胞中，NCX1的表达和活性均相似，且均高于绒毛顶端细胞中的表达。最近发现，妊娠大鼠缺氧模型十二指肠中NCX1的表达无明显变化，而在临床上患子痫或代谢疾病的患者也有类似表现[32]。在人和哺乳动物体内，小肠是摄取钙的唯一部位，摄取方式主要为跨细胞途径和细胞旁路途径。Ca2+可依维生素D通过上述两种途径穿过十二指肠上皮细胞。维生素D受体可以上调Ca2+转运基因的表达，NCX1基因是一种可上调Ca2+转运的基因，从而增强Ca2+的跨膜转运[33]。这种现象在甲状旁腺-肾脏-肠道调节轴和骨-肾脏-肠道调节轴的调节下进行。

另外，十二指肠黏膜碳酸氢盐的分泌是目前公认的，对抗酸诱导十二指肠损伤的一种重要防御机制。研究证实，十二指肠肠腔的酸性刺激明显增加了十二指肠黏膜5-羟色胺的释放[34]。SB204070是一种特异性5-羟色胺4受体拮抗剂，在活鼠体内呈剂量依赖性，可减少管腔酸性刺激引起的碳酸氢盐分泌。Ussing chamber研究显示，被诱导释放的5-羟色胺和十二指肠碳酸氢盐的分泌也可以被SB204070阻止，通过移除细胞外Ca2+，这个现象在NCX被阻断后更加明显[34]。在一种十二指肠上皮细胞(SCBN细胞)中，5-羟色胺可以增加细胞质内游离钙，敲除NCX1蛋白特异性siRNA后，可很大程度减少5-羟色胺介导的Ca2+信号转导[34]。最近研究显示：在小鼠十二指肠中，钙调激素[1,25(OH)2D3]增强Ca2+的转运作用可以被纤维母细胞生长因子-23所消除，但是具体发生作用的Ca2+转运通道尚不明确[35]。而1,25(OH)2D3增强Ca2+的转运作用，能被基底侧转运蛋白NCX1的抑制剂所阻断[35]，此现象在肠上皮细胞中也存在。

2.3 NCX1与胰腺疾病 约20年前，有研究提及NCX在胰腺细胞中可能存在，但是近年才明确指出。研究显示，在兔胰腺β细胞中表达NCX1的两种剪接变体和钙泵(Ca2+-ATPase)的6种剪接变体。在β细胞中，NCX发挥重要作用，它既参与Ca2+的外流及内流，又参与胰岛素释放的控制[36]。增益函数研究显示，NCX1或PMCA2的过表达，伴随着内质网应激，可以导致内质网中Ca2+的释放，减少β细胞的增殖和通过凋亡导致β细胞死亡。有趣的是，糖尿病、长期暴露在炎性因子或高浓度的游离脂肪酸中也可以诱导内质网中Ca2+的释放和β细胞死亡。相反，损失函数研究显示，NCX1(NCX1+/-)杂合的失活导致胰腺β细胞功能增强，β细胞数量和增殖呈5倍增加[36]。这种变化也增加了β细胞对于缺氧的抵抗能力，被移植了NCX1+/-胰岛的糖尿病动物治愈率比被移植了NCX1+/+胰岛的糖尿病动物高4～7倍，因此下调Na+/Ca2+交换体可能导致β细胞功能的多种变化。

此外，在胰岛β细胞中，由于NCX1的可选择性剪接区包含相互排斥性的外显子B，这使该细胞对于类似KB-R7943的阻断剂复合物具有高度敏感性，因此这为糖尿病动物模型中β细胞功能失调的防治提供了重要依据。另有研究报道，在鼠胰腺细胞中，Na+/Ca2+交换体呈现高表达量，在这些细胞中各自存在NCX1的1种亚型，即NCX1.3和NCX1.7[37]。为了检测这两种剪接变体间可能存在的不同功能，人们克隆出变体NCX1.1，并使其在HEK293和CHO细胞中得以表达。在这两个细胞中，3种变体显示出较高水平的细胞外Ca2+依赖性和对细胞内Na+的摄取。在4种啮齿类动物中，NCX1.3和NCX1.7具有不同的转录水平，这就意味着NCX1在不同种族细胞间的表达不同。在天竺鼠、仓鼠和小鼠中发现有3种其他变体(NCX1.2、NCX1.9、NCX1.13)。并且在胰岛细胞中也能显示NCX1基因在种族间的转录形式不同。余森源等[38]从细胞实验、动物实验水平证实急性胰腺炎细胞中NCX1及TNF-α、白细胞介素-6(IL-6) mRNA及蛋白表达量均明显升高，而用NCX1特异性阻断剂KB-R7943处理后，其表达明显下降，表明NCX1介导了急性胰腺炎的发生、发展，提示NCX1可作为急性胰腺炎治疗的靶标。

2.4 NCX1与肝脏疾病 IL-6参与了肝细胞癌相关炎症的发生、发展过程[39]。有研究发现，在被NH4CL酸化后的人肝癌细胞Huh7和HepG2中，IL-6的刺激明显增加了细胞内pH值的恢复速率[40]。在这些肝癌细胞中，NH4CL酸化可以诱导细胞内Ca2+瞬时增加。钠氢交换体1(NHE1)、NCX1和钙调蛋白(CaM)抑制剂均可以抑制IL-6刺激诱导的细胞内pH的恢复和NH4CL酸化诱导的细胞内Ca2+增加。IL-6的刺激也可诱导NHE1、NCX1、CaM蛋白间结构上的交互作用，且可上调Huh7和HepG2细胞中NHE1、NCX1、CaM的表达。在人肝癌组织中NHE1、NCX1、CaM蛋白表达水平明显高于正常肝组织[41]。在Huh7和HepG2细胞中，以及在肝细胞癌鼠的生长过程中，NHE1、NCX1、CaM可调节IL-6对其增殖、迁移和侵袭方面的促进作用。总之，IL-6可激活NHE1活性，且诱导NHE1、NCX1、CaM在功能上和结构上的交互作用，三者相互作用可调节IL-6对人肝细胞癌的影响[40]。

综上所述，NCX1通道蛋白在消化系统中通过调控Ca2+信号通路而调节相应的细胞功能，最终参与消化系统疾病的发生、发展。尽管目前对于NCX1在消化系统中的研究取得了一定进展，但其在不同部位中的差异性表达以及在消化系统疾病中的具体作用机制尚有不明确之处。随着NCX1在消化系统疾病中研究的不断深入，其具体作用机制会逐渐被发现，这将有助于NCX1作为新的分子标志物应用于消化系统疾病的诊疗，并为其靶向治疗提供依据。

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国家自然科学基金资助项目(81572438)

563003 贵州 遵义，遵义医学院附属医院消化内科 贵州省消化疾病研究所

庹必光，E-mail:tuobiguang@aliyun.com

R363.21

A

1002-3429(2017)04-0104-04

10.3969/j.issn.1002-3429.2017.04.036

2016-11-10 修回时间：2017-02-11)