Kca3.1通道及其与多个系统疾病关联的研究进展*

郭姝瑾 李小惠 左秋南 申永春 综述 文富强 审校

(1．四川省医学科学院·四川省人民医院，四川 成都 610072；2.四川大学华西医院呼吸内科·人类疾病生物治疗国家重点实验室呼吸病学研究室，四川 成都610041

离子通道是维持生命活动的基础，其结构变异与功能障碍是许多疾病发生发展的重要原因。主要类型有钾、钠、氯、钙和非选择性阳离子通道。近年来，钾离子通道成为研究热点，人体大约50种基因参与编码不同的钾离子通道。钾离子通道在人体分布广泛，在细胞信号转移过程起着关键作用(如：细胞容积调节、心率、神经递质释放、胰岛素分泌等)。Kca3.1 为中电导钾离子通道，属于钙激活钾离子通道。Kca3.1 在人体广泛分布于神经元及非神经元组织(如内皮细胞、淋巴细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞等)[1]，参与细胞膜电位形成、调节细胞内钙离子浓度、免疫功能调节、调节细胞周期等[2-3]。其结构功能异常导致多种疾病。本文就Kca3.1与疾病的关系进行综述。

1 Kca3.1 的生物学特征

Kca3.1是由KCNN4(IK1)编码，位于染色体19q13上。KCa3.1是每个亚基由427个氨基酸组成的四聚体蛋白，具有6个跨膜片段区域(S1-S6)[4]。部分跨膜区域具有钾离子选择性的氨基酸序列。C末端含有钙调蛋白结合区域[5]，对细胞内的钙敏感，被钙离子识别、激活而促进信号传递。N末端含有内质网识别区域，参与通道转运。此外，还具有蛋白激酶、酪氨酸磷酸化位点。细胞内钙离子，通过钙调蛋白激活Kca3.1，通过细胞膜复极或者超极化引起钾离子外流，从而促进细胞增殖、迁移等。结构决定功能，因此Kca3.1可被酪氨酸蛋白酶受体激活，促进Ras /ERK等信号传导通路的相关信息传递。

2 Kca3.1与细胞的功能

2.1 Kca3.1与上皮细胞 上皮细胞作为保护屏障，是离子交换的重要场所。当急性或者慢性刺激引起上皮细胞损伤后，上皮再生需要恢复完整性和功能性，需要经过细胞增殖、迁移、分化以恢复上皮细胞的极化及功能[6-8]。这是由许多蛋白及机制参与的复杂过程，包括生长因子及下游信号效应[9]。钾离子通道不仅调控细胞膜电位、调节跨上皮离子及体液交换，还调节上皮细胞的增殖及迁移[10、11]。目前许多研究证实Kca3.1参与跨上皮离子转运。抑制气道上皮的Kca3.1通道后导致钙激活氯离子分泌受损[12]。Schwab等在迁移的Madin-Darby犬肾细胞(MDCK)发现钙离子与kca3.1通道功能的关系[13]。肾脏细胞的迁移与Kca3.1通道有关，细胞内钙离子增多，钾离子外流引起细胞收缩，引起迁移细胞背部收缩[14]。Schwab等发现药物阻断Kca3.1通道可抑制MDCK细胞迁移[15]。Trinh等发现阻断Kca3.1通道后，EGF刺激引起的正常和囊性纤维化气管上皮细胞迁移显著减少[16]。一些研究表明，Kca3.1与细胞骨架重排及细胞体积调节有关[17-18]。在迁移的上皮细胞，被激活的Kca3.1通道引起钾离子外流。引起细胞收缩，引起肌动蛋白骨架重组，从而促进细胞运动。

许多研究表明Kca3.1与细胞的增殖有密切关系。Kca3.1通道受许多生长因子(如：肝细胞生长/分散因子(SF)，成纤维细胞生长因子2(FGF-2),表皮生长因子，血小板源性生长因子(PDGF))以及信号蛋白(如：MEK 和Ras)调控，与此同时Kca3.1调控细胞有丝分裂及运动[9,19-22]。乳腺癌上皮细胞的细胞周期中观察到了Kca3.1电流，阻断该电流干扰了细胞的增殖和周期[23]。通过对不导电的变异的人胚肾细胞(HEK-293)的研究表明，Kca3.1蛋白本身可通过ERK1/2及JNK通路直接调节细胞增殖[24]。此外，钾离子通道的活性变化通过改变细胞的膜电位、细胞内钙离子、细胞体积以及生长因子介导的有丝分裂信号等调控细胞增殖[25]。实验证明抑制Kca3.1通道后，子宫内膜癌细胞停止在G0/G1期的细胞增多，从而抑制了癌细胞的增殖[26]。Kca3.1与损伤后修复亦有关系，抑制肠上皮细胞Kca3.1通道可促进伤口愈合[27]。综上所述，Kca3.1通道参与调控上皮细胞的增殖与迁移，从而调节细胞再生。

2.2 Kca3.1 与平滑肌细胞 生理学重点研究平滑肌细胞的收缩表型，血管收缩调节血流量。但是当生长因子以及其他环境信号刺激时，血管平滑肌细胞可能会失去收缩性，变化成以形态变化、增殖、迁移为表型的细胞[28]。这种可塑性对于新血管的形成以及血管的重塑有重要意义。调节平滑肌细胞行为的分子机制纷繁复杂，离子通道可通过调节平滑肌的节律性以及调控钙离子内流，影响细胞的收缩性及其他细胞机制[29]。Kca3.1通道并不依赖于去极化促进通道开放，因此可打开更多的超计划膜电位，Neylon等发现阻断Kca3.1通道可抑制血管平滑肌细胞增殖[19]，Cheong等发现阻断该通道可抑制内膜增生[30]。Dan等发现Kca3.1通道可调控钙依赖的血管平滑肌细胞增殖，Kca3.1通过控制细胞内钙离子的浓度，间接调控转录因子及细胞周期蛋白的表达，因此Kca3.1通过钙依赖的信号通路调控细胞的增殖[31]。阻断冠状动脉平滑肌细胞kca3.1通道后明显抑制该细胞增殖。我们的实验发现，TRAM-34抑制该通道后可减轻低氧诱导的肺动脉平滑肌细胞增殖，进一步的研究证实，Kca3.1主要通过BMP/BMPR2/Smad1调控细胞增殖[32]。

Kca3.1除了调节平滑肌细胞增殖，对细胞迁移及分化也有作用。在冠状动脉平滑肌细胞中，阻断该离子通道可抑制细胞迁移，而功能性的Kca3.1表达上调后可促进PDGF引起的细胞表型变化及迁移[33、34]。血管平滑肌钾离子通道的特点主要取决于表型。健康的平滑肌细胞在收缩状态时主要表达大电导的钙离子激活钾离子通道(BKca)。这不仅仅是响应去极化的电压特异性，也能灭活超极化潜力，从而允许通过其他方式去接话但抵消强大的去极化刺激[35]。如果血管平滑肌转变为增殖表型，这种改变可引起Kca3.1表达上调。当抑制Kca3.1通道后发现平滑肌完全的表型转换受抑制[33、36]。Kohler等发现在血管平滑肌细胞的增殖表型中钾离子通道发生了转变，从大电导的钙离子激活钾离子通道转变为Kca3.1[9]。事实上，药物阻断Kca3.1通道或Kca3.1基因敲除后，Apo-E敲除鼠的动脉粥样硬化显著降低，抑制了动脉平滑肌细胞的增殖和迁移[37]。

Kca3.1通道不仅调节血管平滑肌细胞增殖，Malcolm等发现，TGF-β刺激后，气道平滑肌细胞Kca3.1表达增加，阻断该通道后细胞生长停滞在G1期，因此Kca3.1与气道平滑肌细胞增殖有关。

2.3 Kca3.1与内皮细胞 目前已经证实血管内皮细胞上有Kca3.1离子通道，通道开放后，内皮细胞激动剂(如：乙酰胆碱或者缓激肽)通过增加细胞内钙离子浓度来激活G蛋白偶联受体，通过这种方式，内皮超极化和EDH型的扩张被启动[35]。遗传学的证据表明，Kca3.1基因被敲除后，乙酰胆碱刺激的EDH型扩张受阻[38、39]。Kca3.1通道通过电化学驱动力调节钙离子内流，影响了内皮依赖型舒张功能[40]，同时在血管张力调节中起着重要作用，以上表明Kca3.1通道功能障碍可导致血管内皮功能障碍，从而引起血管疾病[36]。Kca3.1通道引起血管扩张不同于经典的NO通路，是重要的内源性扩展机制。

2.4 Kca3.1与免疫细胞 尽管免疫系统的细胞成分是非兴奋性的细胞，刺激后不会出现动作电位，但是离子通道对淋巴细胞、巨噬细胞、单核细胞、树突状细胞等细胞的功能仍然发挥重要作用，不管是在生理还是病理条件下。

淋巴细胞主要表达电压门控通道(Kv1.3)和Kca3.1通道。Kca3.1通道对T细胞膜电位的调节主要取决于T细胞亚型Kca3.1的相对表达[41]。因此抑制Kca3.1通道以T细胞亚型特异性的方式抑制细胞增殖。Kca3.1通道在被激活的T细胞、中央记忆T细胞以及TH1/2细胞作用更为突出。Kca3.1通道是T细胞免疫突触重要的信号体[42]，通过促进转出-转进的信号、调节极化及去极化的膜电位以及钙离子信号[43]，调节钾以来性整合素的功能[44-45]，通过酪氨酸激酶[46]等促进通道与T细胞受体及细胞内信号分子结合。与Kca3.1通道调节细胞增殖的机制类似，Chandy等发现T细胞的增殖也与此通道有关[47]。B淋巴细胞也表达Kca3.1通道，阻断该通道可抑制细胞增殖。

人骨髓来源及人外周血来源的肥大细胞也表达Kca3.1通道[48]。该通道在细胞活化的时候保持负的膜电位，导致钙离子内流增加。因此阻断Kca3.1通道可抑制人肺肥大细胞脱颗粒[49-50]。Kca3.1通道非选择性抑制剂蝎毒素可部分抑制人肺肥大细胞释放组胺，相反，使用Kca3.1通道激活剂1-EBIO促进Ig-E依赖的钙内流以及脱颗粒作用[51]。Ekaterina等通过小鼠体内、体外实验证实，Kca3.1通道缺失引起肥大细胞容积调节、Ig-E及内皮素-1诱导的肥大细胞钙内流及脱颗粒、过敏反应受损[52]。Cruse等研究发现，人肺肥大细胞迁移需要Kca3.1通道，阻断通道可抑制迁移。Kca3.1通道亦与肥大细胞趋化性有关，阻断后可抑制趋化性[53]。

离子通道在先天免疫也有关键作用，与T细胞一样，巨噬细胞及小胶质细胞也表达Kca3.1通道，并且调节细胞的迁移。Schilling等发现LPS引起的小胶质细胞迁移与Kca3.1通道有密切关系，阻断通道后迁移受抑[54]。

2.5 Kca3.1通道与纤维细胞及成纤维细胞 PCR及蛋白印记实验均证明人肺成纤维细胞(肌成纤维细胞)表达Kca3.1[55]，从特发性肺纤维化患者分离的成纤维细胞的Kca3.1表达较正常人成纤维细胞明显增高，药物阻断该通道，不仅抑制该细胞增殖，细胞迁移亦减少。Schwab阻断Kca3.1通道后，通过调节肌动蛋白的聚合抑制成纤维细胞迁移[17]。 Shailendra等发现Kca3.1通道对纤维细胞的迁移起着关键作用[56]。在肾脏纤维化的研究中发现，药理阻断Kca3.1通道可抑制肾成纤维细胞增殖[57]，糖尿病引起的肾间质纤维化，Kca3.1亦参与调节成纤维细胞的激活[58]。

综上，Kca3.1通道在兴奋性及非兴奋性的细胞均有表达，Kca3.1在人体分布广泛，调节平滑肌细胞、纤维细胞、淋巴细胞等增殖与迁移。

3 Kca3.1与疾病

3.1 Kca3.1与恶性肿瘤 恶性肿瘤是异常病理增生性疾病，肿瘤细胞增殖，迁移，分化障碍是生长、浸润、转移的重要原因。人类多种肿瘤细胞可见Kca3.1表达上调，阻断该通道阻断肿瘤组织生长及相关细胞生长，可能机制为：1)促使膜电位去极化，抑制钙内流，胞内钙离子浓度降低，抑制细胞增殖。2)降低细胞周期蛋白的表达，使周期停滞了GO/G1期，主要是因为一直钾离子外流后，钙离子内流少从而影响细胞周期。3)抑制相关生长因子的分泌合成。4)抑制肿瘤周围血管形成。

大量研究表明，Kca3.1在多种肿瘤细胞系表达上调，包括GL-15胶质母细胞瘤细胞[62]，MM-RU 和IGR1黑色素瘤细胞[59、63]，MCF-7乳腺癌细胞[60]，LNCaP和PC-3前列腺癌细胞[64]，HEC-1-A和KLE子宫内膜细胞[25]。体外实验证明，选择性抑制Kca3.1通道，可抑制以上肿瘤细胞增殖。体内实验主要用裸鼠，抑制该通道能子宫内膜癌、胰腺癌、黑色素瘤移植瘤的生长。在MCF-7细胞株及PC-3细胞株的G1和S分裂周期中，PCR发现Kca3.1通道表达增高，膜片钳检测到电流密度明显上调。选择性药物阻断HEC-1-A和KLE细胞后，G0/G1期细胞明显增多，同时细胞周期蛋白D1表达明显下调。结肠癌细胞表达的Kca3.1主要定位于线粒体膜，既参与细胞的代谢过程，同时参与信号传递[65]。Kca3.1激动剂可促进细胞分化及血管形成。Reich等发现阻断该通道可抑制细胞因子合成[66]，其机制可能是抑制了肿瘤细胞合成对细胞生长必需的自分泌生长因子。此外，Kca3.1通道激活剂可促进血管内皮细胞分化及血管形成。VEGF及bFGF刺激肿瘤相关内皮细胞后，其Kca3.1表达水平明显升高，可能由于钙内流增加改变膜电位，促进内皮细胞迁移及有丝分裂，促进血管形成[67]。此外，Kca3.1通道与肿瘤分期有关，乳腺癌III期的Kca3.1在RNA及蛋白水平均明显高于I、II期间[68]。Kca3.1对良性增生也有抑制作用，在良性前列腺增生的体外实验中，选择性抑制通道后移植体缩小，细胞生长减速[69]。

Kca3.1通道与肿瘤的关系还有肿瘤免疫有关。细胞毒性T淋巴细胞在肿瘤免疫起总要作用，因为能杀死肿瘤细胞[70]，Kca3.1通道参与CD8+细胞毒性T细胞裂解肿瘤细胞。选择性阻断NK细胞的Kca3.1通道，可通过增加毒性颗粒的释放来杀死肿瘤细胞[71]。

3.2 Kca3.1通道与自身免疫性疾病 相对于静止状态的免疫细胞，激活状态的细胞表达Kca3.1上调。该通道与淋巴细胞、巨噬细胞等的功能有密切关系。在小鼠的自身免疫性脑脊髓炎模型中，TRAM-34(选择性Kca3.1通道阻断剂)能阻止进行性麻痹，该研究还证实，TRAM-34对风湿性关节炎有一定作用[72]。Chou在多发性硬化的动物实验中证实，药理阻断该通道抑制疾病进展[73]。在炎症性肠病的研究中，Di等发现抑制Kca3.1通道后减轻T细胞介导的结肠炎。在2个炎症性肠病小鼠模型中，Kca3.1-/-小鼠及通道阻滞剂治疗，均能减轻结肠的炎症反应[74]。

在移植免疫方面，Chen等研究发现抑制Kca3.1通道可缓解慢性移植性血管病变及气管移植排斥反应[75]。Wulff等发现抑制该通道，可延长移植心脏成活[76]。

3.3 Kca3.1离子通道与心血管疾病 心血管疾病主要病理表现为血管内皮及平滑肌结构及功能障碍。Kca3.1通道与血管平滑肌细胞的迁移，与血管内皮EDH型扩张有关。Ohta等发现阻断Kca3,1通道可预防内皮炎症[77]。小鼠体外实验证实，Kca3.1通道基因缺陷破坏内皮源性舒张因子(EDHF)通路，从而引起高血压[78]。但是在人类，药物阻断Kca3.1通道并发现血压升高[79]。阻断Kca3.1是否降低血压，需要进一步研究。在动脉粥样硬化的研究中发现，斑块组织Kca3.1表达增高。在高脂肪、高胆固醇饲养的猪的早期动脉粥样改变的冠状动脉组织中，Kca3.1表达较对照组增高22倍以上[80]。Lemaitre等发现Kca3.1调节动脉粥样硬化中的单核细胞及单核细胞粘附[81]。在动物实验中，与实验组比较，TRAM-34减少60%的动脉粥样硬化面积，未引起实验动物血压。在大鼠的动脉缩窄模型中发现，通过颈动脉球囊造成内膜损伤，局部给予TRAM-34抑制Kca3.1后，内膜增生减少40%[82]。Park等发现Kca3.1与Fabry病引起的内皮受损有关[83]。此外，Kca3.1通道与血管炎症反应有关。Mauler等在大鼠硬膜下血肿模型发现Kca3.1阻滞剂具有保护作用[84]，Chen等在大鼠缺血再灌注脑卒中模型中阻断Kca3.1后，脑梗死及神经功能缺损减轻[85]。

3.4 Kca3.1通道与肺部疾病 在肺纤维化的研究中，在博莱霉素诱导的小鼠肺纤维化模型中，Kca3.1在模型组表达增加，使用TRAM-34阻断通道后，HE切片纤维化评分减低50%左右，明显稍轻胶原蛋白沉积[60]。在哮喘的研究中发现，Kca3.1与人肺肥大细胞的迁移和脱颗粒有关。在羊的慢性哮喘模型中，阻断Kca3.1通道可抑制肥大细胞聚集，改善肺功能[86]。从哮喘病人分离的气管平滑肌细胞的体外实验发现，Kca3.1通道参与调控细胞对激素的敏感性，阻断通道可提高重度哮喘的激素活性[87]。Chachi等从哮喘及慢性阻塞性肺疾病患者分离出气道平滑肌细胞研究激素敏感性，使用Kca3.1通道阻滞剂后可提高激素敏感性[88]。

3.5 Kca3.1通道与其他疾病 在糖尿病肾病的研究中发现，阻断Kca3.1通道通过抑制成纤维细胞、Smad2/3及ERK1/2的磷酸化激活，减轻肾脏间质纤维化[58]。有丝分裂原刺激小鼠肾成纤维细胞后，经过MEK依赖的机制上调Kca3.1表达，TRAM-34抑制细胞周期停滞在G0/G1期，抑制Kca3.1通道后肾脏纤维化减轻[19]。阻断Kca3.1通道，可抑制慢性淋巴细胞白血病细胞增殖，可作为治疗的选择[89]。对于镰状细胞贫血，目前人体内试验的报道证明Kca3.1通道阻滞剂的有效性及安全性[79、90]。

4 小结与展望

Kca3.1通道与多种细胞的结构及共能有关，参与了多种疾病的发生及发展过程，因此Kca3.1作为研究热点，为多种疾病的治疗提供新的方向。然而，Kca3.1只是复杂的发病机制中的一个环节，且阻断或者激活该通道可影响通道正常功能。Kca3.1在体内分布广泛，缺乏器官特异性，对人体的作用需要更多的实验研究支持。