TWIK相关性酸敏感钾离子通道与疾病研究进展

闻 璐 姚晓光 李南方

双孔钾通道(K2p)是背景钾通道或漏钾通道，即改变钾背景电流可以调节细胞膜电位和电阻，从而调节细胞的兴奋性和反应性，可由不同类型的G蛋白偶联受体的调节。双孔钾通道是由两个亚单位组成的双聚体结构，每个亚单位含有4个跨膜区(TM1～TM4)，其中TM1与TM2、TM3与TM4之间形成2个孔道(P1和P2)，组成4TM/2P的结构。随着研究不断深入，根据结构和功能性质可被划分为6个亚类[1]。从人类肾脏中克隆到对生理范围内细胞外pH值变化具有极高敏感性的双孔钾通道，命名为TWIK相关性酸敏感钾离子通道，包括TWIK相关性酸敏感钾离子通道1(TWIK-related acid-sensitive K+channel-1, TASK-1, KCNK 3, K2p3.1)、TWIK相关性酸敏感钾离子通道3(TWIK-related acid-sensitive K+channel-3, TASK-3, KCNK 9, K2p9.1)和TWIK相关性酸敏感钾离子通道5(TWIK-related acid-sensitive K+channel-5, TASK-5, KCNK 15, K2p15.1)。TASK-3是从大鼠小脑克隆并且发现与TASK-1具有55%～60%的序列同一性。其中TASK-1和TASK-3构成了大部分pH值敏感的钾电导，这些通道在结构上与酸中毒有关并受到抑制，在许多生理病理过程均有参与。TASK-5进入TASK亚家族主要是基于结构相似性。与TASK-1和TASK-3通道相反，TASK-5不能在功能上表达，尽管其mRNA在个别组织中大量表达，但是可能需要一些其他未确定的伙伴亚基在质膜或细胞器中形成功能通道，其相关研究报道也很少。因此，本文就TASK-1、TASK-3及其表达产物与疾病的相关研究进展做一综述。

一、TASK-1、TASK-3的分布与调节

TASK-1、TASK-3广泛表达于各个组织，例如大脑皮质、脑干前包氏复合体、视网膜神经节细胞、颈动脉体、舌下神经核、肾上腺皮质、心房、棕色脂肪及癌症中等[2]。TASK-1和TASK-3蛋白约有60%的氨基酸同源性，在钾传导、成孔、膜结合结构域的相似性最高。TASK-1、TASK-3通道能被体内外的许多生理和病理因素所调节，TASK通道几乎不依赖电压，对各种神经递质、药物化合物(即挥发性麻醉药)和物理化学因素(温度、pH值、氧分压、CO2分压、渗透压、Zn2+等)都很敏感,而经典的钾离子通道阻滞剂对其无影响。TASK钾通道电导受细胞外酸性pH值的抑制，是由两个TASK-1亚基、两个TASK-3亚基或一个TASK-1和一个TASK-3亚基组成的同源或异二聚体通道，它们有不同的pH值敏感性,其酸敏感性主要是由大胞外环/螺旋盖区域的组氨酸残基的质子化引起,缺乏一个或两个TASK通道的敲除小鼠表现出多种表型，包括颈动脉体化学感受受损，睡眠破碎、抗抑郁行为、原发性醛固酮增多症、低肾素原发性高血压、心脏传导和复极异常、癫痫及肺动脉高压等[3，4]。另外，TASK通道在基因研究中也有报道。在一项全基因组关联研究中，人类TASK-1的失活突变与家族性肺动脉高压相关和房性心律失常有关[4，5]。TASK-3基因770G>A突变使通道活性降低进而改变神经元发育，产生以智力迟钝、低肌张力和面部畸形为特征的Birk Barel综合征[6]。

二、TASK-1和TASK-3与相关疾病

1.TASK-1和TASK-3与中枢神经系统：TASK通道遍布全身，尤其在大脑，影响多种神经元功能。TASK钾通道可能通过调节膜电位和动作电位稳定细胞内钙离子浓度而有助于皮层锥体神经元的迁移。Meuth等[7]在小鼠脑片上发现pH值降低和O2剥夺抑制了K2p3.1(TASK-1)和K2p9.1(TASK-3)通道，这些通道的药理学阻断导致小鼠大脑中动脉短暂闭塞模型的梗死面积增加，最近在对K2p3.1和K2p9.1基因敲除小鼠的单独研究中，K2p3.1基因敲除小鼠在脑缺血后表现出更大的梗死，而K2P9.1基因敲除小鼠中梗死体积没有显着变化[8]。TASK通道可能是保护神经组织免受缺血损伤的一个新的治疗靶点。有研究证明孕酮对脑缺血再灌注损伤有保护作用，进一步发现其可能通过上调 TASK-3 通道蛋白的表达，降低神经细胞的兴奋性和脑缺血再灌注伤后钾离子依赖性凋亡， 从而改善脑缺血再灌注损伤后的病死率、神经功能缺陷评分和脑梗死体积。Na等[9]发现机械通气下调大鼠脑干TASK-1通道水平，其影响似乎与潮气量水平呈正相关，表明机械通气对呼吸中枢有影响，可能通过增加神经元兴奋性而对其造成损害。TASK通道可能同时具有抗癫痫以及促癫痫潜能，这些相反影响的相对贡献取决于它们的细胞类型特异性表达和细胞环境的确切条件。

相关文献报道麻醉药物对TASK通道有一定影响。TASK-1和TASK-3通道对丘脑皮质中继神经元的麝香碱和氟烷敏感电导有一定的作用，从而促进了睡眠-觉醒周期所观察到的丘脑皮质网络活动模式的改变和吸入麻醉剂的应用[10]。Conwan等[11]研究与野生型对照小鼠比较，TASK-3基因敲除小鼠需要增加挥发性麻醉以减少意识丧失和不动性，更容易失去知觉，并且在没有麻醉的情况下，显示零散的睡眠。在TASK-1和TASK-3基因敲除小鼠中，TASK-1电流明显减小，异氟烷和氟烷对细胞的超极化作用也减弱，相应的催眠、镇静和制动等麻醉效应也减小。TASK通道可能是吸入麻醉药脑缺血再灌注损伤保护作用的重要作用靶点之一。另外，用抗抑郁药氟西汀治疗野生动物可明显减少REM睡眠，同时保持活动清醒和慢波睡眠相对完整，而缺乏TASK-3的动物没有进一步展现。TASK-3可能直接参与氟西汀作用的机制，但TASK-3仍然可能通过平行途径起作用，其中TASK-3活性丧失以类似于抗抑郁药的方式影响REM，因为即使在不存在药物的情况下TASK-3敲除的基线REM水平也降低。

2.TASK-1和TASK-3与呼吸系统:TASK通道对缺氧及高碳酸血症十分敏感。动物实验发现自发呼吸暂停指数与TASK-1和ATSK-3蛋白表达量的比值(TASK-1/TASK-3)呈正相关[12]。同时间歇性缺氧伴高碳酸血症可上调TASK-1和TASK-3的表达。据报道，在TASK-1敲除和TASK-1/3双敲除小鼠中发现低氧诱导的通气功能受损，观察到呼吸频率降低，以及在这些基因敲除模型中缺少呼气时间的缩短，TASK-1和TASK-3似乎是其中的关键[13]。TASK-1的敲除削弱了对缺氧的通气反应，并且在体外抑制了对缺氧的化学传入(颈动脉窦神经)反应。TASK-1和TASK-3的双重敲除类似地降低了对低氧的通气和化学感受器神经反应，但并没有完全消除，而TASK-3的敲除对低氧的通气反应没有影响[3]。关于TASK-1和TASK-3通道对高碳酸血症的作用的文献有争议。有文献证明TASK-1和TASK-3通道都没有参与中心二氧化碳化学传感[14]。Buehler等[13]报道TASK-1/3敲除小鼠在5%CO2的作用下反应正常，当CO2逐步增加时，TASK-1/3敲除小鼠在低CO2浓度(1%～4%)下的反应较小，而在高浓度(5%～6%CO2)时则有很强的增加。另外，体外实验中观察到TASK-1/3敲除小鼠的颈动脉体与TASK-1或TASK-3敲除的野生型小鼠比较，100% O2显著增加了单化学传入纤维的激发速率和颈动脉窦神经的活性，推测TASK-1和TASK-3的联合敲除而引起的颈动脉体功能紊乱与高氧引起的呼吸刺激有关。在高血压大鼠中，颈动脉体的球细胞对低pH值有高度的反应，这与TASK-1表达的增加是一致的。这种增加的TASK-1功能表达有助于增加交感神经活动，这一现象可能与高血压的发病机制有关。

3.TASK-1和TASK-3与心房颤动:TASK-1 mRNA在大鼠、小鼠和人的心脏中广泛存在，且在右心房表达最高，TASK-1相对于TASK-3的分布更为丰富。TASK-1通道是心肌的背景电流的组成部分，在心房心肌细胞结构和功能起关键作用。TASK-1在心房颤动中的作用研究较多。Schmidt等[15]报道，心房颤动患者心房组织中编码TASK-1的基因上调，同时伴有电流增加，而Harleton等[16]报告，尽管通道蛋白的表达没有变化，但电流减少了，发现TASK-1通道蛋白的强烈磷酸化，伴随着通道功能受损，可以通过激活磷酸酶来挽救，这表明心房颤动引起的这种电流的电重构涉及调控过程而不是基因表达的变化。慢性TASK-1抑制导致右心室纤维化显著增加和IL-6的过量产生，心肌收缩力降低及肺血管重塑，可能导致右心室功能损失[17]。 许多临床使用和实验性抗心律失常药物是TASK-1通道阻滞剂，可通过作用于平台期的外向 TASK-1 电流而发挥作用，发现胺碘酮可抑制 TASK-1 电流，且这种抑制作用具有剂量依赖性，猜测胺碘酮抗的抗心律失常的作用可能与TASK-1电流受抑制有关。Kv1.5阻滞剂，如ave 0118和ave 1231，是抗心房颤动或阻塞性睡眠呼吸暂停的有效药物，实际上是有效的TASK-1阻滞剂。这些阻滞剂对TASK-1通道的亲和力更高，提示TASK-1可能是Kv1.5阻滞剂治疗心房颤动或阻塞性睡眠呼吸暂停的未被识别的分子靶点，因此，这些化合物阻断TASK-1通道可能有助于这些药物的临床疗效[18]。

4.TASK-1和TASK-3与肾上腺皮质激素：肾上腺皮质激素分泌的生理调控依赖于钾通道的功能，TASK-1、TASK-3在肾上腺皮质细胞中强烈表达。它们赋予这些细胞背景的钾电导，这对于钾的敏感性以及血管紧张素Ⅱ和促肾上腺皮质激素依赖性刺激醛固酮和皮质醇的合成都很重要。TASK-1和TASK-3具有不同的功能：TASK-1影响细胞分化，阻止束状带中醛固酮合成酶的表达，而TASK-3控制肾小球细胞醛固酮的分泌[19]。

TASK-1与TASK-3双基因敲除雄性小鼠被认为与原发性醛固酮患者有非常相似的临床表现，同样9%～37%的原发性醛固酮增多症患者存在低钾血症[20]。TASK-1和TASK-3基因敲除小鼠的肾上腺有正常的组织学特征，但球状带细胞缺乏TASK电流，且细胞膜有去极化，醛固酮分泌异常增高。David等发现，在正常盐饮食，野生型小鼠和敲除基因小鼠动物之间差异无统计学意义，增加ANCL浓度至8%在饮食中1周，对野生型小鼠收缩压无影响，而在TASK-3基因敲除小鼠发现收缩压增加大概10mmHg(1mmHg=0.133kPa)，表现为盐敏感性高血压。Guagliardo等[21]研究发现TASK-3基因敲除小鼠可出现人类原发性低肾素型高血压的主要特点,表明TASK通道活性缺失可能是促进低肾素型高血压发展的机制之一。增加TASK通道活性的药物可能是降低醛固酮水平的一种新的治疗途径，它与现有的盐皮质激素受体阻滞剂一起，可以减轻醛固酮过量导致的高血压和心脏病的靶器官损害。

5.TASK-1和TASK-3与炎症和免疫调节:人类、大鼠、小鼠的T淋巴细胞均有TASK-3的表达，TASK通道在调节T淋巴细胞的膜电位和体内外免疫调节方面起着重要作用，参与了T细胞的增殖和细胞因子的产生，因此可能成为自身免疫性疾病药理方法的一个有趣的新的分子靶点。肿瘤坏死因子α(TNF-α)是最常见的炎性因子之一，TNF-α可能是导致钾外流的神经元内钾稳态变化的中介因素，结合钾外流增加，促进细胞凋亡。文献报道TNF-α主要通过激活ASK 1，并随后刺激P38和JNK激酶，从而使TASK-3通道活性增加，但TASK-3通道的C端缺失可阻断TNF-α的作用[22]。当pH值从7.4降低到6.4时，TNF-α介导的TASK-3电流增强被完全废除，表明TNF-α和通道的pH值调节相互作用，但酸性pH值不会干扰导致TNF-α增强的通路，而只是作用于TASK-3通道的水平，从而改变和克服TNF-α的作用。

6.TASK-1和TASK-3与肿瘤：钾通道在与肿瘤进展相关的细胞行为中起着重要作用，包括调节细胞增殖、迁移、凋亡和血管生成。研究发现，在髓母细胞瘤细，艾氏腹水肿瘤细胞和N2A成神经细胞瘤细胞、非小细胞肺癌细胞可检测到功能性TASK-1[23]。TASK-3通道基因也已确定在乳腺癌、结肠癌、恶性黑色素瘤、肺癌等中过度表达，TASK-3的致癌效应可能与其对氧的反应能力有关，尤其与肿瘤病理有关，因为实体肿瘤的氧合能力较差。文献表明TASK-3细胞外结构域的具有高亲和力的单克隆抗体(Y4)通过诱导内化机制选择性和有效地抑制TASK-3的功能，能有效抑制小鼠中人肺癌异种移植物和乳腺癌转移的生长，发现了TASK-3在促进癌细胞存活和生长中的关键作用，并且基于单克隆抗体的TASK-3靶向在治疗原发性肿瘤和转移中具有治疗前景，通过抑制TASK-3通道功能或激活抗-肿瘤免疫反应[24]。

三、展 望

研究显示TASK通道在调节动脉张力、胃肠道肌肉、乙醇致畸治疗、抗艾滋病传播等方面可能存在某些作用。综上所述，TASK通道广泛的表达于中枢神经系统和外周组织，它参与维持细胞膜的静息电位和调节细胞的兴奋性，在不同的组织细胞中，它有着不同的重要生理功能，而相关药物治疗研究知之甚少。相信随着对TASK-1和TASK-3研究的不断深入，其更多生理功能和疾病的关系将得到进一步阐明，将有望成为新的药物治疗靶点。