大电导钙激活钾通道在肥胖相关性肾病中的作用及研究进展

杜 娟,张伟力,米旭光

(吉林省人民医院 1.急危重症科研与转化实验室;2.病理科;3.中心实验室,吉林 长春130021)

随着社会经济的发展和生活水平的提高,肥胖成为全球性的公共卫生问题甚至是社会问题,肥胖作为心血管疾病的危险因素已经被广泛认同,而作为肾脏疾病的危险因素正在逐渐受到重视。有报道,肥胖患者中约40% 出现蛋白尿[1]。以后有个案及临床观察[2-4]均证实肥胖可引起肾脏损害。我们课题组一直对肥胖引起的肾脏损害很感兴趣,围绕肾小球上各种通道蛋白的定位和功能,及相关的信号转导通路和复杂的病理生理机制进行研究[4-6],发现肥胖人群和肥胖动物的微量白蛋白尿均显著升高,肾小球足细胞形态及裂孔隔膜(slit diaphragm,SD)标志物均有改变[3-10]。

近年来的研究,先后确定了足细胞表面多个共同存在的SD通道及受体蛋白,包括大电导钙激活钾通道(large conductance calcium-activated potassium channels,BKCa)、TRPC3和TRPC6[11]、Nephrin[12-13]、Synaptopodin[12]、Podocin、Podocalyxin和CD2AP、MAGI-1[14]等。这些分子间形成复杂的网络,被称为“SD复合体”,通过与α-肌动蛋白4(α-actinin-4)的相互作用,共同参与维系足细胞间的信号转导、细胞极化和离子稳定等生理功能。其中BKCa也称MaxiK或Slo1,是1981年在牛嗜铬细胞中首次发现的[15],它在钙稳态的调节中发挥重要的信号转导作用。之后功能性BKCa通道又在人类和小鼠的足细胞系中发现[12,16],为研究足细胞SD形成和标志性蛋白功能提供了新方法,同时将离子通道和细胞骨架蛋白串联起来,拓展了围绕足细胞的研究领域。正因如此,本文将概述BKCa的生物学作用,并重点对其在肥胖相关性肾病中的作用及研究进展做归纳总结。

1 BKCa的生物学概述

钙激活钾通道是一类受细胞膜去极化和细胞内钙离子浓度调节的离子通道,按其电导特性可分为大电导、中电导和小电导钙激活钾通道。BKCa通道因其电导大、对电压依赖性强、对细胞内钙离子敏感性高而区别于其他离子通道。BKCa主要由α亚单位 (结构亚单位)、β亚单位 (调节亚单位)和γ亚单位 (辅助性亚单位)构成[17-18]。BKCa通道在哺乳动物的各种组织细胞中分布广泛,包括肺[19]和气管、心肌细胞和血管平滑肌细胞[20-22]、胃肠道和阑尾、胰腺及脾脏、肾脏和膀胱、子宫、前列腺[23]和睾丸、骨骼肌、大脑和神经元[17,19,24]、嗜铬细胞[25]、耳蜗毛细胞[26]等。

BKCa通道开放需要非常大的单一电导,为电压依赖型离子通道,这个简单的条件决定了激活相对较少的通道,就可以对细胞的电生理学功能产生很大的影响[27]。此外,细胞内钙离子浓度也可调控BKCa通道,在一定的细胞膜电位下,钙离子浓度越高,BKCa通道开放的几率越大。BKCa通道是细胞膜上唯一可接受两种信号调节的通道,把细胞内的化学信号转化为细胞膜上的电信号,这一特性决定其调节机制和生理功能更加精准[28]。

2 BKCa在肾脏的表达及生理学作用

BKCa通道在出生后小鼠所有时间点的肾小球和肾小管中都有表达[27],包括足细胞和系膜细胞,以及远曲小管和集合管。采用激光共聚焦显微镜观察到,随着足细胞的分化和成熟,BKCa通道的分布逐渐从细胞核转移到细胞膜表面,这与不同发育时期足细胞的膜蛋白免疫印迹分析和膜片钳夹实验电流的变化结果是一致的,这些研究进一步揭示肾脏的分化发育和解剖生理,为以后的研究奠定了基础[14]。新近报道在人多潜能干细胞诱导的肾脏类器官上,也有BKCa的表达[29]。

足细胞是构成肾小球基底膜和滤过屏障的主要结构。我们关注的焦点是,足细胞上的BKCa通道作为重要的离子通道之一,具有慢激活及大电导的特点,对细胞膜的压力作用敏感,可将机械信号转换成电化学信号发挥作用,故对足细胞足突机械牵张比较感敏。同时在分化成熟的足细胞系中,BKCa通道可调控足细胞内钙离子稳态,进一步发挥重要作用。以上两点是BKCa通道影响足细胞功能的基础和前提[14,27]。

尤其值得一提的是,BKCa通道与TRPC6通道二者存在相互协同作用,在钙离子经过TRPC6通道内流的过程中发挥驱动作用,进而促进细胞发挥功能。Kim等人发现足细胞上BKCa与TRPC6离子通道共表达,并且后者可增加BKCa通道在细胞膜上的表达。同样,BKCa通道也与TRPC3共表达,但TRPC3通道却不影响BKCa的功能[11]。该作者还发现,在敲低 Nepherin或synaptopodin的小鼠足细胞胞膜上,BKCa通道的表达减少,在HEK293T细胞上转染Nepherin能增加BKCa的表达,MAGI-1则减少胞膜上的BKCa通道的表达,因此Nepherin与BKCa通道的相互作用机制复杂[12-13]。

3 BKCa通道在肥胖相关性肾病中的作用机制

在一项包括4214例肥胖患者和5417例普通患者的代谢性疾病的全基因组关联分析中,显示来自5/6的对照研究病例,BKCa通道基因都与人类肥胖相关,而且肥胖个体的脂肪组织中BKCa转录表达增加,这些发现为研究代谢通路和BKCa表达和功能之间的联系打开一条新途径[30]。其他研究也发现肥胖能有选择性的降低血管BKCa通道表达及功能[31-33],因此我们非常关注肥胖对肾小球上BKCa通道的影响。

3.1 BKCa通道与肥胖本身导致的机械压力和血流动力学改变

我们在解剖肥胖大鼠时发现,腹部脂肪和肾周脂肪明显增加,脂肪组织对肾脏的压迫可直接影响肾脏的血流动力学。此外,肥胖个体因为单位体积内毛细血管分布减少,容易导致组织缺氧,而足细胞缺氧是肾脏疾病发生发展的重要机制之一,也是慢性肾病进展至终末期肾衰竭的共同最后通路。BKCa通道是最早被发现的能被低氧抑制的离子通道之一[16],有报道低氧环境下足细胞上BKCa通道明显受抑制,电流的激活曲线向负极化方向移动,说明BKCa通道的动力学改变参与慢性缺氧的损伤过程[14,32,34]。

3.2 BKCa通道与肥胖伴发的代谢异常

肥胖是高血糖、高血压、血脂异常等代谢综合征各组分发病的共同土壤,而这些组分都可以导致BKCa的改变,造成肾脏损害。

高血糖状态可引起血管平滑肌细胞张力发生改变,胞膜上分布的BKCa通道是参与血管舒缩的主要离子通道之一[28,35-36]。血糖升高时,BKCa通道开放概率减少,电压依从性和钙离子依从性受损,而且其电流密度及β1亚基的表达显著降低,导致动脉血管收缩增强,舒张减弱,有作者认为与泛素化调控密切相关[28,31]。还有观点认为,糖尿病早期由于一氧化氮减少,BKCa通道被激活起代偿作用,但后期血管环降低了对舒血管物质的敏感性,而对缩血管物质敏感性增强,分析与BKCa通道电导性降低及关闭时间缩短有关。最直接的证据是,与对照组比较,糖尿病组大鼠BKCa通道β1亚单位表达减少,24小时尿蛋白、血尿素氮、血肌酐、肾脏指数和肾脏病理变化明显,说明在2型糖尿病BKCa通道降低并出现肾脏病变[35]。

BKCa通道是调控血管紧张度并影响血管舒缩的主要离子通道,但不同发生机制的高血压对BKCa影响不同。BKCa通道β1亚单位在血管紧张素诱导的高血压大鼠肠系膜动脉的表达下调,对钙离子敏感性降低,而在自发性高血压大鼠则表达升高或不变[38-41]。体外实验中也观察到,血管紧张素Ⅱ可明显抑制足细胞BKCa通道的电流,引起足细胞内氧化应激增加,导致足细胞的凋亡,同时当BKCa通道被抑制后,血管平滑肌细胞的膜电位去极化,引起血管收缩,肾脏血流灌注不足,造成肾损伤[14,35]。肾动脉平滑肌细胞中,BKCa通道和血管紧张素Ⅱ受体在细胞周边共定位表达,而血管紧张素Ⅱ受体拮抗剂可缓解BKCa电流减少[25,42]。因此,肾小球作为一团特殊的小动脉,BKCa通道介导的血管压力调节将对肾小球产生直接的影响。

我们在研究中发现,肥胖大鼠和肥胖患者都存在血脂异常。有实验报道高胆固醇血症可使猪冠状动脉血管平滑肌细胞BKCa通道的功能降低,此外,高胆固醇血症还能减弱人前臂血循环中BKCa通道的功能[26,43-45]。BKCa通道在肥胖小鼠脂肪组织和胆固醇丰富的脂蛋白上表达,并参与胰岛素信号转导通路,通过升高细胞外钙离子流,促进甘油三酯沉积,这也是一种新的肥胖和脂肪沉积的调节机制[32,46]。

此外,在慢性肾损伤实验中,高尿酸血症损伤动脉平滑肌中BKCa介导的血管舒张[47]。KIM等[13]研究发现,胰岛素可使足细胞BKCa通道表达增加。故认为,高尿酸血症和高胰岛素血症等都可以直接或间接通过BKCa通道影响肾脏功能。

4 研究展望

BKCa通道的研究对疾病的诊治有重要的意义。一些合成小分子如NS004和fenamates,以及天然物质衍生化合物如DHS-1和maxikdiol,BMS-191011[48],NS11021[20,24]等都是选择性BKCa通道激活剂,有些钾通道激活剂如咪诺地尔等,也可调节BKCa通道功能[35]。尤其是NS1619可产生浓度依赖性血管舒张,成为肥胖伴发高血压治疗的药物靶点,药理学中对BKCa通道β亚基的研究,发现并提供了针对靶向特定组织的选择性激动剂[20,49-50]。此外,中药川芎嗪[51]、丹参水溶性成分丹参素、灯盏花的药用成份灯盏花素,都可激活BKCa通道的舒血管作用[25],将成为有效保护肾脏的药物。然而开发高生物利用度的BKCa通道激活剂仍有一些困难,如化合物活性低、对BKCa通道选择性低、结构类型有限等。尽管如此,BKCa还是为阐述肥胖导致肾脏损害的机制及其治疗打开一条门径。