钙敏感受体在畜禽消化系统和疾病防控中的作用

池 卓,陈丹娜,王雨欣,雷卓凡,邹颜璐,宋泉江,宋厚辉,姜 胜

(1.浙江农林大学 动物科技学院 动物医学院,浙江 杭州 311300;2.浙江省畜禽绿色生态健康养殖应用技术研究重点实验室)

1 钙敏感受体概述

钙敏感受体(calcium-sensing receptor,CaSR)是C族G蛋白偶联受体(GPCRs)家族的一员,其主要生理作用是通过调节甲状旁腺激素(PTH)的合成和分泌来维持钙稳态。CaSR在甲状旁腺、肾脏、心脏、乳腺和肝脏等大多数器官中都有广泛表达,并对激素分泌、离子通道活性、基因表达、炎症调节、增值、分化和凋亡等多种病理和生理过程进行调控,发挥着关键作用。 在消化系统中CaSR可以感知胃肠黏膜管腔内的Ca2+和芳香族氨基酸等营养物质,参与并调控胃酸、胰岛素的分泌。CaSR还可以作为营养传感器,促进肠道营养物质的吸收,调节肠神经的活动性,并促进肠道中激素的释放。在维持肠道菌群平衡和免疫稳态过程中CaSR也起着重要作用。而有研究表明CaSR基因发生突变后可诱发胰腺炎及胃肠癌症等疾病,因此了解CaSR功能变化对消化道疾病防治有十分重要的指导作用。

2 钙敏感受体结构特点

CaSR主要以同源二聚体的形式存在,其单体由N端胞外结构域(ECD)、7次跨膜结构域(TMD)和胞内C末端结构域(C-tail)三个部分构成。ECD由612个氨基酸组成,包含捕蝇夹结构域(VFT)和半胱氨酸富集区(CRD)两个部分;VFT是CaSR与配体结合的主要区域,能够结合Ca2+、Mg2+、Gd3+等阳离子,精胺和L-氨基酸等多种配体,VFT中还包含多个对蛋白质表达起重要作用的N-连接糖基化位点。CaSR的自发突变大多发生在VFT区。CaSR跨膜结构域(TMD)含有250个氨基酸,由7个疏水螺旋域组成,由3个细胞外环和3个细胞内环连接。CaSR N端胞外结构域(ECD)可与CaSR激动剂结合,引起ECD构象发生改变,继而引起7TM构象的变化,这种连锁反应会导致胞内袢环和C-tail的构象发生改变,从而激活下游信号通路。CaSR的胞内C末端结构域(C-tail)包括216个氨基酸残基,内含多个胞内蛋白质的结合位点,它主要参与CaSR信号调控,调节细胞表面受体转运,表达,脱敏以及信号转导。

3 钙敏感受体的生理功能

3.1CaSR在消化系统中的生理功能

3.1.1CaSR促进胆汁流动 在肝脏中CaSR广泛存在,整个肝腺泡中都有CaSR表达。CaSR可以活化IP3敏感存储器中的Ca21i,其可以调节胆汁和脂蛋白的分泌、胆汁淤积、肝脏解毒和抗损伤功能,肝脏细胞再生和增殖,新陈代谢等多种肝脏病理和生理活动。在对调节胆汁分泌的研究中发现,GdCl3和精胺激活CaSR后可促进缺钙所致胆汁淤积时期肝脏灌流液中胆汁流量的恢复,由此证明CaSR可能在胆汁分泌中起重要作用。

3.1.2CaSR在胰腺中的生理作用 CaSR在胰岛细胞、导管细胞、腺泡细胞,以及胰内神经和血管等各种非外分泌组织中均有表达,而CaSR在胰腺不同的位置表达其功能也不尽相同。体内血糖浓度的变化是促进胰岛素释放的主要因素,葡萄糖代谢可以通过关闭ATP依赖性钾通道,打开电压门控性Ca2+通道(VGCC),介导细胞内Ca2+的变化,低浓度Ca2+可通过激活CaSR及其下游MAPK信号通路,诱导胰岛素进行短暂分泌,因此,胰腺内分泌组织中的CaSR参与了胰岛素分泌调节过程。

3.1.3CaSR在胃中的生理作用 胃组织细胞中CaSR具有调节胃泌素和胃酸的分泌功能。食物中苯丙氨酸,色氨酸等芳香族氨基酸成分能够激活胃中的CaSR,从而活化下游的PLC-PIP2+IP3R-Ca2+途径,产生级联反应,促使PIP2分解为IP3,IP3作用于内质网(ER)引起钙库内Ca2+释放以及胞外Ca2+内流增加细胞内Ca2+浓度,进而激活壁细胞H+-K+-ATP酶的活性,从而增强胃泌素和胃酸的分泌。

3.1.4CaSR在肠道中的生理作用 CaSR在小肠绒毛细胞的顶膜和基底外侧膜,以及啮齿类动物和人类结肠的表面和隐窝上皮细胞上以及潜在的Meissner和Auerbach神经丛中都有表达。CaSR能够感受机械和化学刺激,参与平滑肌收缩和肠蠕动,抑制Cl-分泌,刺激小肠和结肠对Na+吸收的功能,有助于维持水盐平衡。

3.2CaSR在其他组织中的生理作用 CaSR在神经元中不仅参与神经元的生长和迁移,还参与多种功能,包括突触可塑性和神经传导,在少突胶质细胞中,CaSR参与髓鞘的形成和中枢神经系统离子微环境的调节。CaSR广泛分布于心血管系统中的血管内皮细胞,血管平滑肌细胞,以及血管周围神经等等多种细胞中,并发挥重要的生理和病理作用。在生理作用方面,CaSR在心血管系统中参与血压及血管张力的调节,虽有研究表明CaSR激活后具有降压作用,但具体作用机制仍不明确,有待进一步研究。在病理方面,CaSR也可能参与血管钙化这一严重影响心血管系统功能的病理过程。而在对拟钙剂的体外治疗可降低VSMC的钙化作用的研究结果则进一步证实了CaSR在血管钙化中的作用。此外,肾脏中CaSR还具有参与调控钙磷代谢平衡,阳离子转运及酸化浓缩尿液等功能。

4 钙敏感受体与消化系统疾病

4.1胃癌 CaSR具有促进胃癌发展的作用,CaSR通过膜上钙通道介导了胃癌细胞内钙的増加,进而激活下游的PI3K/AKP和β-连环蛋白(β-catenin)信号通路促进胃癌细胞的増殖、迁移及侵袭能力。CaSR在胃癌中表达含量与肿瘤大小、分化、分期与及预后相关。CaSR在中期分化的胃癌组织中表达最高,这可能提示CaSR主要是参与胃癌的早中期阶段。钙可能增强CaSR的表达和功能,从而潜在地促进胃癌的发生。这对临床上胃癌病人的营养支持治疗具有重要的指导意义,治疗中要严格控制Ca2+的摄入。CaSR可能成为胃癌治疗及预后判断的新指标,研发CaSR的抑制剂能有效干预肿瘤的増殖及迁移,抑制胃癌发生发展,也许未来针对CaSR及离子通道为靶点的抗癌药物会为胃癌的临床治疗带来新的曙光。CaSR激活通过TRPV4通道和下游AKT /β-catenin途径触发Ca2+进入,从而促进胃癌的生长。

4.2肠道的炎症与癌症 CaSR缺失会导致结肠炎。在葡聚糖硫酸钠(DSS)诱发结肠炎的研究中发现,敲除肠上皮中CaSR的小鼠与同龄野生小鼠相比,表现出更严重的结肠炎,并且恢复时间延长,且DSS后第13天结肠的总体形态和组织病理学结果显示,野生型小鼠预后良好,CaSR敲除小鼠仍然表现出严重的结肠炎症和黏膜损伤,表明CaSR在维护肠道黏膜屏障和肠道免疫力方面具有重要作用。因此,CaSR可作为炎症性肠道疾病的治疗靶标。

CaSR具有抑制结肠肿瘤的作用,CaSR在正常结肠黏膜中大量表达,而在高分化的结肠癌中CaSR表达较弱,在低分化癌中则检测不到CaSR表达。在结肠癌,激活的CaSR通过抑制细胞内β-catenin,调控细胞周期关键蛋白,抑制癌细胞的增殖。

4.3胰腺炎症及胰腺癌 CaSR可以通过触发导管电解质和液体分泌来监测和调节胰液中的Ca2+浓度,从而减少导管腔内Ca2+盐的沉淀,降低碳酸盐结石形成和胰腺炎的风险。此外,CaSR在NCX1的调解下,促使细胞外的钙离子大量进入细胞内,激活的CaSR可以抑制Wnt/β-catenin信号通路,抑制胰腺癌细胞的增殖。

5 展望

近年来,CaSR在消化系统中的作用已成为一个新的研究方向。CaSR作为治疗消化系统疾病的新靶点具有广泛的临床意义。