鈉鈣交換蛋白特異調控與相關臨床疾病研究進展

祖 源，萬麗娟，龔燕平，李春霖

解放軍總醫院 老年內分泌科，北京 100853

綜 述

鈉鈣交換蛋白特異調控與相關臨床疾病研究進展

祖 源，萬麗娟，龔燕平，李春霖

解放軍總醫院 老年內分泌科，北京 100853

鈉鈣交換蛋白是廣泛存在于動物細胞膜上的一種離子轉運蛋白，分為SLC8基因家族編碼的鈉鈣交換蛋白(NCX)和SLC24基因家族編碼的鉀依賴的鈉鈣交換蛋白(NCKX)。新發現的線粒體NCLX由SLC8B1基因編碼現被認為是NCX家族成員，對線粒體鈣穩態起重要作用。NCX與心腦血管疾病、腫瘤、糖尿病關系密切；而NCKX參與光感、嗅覺、皮膚色素沉著、腦功能的調控。對鈉鈣交換蛋白的研究可為臨床相關疾病的研究提供新思路。

鈉鈣交換蛋白；分子生物學；基因

鈉鈣交換蛋白是廣泛存在于動物細胞膜上的一種離子轉運蛋白，通過將細胞內的Ca2+泵出以及反向轉運將細胞外的Ca2+泵入維持細胞內Ca2+濃度的穩態，從而滿足細胞功能活動對Ca2+的需求。早在20世紀60年代末，科學家們就觀察到在心肌細胞、小腸內皮細胞以及某些神經元細胞膜上存在一種Na+/Ca2+偶聯的反向轉運蛋白。1990年，第一個鈉鈣交換蛋白基因由Nicoll等從狗的心肌細胞中克隆成功，之后其他不同的鈉鈣交換蛋白被相繼克隆。2012年《Science》首次發表了鈉鈣交換蛋白的三維立體結構圖，其穿膜結構、離子通道及作用機制得以證實[1]。本文簡要綜述鈉鈣交換蛋白的結構、分布和相關臨床疾病，望為臨床疾病的研究提供新思路和新方向。

1 鈉鈣交換蛋白的結構及分布

迄今為止，科學家已克隆出兩大家族9個不同類型的鈉鈣交換蛋白。它們是由SLC8基因家族編碼的鈉鈣交換蛋白NCX1(SLC8A1)、NCX2(SLC8A2)、NCX3(SLC8A3)；SLC24基因家族編碼的鉀依賴的鈉鈣交換蛋白NCKX1(SLC24A1)、NCKX2(SLC24A2)、NCKX3(SLC24A3)、NCKX4(SLC24A4)、NCKX5(SLC24A5)及最新克隆出來的NCKX6(SLC24A36)。NCKX6現被認為是NCLX (SLC8B1)(鈉/鋰鈣交換蛋白)歸屬SLC8基因家族，NCLX(NCKX6)在線粒體鈣離子交換中發揮著重要作用[2-3]。

SLC8基因家族編碼鈉鈣交換蛋白NCX，以3Na+：1Ca2+轉運比例調節細胞膜鈣離子的跨膜轉運，調節多種細胞內的鈣離子水平。NCX與Na+的結合有濃度依賴性，與Na+的結合可以降低NCX與Ca2+的親和力，但只有當細胞內Na+降低時，Ca2+結合位點的Ca2+才會釋放。NCX具有10個螺旋形反復穿膜的結構，鈣離子結合區在第五跨膜和第六跨膜間，剪切性突變也發生在第五跨膜和第六跨膜間的胞內環上的6個小外顯子(A、B、C、D、E和F)。不同組織NCX1基因在此胞內環上所含的6個小外顯子有所不同，因此NCX1又分為不同亞型，迄今發現心臟、腎、大腦和胰島B細胞分別表達NCX1.1(含外顯子A、C、D、E、F)、NCX1.3(含外顯子B、D)、NCX1.4(含外顯子A、D)和NCX1.7(含外顯子B、D、F)。不同NCX1蛋白亞型對鈣離子的調控轉運能力存在差異[1]。但所有剪切性突變體都含有外顯子A或B以保持開放閱讀框架。可興奮組織如神經元、心肌細胞表達的NCX一般含有外顯子A，其他如腎、胃和骨骼肌表達的NCX含外顯子B。在NCX的不同類型中，NCX1分布廣泛，在哺乳動物的各組織細胞都有表達，而NCX2、NCX3僅在大腦和骨骼肌表達。如圖1。

SLC24基因家族編碼的鉀依賴的鈉鈣交換蛋白NCKX轉運比例為4Na+：1Ca2++1K+，這意味著Ca2+由胞內轉運至胞外，需要由細胞內外的Na+和K+的電位共同驅使。相比NCX轉運比例3Na+∶1 Ca2+，NCKX轉運模式可以維持較大的Ca2+梯度。NCX和NCKX蛋白對Ca2+的轉運模式可以由外排轉換成內流，模式的轉換主要取決于跨膜兩側Na+濃度及膜電位。由于NCKX蛋白還要受跨膜兩側K+濃度的調控，因此其鈣轉運模式的轉換相對于NCX蛋白來說更為復雜。NCKX具有12個反復穿膜的結構并且與NCX有著相似性，離子結合區在第五和第六跨膜間。其中NCKX1主要分布于光感細胞視桿、視錐細胞；大腦組織有NCKX2、NCX3、NCX4的表達；NCKX3還表達于子宮，并且受月經周期類固醇激素的影響；NCKX4表達于嗅覺神經元；NCKX5主要分布于視網膜以及皮膚的色素細胞層[2]。

圖 1 NCX蛋白及鈉鈣離子通道的三維結構及其鈉鈣交換機制

2 鈉鈣交換蛋白相關疾病

2.1心血管疾病 NCX與心肌的電節律、興奮收縮偶聯、缺血預適應及高血壓的發生均存在著密切的聯系。多項研究顯示，在心肌缺血、心律失常、心衰等心臟疾病中存在NCX1表達及功能的改變。過量表達NCX1，可能導致心肌的收縮功能失調及心律失常的發生。代謝抑制處理后，敲除NCX蛋白的小鼠興奮收縮偶聯效率較普通小鼠高[4]。心肌特定敲除NCX1的小鼠，心肌抵抗缺血再灌注損傷的能力增強，這可能是由于阻止了鈣超載[5]。一些研究發現，心衰患者NCX1表達量增加[6]。此外，在原發性肺動脈高壓及多種鹽敏感性高血壓動物模型中發現NCX1的表達增高。對鹽敏感型高血壓相關聯的蛋白組學的研究顯示，NCX1和NCKX3的基因多態性與收縮壓升高的病理生理密切相關[7]。

2.2缺血再灌注神經損傷 有研究表明，在大腦病理生理變化過程中，NCX對維持神經細胞內Na+和Ca2+的平衡發揮重要作用。Boscia等[8]在利用永久性局灶性大腦中動脈阻斷腦缺血(pMCAO)大鼠模型研究神經元的自我保護機制時發現，NCX1和NCX3在神經元損傷過程中起到一定的保護作用，尤其是NCX3，它廣泛表達于肌肉和腦組織，即使在缺少ATP情況下仍然可以發揮作用，并且NCX3基因敲除小鼠缺血后腦損傷明顯加重。Molinaro等[9]在缺氧缺糖的情況下體外培養NCX3基因敲除小鼠和野生型小鼠的大腦皮質及海馬細胞后再復氧，發現前者神經細胞大量死亡，這說明NCX3可減輕缺血再灌注對神經的損傷。此外，NCX2和NCKX2也對缺血性腦損傷也有保護作用，并且NCKX2基因敲除的小鼠學習和記憶能力明顯下降[10]。

2.3腫瘤新生血管生成 體外研究發現，NCX抑制劑可以減少血管內皮生長因子誘導的人臍靜脈內皮細內的增殖、遷移、管狀分化。同時NCX還可能參與了細胞外的信號磷酸化及凝血酶原和血管生成素的激活[11-12]。因此NCX有可能成為腫瘤治療的新靶點。

2.4糖尿病 胰島B細胞特異性表達NCX1中的兩個亞型NCX1.3和NCX1.7。NCX1在胰島B細胞中對Ca2+含量的調控及胰島素的分泌扮演重要角色。研究顯示，在高糖刺激胰島B細胞時，電壓敏感性鈣離子通道和NCX參與了胰島細胞膜的慢速持續去極化及動作電位的疊加過程。此外，NCX1過表達所導致的胰島細胞凋亡，還可能參與了1型糖尿病發生的病理過程[13]。Herchuelz等[13]敲除NCX1(SLC8A1)一個等位基因的小鼠，發現胰島B細胞凋亡減少，糖刺激胰島素分泌增加，并且在初始階段的胰島素分泌增加明顯。體外抑制NCX1的表達，胰島B細胞的功能、增殖、面積及抵抗外界刺激的能力均有提升。此外，NCX1對鈣的調控機制同樣參與糖尿病大血管和微血管的病變過程。將NCX1抑制劑KB-R7943加入高糖環境下離體培養大鼠主動脈內皮細胞，可減少內皮細胞黏附分子的集聚。高糖培養大鼠腎系膜細胞，NCX1蛋白表達降低。因此對于NCX分子及調控機制的研究，有助于糖尿病發病機制的研究[14]。

2.5其他疾病 NCKX分布于全身多處組織，其作用功能有所不同，功能的改變將導致所在組織器官出現相應的功能缺陷。對NCKX的研究相對較少。NCKX1主要分布于光感細胞視桿、視錐細胞，其基因SLC24A1被認為是遺傳性視網膜疾病致病基因[15]；NCKX2對腦損傷有保護作用，并與學習能力有關；NCKX4表達于嗅覺神經元，NCKX4敲除的小鼠存在嗅覺持續時間及感知的缺陷[16]；NCKX5主要分布于視網膜及皮膚的色素細胞層，NCKX5基因敲除的小鼠，皮膚顏色無顯著改變，但視網膜色素上皮細胞的色素沉著明顯減少[17]。

3 新型線粒體鈉鈣交換蛋白NCLX

線粒體鈣活動與細胞形態、細胞鈣穩態及基本生理過程密切相關，例如：胞內鈣調節、激素分泌、氧化磷酸化、突觸傳遞及凋亡因子的釋放等。2010年Palty和Cai等[18-19]發現并命名了線粒體上的鈉鈣交換蛋白NCLX，其定位在線粒體嵴上，功能是調控線粒體鈣外排。Cai和Lytton[19]教授首先提出K+參與NCLX(NCK6)蛋白調控Na+/Ca2+的交換，但隨后Palty等[18]發現提高胞內Li+濃度可促進線粒體鈣外排，抑制NCLX表達后，此現象不明顯，但未發現K+參與NCLX蛋白對線粒體鈣的轉運。

線粒體NCLX蛋白高表達于骨骼肌、心肌、腦、胰島B細胞、淋巴B細胞，但肝含量較低。目前發現，高糖環境抑制MIN6線粒體NCLX表達，其線粒體鈣釋放減少，NAD(P)H/NAD+基礎代謝比值增加，葡萄糖刺激胰島素釋放延遲[20]。心肌細胞NCLX通過對線粒體鈣離子的調控，影響肌漿網鈣離子的釋放，從而參與調節心肌細胞的自主節律[21]。星形膠質細胞線粒體NCLX可促進膠質細胞源性遞質谷氨酸分泌，抑制NCLX的表達使星形膠質細胞的增殖和遷移能力下降[22]。NCLX蛋白對Ca2+信號傳導的調控，還影響B淋巴細胞抗原抗體反應[23]。我們團隊的早期研究發現，NCKX6(NCLX)在人主動脈內皮上表達，并受葡萄糖調控[24]；對大鼠主動脈內皮功能的研究發現，NCLX可能從凋亡途徑、炎癥相關途徑及一氧化氮釋放等多方面參與內皮功能的調節。我們將上述與NCX和NCLX相關的疾病及研究進展進行了總結，具體見圖2。

圖 2 NCX相關的疾病研究現狀及進展圖中灰色方格所示為研究認為的可能與NCX有關的致病機制，黃色方格所示為可能與NCX有關的保護機制，白色方格所示為NCX參與但機制目前仍未證實，仍處于研究中的可能作用機制。方格后的標示是研究所涉及NCX的不同類型

目前對NCLX的功能及機制的了解仍非常有限。能廣泛抑制線粒體鈉鈣交換活動的抑制劑CGP-37157，對NCLX蛋白抑制的選擇敏感性低；與傳統NCX蛋白相比，NCLX蛋白第五跨膜和第六跨膜間的胞內環非常短，這也就意味著NCLX蛋白可能無鈣離子結合區域，所以NCLX蛋白如何轉運離子，其生理調節的因素是怎樣的，需要我們進一步研究與探索。

4 結語

鈉鈣交換蛋白參與心肌興奮收縮偶聯，血管平滑肌的收縮，胰島B細胞胰島素的分泌，神經突觸的釋放，腎鈣離子的重吸收等生理活動，與心腦血管疾病、腫瘤、糖尿病等都有密切關系。新發現的線粒體NCLX對線粒體鈣穩態起重要作用，參與多種疾病的發生和發展。過去幾年中，雖然對鈉鈣交換蛋白已經有所認識，但是其作用機制及功能仍有待更深入的研究。對NCX的研究有可能為臨床治療提供一種新的思路和方向。

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Advances in specific regulation of sodium-calcium exchanger and its related clinical disease

ZU Yuan, WAN Lijuan, GONG Yanping, LI Chunlin

Department of Geriatric Endocrinology, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China

LI Chunlin. Email: Lichunlin301@163.com

Sodium-calcium exchangers are widely expressed in animal cell membrane, which can be divided into two groups: the Na+/Ca2+exchangers encoded by SLC8 gene family (NCX) and the K+dependent Na+/Ca2+exchangers encoded by SLC24 gene family (NCKX). A mitochondrial Na+/Ca2+exchanger has recently been identified as NCLX protein, which is a gene product of SLC8B1, and it is now included in NCX family. NCLX plays an important role in mitochondrial calcium homeostasis. According to current studies, NCX is closely related with cardiovascular disease, cancer and diabetes; while NCKX participates in biological process like vision, olfaction, skin pigmentation and brain function. Researches focused on sodium-calcium exchanger can provide new ideas and new directions in clinic diseases.

sodium-calcium exchanger; molecular biology; gene

Q 428；Q 493；Q 423

A

2095-5227(2015)04-0393-04

10.3969/j.issn.2095-5227.2015.04.024

時間：2014-12-12 10:45

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20141212.1045.002.html

2014-10-24

國家自然科學基金項目(H2811，81373458)

Supported by the National Natural Science Foundation of China (H2811, 81373458)

祖源，女，在讀博士。研究方向：線粒體鈉鈣交換蛋白在糖尿病大血管病變中作用。Email: 267146981@qq.com

李春霖，女，主任醫師，主任，博士生導師。Email: Lichunlin301@163.com