線粒體大電導鈣離子激活鉀通道的研究進展

肖雯婧，侯 君，呼永河

線粒體由內外兩層膜封閉而成，其中線粒體內膜作用極為重要，呼吸鏈蛋白復合體附著于線粒體內膜，同時于此完成其生理功能。目前，線粒體內膜已鑒定出多種鉀離子通道蛋白，如線粒體選擇性鉀離子通道，包括ATP依賴鉀通道（mitoKATP）、電壓依賴性鉀通道（mitoKv 1.3）、小電導鈣離子激活鉀通道(mitoSKCa)、中電導鈣離子激活鉀通道(mitoIKCa)、大電導鈣離子激活鉀通道（mitoBKCa）、pH 依賴鉀離子通道(mitopH-sensitive K+channels)以及TASK-3雙孔鉀通道（mitoTASK-3）[1-2]。 其中，Xu 等[3]于 2002 年首次發現mitoBKCa在心血管疾病中扮演著極為重要的角色。隨著對mitoBKCa研究的深入，發現mitoBKCa在細胞凋亡等多種生理、病理活動中也起著重要作用[4]。筆者對mitoBKCa結構與功能研究的進展進行一個簡要總結。

1 mitoBKCa的生物物理性質

Siemen等[5]于膠質瘤細胞LN-229中首次發現線粒體內膜上BKca（mitoBKCa）的存在，后續研究也指出 BKca在膠質瘤細胞增殖、分化及侵襲轉移中起著關鍵作用[6]。隨后研究發現，細胞膜表面BKca與線粒體BKca形成孔區的а亞基均由Kcnma1基因編碼而成，其中外顯子DEC是BKca蛋白鉚釘至線粒體膜表達的關鍵基因[7-8]。mitoBKCa具有與BKca相似的生物物理學性質，包括對鉀離子具有大的電導作用、對電壓和鈣離子濃度敏感等[9]。但二者也表現出顯著差異。 LN-229 細胞中，mitoBKCa的電導率為（199±8）pS，而BKca為（278±10）pS。并且二者對電壓和鈣離子濃度的敏感性也不同[10]。mitoBKCa在不同細胞系中對電壓和鈣離子濃度敏感度也存在差異，如心肌細胞中mitoBKCa在鈣離子濃度為 0.5 μM的條件下，對-60 mV～+60 mV范圍內電壓均呈高敏感性（離子通道開放率為90%）[3]。而在膠質瘤細胞中，mitoBKCa在鈣離子濃度1 μM的條件下，當電壓高達41 mV時，離子通道開放率也僅為為50%[5]。而BKCa也表現出類似情況[11-12]。這種差異可能與BKCa及mitoBKCa存在多種亞型，且在不同細胞中的生理功能不同有關。

2 mitoBKCa的結構與功能

BKCa由形成孔區的α亞基以及輔助性β和γ亞基組成。研究顯示，心肌病變會引起心肌鉀離子通道mRNA和蛋白表達均出現不同程度的降低，說明心肌病變可引起離子通道重構[13]。其中β亞基已經在多種細胞線粒體上BKca中發現，但是γ亞基尚無明確證據顯示其是否參與構成mitoBKCa。β1亞基首次分離于大鼠心室肌細胞線粒體內膜。細胞膜BKcaβ1亞基激動劑雌二醇可增強大鼠心室肌細胞mitoBKCa活性，進一步證明β1亞基是mitoBKCa的輔助性亞基之一。同時也提示，與細胞膜BKcaβ1亞基相似，mitoBKCaβ1亞基與心肌功能密切相關。另有研究顯示，β1亞基直接作用于細胞色素C氧化酶，說明β1亞基與呼吸鏈密切相關[14-15]；mitoBKCaβ1亞基在 11,12-環氧二十碳烯酸誘導肺動脈平滑肌收縮的過程中扮演著重要角色[16]。同時，肺動脈高壓(PAH)可引起線粒體功能紊亂，從而抑制mitoBKCa的功能[17]。腦組織中mitoBKCaβ2亞基和β4亞基發現于大腦網狀核細胞及腦橋細胞線粒體中[18]。Skalska等[19]在大腦海馬神經元細胞中觀察到β4亞基的存在。更為重要的是，β4亞基與神經膠質細胞病變密切相關。實驗證明，正常神經膠質細胞線粒體未檢測到β4亞基存在，而神經膠質瘤細胞（U-87MG）線粒體內膜該亞基高度表達。藍色非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳(BN-PAGE)證明，U-87MG細胞中β4亞基可與細胞色素C氧化酶形成復合物，從而影響U-87MG細胞中線粒體的功能[18,20]。以上研究說明，線粒體BKCa輔助β亞基與細胞膜表面BKCa輔助β亞基相似，具有組織特異性，而其在各組織中的具體功能還需要進一步的實驗說明。

3 mitoBKCa與活性氧簇（ROS）產生的關系

研究證明，mitoBKCa是保護心肌缺血再灌注損傷的重要靶點之一[21-22]，而該保護作用極有可能是通過調控線粒體內ROS的產生來完成。研究發現，mitoBKCa對ROS生成的調控作用可能與其生成機制相關。目前研究認為，增加線粒體ROS生成主要通過兩種方式：（1）阻斷線粒體復合物I NADH脫氫酶系電子流；（2）誘導產生線粒體復合物Ⅱ到復合物I的反向電子流，而ROS產生的位置均為復合物I[23-25]。當采用反向電子流誘導心肌細胞線粒體復合物I大量生成ROS時，通過加入mitoBKCa特異性激動劑NS1619刺激mitoBKCa開放，可顯著抑制ROS的產生；而加入mitoBKCa抑制劑Paxilline抑制mitoBKCa開放，可增強ROS產生。但是，當采用魚藤酮抑制線粒體復合物I的電子傳遞從而誘導大量ROS產生時，結果與之前相反，mitoBKCa開放ROS生成增加，而mitoBKCa關閉ROS生成下降[26-27]。

4 mitoBKCa與線粒體膜通透性轉換孔(mPTP)的關系

mPTP開放是引起線粒體死亡的關鍵事件。應激狀態下，mPTP開放允許小分子物質進入細胞內部，從而引起線粒體基質蛋白的滲透壓升高，基質水腫、外膜損傷，最終導致大量凋亡因子釋放致使細胞死亡[28-29]。保持mPTP關閉的關鍵因素是線粒體內鈣容量（CRC）及細胞內ROS水平，mitoBKCa與二者均有密切聯系。通過測定線粒體內CRC，研究者發現mitoBKCa激動劑NS1619對心肌的保護作用可能是通過mitoBKCa開放增加CRC獲得的。而BKCa敲除后，NS1619對心肌細胞無保護作用[4]。該結果說明，mitoBKCa開放可能抑制線粒體mPTP開放，從而起到細胞作用。星形膠質細胞中，Bax可抑制mitoBKCa活性，同時引起mPTP開放并釋放細胞色素酶C。但是，當阻斷mitoBKCa后，Bax引起mPTP開放的現象消失。因此，研究者推測Bax通過抑制mitoBKCa從而引起mPTP開放[30]。mitoBKCa同樣參與CRC調控的mPTP開放。采用BKCa特異性抑制劑IbTx抑制小鼠膠質瘤GL261細胞mitoBKCa，CRC下降，線粒體去極化，最終引起mPTP開放，大量細胞色素c釋放，細胞凋亡[31]。

5 mitoBKCa與組織低氧的關系

人體在外傷、組織壞死及腫瘤等多種病理情況下，其組織或細胞處于低氧狀態。低氧導致一系列細胞信號通路發生級聯改變，從而引起細胞的生長、增殖或死亡[32]。研究顯示，mitoBKCa在低氧引起的級聯信號通路改變中扮演著極為重要的角色。Chen等[25]指出，低氧環境可誘導mitoBKCa開放，導致mPTP關閉，從而起到保護細胞的作用。而低氧狀態誘導mitoBKCa開放的具體機制，可能為細胞內低氧誘導血紅素氧化酶-1與線粒體膜表面結合后介導完成。但是，其具體作用方式尚需進一步實驗證明[33-34]。

6 結語

自mitoBKCa被發現以來，已證明mitoBKCa具有與細胞膜表面BKCa相似的結構與生物物理性質，兩者а亞基均由Kcnma1基因編碼而成。因mitoBKCa參與調控mPTP、ROS及組織低氧相關細胞信號通路，逐步受到研究者的重視。隨著研究的深入，mitoBKCa被認為與細胞膜BKCa一樣，可能成為腫瘤治療、逆轉腫瘤耐藥、保護心腦血管等多種疾病的治療靶點[35-36]。但對其研究仍有很多不明之處，如其是否存在γ亞基、在不同組織生理或病理下其具體作用為何等。相信隨著分子生物學技術及實驗條件的不斷發展，對mitoBKCa將會有更深入的了解，其在疾病診斷及治療中將會發揮更重要的作用。