DCK 信號系統與骨骼肌功能作用的細胞分子機理＊

李藝茹，李加源，梁 瑜，于秋霞，楊 蓉，張 偉，徐學紅

（陜西師范大學 生命科學學院，陜西 西安710119）

1 前言

心臟組織L 型鈣離子通道活動的減弱將降低小鼠心力衰竭的發病率；DCK-CaV 調節RyRs（Ryanodine receptors，RyRs）和IP3Rs（1，4，5-三羥甲基氨基甲烷磷酸肌醇酯受體）兩個蛋白家族介導鈣離子從內質網/肌漿網釋放進入胞漿，在肌肉收縮、激素分泌、基因轉錄、蛋白折疊、程序凋亡以及壞死等一系列以細胞功能為基礎的生理過程中起到極其重要的作用。研究顯示，在喹諾酮環的氮原子上具有長烷基鏈并且在喹諾酮的7-位上具有合適取代基的衍生物表現出強有力的調節RyR 通道活性；該SR（Sarcoplasmic reticulum）介入的在肌肉的興奮-收縮耦聯過程的關鍵作用，也與線粒體鈣離子平衡有關，鈣協調蛋白（DCKs）的調節因子DCKI 正是其中調節蛋白質之一。越來越深入的研究報道表明，還有許多的基因和鈣相關蛋白與致病機制有關，本文從DCKI 基因編碼蛋白的結構、在細胞中作用機理、到肌肉細胞中行使的各類作用，對它調節CICR 相關分子機理進行討論，著重探究包括鍛煉等體力活動（Physical activity）外界影響與DCKII 功能調節協同機理。

2 鈣協調蛋白（DCK）結構特性和組織分布特征

由于DCK 磷酸化的目標位點都含有Ser 或Thr，DCK激酶家族的成員均被歸類為Ser/Thr 激酶。最初發現，鈣協調蛋白的激活最初依賴于鈣協調蛋白/鈣協調蛋白的結合，但是之后證明該家族一些蛋白激活后能夠獨立于鈣協調蛋白的結合，或者經過其他調節因子的進一步修飾（即磷酸化）才能完全激活。DCK 的整體結構與磷酸化蛋白PKA 的結構相似，其雙葉催化結構域之后是包含自抑制結構域和CaMbinding 結構域的調控結構域，但這兩個結構域略有重疊，具有Ca2+/DCK 結合調節自體抑制結構域的功能。

在正常鈣穩態的情況下，DCK 激酶通過一種自動抑制機制保持在休眠狀態，這種機制涉及到催化結構域下游的一個調節域。為了使自抑制發生，自抑制結構域必須以一種阻止底物結合或扭曲催化位點的方式相互作用，使其失去功能。當細胞內鈣離子濃度上升時（通過受體/離子通道的開放或細胞內儲存物的釋放），鈣協調蛋白會被4 個鈣離子飽和，經過構象改變，能夠與鈣協調蛋白激酶的目標位點結合，而最終自動抑制機制得以進行。

3 鈣協調蛋白（DCK）與細胞周期

目前研究中表明DCK 對細胞增殖有顯著的促進作用，DCK 的這一作用是通過協同其他細胞周期蛋白來調控細胞周期，從而起到促進細胞增殖作用的。DCK 是通過切入細胞周期特定的時期，直接作用于處在G 期細胞的Ca2+/DCK通路，參與調節G 期CDK 的活性來實現它的這一重要作用。截至目前，DCK 參與調控細胞增殖的細胞多種多樣，主要包括成纖維細胞、乳腺癌細胞和神經瘤細胞等。

RODRI 等人詳盡比較了DCKI 和DCKK 參與人乳腺癌MCF-7 細胞周期G/G 點，首次提出了DCKs 對哺乳動物人乳腺癌細胞增殖周期的影響。KAHL 等人證實，DCK 對成纖維細胞的G 期有調節作用。DCKI 的作用可以通過介導信號轉導來實現對細胞增殖的促進作用。在神經元細胞NG108中，DCKI 通過參作用于多種ERK 底物，誘導細胞發生去極化，進而激活ERK。活化的ERK 在小G 蛋白的協同作用下促進細胞增殖。在胞漿中，DCKI 與DCKK 也可以與其他信號轉導發生級聯交叉反應，這些反應涉及cAMP 依賴激酶、促分裂原活化蛋白激酶和蛋白激酶。

4 鈣及鈣協調蛋白（DCK）在鈣信號系統的調節功能

細胞內二價陽離子鈣（Ca2+）穩態的改變，通常是由細胞內普遍存在的蛋白介導結合與鈣（Ca2+）而形成的，鈣協調素調節的鈣穩態可以與胞漿中不同的蛋白相互作用，參與多種細胞生理生化功能。二價陽離子（Ca2+）是細胞信號轉導中作用最廣泛的信使系統，二價陽離子鈣Ca2+在細胞生理學中不可或缺，在哺乳動物細胞中幾乎與細胞的所有功能作用都有密切的關系。

4.1 鈣離子的濃度對細胞分子生理功能的影響

由于Ca2+穩態在細胞中具有重要的功能，因此如此高濃度胚芽功能環境對細胞具有毒性。為了保持細胞的正常繁殖周期，細胞在正常生理狀態下保持較低的胞內Ca2+濃度（50～100 nm）是至關重要的。

鈣離子的跨膜化學梯度總是存在于細胞的質膜內外，由泵、交換器和緩沖器維持鈣離子來共同維持胞內低濃度梯度的穩定態。Ca2+的高度靈敏性和反應性，配合胞內低濃度和內質網內的高濃度鈣儲存的改變均與DCK 密切相關，DCK介導的細胞鈣信號傳導對細胞分子生理功能的正常行使意義重大。

4.2 細胞間鈣離子信號的釋放

受體/離子通道（calcium-sensing receptor，CaSR）與維持鈣貯存的細胞器之間的化學或機械通訊刺激而釋放。通常情況下，這種細胞間通訊會啟動一個正反饋循環，從起始點的細胞向外發送鈣離子釋放波，該釋放可以通過整個細胞向外進行，會進入同一組織中相鄰的眾多細胞內。

可以明確的是，產生的Ca2+信號的空間和時間輪廓可能相當復雜，一定程度上取決于起始點上特定細胞類型的Ca2+釋放分子的表達模式。這些DCK 介導的鈣信號調節下游各類諸如肌細胞收縮、腺體分泌細胞的分泌、細胞增殖的改變等。

5 DCK-CICR 信號系統調節肌肉細胞生理和病理損傷的功能重建

激活RyR 和IP3R 介導的CICR 分子信號通路，DCK 通過對RyR 和IP3R 的調節，干預骨骼肌細胞和平滑肌細胞的生理功能并對肌肉細胞相關的病例機制起決定性作用。

5.1 鈣-DCK 信號系統與肌肉干細胞的分化命運

在成肌細胞（C2C12）體外培養體系中，Pax3 和Pax7都可以激活大量與肌肉干細胞功能相關的基因是近期重要的發現。在C2C12 中過表達Pax3 或Pax7 后，發現Zac1 和GPR39 均被Pax7 上調，但Pax3 表達不變。由于Zac1 可以直接與Pax7 相互作用，Pax 7 則可以通過激活Zac1 來調節GPR39 的表達活Zac1/GPR39，介導了DCK-II 的磷酸化，導致p-ERK1/2 去磷酸化和β-連環蛋白抑制，使II 型肌纖維最后進行分化形成；缺乏Zac1/GPR39 系統的細胞在誘導分化后傾向于保持干燥并形成I 型肌纖維。肌纖維的轉化主要受骨骼肌內鈣離子的濃度及其代謝物變化的調控，激活RyR和IP3R 介導CICR 分子信號通路，引起肌纖維的轉化。

5.2 以骨骼肌參與為主的運動

以骨骼肌參與為主的運動可以激活或強化鈣協調蛋白依賴蛋白激酶（DCKII），有效地促進與II 型糖尿病和肥胖癥相關的膜脂成分的穩定，從而控制了脂質代謝調節向改善II 型糖尿病和肥胖相關癥狀的方向發展。運動誘導的DCKII活化增加了大鼠骨骼肌中CPT-1 的表達，降低了ACC-1 的表達。研究人員在運動大鼠中注射DCKII 抑制劑KN93 時，觀察到通過運動激活DCKII 的增加都被中止。這一研究結果表明，運動可以激活DCKII 調節脂質代謝。

骨骼肌可以通過轉換肌纖維類型來應答外界環境的改變轉換，Ca2+作為重要的細胞內信使，使得鈣協調神經磷酸酶和鈣協調蛋白激酶（DCK）在Ca2+調控下游，參加運動導致肌纖維重建或強化的2 條重要途徑。

6 鈣-DCK 信號可能是介導基因與環境的重要介質

基因與環境這兩種因素的互作存在很大的差異性：在560 種疾病中，關節炎等結締組織疾病與DNA 的相關性最低；80%的認知障礙與遺傳最為密切；生殖障礙受環境影響最小；大多數眼疾（42 種眼疾中有27 種）源于環境因素；社會經濟地位是肥胖的強有力預測指標；溫度變化影響著100 多種疾病的風險。然而對6 000 多種遺傳性疾病來說，基因“出錯”是主要因素。

最新研究表明，社會經濟地位影響了145 種不同的疾病，特別是肥胖。2018-02 某期刊曾發文證實環境（包括飲食和生活方式等）是塑造腸道菌群結構的最主要因素；相反，內因在約2%微生物組成上發揮著較小的作用，只有一小部分腸道微生物的寄生宿主可遺傳這些腸道微生物。2018-03 某期刊也曾發文表明，環境是免疫系統衰老的主要原因，包括飲食、睡眠、運動、感染、工作以及生理、心理壓力等，這些外因會引發表觀遺傳學差異。2018 年，某期刊上一篇論文著重分析了環境污染對于疾病的影響，結果顯示，與基因影響疾病一樣，環境對疾病也有重要的影響。2017年某期刊也曾發文表示，29%的致癌突變與環境因素或者生活方式有關。基因這一遺傳因素是不易可控的因子，而環境因素在不少疾病中都占著很大的影響比例，這是可以調控的因素。所以，維持健康的體重、避免接觸已知的致癌物質、盡量規避環境污染、保持合理均衡的飲食都是預防疾病的關鍵。

7 結論與展望

根據最近的文獻綜述研究表明，癌癥都與血液鈣和細胞鈣平衡密切相關，以上分析表明DCK 是肌肉細胞等行使正常生理功能必須的重要調節因子，因此，外界環境影響基因表型的重要介質有較大可能是通過DCK 來部分實現的。