DCK 信號系統在心臟及神經兩類興奮細胞功能的分子機理＊

李加源，李藝茹，何博聆，岳慧敏，肖麗琴，周 蓉，周 鑫，徐學紅

（1.陜西師范大學 生命科學學院，陜西 西安710119；2.西安醫學院基礎與轉化醫學研究所，陜西 西安710021）

1 前言

人類及哺乳動物均具有兩類興奮細胞，它們是心臟的心肌細胞和大腦的神經元細胞，DCK-CaV 在調節這兩類細胞的興奮收縮耦聯中意義重大。在心臟發揮泵血供血功能的過程中，心肌細胞通過興奮-收縮耦聯（excitation-contactile coupling）和心臟傳導系統聯動所有心肌細胞共同收縮來實現正常的生理過程；大腦指揮調控機體全身的功能是通過其神經細胞興奮-收縮耦聯（excitation-contraction coupling）來實現的。這兩類興奮細胞在分子機理上均是通過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釋放進入胞漿，導致肌肉收縮、大腦神經沖動信號傳導，且介導著兩類細胞相關的組織激素分泌、基因轉錄、蛋白折疊、程序性凋亡以及壞死等一系列生命過程。RyRs作為一種鈣離子通道蛋白，鈣誘導的鈣釋放下（Calcium induced calcium release，CICR）肌纖維行使收縮功能，這在大腦神經元細胞電信號傳導中的意義是不可替代的，細胞中維系鈣離子從內質網或胞漿網鈣庫（Endoplasmic reticulum，ER or sarcoplasmic reticulum，SR）中的規律性釋放及回收極為關鍵，其可促進肌細胞收縮在心臟組織中以興奮-收縮偶聯（Excitation-contactile coupling）的通路方式協同作用。RyR調節的異常可能會產生心臟衰竭（Heart failure，HF）乃至心猝死（Sudden cardiac death，SCD）和腦猝死（Sudden brain death，SBD），本文對兩類興奮細胞發揮功能的分子機制以及它們的異常導致的疾病進行了分析，并對可能的預防機理進行了探討。

2 心臟功能與鈣-DCK 信號系統

心肌細胞胞質內的納摩爾級的鈣離子可以誘導內質網池或漿池內微摩爾級的鈣離子釋放，大量釋放到胞質中的鈣離子則會啟動細胞內調控收縮的細胞骨架結構行使收縮功能。然而，如何在心臟傳導系統的指揮下，使得全體心肌細胞協調同步完成四腔心的聯動式運動，以及實施心臟泵血功能尚在探索中，該機制的研究進展將為解決心臟生理功能和病理異常提供重要依據。

2.1 心律失常與鈣信號系統及其調控

兒茶酚胺能多態性心室心搏過速1 型（CPVT1，Catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia type I）是由心臟蘭尼堿受體（RyR2，Ryanodine receptor）的突變引起的，這會導致心肌細胞和心室心搏過速細胞連續性處理Ca2+的中斷。蘭尼堿受體（RyR2）為心臟Ca2+釋放通道，Ca2+的恢復是測試運動訓練是否可以減少CPVT1 致病性錯義突變Ryr2R2474S 小鼠的心律失常傾向的首要指標。實驗發現，運動訓練對CPVT1長期的有益效果是通過減少DCKII依賴的RyR2 的Ser2814 磷酸化實現的。

2.2 合理適當的運動可改善心臟疾病并保護心臟

間歇性跑臺運動訓練可以阻止CPVT1Ca2+基因突變小鼠的致死性心博過速（VT），并減少由于低DCKII 依賴的RyR2 磷酸化導致的心律失常性Ca2+的釋放。適當強度、個體化、安全監測的長期運動訓練對RyR2 有有益影響，并可能減輕運動對CPVT1 的急性影響。數據證實，運動能夠通過補償動作電位，隨著運動強度的增加而減少心室顫動（VF）的發生。作為心臟生理學中電傳播動力學最重要的特性之一，長期運動所促進的這種補償可以保護老年大鼠免受致死性心博過速（VT）和心室顫動（VF）的傷害。

2.3 DCK-CaV 調節鈣誘導的鈣釋放

近期研究表明，DCK-CaV 對心臟組織特異的鈣相關蛋白RyR 以及IP3R 均有特定的調節作用，DCK 對鈣誘導的鈣釋放的作用會聯動性地影響到心肌細胞內的收縮。在心臟中，各個心肌細胞內不同程度的作用會直接破壞各細胞間的協調作用，導致心律不齊，包括早搏、房室傳導阻滯和QT延遲和房顫等，嚴重的心律不齊則可導致心源性突然死亡及心猝死。

3 DCKI 與神經元熱感覺感知的調控

DCK 的家族蛋白通常與細胞興奮有關，無論是在包括心肌細胞在內的肌細胞興奮-收縮耦聯，還是在神經元細胞中的興奮-傳導偶聯中，DCK 均發揮著關鍵作用。實驗證明，DCKI 與哺乳動物神經元熱感覺的感知密切相關，由于這種感知出現在進化后期的恒溫動物中，所以，對其細胞分子生物學機制的探究意義重大。

3.1 DCKI 與神經元熱感覺感知的進化

DCKI 依賴的感覺基因表達調節介導經驗依賴的可塑性在一個熱感覺神經元操作范圍內的感覺適應代表了一種依賴經驗的可塑性，這種可塑性允許神經元在廣泛的動態范圍內保持高度的敏感性。在動物進化的過程中，這種進化適應過程的起源和穩定尚不清楚，感覺神經元熱感覺的感知反應在不同時間尺度上發生改變的機制尚不清楚。

在模式動物秀麗線蟲AFD 熱感覺神經元（T*AFD）溫度誘發活動的閾值由培養溫度（TC）決定，涉及到感受細胞內cGMP 水平的調節。在暴露于比室溫更高的溫度情況時，無論時間長短秀麗線蟲都會適應，而且長時間暴露于高于室溫的溫度情況下，可以檢測到AFD 特異性受體鳥苷酸環化酶基因表達的改變。進一步研究表明，這些溫度調節基因表達的變化是由DCKI 酶介導的，DCKI 能夠自主調節AFD 中溫度誘發的鈣動力學。該酶在AFD 中表現出溫度依賴的核質細胞穿梭現象，證實DCKI 介導的感覺基因表達水平的改變有助于T*AFD 適應長期進化，可以進一步地推理DCKI 在進化中的參與程度，有效地組織了其他調節溫度感知所需分子部件的協同作用，隨著時間軸的延續，形成恒溫動物復雜的神經元熱感覺感知體系。

3.2 DCK 和PKC 聯合調控SFO 神經元血管緊張素II 介導的鈣瞬變

研究表明，血管緊張素II（AII，angiotensin II）由大腦皮層（Subfornical organ）神經元產生，可以通過改變SFO神經元自發Ca2+振蕩的振幅和頻率，最終調節（SFO）包括飲酒行為在內等行為學變化。這種調節依賴于神經元AII 濃度的變化，在皮摩爾濃度下，SFO 神經元可以被誘導出自發Ca2+振蕩，而在納摩爾級AII 濃度下，則在誘發出初始[Ca2]峰之后，持續[Ca2]增加超過1 h，進而導致Ca2+的持續釋放。抑制劑實驗表明，神經元細胞Ca2+持續釋放由DCK 和PKC同時調節。由于DCK 和PKC 均直接參與神經元細胞CICR的調節作用，因此推測DCK 和PKC 聯合調控很可能通過實施神經元細胞內質網上的RyR 進行，共同實現病理生理學上AII 誘導的SFO 神經元功能。

3.3 營養療法可能通過DCK 調節和促進神經元可塑性

營養療法是時間悠久但分子生物學理論基礎缺乏的學科，這種無理論支撐療效褒貶不一。近年來，研究者利用人類神經母細胞（SH-SY5Y）中皮質酮（CORT）誘導應激的模型檢測了一系列的天然粗提物，對其酚類物質等的療效進行了評估，研究發現曲酮、蝦青素、姜黃素、纖維素和白藜蘆醇可以使SH-SY5Y 細胞中的指標BDNF-VI mRNA 表達顯著提高，另一指標CREB1 mRNA 表達也明顯提高，證明了這些物質促進神經元可塑性對CORT 引起壓力的調節潛力。根據現有有關酚酮類研究結果，可以推測這種CORT 誘導的調節，可以通過神經元細胞內的P-ERK 信號系統與鈣-DCK 信號系統共同調節細胞核內的P-CREB 而影響BDNF-VI mRNA 的表達，揭示了該營養療法的分子機制的細胞基礎。

4 結論與展望

在包括人類在內的哺乳動物中，細胞心臟的心肌細胞和大腦神經系統的神經元細胞的功能均與RyR 和IP3R 兩個鈣相關蛋白有關，它們均為細胞質內膜系統整合蛋白，是分布在內質網上的陽性離子通道性蛋白，它們介導鈣離子在心肌細胞的整合性興奮、收縮耦聯，以及神經元細胞的興奮-神經信號傳導。近幾年的研究越來越表明，DCK-CaV 在調節上述兩個興奮細胞RyR 和IP3R 的相關細胞生物學過程中，對哺乳動物的心臟和大腦兩個重要器官的功能行使起至關重要的作用。縱觀鈣信號系統在細胞功能生物過程中的作用，以及血液鈣和細胞鈣平衡的相關性，可以推測DCK-CaV在包括心律失常心臟疾病和神經退行性疾病上DCK-CaV 起至關重要的作用。未來需要進一步明確研究方向，即攝入鈣、血液鈣和心臟細胞/神經元細胞鈣是如何在各類組織器官和細胞中保持協調均衡的，DCK-CaV 如何識別心臟細胞/神經元細胞，進而發揮其特定的作用，但卻在其他細胞中發揮不同的功能。這類研究將有利于開發特異性針對心臟疾病，或者針對神經元相關疾病的持續有效藥物。