ATP敏感性鉀通道在帕金森病中的研究進展

唐蘊怡,陳志斌，趙振強，高仕君，王埮

(1.海南醫學院，海口 571199； 2.海南醫學院第一附屬醫院神經內科，?？?570102)

帕金森病(Parkinson′s disease，PD)是老年人中常見的一種神經退行性疾病，主要病理特征為中腦黑質多巴胺能神經元變性死亡，導致紋狀體多巴胺含量減少及殘存的神經元胞質內出現以α-突觸核蛋白為主要結構的路易小體。PD發病可能與遺傳、氧化應激、炎癥反應、線粒體功能障礙及鐵異常沉積等有關，但具體機制尚未完全明確[1-2]。ATP敏感性鉀(ATP-sensitive potassium,KATP)通道是內向整流鉀通道的主要成員，廣泛分布于人體的多種組織。正常大腦黑質致密部的多巴胺能神經元具有高密度的 KATP通道，而有研究發現在PD模型中功能性KATP通道的存在會促進黑質多巴胺能神經元的變性死亡，腹側被蓋區的多巴胺能神經元則不受影響，提示KATP通道的選擇性激活可能參與了PD的發病[3]。但也有研究發現，激活KATP通道抑制了黑質多巴胺能神經元的死亡[4]。現從KATP通道對黑質多巴胺能神經元的作用、對神經元電活動的調節、對鐵代謝的影響、對α-突觸核蛋白的調控以及與PD炎癥之間的關系5個方面介紹KATP通道在PD發病中的作用，以為PD的靶向治療提供理論依據。

1 KATP通道的結構及功能

1.1KATP通道的分子結構及分布 功能性KATP通道是由內向整流性的K+通道(inwardly rectifying K+channel，Kir)中的Kir6.x亞基和ATP結合盒蛋白超家族成員中的磺酰脲類受體(sulfonylurea receptor，SUR)亞基組成的復雜八聚體結構[5]。其中Kir6.x為成孔亞基，形成KATP通道的離子通道，包括Kir6.1和Kir6.2，其上有ATP結合位點；SUR是調節亞基，調節通道的功能及通道對代謝狀態的敏感性，也是藥物作用的主要位點，包括SUR1和SUR2(SUR2A和SUR2B)[6-7]。Kir6.x亞基或SUR亞基單獨表達時KATP通道無活性，而當兩個亞基共表達時KATP通道表現出活性[8]，并可組成不同類型的KATP通道[9]。

KATP通道在多種不同類型的細胞和組織中均具有活性[10]。其在神經系統廣泛表達，包括皮質、海馬、下丘腦和基底神經節等，不同類型的神經元[γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid，GABA)神經元、谷氨酸能神經元和多巴胺能神經元等]上也存在KATP通道[11]。此外，KATP通道也存在于細胞膜表面和線粒體內膜上，線粒體KATP通道的結構與細胞膜上類似，均由4個Kir6.x亞基和4個SUR亞基構成[12]。

1.2KATP通道的功能 KATP通道的活性不僅受細胞內ATP水平的調節，也受細胞信號分子如瘦素、胰島素、生長素釋放肽、長鏈脂肪酸、脂酰肌醇二磷酸、過氧化氫、一氧化氮等的調節[13]。作為神經元能量代謝與電活動之間的樞紐，神經元上的大部分KATP通道在生理狀態下處于關閉狀態。當電活動增強時，細胞內ATP大量消耗，ATP/ADP比值下降，細胞KATP通道被激活，從而引起細胞膜超極化，細胞興奮性下降、ATP消耗減少、電活動降低。激活的KATP通道調節神經元電活動與能量代謝之間的平衡，保護細胞免受過度興奮的影響[7,13]。而線粒體上的KATP通道則通過維持線粒體上的K+平衡調節線粒體基質容積變化，使其與細胞內能量代謝變化相適應[14]以及維持線粒體氧化呼吸鏈的功能，調節線粒體的氧化還原狀態，從而減少氧化應激[15]。

2 KATP通道在PD發病中的作用機制

2.1KATP通道對黑質多巴胺能神經元的作用 在PD患者存活的黑質多巴胺能神經元上可檢測到SUR1、SUR2和Kir6.2的表達，其中SUR1信使RNA水平上調，而SUR2和Kir6.2信使RNA水平無明顯變化[16]。在黑質多巴胺能神經元退行性變的遺傳小鼠模型中發現，出生14 d后小鼠黑質中存活的多巴胺能神經元僅表達SUR1/Kir6.2亞基，說明SUR1亞基能保護多巴胺能神經元免受損傷，而表達SUR2B亞基易損傷多巴胺能神經元；出生30 d后，表達SUR1/Kir6.2亞基的多巴胺能神經元也死亡[17]。在大鼠PD模型中敲除Kir6.2基因后發現，Kir6.2基因沉默可增加存活的黑質多巴胺能神經元數目[18]。但在Kir6.1亞基敲低的1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine，MPTP)誘導的PD小鼠模型中發現，黑質多巴胺能神經元死亡顯著增加[19]。以上研究表明，在黑質多巴胺能神經元上表達的KATP通道的各種亞基具有不同的功能，其在PD中的具體作用有待進一步研究。

目前，關于KATP通道在PD中的作用有兩種不同的觀點。一種觀點認為開放KATP通道能保護多巴胺能神經元。研究發現，KATP通道激活劑埃他卡林減少了魚藤酮誘導的亞急性PD大鼠黑質多巴胺能神經元的變性死亡，而選擇性線粒體KATP通道阻滯劑5-羥基癸酸酯可逆轉神經元變性死亡[4]；非選擇性KATP通道激活劑吡那地爾以及對SUR1/Kir6.2 KATP通道敏感的二氮嗪通過抑制活性氧類過量產生，改善線粒體功能，保護經1-甲基-4-苯基吡啶離子處理后的小鼠中腦神經元，尤其是多巴胺能神經元免受損傷[20]；用KATP通道抑制劑格列本脲可逆轉硫化氫對6-羥基多巴胺誘導的亞急性大鼠PD模型的神經保護作用，抑制黑質多巴胺能神經元的丟失[21]。另一種觀點則認為，KATP通道的開放增加了1-甲基-4-苯基吡啶離子誘導的大鼠紋狀體中羥自由基的產生；而格列本脲預處理可改善6-羥基多巴胺誘發的慢性PD大鼠運動癥狀的嚴重程度，且與維生素B合用更為有效；使用二氮嗪激活線粒體KATP通道可加重魚藤酮誘導的PC12細胞模型和慢性大鼠模型中多巴胺神經元的變性程度；相反，5-羥基癸酸酯抑制了線粒體KATP通道，通過調節線粒體動力學變化改善魚藤酮誘導的多巴胺神經退行性變[22-24]。可見，抑制KATP通道開放能改善多巴胺神經元變性。

KATP通道在PD病理機制中表現出兩種不同的效應可能由于其在不同(急性/亞急性和慢性)的PD模型中發揮的作用不同。研究發現，在MPTP誘導的急性PD模型中，KATP通道缺陷(Kir6.2亞基敲除)小鼠的黑質多巴胺能神經元更易出現損傷變性[3]，而在MPTP誘導的慢性PD模型中，Kir6.2亞基的敲除減少了黑質多巴胺能神經元的選擇性變性[18]。以上研究表明，急性損傷效應和慢性損傷效應之間的差異可能是KATP通道作用不同的原因之一。

2.2KATP通道對神經元電活動的調節 黑質多巴胺能神經元在生理情況下表現為整齊、不依賴突觸活動的自發放電(低頻)，在調節多巴胺能神經元軸突支配區域(如紋狀體)局部多巴胺含量中發揮重要作用[25]。另一種比較少見的放電模式為高頻、短周期的爆發性放電，可在短時間內釋放大量的多巴胺。爆發性放電與PD的病理狀態密切相關[16]，中腦黑質多巴胺能神經元對外界做出反應的方式是從低頻放電轉換為高頻放電[26]。N-甲基-D-天門冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid，NMDA)受體是一種對Na+和Ca2+通透的陽離子通道蛋白，因可被細胞外Mg2+電壓依賴性阻斷以及被谷氨酸、甘氨酸等激活，故同時受膜電位和神經遞質的調控[27]。NMDA受體由NR1亞基和多個NR2亞基共同組成，功能性的NMDA受體必須含有NR1亞基[28]。

特異性缺失NMDA受體主要亞基的多巴胺能神經元大大降低了體內爆發性放電活動，表明NMDA受體是多巴胺能神經元爆發性放電過程的重要組成部分[29]。但體外研究發現，僅NMDA受體激活并不足以將中腦多巴胺能神經元切換為爆發性放電模式，而施加超極化電流在NMDA受體誘導的體外爆發過程中是必要的條件[30]。一項研究發現，NMDA受體刺激可導致黑質多巴胺能神經元的強烈爆發性放電，但僅當與KATP通道共同激活時才發生[31]。表明NMDA受體和KATP通道的存在是多巴胺能神經元爆發性放電的前提。此外，PD患者存活的黑質多巴胺能神經元中KATP通道調節亞基SUR1信使RNA的水平約是健康人的2倍，NMDA受體NR1亞基信使 RNA的水平約是健康人的10倍，同時爆發性放電也增加[16]。以上研究說明，在PD患者中通過選擇性上調KATP通道SUR1亞基的表達可促進黑質多巴胺能神經元的爆發性放電。

在能量代謝需求旺盛、神經元內ATP水平顯著下降的情況下，KATP通道被激活，導致細胞膜電位超極化，從而改變神經元的放電模式并降低神經元的活性。短期內激活KATP通道對代謝有益，但長期激活黑質多巴胺能神經元上的KATP通道可能觸發神經元變性[32]，進而影響PD發生。KATP通道持續激活使神經元爆發性放電持續增加，促進了興奮性毒性的產生，同時KATP通道與NMDA受體和L型Ca2+通道協同增加鈣負荷[33]，而PARK基因的缺陷與環境因素進一步降低了線粒體的鈣緩沖能力，并增加了鈣觸發的活性氧類的產生[34]，線粒體產生的活性氧類激活KATP通道，并可能導致代謝級聯放大、興奮性毒性和鈣超載的惡性循環。這種循環可能會使黑質多巴胺能神經元一直處于高代謝壓力的爆發放電狀態，并加速黑質多巴胺能神經元退行性改變的進程[16]。

2.3KATP通道對鐵代謝的影響 鐵沉積可能影響PD的發病。有研究發現，與正常對照者相比，PD患者黑質多巴胺能神經元鐵水平升高，并選擇性沉積于黑質致密部[2]。在6-羥基多巴胺和MPTP誘導的PD小鼠中均發現黑質中鐵水平的升高和多巴胺能神經元的減少；在PD細胞模型中，鐵攝入水平也顯著增加[28]。PD患者大腦中鐵的不平衡分布提示鐵在多巴胺能神經元變性中起關鍵作用。

腦鐵代謝涉及多種功能蛋白，如鐵蛋白、二價金屬轉運蛋白1(divalent metal transporter 1，DMT1)、鐵調節蛋白。DMT1的轉運功能是質子耦合的，并取決于細胞膜電位。據報道，超極化電位可促進DMT1吸收鐵[35]。研究發現，KATP通道激活通過使細胞膜超極化增強了SK-N-SH細胞中DMT1介導的鐵攝取[36]。隨后ATP消耗和活性氧類的產生在前饋循環中誘導了其他KATP通道的激活，這種循環導致細胞內鐵水平和氧化應激增加，并最終導致細胞死亡；而抑制KATP通道顯著減少了鐵吸收，并抑制細胞損傷[36]。鐵蛋白是主要的鐵存儲蛋白，由24個亞基組成，亞基包含鐵蛋白重鏈和鐵蛋白輕鏈兩條多肽鏈。研究發現，在MPTP處理的慢性PD小鼠的黑質多巴胺能神經元中可觀察到鐵蛋白輕鏈積累和鐵沉積，這些變化可能因Kir6.2基因的失活而有所逆轉；構建Kir6.2亞基基因敲除的SH-SY5Y細胞，用1-甲基-4-苯基吡啶離子處理后發現，Kir6.2的缺失可通過減少鐵蛋白輕鏈的產生和鐵沉積減少PD模型中黑質多巴胺能神經元的變性死亡[18]。以上研究表明，黑質中選擇性鐵沉積可能與KATP通道活化有關，未來需要更多的研究揭示其潛在機制。

2.4KATP通道對α-突觸核蛋白的調控 α-突觸核蛋白是一種突觸前神經元蛋白，參與構成路易小體，并與PD相關[37]。α-突觸核蛋白主要定位于突觸前區，可與細胞膜結合，同時也存在于神經元細胞核中[38]。研究表明，α-突觸核蛋白可被鄰近的神經元吸收，然后神經元釋放錯誤折疊和聚集形式的α-突觸核蛋白，這種以朊病毒樣在細胞間傳遞的方式可能是腦內PD病變過程的擴散機制之一[39-40]。

在攜帶人突變型α-突觸核蛋白的轉基因PD小鼠的紋狀體中發現，大部分α-突觸核蛋白定位于皮質紋狀體谷氨酸能神經末梢，而α-突觸核蛋白的分泌通過激活存在于谷氨酸能神經末梢上的GABAB受體介導[41]。該研究發現，表達SUR1亞基的KATP通道激活后會引起細胞膜超極化，減少GABA釋放，而局部降低的GABA水平則抑制鄰近谷氨酸能神經末梢上GABAB受體的激活，使神經元內Ca2+水平升高，從而觸發α-突觸核蛋白的分泌；相反抑制KATP通道的激活可減少α-突觸核蛋白分泌[41]。以上研究表明，體內α-突觸核蛋白的分泌受到表達SUR1亞基的KATP通道的嚴格調控。而另一項研究發現，在α-突觸核蛋白過表達的細胞中，SUR1信使RNA的水平被選擇性上調，提示SUR1過表達可能與PD的進程有關[42]?？梢?，SUR1亞基可能通過調控α-突觸核蛋白參與PD的進展，而KATP通道的其他亞基與α-突觸核蛋白之間的聯系還需要未來進一步的研究。

2.5KATP通道與PD炎癥之間的關系 神經炎癥反應是PD發病機制的重要組成部分，主要由活化的小膠質細胞和星形膠質細胞等神經膠質細胞介導，并伴有炎癥因子的產生[43]。在PD患者和動物黑質變性的神經元附近均觀察到大量激活的小膠質細胞[44]。以往研究表明，小膠質細胞上有KATP通道的分布，包括Kir6.1和Kir6.2、SUR1和SUR2四個亞基[45-46]。活化的小膠質細胞可分為具有促炎作用的M1型和抗炎作用的M2型[19]。在Kir6.1亞基敲低的MPTP誘導的PD小鼠中發現，黑質多巴胺能神經元死亡顯著增加，并伴有小膠質細胞過度活化，小膠質細胞M1型/M2型比值增大，同時抑制Kir6.1也可促進脂多糖+γ干擾素處理后的小膠質細胞產生促炎因子(白細胞介素-1β、腫瘤壞死因子-α和白細胞介素-6)[19]。該研究表明，Kir6.1亞基對于M2型小膠質細胞的產生必不可少，敲低Kir6.1亞基可通過p38促分裂原活化的蛋白激酶-核因子κB信號通路將小膠質細胞從有益的M2型轉換為有害的M1型，并最終加速多巴胺能神經元的死亡。在魚藤酮誘導的 PD大鼠模型中發現，埃他卡林可減輕黑質多巴胺能神經元的變性，并抑制小膠質細胞的活化，下調腫瘤壞死因子-α和環加氧酶2等炎癥介質信使RNA的水平[4]。在原代培養的小膠質細胞中，埃他卡林的預處理同樣抑制了魚藤酮誘導的活化，減少腫瘤壞死因子-α和前列腺素E2的產生，同時也減少了小膠質細胞中魚藤酮誘導的線粒體膜電位損失[4]。以上研究表明，激活KATP通道可抑制小膠質細胞的活化和炎癥因子的釋放，而Kir6.1亞基在其中起重要作用。

在PD患者的黑質致密部中也存在反應性星形膠質細胞，激活的星形膠質細胞可釋放炎癥因子，導致多巴胺能神經元變性[47]。星形膠質細胞可以放大小膠質細胞產生的炎癥反應，導致形成神經炎癥的反饋回路[48]。星形膠質細胞上有KATP通道表達，以往研究表明，激活星形膠質細胞中的KATP通道可以緩解PD模型中的線粒體功能障礙[49]，抑制神經炎癥[50]。但與未敲除星形膠質細胞Kir6.1的PD小鼠相比，在星形膠質細胞上條件性敲除Kir6.1亞基基因的PD小鼠黑質致密部處有過度活化的星形膠質細胞和更多的多巴胺能神經元丟失，紋狀體中的多巴胺水平更低，且運動障礙更嚴重[51]。同時敲除該基因也抑制星形膠質細胞中線粒體自噬，導致受損線粒體積累、活性氧類產生增加和神經炎癥加重；而恢復線粒體自噬功能可逆轉Kir6.1敲除造成的線粒體功能障礙、炎癥和多巴胺能神經元死亡[51]。這表明，星形膠質細胞中Kir6.1亞基缺乏會加速PD小鼠中多巴胺能神經元的變性，而Kir6.1亞基可通過促進線粒體自噬預防PD中多巴胺能神經元神經變性。可見，在PD模型中星形膠質細胞上的KATP通道可能具有相反的作用，未來需要更多的研究闡明。

3 結 語

正常生理條件下，KATP通道大部分處于關閉狀態，其在PD患者的黑質中被選擇性激活，激活的KATP通道可偶聯細胞代謝與電活動，通過影響神經元的興奮性和電活動、神經元內能量代謝、鐵代謝、α-突觸核蛋白分泌以及調節神經膠質細胞介導的炎癥反應等機制，參與黑質多巴胺能神經元的退行性變進程。目前，有關KATP通道在PD發病機制中的作用尚未統一，其參與PD病理生理調節的作用也尚未清楚，未來需要進一步研究KATP通道在PD中的作用機制，以為研發治療PD的藥物提供更多的理論基礎。