離子通道調控成肌細胞分化的研究進展

李雯茜，閆百儀，丁愷志，龔妍春，姚麗華

（江西科技師范大學 生命科學學院，江西南昌 330013）

骨骼肌發育是一個受嚴格調控的過程，主要包括成肌細胞經過增殖、分化和融合，形成多核肌管。成肌細胞（Myoblast）是由衛星細胞（Satellite Cells，SCs）大量增殖而來的一組特定的成體干細胞，具有自我更新、增殖、分化、融合及形成肌纖維的能力[1]。成肌細胞分化為骨骼肌細胞的過程除了受生肌調節因子調節之外，還受到不同離子通道的調控。目前，隨著細胞生物學和電生理技術的不斷發展，離子通道對成肌細胞的調控研究逐漸被人們所關注。因此，本文簡單對離子通道調控成肌細胞的相關機制進行總結。

1 成肌細胞的分化

骨骼肌成肌細胞的分化是一個依賴于鈣離子的多步驟過程，伴隨著退出細胞周期與細胞增殖相關的基因、肌肉特異基因的轉錄激活。

肌肉特異性表達主要由成肌調節因子家族（MRFs）調控，該家族成員主要包括成肌決定蛋白（MyoD）、肌肉生成素（MyoG）、成肌因子5（Myf5）和成肌因子4（MRF4）[2]。成肌細胞增殖期，首先，MRFs的遠端增強子和近端啟動子啟動Myf5及MyoD，上調其轉錄活性，從而調控成肌細胞增殖為具有分化能力的肌源性細胞群，開始分化[3]；其次，在配對盒轉錄因子7（Pax7）及其同系物配對盒轉錄因子3（Pax3）的調控下，成肌細胞以不可逆的形式退出細胞周期，經增殖、分化形成多核肌管；再次，MyoG與MRF4相互作用，同時在肌球蛋白重鏈（MyHC）的參與下，促使末端分化，使細胞融合為肌管；最后，肌管成熟為肌纖維，完成骨骼肌發育過程或是損傷肌肉的修復和再生過程[4]。在成肌細胞分化過程中，除了必需的生肌調節因子調控之外，各離子通道的調控作用也非常重要，研究離子通道對成肌細胞分化的調控機制有助于發現骨骼肌相關疾病的治療靶點，為后續對于骨骼肌疾病的研究提供重要思路。

2 離子通道對成肌細胞分化的調控

2.1 鈉離子通道對成肌細胞分化的調控

鈉離子通道是細胞膜上選擇性允許Na+順電化學梯度進入細胞的內向離子通道，主要分為電壓門控型和配體門控型兩種，其功能是維持細胞膜興奮性及其傳導，主要存在于神經組織、內分泌組織和肌肉組織等興奮性細胞中[5]。其中，電壓門控型鈉離子通道（Voltage Gated Sodium Channels，VGSCs）對于神經和肌肉中動作電位的啟動和傳播是必需的。目前已經在哺乳動物中鑒定出9種亞型VGSCs，根據9個基因編碼哺乳動物的α亞單位，蛋白質命名為NaV1.1～NaV1.9，其中NaV1.4主要在骨骼肌中表達[6]。

電壓門控鈉通道NaV1.4主要負責形成動作電位，是骨骼肌纖維興奮性的主要因素。目前，國內外對NaV1.4調控成肌細胞分化的機制知之甚少。HEBERT S L等[7]發現MyoG表達上調，啟動Na+通道，接著由MRF4維持在最高水平。MyoG與MRF4調控成肌細胞分化的中后期，肌纖維逐漸形成，這個階段NaV1.4的突變會改變骨骼肌的興奮性，導致骨骼肌相關疾病的產生。截至目前，針對鈉離子通道對成肌細胞的直接調控研究還寥寥無幾，而研究人員已經知道成肌細胞分化的一個先決條件是需要Ca2+濃度的增加。在對鈣離子調控的研究中發現，VGSCs會干擾胞外Ca2+信號，通過Na+內流使膜去極化，激活細胞膜上的電壓門控鈣離子通道，啟動Na+/Ca2+交換器（NCX），使細胞內Ga2+的濃度增加[8]。Na+釋放到細胞質中后，通過NCX交換進入線粒體，緩沖細胞質中的Na+含量變化，導致Ca2+從線粒體中釋放出來[9]，從而增加細胞內Ca2+濃度。因此推測，VGSCs通過使膜去極化激活鈣通道，啟動NCX，促使鈣離子濃度增肌而調控成肌細胞分化。

2.2 鉀離子通道對成肌細胞分化的調控

鉀離子通道是選擇性允許K+跨膜通過的外向離子通道，其最大特點是特異性允許鉀離子通過質膜而阻礙其他離子特別是鈉離子通過[10]。在成肌細胞分化中，鉀離子通道的激活和隨后的超極化對于肌源性分化是必不可少的，成肌細胞在誘導分化前必須超極化[11]。超極化是細胞膜電位的一種生理狀態，即靜息膜電位的數值向膜內負值加大的方向變化。在成肌細胞中，Kir2.1通道受到P38MAPK信號通路去磷酸化調控被激活，導致K+外流、Ca2+內流，靜息電位從約-10 mV超極化到約-70 mV[12-13]。Kir2.1通道的激活是生肌程序的早期必需步驟，由此導致的成肌細胞靜息膜電位的超極化觸發了MyoG和肌細胞增強因子-2（MEF2）的表達和活性，增加了Ca2+的驅動力，同時Kir2.1介導的超極化激活了鈣依賴的鈣調神經磷酸酶途徑，使T型電壓門控鈣離子通道被激活，導致Ca2+經由瞬時受體電位（TRPC）和T型Ca2+通道流入，促進了肌源性分化，這是分化過程的重要早期步驟[14]。

2.3 鈣離子通道對成肌細胞分化的調控

鈣離子作為第二信使之一，在細胞增殖、分化和細胞凋亡中發揮著重要作用。機體細胞中存在多種鈣離子通道，它們是調節細胞內鈣離子濃度的主要途徑，維持細胞外的鈣離子濃度遠大于細胞內的鈣離子濃度。在骨骼肌的發育中，成肌細胞的融合與分化是一個嚴格依賴于鈣離子的過程，并且鈣離子內流是成肌細胞肌管形成的先決條件[15]。

電壓依賴性鈣通道（Voltage Dependent Calcium Channels，VDCCs）存在于骨骼肌中，它可隨著膜電位的改變而進行通道的開放、關閉和激活[16]。VDCCs根據鈣通道傳導性和電壓敏感性的不同又分為L、T、N 3種亞型，在骨骼肌中表達的亞基類型為L型和T型：（1）L型VDCCs由CaV1.1/A1S亞基產生，在興奮-收縮耦合中發揮關鍵作用；（2）T型VDCCs由CaV3.2/a1H亞基產生，存在于發育中的肌肉[17]。在肌肉發生的早期階段，成肌細胞主要表達T型鈣通道，為具有融合能力的成肌細胞提供超極化。T型VDCCs在分化成肌細胞的靜息膜電位范圍內存在穩定的內向鈣電流，被證明有助于成肌分化的過程[18]。電壓門控T通道由3種類型的鈣通道組成，分別命名為CaV3.1、CaV3.2和CaV3.3[19]。AVILA T等[19]研究發現，CaV3.1在未分化或融合能力強的C2C12成肌細胞中存在，但不存在CaV3.2和CaV3.3mRNA的轉錄，而在隨后的細胞分化后發現了CaV3.2的mRNA。此研究表明，CaV3.1通道在成肌細胞增殖階段表達，進入分化階段啟動CaV3.2通道，CaV3.2通道是成肌細胞分化中的主要鈣通道。因此，T型鈣通道并不是分化的先決條件，而是在分化過程中表達。

在骨骼肌細胞分化過程中，隨著肌漿網Ca2+釋放響應肌膜去極化，細胞超極化時膜電位的下降反過來觸發T型VDCC的激活，導致成肌細胞分化為肌管所需的細胞內Ca2+濃度增加[20]，Ca2+參與成肌細胞的融合和分化，此結論已經在多個實驗室得到證實。

3 結語

成肌細胞分化是胚胎、胎兒和出生后骨骼肌生長所必需的，它為骨骼肌的發育和修復提供了基礎，深入解析離子通道對成肌細胞分化的調控，有助于為骨骼肌疾病提供新的思路。相信隨著電生理技術及細胞生物學等多種技術與學科的發展，在未來對離子通道調控成肌分化的機制研究得到更充分的認識，以便更好地在臨床與運動生理上對骨骼肌疾病和骨骼肌質量改變上有不同的治療方案。