鈣敏感受體在畜禽消化系統和疾病防控中的作用

池 卓,陳丹娜,王雨欣,雷卓凡,鄒顏璐,宋泉江,宋厚輝,姜 勝

(1.浙江農林大學 動物科技學院 動物醫學院,浙江 杭州 311300;2.浙江省畜禽綠色生態健康養殖應用技術研究重點實驗室)

1 鈣敏感受體概述

鈣敏感受體(calcium-sensing receptor,CaSR)是C族G蛋白偶聯受體(GPCRs)家族的一員,其主要生理作用是通過調節甲狀旁腺激素(PTH)的合成和分泌來維持鈣穩態。CaSR在甲狀旁腺、腎臟、心臟、乳腺和肝臟等大多數器官中都有廣泛表達,并對激素分泌、離子通道活性、基因表達、炎癥調節、增值、分化和凋亡等多種病理和生理過程進行調控,發揮著關鍵作用。 在消化系統中CaSR可以感知胃腸黏膜管腔內的Ca2+和芳香族氨基酸等營養物質,參與并調控胃酸、胰島素的分泌。CaSR還可以作為營養傳感器,促進腸道營養物質的吸收,調節腸神經的活動性,并促進腸道中激素的釋放。在維持腸道菌群平衡和免疫穩態過程中CaSR也起著重要作用。而有研究表明CaSR基因發生突變后可誘發胰腺炎及胃腸癌癥等疾病,因此了解CaSR功能變化對消化道疾病防治有十分重要的指導作用。

2 鈣敏感受體結構特點

CaSR主要以同源二聚體的形式存在,其單體由N端胞外結構域(ECD)、7次跨膜結構域(TMD)和胞內C末端結構域(C-tail)三個部分構成。ECD由612個氨基酸組成,包含捕蠅夾結構域(VFT)和半胱氨酸富集區(CRD)兩個部分;VFT是CaSR與配體結合的主要區域,能夠結合Ca2+、Mg2+、Gd3+等陽離子,精胺和L-氨基酸等多種配體,VFT中還包含多個對蛋白質表達起重要作用的N-連接糖基化位點。CaSR的自發突變大多發生在VFT區。CaSR跨膜結構域(TMD)含有250個氨基酸,由7個疏水螺旋域組成,由3個細胞外環和3個細胞內環連接。CaSR N端胞外結構域(ECD)可與CaSR激動劑結合,引起ECD構象發生改變,繼而引起7TM構象的變化,這種連鎖反應會導致胞內袢環和C-tail的構象發生改變,從而激活下游信號通路。CaSR的胞內C末端結構域(C-tail)包括216個氨基酸殘基,內含多個胞內蛋白質的結合位點,它主要參與CaSR信號調控,調節細胞表面受體轉運,表達,脫敏以及信號轉導。

3 鈣敏感受體的生理功能

3.1CaSR在消化系統中的生理功能

3.1.1CaSR促進膽汁流動 在肝臟中CaSR廣泛存在,整個肝腺泡中都有CaSR表達。CaSR可以活化IP3敏感存儲器中的Ca21i,其可以調節膽汁和脂蛋白的分泌、膽汁淤積、肝臟解毒和抗損傷功能,肝臟細胞再生和增殖,新陳代謝等多種肝臟病理和生理活動。在對調節膽汁分泌的研究中發現,GdCl3和精胺激活CaSR后可促進缺鈣所致膽汁淤積時期肝臟灌流液中膽汁流量的恢復,由此證明CaSR可能在膽汁分泌中起重要作用。

3.1.2CaSR在胰腺中的生理作用 CaSR在胰島細胞、導管細胞、腺泡細胞,以及胰內神經和血管等各種非外分泌組織中均有表達,而CaSR在胰腺不同的位置表達其功能也不盡相同。體內血糖濃度的變化是促進胰島素釋放的主要因素,葡萄糖代謝可以通過關閉ATP依賴性鉀通道,打開電壓門控性Ca2+通道(VGCC),介導細胞內Ca2+的變化,低濃度Ca2+可通過激活CaSR及其下游MAPK信號通路,誘導胰島素進行短暫分泌,因此,胰腺內分泌組織中的CaSR參與了胰島素分泌調節過程。

3.1.3CaSR在胃中的生理作用 胃組織細胞中CaSR具有調節胃泌素和胃酸的分泌功能。食物中苯丙氨酸,色氨酸等芳香族氨基酸成分能夠激活胃中的CaSR,從而活化下游的PLC-PIP2+IP3R-Ca2+途徑,產生級聯反應,促使PIP2分解為IP3,IP3作用于內質網(ER)引起鈣庫內Ca2+釋放以及胞外Ca2+內流增加細胞內Ca2+濃度,進而激活壁細胞H+-K+-ATP酶的活性,從而增強胃泌素和胃酸的分泌。

3.1.4CaSR在腸道中的生理作用 CaSR在小腸絨毛細胞的頂膜和基底外側膜,以及嚙齒類動物和人類結腸的表面和隱窩上皮細胞上以及潛在的Meissner和Auerbach神經叢中都有表達。CaSR能夠感受機械和化學刺激,參與平滑肌收縮和腸蠕動,抑制Cl-分泌,刺激小腸和結腸對Na+吸收的功能,有助于維持水鹽平衡。

3.2CaSR在其他組織中的生理作用 CaSR在神經元中不僅參與神經元的生長和遷移,還參與多種功能,包括突觸可塑性和神經傳導,在少突膠質細胞中,CaSR參與髓鞘的形成和中樞神經系統離子微環境的調節。CaSR廣泛分布于心血管系統中的血管內皮細胞,血管平滑肌細胞,以及血管周圍神經等等多種細胞中,并發揮重要的生理和病理作用。在生理作用方面,CaSR在心血管系統中參與血壓及血管張力的調節,雖有研究表明CaSR激活后具有降壓作用,但具體作用機制仍不明確,有待進一步研究。在病理方面,CaSR也可能參與血管鈣化這一嚴重影響心血管系統功能的病理過程。而在對擬鈣劑的體外治療可降低VSMC的鈣化作用的研究結果則進一步證實了CaSR在血管鈣化中的作用。此外,腎臟中CaSR還具有參與調控鈣磷代謝平衡,陽離子轉運及酸化濃縮尿液等功能。

4 鈣敏感受體與消化系統疾病

4.1胃癌 CaSR具有促進胃癌發展的作用,CaSR通過膜上鈣通道介導了胃癌細胞內鈣的増加,進而激活下游的PI3K/AKP和β-連環蛋白(β-catenin)信號通路促進胃癌細胞的増殖、遷移及侵襲能力。CaSR在胃癌中表達含量與腫瘤大小、分化、分期與及預后相關。CaSR在中期分化的胃癌組織中表達最高,這可能提示CaSR主要是參與胃癌的早中期階段。鈣可能增強CaSR的表達和功能,從而潛在地促進胃癌的發生。這對臨床上胃癌病人的營養支持治療具有重要的指導意義,治療中要嚴格控制Ca2+的攝入。CaSR可能成為胃癌治療及預后判斷的新指標,研發CaSR的抑制劑能有效干預腫瘤的増殖及遷移,抑制胃癌發生發展,也許未來針對CaSR及離子通道為靶點的抗癌藥物會為胃癌的臨床治療帶來新的曙光。CaSR激活通過TRPV4通道和下游AKT /β-catenin途徑觸發Ca2+進入,從而促進胃癌的生長。

4.2腸道的炎癥與癌癥 CaSR缺失會導致結腸炎。在葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘發結腸炎的研究中發現,敲除腸上皮中CaSR的小鼠與同齡野生小鼠相比,表現出更嚴重的結腸炎,并且恢復時間延長,且DSS后第13天結腸的總體形態和組織病理學結果顯示,野生型小鼠預后良好,CaSR敲除小鼠仍然表現出嚴重的結腸炎癥和黏膜損傷,表明CaSR在維護腸道黏膜屏障和腸道免疫力方面具有重要作用。因此,CaSR可作為炎癥性腸道疾病的治療靶標。

CaSR具有抑制結腸腫瘤的作用,CaSR在正常結腸黏膜中大量表達,而在高分化的結腸癌中CaSR表達較弱,在低分化癌中則檢測不到CaSR表達。在結腸癌,激活的CaSR通過抑制細胞內β-catenin,調控細胞周期關鍵蛋白,抑制癌細胞的增殖。

4.3胰腺炎癥及胰腺癌 CaSR可以通過觸發導管電解質和液體分泌來監測和調節胰液中的Ca2+濃度,從而減少導管腔內Ca2+鹽的沉淀,降低碳酸鹽結石形成和胰腺炎的風險。此外,CaSR在NCX1的調解下,促使細胞外的鈣離子大量進入細胞內,激活的CaSR可以抑制Wnt/β-catenin信號通路,抑制胰腺癌細胞的增殖。

5 展望

近年來,CaSR在消化系統中的作用已成為一個新的研究方向。CaSR作為治療消化系統疾病的新靶點具有廣泛的臨床意義。