成骨细胞钾离子和钙离子通道以外离子通道的研究进展

孙中洋，李东韬,，赵学武,，张 舒第四军医大学航空航天生物动力学教研室，航空航天医学教育部重点实验室，陕西西安 700；海军总医院 心脏中心，北京 00048；975部队医院，吉林长春 005

成骨细胞钾离子和钙离子通道以外离子通道的研究进展

孙中洋1，李东韬1,2，赵学武1,3，张 舒1
1第四军医大学航空航天生物动力学教研室，航空航天医学教育部重点实验室，陕西西安 710032；2海军总医院 心脏中心，北京 100048；393175部队医院，吉林长春 130051

随着人类寿命的延长和老龄化社会的到来，骨质疏松的问题越来越突出，给家庭和社会带来沉重的经济负担。成骨细胞功能障碍在骨质疏松发病的全过程中起到了至关重要作用，学者们也越来越多地关注成骨细胞。本课题组已对成骨细胞上钾离子通道和钙离子通道完成综述，现将对成骨细胞上表达的其他离子通道进行综述分析。

成骨细胞；骨质疏松；离子通道

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是一种常见的进行性退变性疾病，其发病机制的中心环节是骨重建受损。成人骨骼并非持续不变，而是通过骨生成和骨吸收这一偶联过程不断更新。在多种因素的作用下骨重建受损，骨吸收大于骨形成，最终形成OP，但骨重建受损的机制尚未阐明[1]。研究表明，成骨细胞功能直接影响骨重建的整个过程。成骨细胞上表达多种离子通道：钠通道、氯通道、钾通道、钙通道和机械敏感性通道等。这些离子通道不仅调节成骨细胞的分化和增殖等生理活动，还参与机械信号感知、传递及转导过程，进而影响其成骨功能。

离子通道是镶嵌在细胞膜脂质双分子层上的跨膜蛋白，是一种具有选择性的允许适当电荷离子通过的亲水性微孔道。一般通过门控不同将离子通道分为配体门控通道(ligand-gated channel)和电压门控通道(voltage-gated channel)。配体门控通道又称化学门控通道(chemical-gated channel)，以相应的递质受体命名；电压门控通道又称电压依赖性或电压敏感性通道(voltage-dependent or voltagesensitive channel)，主要以所通透的离子命名。有关离子通道的研究始于可兴奋细胞，对非兴奋细胞的研究起步较晚，目前对成骨细胞离子通道的研究也仅限于基本特征的描述，但离子通道对成骨细胞的影响却日益受到人们的关注[2]。本课题组之前已对成骨细胞上钾离子通道和钙离子通道的相关内容进行综述报道。除了钾离子通道和钙离子通道以外，成骨细胞上还表达多种重要的离子通道：钠离子通道、氯离子通道、ATP门控离子通道、瞬时受体电位通道、牵拉激活的阳离子通道、缝隙连接、半通道和水通道等，本文对上述离子通道的分子结构、电流特性、药理学特性和生理作用等相关研究进行综述。

1 钠离子通道

Na+在细胞外液中广泛存在，和液体的渗透压关系最为密切，同时也是可兴奋组织上形成动作电位的主要起始因素。在非可兴奋细胞上，其功能知之甚少[3]。目前，成骨细胞上主要记录到2种Na+通道，分别是电压敏感性钠离子通道(voltage-sensitive sodium channels，Nav)和上皮钠离子通道(epithelial sodium channel，ENaC)。电压敏感性钠离子通道是高度糖基化的复合物。分子水平上，该通道由1个α亚基和2个β亚基组成，α亚基分子量为260 kU，β1亚基为36 kU，β2为33 kU。α亚基具有电压敏感性和离子选择性，而β亚基的作用还不清楚。但有实验证明，α亚基和β1亚基的结合可以决定Na+通道的电生理和药理学特性。近期研究表明，β2亚基的一个氨基酸尾部结构域包含一个免疫球蛋白样折叠，可能在Na+通道的表达和分布上起到调控作用[4]。Nav在神经元和横纹肌细胞中高水平表达，负责动作电位的上升期。成骨细胞上也有Nav表达，所以可产生动作电位。但由于Nav在成骨细胞上表达的密度较传统的可兴奋细胞低得多，所以成骨细胞引出的动作电位和传统的可兴奋细胞之间存在差异，其功能未被完全阐明[3,5]。药理学水平上，Nav对河鲀毒素(tetrodotoxin，TTX)和石房蛤毒素(saxitoxin，STX)敏感，还可以根据被TTX阻断的最低浓度分为TTX敏感和TTX抵抗的离子通道[4]。上皮钠离子通道是一种非电压依赖性离子通道，是机械敏感性离子通道家族的重要成员[6-7]。ENaC有α、β和γ 3种亚基，而α2βγ是广泛分布的ENaC组成方式。在3个同源的亚基中，α亚基是主要功能单位，而β和γ亚基是辅助亚基[8]。ENaC可通透质子和阳离子，特别是Na+，在感知酸过多、保持钠离子稳态和传导机械刺激方面有着重要的作用[9]。ENaC也是细胞间相互通讯的基本途径之一，负责调控细胞内外Na+转运，从而维持体内Na+平衡[10]。Na+可以直接通过对成骨细胞的分化来干预成骨功能，表现为低浓度促进分化，高浓度抑制分化[11]。ENaC也是许多药物作用的靶点，并逐渐成为OP研究的新领域。ENaC可被阿米洛利特异性阻断，主要受到性激素、胞内Ca2+、Na+、pH值和G蛋白调节，且对糖皮质激素敏感[9]。

2 氯离子通道

Cl-和Na+一起，主要是负责调节细胞容积的变化。在成骨细胞中，细胞容积的变化可影响细胞感知微环境的能力。Cl-还可调节pH、细胞容量稳定、有机溶剂的转运和细胞的迁徙、增殖和分化[12]。在成骨细胞上已记录到4种Cl-通道电活动，即电压门控性氯离子通道(voltage-gated chloride channels，CICs)、容积敏感性氯离子通道(volumesensitive chloride channels)、钾氯共转运体(potasium-chloride cotrans-porter，KCC)和细胞内氯离子通道(chloride intracellular channels，CLIC)。电压门控性氯离子通道CICs分布于细胞质膜或是细胞内膜连接处。根据功能的相似性，CICs可以分为3个分支。第1分支编码质膜分子，包括CIC-1和CIC-2；第2分支包括CIC-3，CIC-4和CIC-5，定位在细胞内的囊包系统内；第3分支包括CIC-6和CIC-7，主要定位在细胞内膜上。CICs可反向转运Cl-、H+和Cl-，从而调控细胞的兴奋性、跨膜运输、离子稳态、细胞内物质运输和囊泡酸化。研究证明CICs，特别是CIC-3，对CICs的分化和细胞外基质矿化起作用[13]。容积敏感性氯离子通道细胞外液渗透压的降低可引起细胞膨胀，从而会产生对细胞膜的机械牵张。这种外向整流的Cl-电流可由渗透膨胀和细胞外K+的增加引出，用于调节由细胞低渗性膨胀引起的容量变化[14]。钾氯共转运体KCC调节细胞容量的关键分子除容量敏感性氯离子通道外还有KCC[15]。等渗的KCl溶液可激活KCC，其激活可看作是离子通道活动的扳机。KCC可缓冲细胞外K+浓度的变化，保持细胞外K+稳态，这一过程在骨折愈合中起作用[16]。细胞内氯离子通道CLIC是近年来在成骨细胞上发现的一种新型Cl-通道，其家族有7个成员，主要定位于细胞核的核膜和细胞器膜上。虽然证明这些蛋白可在细胞质膜上形成阴离子通道，但其功能一直存在争议[17]。

3 ATP门控离子通道(ATP-gated ion channels)

在骨组织中，ATP是细胞外最重要的调节分子之一。通过P2受体，ATP可以调节骨组织生物活动的各个方面，包括生长，发育和修复等[18]。根据受体转导信号方式的不同，P2受体可以分为两个家族，代谢型受体家族P2Y和离子型受体家族P2X，前者是G蛋白偶联受体； 而后者为配体门控的离子通道。因此ATP门控的离子通道实际上是P2X受体，但P2X和P2Y具有相互调节作用。成骨细胞上P2X的作用主要是调节细胞因子的释放，并作用于破骨细胞调节成骨细胞凋亡的开启[19-20]。

4 瞬时受体电位通道(transient receptor potential channels，TRP)

TRP通道蛋白包含有6次穿膜的结构域，组成同质或异质的四聚体，形成有活性的通道。所有TRP都是阳离子通道，其对一价和二价阳离子的通透性根据其离子通道的亚型不同而不同[21]。根据氨基酸的同质性，TRP可以分为7个家族：TRPC、TRPM、TRPV、TRPML、TRPP、TRPA和TRPN[22]。TRP家族中TRPC(1-7)、TRPV(1-6)、TRPM(1，2，3，6，7，8)、TRPA1、TRPP(2，3，5)和TRPML(1，2，3)都是Ca2+通道，但是其Ca2+通透性差异很大，只有TRPV5和TRPV6是唯一已知的Ca2+高选择性通道[23]。TRP通道的激活受到许多种因素的调节，包括渗透压、pH值、机械牵张，以及一些内、外源性配体和细胞内信号分子[24]。另外，在成骨细胞上发现一类Mg2+通道，后来证明是TRPM7，此通道保证了胞内Mg2+稳态从而维持细胞的基本生命活动[25]。

5 牵拉激活的阳离子通道(stretch-activated cation channels，SA)

SA是1989由Duncan和Misler[26]首次在成骨细胞上发现，其特殊性在于此通透链接在细胞骨架上。当成骨细胞受到机械刺激时，SA会被激活，产生一些骨质重塑因子，此通道是生长促进激素作用的靶点之一。研究证明，PTH促进此通道的功能，Gd3+是其特异性阻断剂。在SA中研究较为深入的是牵拉激活的钙离子通道，在体外当对成骨细胞进行拉伸时，细胞可经历一个即刻的、极短的Ca2+水平升高，这种Ca2+水平升高起始于细胞内Ca2+的释放，随之伴有Ca2+的内流[27]。

6 缝隙连接(gap junction)

是由序列和结构相似的连接蛋白(connexins，Cx)家族组成的穿膜通道，6个Cx单体以头对头的形式形成连接相邻细胞细胞质的细胞间孔道[28]。在哺乳动物中鉴定和克隆了接近20种连接蛋白，但是只有3种在成骨细胞上表达，分别为Cx 43，Cx 45和Cx 46。缝隙连接只允许＜1 kU的分子通过，例如小的代谢产物、离子和细胞内的信号分子[29-30]。缝隙连接在成骨细胞之间、成骨细胞和破骨细胞之间与成骨细胞和骨细胞之间起到信号传递的作用。缝隙连接细胞间通讯(gap junction intercellular communication，GJIC)已经被证明在成骨细胞分化和骨形成的过程中起到调节作用。不仅如此，缝隙连接可直接在破骨细胞上发挥作用，或是通过成骨细胞间接调节破骨细胞的形成、生长和凋亡等活动[31]。缝隙连接的功能和表达受到激素和其他信号分子的调节，比如PTH可以促进缝隙连接蛋白在成骨细胞上的表达。同样，在PGE2作用下，GJIC和连接蛋白的表达也会增加。但是，未发现雌激素和活性维生素D对成骨细胞上的缝隙连接有作用[32]。

7 半通道(hemichannel)

由Cx构成的半通道定位在细胞表面，功能独立于缝隙连接。与缝隙连接相似，通透选择性较低，允许分子量＜1 kU的分子通过[33]。一项原子力显微镜扫描结果表明，组成半通道的Cx缺少贯通脂质双分子层的结构，所以与缝隙连接不同，半通道调节的是细胞与细胞外基质通讯，而不是调节细胞间通讯的[34]。半通道在成骨细胞中是二碳磷酸盐化合物分解代谢作用的传感器，调节成骨细胞在机械应力作用时前列腺素的迅速释放。缝隙连接和半通道均有机械感受作用，在细胞间、细胞和细胞外基质间由机械刺激引起的信号传递有着必不可少的特殊作用，并进一步促进骨质形成和重塑，但半通道的生理学作用大部分是未知的[35]。半通道受电压、蛋白激酶C、细胞外Ca2+和维甲酸的调节，例如，细胞外Ca2+浓度降低会促进半通道的开放[36]。

8 水通道

水和渗透物质穿过细胞膜是由水通道蛋白(aquaporin，AQP)调控的[37]。据报道，AQP家族至少包括了12个整合膜蛋白(AQP0-AQP11)，同源性较高，其中AQP2和AQP3的研究较为充分，功能较为重要。AQP可以对水选择性地通透，也可以通透像甘油和尿素这样的小渗透物质[38]。由AQP组成的通道使细胞膜对水分子有高通透性，因此允许水分子顺着渗透梯度流动。作为细胞膜上的重要位点，用来控制液体的摄入与分泌。AQP2在人体组织细胞上的表达分布很窄，而AQP3在人体上皮和非上皮组织上广泛表达。在成骨细胞上没有检测到AQP2的表达，但检测出AQP3的表达，其主要分布是关节软骨深层的成骨细胞[39]。

9 问题与展望

近年来成骨细胞上离子通道的生物学研究有了长足发展，离子通道通过调节成骨细胞的增殖和分化等功能影响骨组织的生长和发育。揭示了离子通道、成骨细胞和骨质疏松症的密切关系。这对进一步了解和解释骨质疏松症的发生和发展有十分重要的理论和现实意义。但目前的研究还存在以下问题： 1)膜片钳技术记录的通道电流都是以某种通道电流为主，其中难免混杂有其他类型的通道电流。2)无论使用体外培养的细胞，还是使用分子生物学克隆技术表达出的某种离子通道，离子通道已经失去了在体支持环境，原有内环境也发生变化，测量结果并不能完全阐明在体情况。3)目前研究主要侧重于通道基本特征的描述，而关于各种通道的生理学意义及其调控机制有待进一步阐明，各种离子通透特性改变的临床意义也多限于推测。所有这些问题都增加了成骨细胞上离子通道研究的难度，但随着自动膜片钳技术和场电位技术应用不断深入，相信成骨细胞离子通道的研究将会成为骨质疏松机制探究的新方向。

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Advances in ion channels other than potassium and calcium ion channels in osteoblasts

SUN Zhong-yang1, LI Dong-tao1,2, ZHAO Xue-wu1,3, ZHANG Shu1
1Teaching and Research Section of Aviation and Aerospace Biomechanics, Key Aviation and Aerospace medical Laboratory of Ministry of Education, Xi'an 710032, Shaanxi Province, China;2Center of Cardiology, Navy General Hospital, Beijing 100048,China;3Chinese PLA 93175 Hospital, Changchun 130051, Jilin Province, China

ZHANG Shu. Email: shuzhang@fmmu.edu.cn

Abstrtact: Osteoporosis (OP) is becoming more and more prominent and brings a heavy economic burdern to the families and society due to the prolonged human life and the coming aged society. Dysfunction of osteoblasts plays a vital role in the pathogenesis of OP, and more and more attention is paid to osteoblasts by the researchers. Potassium and calcium channels in osteoblasts are reviewed, and expressions of other ion channels in osteoblasts are analyzed.

; osteoblast; osteoporosis; ion channel

R 351

A

2095-5227(2014)04-0395-04

10.3969/j.issn.2095-5227.2014.04.026

时间：2013-11-26 09:08 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20131126.0908.002.html

2013-10-23

国家自然科学基金项目(31170889；30870595)；教育部留学回国启动基金(HG4406)

Supported by the National Natural Science Foundation of China(31170889;30870595); the Project-sponsored by SRF for ROCS, SEM. (HG4406)

孙中洋，男，在读硕士。研究方向：航空航天医学。Email:szylpxt@163.com

张舒，男，博士，教授，博士生导师，Email: shuzhang@fmmu.edu.cn