缝隙连接与高血压

胡坚 刘诗英 邱元芝

·讲座与综述·

缝隙连接与高血压

胡坚 刘诗英 邱元芝

缝隙连接(gap junction,GJ),又称间隙连接、通讯连接,是由连接相邻两个细胞之间的连接通道排列而成的一种特殊膜结构。细胞间的通讯方式可分为间接与直接方式。相邻细胞间通过GJ所介导的细胞间的通讯为直接通讯,又称缝隙连接细胞间通讯(gap junction intercellular communication,GJIC)。相邻细胞通过直接通讯进行信息、能量和物质交换,参与细胞间物质交换的代谢耦联和电信号传递的电耦联,对细胞的新陈代谢、内环境稳定、增殖和血管平滑肌舒缩等生理过程起着重要的调控作用。本文拟就GJ与高血压关系的研究进展做一综述。

1 GJ的形态、结构和功能

细胞间普遍存在GJ,其基本组成单位是连接蛋白(connexin,Cx)。GJ由相邻细胞膜上的2个连接子(connexon)相互锚定组成。连接子也称为半通道(hemichannel),是由6个相同或不同的Cx在细胞膜内环绕排列成中空的半通道,相邻细胞膜上的2个连接子连成直径约1.5 nm的亲水性通道,即GJ[1]。目前发现哺乳动物细胞的Cx大约有20多种[2],其中Cx37、Cx40、Cx43和Cx45主要表达于心血管系统,其表达具有极大的异质性[3]。在众多的细胞膜通道中,GJ是目前发现的唯一一种允许邻近细胞直接进行细胞浆之间物质交换的细胞膜通道[4]。GJ允许电信号和分子质量<1000 D或直径<1.0 nm的离子或小分子物质通过,如:小分子代谢产物、水分子、第二信使(Ca2+、IP3、cAMP)[5]。不同类型GJ通道对不同的物质具有选择性和通透性,Cx的表达比例与GJ的功能也密切相关[6]。

目前血管中GJ的生理功能受到广泛关注。大动脉、血管平滑肌间GJ主要参与细胞间钙转移,实现平滑肌细胞(smooth muscle cell,SMC)收缩的同步化。此外,GJ沿血管纵轴的长距离通讯可能参与调节血管SMC的有丝分裂[7]。在靶向性敲除血管SMC Cx43基因小鼠,Cx43缺失导致SMC增殖增加,该作用可能与GJ数量有关,因为Cx43水平减半反而抑制SMC增殖[8]。阻力小血管的内皮细胞和SMC间存在丰富GJ,称为肌皮连接(myoendothelial junction,MEJ)。现有研究提示,MEJ参与内皮源性超极化因子(endothelium-derived hyperpolarization factor,EDHF)介导的血管舒张效应[9]。EDHF是引起阻力小血管平滑肌松弛的主要因素,乙酰胆碱、缓激肽可促进内皮细胞合成EDHF,后者通过MEJ进入SMC,激活钙依赖性钾通道,使细胞膜超极化,引起血管松弛。此外,SMC也可通过MEJ来影响内皮细胞的功能。SMC中IP3可通过MEJ进入内皮细胞,进而使内皮细胞中Ca2+升高,促进一氧化氮(NO)释放。最近研究发现,在炎症状态下,肺血管内皮细胞中Cx43表达增加，细胞间通讯增强,从而导致肺血管的通透性增加,而后者在急性呼吸窘迫综合征发病机制中起重要作用[10]。

GJ功能的调节对细胞通讯来说意义重大,胞质pH、Ca2+、电压、原癌基因、核苷酸、激素、神经递质、脂质、生长因子和许多外源性化学物质均可在转录、翻译、翻译后修饰水平调节GJ功能,这些调节是由多种机制实现的[11-12]。

2 高血压与Cx的表达

Cx表达的变化和高血压有着密切的联系[13-14]。研究发现:机械牵张不仅增加平滑肌细胞Cx43的表达,还增强其GJIC。Cx在自发性高血压大鼠(spontaneously hypertensive rats,SHRs)或高血压动物模型中的表达发生改变[15]。其中一些参数的改变,例如机械负荷、NO的生物利用度、切应力、血管紧张素Ⅱ等可能参与了Cx的表达调节[16]。而且,GJ对血管的影响涉及不同方面，有时甚至是相反的功能,如血管舒张与收缩。由于实验模型、动物种属或检测方法的不同,各Cx在高血压发生发展中的动态变化及作用的研究尚存在一些争议[3]。因此,简单地分析Cx表达并不能确定Cx是否在高血压形成中有作用,或观察到的Cx表达变化是否是高血压发展的结果。

但小鼠的基因敲除技术证实了GJ与血压调节存在联系。Cx40基因与血管直径的调节作用有关:Cx40基因缺失的小鼠均出现高血压,且其血管调节变得十分不规律[17]。Cx40基因敲除小鼠血压持续显著升高,与小动脉阶段性收缩和不规则运动有关,提示Cx40与外周阻力和血压有直接联系。最近研究发现,Cx40的表达水平可影响肾素分泌[18]。Cx40基因敲除小鼠的肾素合成与分泌均显著升高,肾素分泌细胞数目增加,在入球小动脉中的分布也发生了变化。

GJ蛋白通过控制肾素的释放来参与高血压的形成,Cx37、Cx40和Cx43表达于肾入球小动脉的内皮细胞,并且连接肾素生成细胞——肾小球旁器(juxtaglomerular apparatus,JGA)细胞[19]。JGA细胞则高表达Cx40和Cx37[20]。最近研究发现,是JGA细胞而非内皮细胞的Cx40表达能改善高血压和降低肾素水平[21]。缺失Cx40使得肾素生成和血浆肾素水平增加[22]。进一步特异性缺失JGA细胞Cx40,结果导致肾素分泌过多和高血压,而恢复JGA细胞的Cx40表达能改善高血压和降低肾素水平[21],原因可能是JGA细胞与入球小动脉之间不能形成GJ,损害了肾的压力感受器功能[23]。可以推测,Cx40在肾素系统的紧张性抑制中起重要作用。

Schmidt等[24]研究发现,血管SMC特异性缺失Cx45对小动脉血管舒缩反应的转导不是必须的,可能是别的Cx在功能上替代了Cx45;且Cx45在肾素分泌方面的作用似乎不影响小鼠动脉血压。而Cx43介导的内皮细胞通讯在控制肾素分泌中似乎起关键作用[25]。研究发现,Cx43在SHRs中表达明显下调,替米沙坦能显著降低血管紧张素Ⅱ水平和血压,并增强Cx43的表达[26]。

3 Ca2+与GJ

GJ具有离子通道的特性,Ca2+易于通过GJ,且是细胞内信号转导通路中的重要信使,因此,Ca2+是GJ介导的细胞间信号传递的重要载体之一。在缺氧缺糖(OGD)状况下,Cx43、Cx40、Cx45 GJ通道的电导分别下降了53%、64%和85%,用磷酸盐缓冲液来限制细胞内Ca2+与pH值的变化可完全阻断通道的电导下降,OGD主要是通过升高细胞内Ca2+与降低pH值来调节GJ通道的解耦联,Cx43对OGD最耐受而Cx45对OGD最敏感[27]。研究发现,机械刺激可诱导大鼠肠系膜原代平滑肌细胞(pSMCs)和6B5N细胞(Cx43/Cx40高表达的A7r5克隆细胞)内钙波向临近细胞传播,而A7r5细胞内钙波不能向临近细胞传播,研究证实,由Cx43构成的功能性GJ,参与了细胞间钙波的调控,而且,Cx43和Cx40两者表达的比例不同,可以干扰由Cx43构成的功能性GJ,进而改变GJ通讯[28]。GJ钙信号传播参与了血管的紧张度调节。NO能抑制单纯表达Cx37的Hela细胞(Hela-Cx37)的GJ通讯,但不能抑制Hela-Cx40或Hela-Cx43的GJ通讯。在人脐静脉内皮细胞(HUVEC)或人平滑肌细胞(HUVSMC)中,NO并不能影响GJ的Ca2+信号传播,在两者共同培养时,NO能减少内皮GJ 60%的Ca2+信号传播[29]。研究还发现蛋白质的磷酸化与脱磷酸化过程受胞质钙振荡的调节,钙超载可以刺激磷酸酶,它可以使细胞裂解[30]。

4 Cx40遗传多态性与高血压

广泛缺乏Cx40鼠和肾脏肾素分泌细胞特异性缺乏Cx40鼠均表现为血浆肾素水平升高和显著的高血压[22]。ARB和ACEI能减轻Cx40-/-鼠血压,这些动物的血浆肾素水平较未治疗的Cx40-/-鼠水平更高[22]。在C57BL6鼠,Cx40A96S突变导致肾素依赖性血压升高,其血压升高与Cx40-/-鼠相似[22]。这提示在肾素生成细胞GJIC需要Cx40的介导来控制肾素的释放。然而,Kurtz等发现,Cx40缺失鼠肾素水平升高的机制在于Cx40-/-鼠的JGA结构改变而不是GJIC数量的减少。

与Cx40在控制肾素分泌和协调血管紧张度中的重要作用相符,位于人类Cx40基因启动子区2个紧密连锁多态(-44A和+71G)与男性高血压风险增加有关[31]。此性别差异可能与前面提到雌性动物血管舒张反应更加依赖EDHF途径有一定的联系。这些多态似乎改变Cx40基因启动子的活动,因为体外报道基因分析揭示，Cx40单一型-44A/+71G使荧光素酶的表达减少50%,-44A多态通过转录因子Sp1和GATA4负向影响启动子调节作用[31]。

依那普利或坎地沙坦能减少但并不能恢复这些实验动物的血压至正常值,因此,在Cx40基因敲除小鼠中观察到的高血压不能完全由肾素分泌的增加来解释。缺失Cx40与不规则的微血管舒缩和血管舒张信号的转导受损有关[32-33]。因此,缺乏Cx40引发高血压的原因,除肾素—血管紧张素Ⅱ因素外,可能与血管壁细胞控制和协调的紊乱有关,提示Cx等可能通过血管内皮和SMC对内分泌和旁分泌等信号物质的直接作用而导致高血压的发生。

5 结语与展望

GJ的表达和功能异常可以引起高血压,其机制可能为介导的细胞直接通讯参与了血管舒缩运动的调节、连接蛋白表达的变化、调控肾素分泌,导致血管紧张度增加,最终导致高血压的发生。尽管GJ参与的血管功能似乎很复杂,但Cx基因敲除动物的发展对我们理解这些蛋白在血管系统如何起作用提供很大帮助,Cx模拟肽是分析GJ在血管功能中作用的有效工具。随着转基因动物、特异性更强的阻滞剂、蛋白组学技术在这些全新的领域应用,必将对其了解越来越多,从而最终揭开高血压发病机制。

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江西省自然科学基金资助项目(2010GZY0100)

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邱元芝，Email:huyidao998@163.com

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2014-11-12)