缝隙连接蛋白Connexin43参与神经精神疾病发病机制的研究进展

刘 诺，王真真，陈乃宏

(中国医学科学院药物研究所&神经科学中心，北京 100050)

Cx43蛋白是构成缝隙连接(gap junction，GJ)的缝隙连接蛋白(connexin，Cx)家族主要成员之一。通过GJ实现物质能量交换，有效维持了体内的生理生化稳态。本文就GJ的结构与功能，Cx43蛋白的编码基因、结构解析、合成、细胞膜定位、调节和在人体中所发挥的生理功能，以及其在相关神经系统疾病发病进程中所扮演的角色等方面的研究进行综述。

1 GJ的结构及功能

GJ介导的细胞间通讯是最直接和最主要的细胞间信号传导方式，可以快速且可逆地达成相邻细胞对外界所传达信号的共同反应。GJ的结构组成和功能发挥的基本元件是缝隙连接蛋白Cx，其连接子(Connexon)即半通道由6个Cx亚基环绕中间孔道(直径1.5～2.0 nm)横跨细胞膜形成 ，最后中央亲水性孔道对接形成GJ。GJ允许小分子及离子通过(相对分子质量小于1.2×103，如ATP、cAMP、钙离子等)[1]，从而通过其介导的缝隙连接细胞间通讯(gap junction intercellular communication，GJIC)调节细胞的基本生命过程，维持稳态平衡。GJ通道的开放关闭和通透性受多种因素调控，如pH值、钙离子浓度、膜电位、原癌基因的激活和抑制、生长因子和蛋白激酶数量的改变等[2]。已知的GJ功能包括：①传递信号；②缓和有害物质毒性；③介导受损细胞的修复；④参与代谢；⑥参与细胞的黏附及运动[3]。

2 Cx43的编码基因和结构解析

人类Cx家族由同一基因转录而来，高度相关。其中，Cx43是由平均长度为923 bp的3条DNA链编码，作为没有经过突变的抑癌基因存在。人类组织中的Cx43编码基因位于2个位点：一个功能基因存在于第6对染色体上，一个假基因存在于第5对染色体上。部分常染色体隐性突变是由于第6对染色体上功能基因的3’末端被插入1个碱基。Cx43基因的增强子包括3个部分：①转录起点前的TATA框(-25, -18)；②促进区(-64, -55)；③抑制区(-93, -87)。Cx43在众多器官中发挥作用，如脑、皮肤、心脏，分布广泛[4]。Cx43有3个膜内部分、2个膜外部分和4个亲油跨膜区。其中，氨基端、羧基端及细胞质环存在于膜内，而便于识别和对接相邻细胞的部分则存在于膜外。单个Cx43可以聚合形成六聚体连接子，几个连接子在经过高尔基体转运到达细胞膜上之后，聚集成为GJ斑，其数目与细胞间通讯的顺畅性呈正相关。而蛋白羧基端的磷酸化会影响其功能的发挥，这种磷酸化主要发生在丝氨酸和苏氨酸残基上。

3 Cx43蛋白的转录翻译和细胞膜定位

Cx43是按照传统的途径合成的，即粗面内质网上的核糖体以核内基因转录得来的mRNA为模板，翻译成蛋白质，后经囊泡转运至高尔基复合体，聚合成连接子，并进行相应的翻译后修饰[5]。成熟的半通道需到达细胞膜上后，与另一个细胞的半通道进行对接，才能参与到细胞与细胞间的生理进程中。

关于合成的半通道定位于细胞膜的具体机制，有研究显示，Cx43从高尔基体运送到细胞间连接斑处是由微管蛋白完成的，β-catenin、p150、N-cadherin也在此过程发挥重要作用。然而，具体机制不是很清楚，可能与Cx43羧基末端的特定功能位点有关。另外，肌动蛋白的数量与Cx43运输至细胞膜的数量呈正相关，研究表明，敲除β-actin基因会影响GJ的数量。可见，多种蛋白共同参与到Cx43的转运定位过程，其中某些蛋白的分布或功能发生异常，可能是Cx43相关疾病的致病原因。

4 Cx43蛋白的功能调节

研究表明，Cx43的功能调节位点大多数位于羧基端[6-7]。Cx43羧基末端(C)的磷酸化和去磷酸化主要通过蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)、促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)及Src家族的酪氨酸激酶进行调节，从而改变Cx43缝隙连接效应，由此介导激素、炎症递质和生长因子的生理功能[8]。研究发现，不同途径通过磷酸化羧基端不同位点，影响GJ的通讯功能，PKC途径作用于368和262位点，MAPK途径作用于282、279和252位点[9]。酪氨酸激酶途径则通过使Cx43蛋白的247位点和268位点磷酸化，阻碍GJ的通讯功能，Cx43的268位点发生磷酸化是由于酪氨酸激酶作用于Cx43的C末端，并与其SH3(Src同源结构域)结合，这种磷酸化又可以提供潜在的酪氨酸激酶SH2结合位点，使得Cx43的247位点发生磷酸化，从而调节通道的关闭。

在Cx43结合蛋白中，紧密连接蛋白-1(zonula occludens-1，ZO-1)对GJ功能有着重要影响，这是通过与Cx43蛋白相互作用实现的。研究发现，ZO-1会影响GJ斑的形成和功能，这是通过与羧基端末端残基结合，促进GJ开放实现的。ZO-1还能调节半通道开放，这是因为没有参与到GJ形成的Cx因其作用而聚集。结合蛋白中的c-Src与磷酸化的Cx43结合，可以关闭细胞间GJ通道[10]。另外，通过FRET和Co-IP研究显示，调节蛋白有利于GJ发挥正常生理功能，其机制是与细胞骨架F-actin结合，并作用于Cx43羧基末端[11]。

5 缝隙连接蛋白Cx43的生理功能及其参与神经系统疾病病理进程的机制

神经系统的各种细胞，如神经元、室管膜细胞、神经胶质细胞，它们的物质代谢和同种细胞之间的信息传导是依靠GJ完成的。研究发现,室管膜细胞的钙离子外流与半通道的开放密切相关[12]。神经系统GJ和半通道的主要构成蛋白是Cx43蛋白，Cx43蛋白对于其功能的发挥有着重要的调节作用。

神经元的兴奋同步化和过度兴奋抑制与GJ有关。Cx43蛋白调节GJ通道，直接参与神经元电突触联系中细胞间动作电位的传导，从而使两个相邻神经元的兴奋间隔缩短到可忽略不计的程度[13]。Cx43蛋白还通过插入突触后膜电位，抑制过度兴奋，从而保证了神经元外的环境稳态和突触功能的稳定[14]。

星形胶质细胞间的电信号传导频率很高，主要与Cx43蛋白构成的GJ密切相关。离子交换即细胞偶联，需要缝隙连接蛋白改变构象来完成，由Cx43蛋白和Cx30蛋白参与，其中比较重要的过程包括由G蛋白偶联受体介导和调节的Cx43蛋白磷酸化和脱磷酸化，脱磷酸化同样离不开磷酸酶的调节，而且需要人内皮素1(endothelin 1，ET-1)和1-磷酸鞘氨醇(sphingosine-1-phosphate，S1P)的介导[15]。有关研究显示，Cx43介导细胞内谷氨酸盐的释放，表现为其受体被拮抗时，谷氨酸盐外流中止[16]。除了介导GJ的相关功能之外，Cx43高表达还可以保护胶质细胞免受凋亡信号的影响，GJ的抑制剂不会影响这种作用。

目前，Cx43蛋白相关的病理机制主要出现在缺血/再灌注脑损伤、创伤性脑损伤以及抑郁症的发病过程中。

5.1Cx43蛋白与大脑缺血/再灌注损伤缺血/再灌注损伤的形成与细胞间偶联密切相关，代谢偶联和信号传导可以将有害物质和凋亡信号迅速传导到缺血病灶周边细胞。大部分研究者认为，GJ介导大脑缺血/再灌注时，缺氧坏死产生物质和凋亡信号的传递，造成缺血周围区域的继发损害，导致大量神经元的不可逆损伤。研究发现，一系列海马区域缺血/再灌注模型中，星形胶质细胞GJ的数量越多、密度越大，神经元的损害就越严重，而造模并应用GJ拮抗剂48 h后，细胞死亡数目与单纯造模组相比明显减少。另有研究者认为，Cx43蛋白与缺血/再灌注损伤后的细胞生存有关。研究发现，若抑制半通道的作用，损伤后的病灶周边区域细胞生存情况明显变差，而吸入氧气所带来的Cx43表达增加，则有利于损伤修复[17]，而且，缺血时，Cx43高表达刺激半通道的进一步开放带来的ATP分解代谢增加，会产生有神经保护作用的腺苷，这都可以证明Cx43同样具有保护缺血/再灌注损伤的作用。因此，合理控制Cx43的表达既可以缓解缺血/再灌注损伤的扩散，又能促进脑组织修复的进行，可以作为临床治疗的新靶点。

5.2Cx43蛋白与创伤性脑损伤研究发现，创伤性脑损伤的各个病理阶段中，与无损伤对照组相比，Cx43均表现出高表达。早期，一方面Cx43表达增加带来的GJ功能增强，会加速缺氧坏死产生的毒性物质的扩散，使病变部位周边细胞凋亡增多，扩大病变范围；另一方面，由于半通道的开放增多，谷氨酸盐大量释放，发挥其神经兴奋性毒性作用，带来脑水肿的进一步恶化[18]。后期，高表达的Cx43会促进GJ介导神经修复营养物质的传递，减轻损伤程度。

5.3Cx43蛋白与抑郁症越来越多的证据显示，星形胶质细胞与抑郁症的发病密切相关。有研究发现，抑郁症患者的尸检结果中，星形胶质细胞的数目减少，形态发生了明显改变[19]。星形胶质细胞在脑中形成网络，并通过GJ进行信息交流[20]。公认的研究结果是，Cx43蛋白在星形胶质细胞中大量合成。Sun等[21]的研究发现，前边缘皮层注射GJ抑制剂甘珀酸和Cx43模拟肽段Gap26、Gap27，使大鼠表现出抑郁的典型症状——快感缺失，证明星形胶质细胞GJ的功能障碍，在抑郁症的发病中起着重要作用，正常Cx43蛋白的存在对于GJ信息交流功能的正常行使必不可少。该项研究的Western blot和RT-PCR实验结果显示，经典抑郁模型——慢性不可预知性应激使Cx43的mRNA含量和蛋白含量均明显下降，而经典抗抑郁药，如氟西汀和度洛西汀可以逆转这种改变，进一步证明了Cx43蛋白减少在抑郁症发病中的意义，以及5-羟色胺再摄取抑制剂(selective serotonin reuptake inhibitor，SSRI)类药物发挥抗抑郁作用的机制中包含恢复Cx43蛋白的正常水平[21]。

5.4Cx43蛋白与癫痫Jordan等[22]对切除的癫痫患者发病相关脑区组织进行了Northern印迹分析，发现星形胶质细胞的缝隙连接蛋白Cx43 mRNA表达量明显升高。这可能是因为发病部位神经元过度同步化放电，导致胞外K+含量大幅度增加。为了尽快清除过多的K+、恢复正常的内环境，Cx43蛋白代偿性表达上升，增加的GJ数量使清除面积增大，从而有助于神经元周围环境恢复稳态。这表明Cx43蛋白表达升高与癫痫发病机制相关。

5.5Cx43蛋白与神经胶质瘤研究表明，神经胶质瘤细胞的Cx43蛋白表达水平与大多数肿瘤相似，呈较低水平，明显低于正常的星形胶质细胞[23]。同时，正常胶质细胞进行癌基因转染或使用致癌剂诱导后，Cx43蛋白表达水平明显降低。另有研究发现，胶质瘤细胞的增殖速度在经过Cx43基因转染后明显降低，很可能是因为GJ形成增加[24]。这表明Cx43蛋白表达促进GJ构建，可以抑制肿瘤的形成和发展。

6 结语

缝隙连接蛋白Cx43是构成GJ的重要成分之一，GJ介导物质能量交换，有效维持了体内的生理生化稳态。神经系统细胞间分布着丰富的GJ和半通道，Cx43蛋白作为星形胶质细胞GJ重要成分之一，其表达异常与大脑缺血/再灌注损伤、创伤性脑损伤、抑郁症、癫痫、神经胶质瘤等神经系统疾病发病密切相关。对Cx43蛋白的编码基因、结构、合成、细胞膜定位、功能调节等的深入研究，将有助于我们寻找相关疾病的新的药物治疗靶点，为新药研发奠定基础。