DCK 信号系统与骨骼肌功能作用的细胞分子机理＊

2020-11-29李艺茹李加源于秋霞徐学红

科技与创新 2020年3期

李艺茹，李加源，梁瑜，于秋霞，杨蓉，张伟，徐学红

（陕西师范大学生命科学学院，陕西西安710119）

1 前言

心脏组织L 型钙离子通道活动的减弱将降低小鼠心力衰竭的发病率；DCK-CaV 调节RyRs（Ryanodine receptors，RyRs）和IP3Rs（1，4，5-三羟甲基氨基甲烷磷酸肌醇酯受体）两个蛋白家族介导钙离子从内质网/肌浆网释放进入胞浆，在肌肉收缩、激素分泌、基因转录、蛋白折叠、程序凋亡以及坏死等一系列以细胞功能为基础的生理过程中起到极其重要的作用。研究显示，在喹诺酮环的氮原子上具有长烷基链并且在喹诺酮的7-位上具有合适取代基的衍生物表现出强有力的调节RyR 通道活性；该SR（Sarcoplasmic reticulum）介入的在肌肉的兴奋-收缩耦联过程的关键作用，也与线粒体钙离子平衡有关，钙协调蛋白（DCKs）的调节因子DCKI 正是其中调节蛋白质之一。越来越深入的研究报道表明，还有许多的基因和钙相关蛋白与致病机制有关，本文从DCKI 基因编码蛋白的结构、在细胞中作用机理、到肌肉细胞中行使的各类作用，对它调节CICR 相关分子机理进行讨论，着重探究包括锻炼等体力活动（Physical activity）外界影响与DCKII 功能调节协同机理。

2 钙协调蛋白（DCK）结构特性和组织分布特征

由于DCK 磷酸化的目标位点都含有Ser 或Thr，DCK激酶家族的成员均被归类为Ser/Thr 激酶。最初发现，钙协调蛋白的激活最初依赖于钙协调蛋白/钙协调蛋白的结合，但是之后证明该家族一些蛋白激活后能够独立于钙协调蛋白的结合，或者经过其他调节因子的进一步修饰（即磷酸化）才能完全激活。DCK 的整体结构与磷酸化蛋白PKA 的结构相似，其双叶催化结构域之后是包含自抑制结构域和CaMbinding 结构域的调控结构域，但这两个结构域略有重叠，具有Ca2+/DCK 结合调节自体抑制结构域的功能。

在正常钙稳态的情况下，DCK 激酶通过一种自动抑制机制保持在休眠状态，这种机制涉及到催化结构域下游的一个调节域。为了使自抑制发生，自抑制结构域必须以一种阻止底物结合或扭曲催化位点的方式相互作用，使其失去功能。当细胞内钙离子浓度上升时（通过受体/离子通道的开放或细胞内储存物的释放），钙协调蛋白会被4 个钙离子饱和，经过构象改变，能够与钙协调蛋白激酶的目标位点结合，而最终自动抑制机制得以进行。

3 钙协调蛋白（DCK）与细胞周期

目前研究中表明DCK 对细胞增殖有显著的促进作用，DCK 的这一作用是通过协同其他细胞周期蛋白来调控细胞周期，从而起到促进细胞增殖作用的。DCK 是通过切入细胞周期特定的时期，直接作用于处在G 期细胞的Ca2+/DCK通路，参与调节G 期CDK 的活性来实现它的这一重要作用。截至目前，DCK 参与调控细胞增殖的细胞多种多样，主要包括成纤维细胞、乳腺癌细胞和神经瘤细胞等。

RODRI 等人详尽比较了DCKI 和DCKK 参与人乳腺癌MCF-7 细胞周期G/G 点，首次提出了DCKs 对哺乳动物人乳腺癌细胞增殖周期的影响。KAHL 等人证实，DCK 对成纤维细胞的G 期有调节作用。DCKI 的作用可以通过介导信号转导来实现对细胞增殖的促进作用。在神经元细胞NG108中，DCKI 通过参作用于多种ERK 底物，诱导细胞发生去极化，进而激活ERK。活化的ERK 在小G 蛋白的协同作用下促进细胞增殖。在胞浆中，DCKI 与DCKK 也可以与其他信号转导发生级联交叉反应，这些反应涉及cAMP 依赖激酶、促分裂原活化蛋白激酶和蛋白激酶。

4 钙及钙协调蛋白（DCK）在钙信号系统的调节功能

细胞内二价阳离子钙（Ca2+）稳态的改变，通常是由细胞内普遍存在的蛋白介导结合与钙（Ca2+）而形成的，钙协调素调节的钙稳态可以与胞浆中不同的蛋白相互作用，参与多种细胞生理生化功能。二价阳离子（Ca2+）是细胞信号转导中作用最广泛的信使系统，二价阳离子钙Ca2+在细胞生理学中不可或缺，在哺乳动物细胞中几乎与细胞的所有功能作用都有密切的关系。

4.1 钙离子的浓度对细胞分子生理功能的影响

由于Ca2+稳态在细胞中具有重要的功能，因此如此高浓度胚芽功能环境对细胞具有毒性。为了保持细胞的正常繁殖周期，细胞在正常生理状态下保持较低的胞内Ca2+浓度（50～100 nm）是至关重要的。

钙离子的跨膜化学梯度总是存在于细胞的质膜内外，由泵、交换器和缓冲器维持钙离子来共同维持胞内低浓度梯度的稳定态。Ca2+的高度灵敏性和反应性，配合胞内低浓度和内质网内的高浓度钙储存的改变均与DCK 密切相关，DCK介导的细胞钙信号传导对细胞分子生理功能的正常行使意义重大。

4.2 细胞间钙离子信号的释放

受体/离子通道（calcium-sensing receptor，CaSR）与维持钙贮存的细胞器之间的化学或机械通讯刺激而释放。通常情况下，这种细胞间通讯会启动一个正反馈循环，从起始点的细胞向外发送钙离子释放波，该释放可以通过整个细胞向外进行，会进入同一组织中相邻的众多细胞内。

可以明确的是，产生的Ca2+信号的空间和时间轮廓可能相当复杂，一定程度上取决于起始点上特定细胞类型的Ca2+释放分子的表达模式。这些DCK 介导的钙信号调节下游各类诸如肌细胞收缩、腺体分泌细胞的分泌、细胞增殖的改变等。

5 DCK-CICR 信号系统调节肌肉细胞生理和病理损伤的功能重建

激活RyR 和IP3R 介导的CICR 分子信号通路，DCK 通过对RyR 和IP3R 的调节，干预骨骼肌细胞和平滑肌细胞的生理功能并对肌肉细胞相关的病例机制起决定性作用。

5.1 钙-DCK 信号系统与肌肉干细胞的分化命运

在成肌细胞（C2C12）体外培养体系中，Pax3 和Pax7都可以激活大量与肌肉干细胞功能相关的基因是近期重要的发现。在C2C12 中过表达Pax3 或Pax7 后，发现Zac1 和GPR39 均被Pax7 上调，但Pax3 表达不变。由于Zac1 可以直接与Pax7 相互作用，Pax 7 则可以通过激活Zac1 来调节GPR39 的表达活Zac1/GPR39，介导了DCK-II 的磷酸化，导致p-ERK1/2 去磷酸化和β-连环蛋白抑制，使II 型肌纤维最后进行分化形成；缺乏Zac1/GPR39 系统的细胞在诱导分化后倾向于保持干燥并形成I 型肌纤维。肌纤维的转化主要受骨骼肌内钙离子的浓度及其代谢物变化的调控，激活RyR和IP3R 介导CICR 分子信号通路，引起肌纤维的转化。

5.2 以骨骼肌参与为主的运动

以骨骼肌参与为主的运动可以激活或强化钙协调蛋白依赖蛋白激酶（DCKII），有效地促进与II 型糖尿病和肥胖症相关的膜脂成分的稳定，从而控制了脂质代谢调节向改善II 型糖尿病和肥胖相关症状的方向发展。运动诱导的DCKII活化增加了大鼠骨骼肌中CPT-1 的表达，降低了ACC-1 的表达。研究人员在运动大鼠中注射DCKII 抑制剂KN93 时，观察到通过运动激活DCKII 的增加都被中止。这一研究结果表明，运动可以激活DCKII 调节脂质代谢。

骨骼肌可以通过转换肌纤维类型来应答外界环境的改变转换，Ca2+作为重要的细胞内信使，使得钙协调神经磷酸酶和钙协调蛋白激酶（DCK）在Ca2+调控下游，参加运动导致肌纤维重建或强化的2 条重要途径。

6 钙-DCK 信号可能是介导基因与环境的重要介质

基因与环境这两种因素的互作存在很大的差异性：在560 种疾病中，关节炎等结缔组织疾病与DNA 的相关性最低；80%的认知障碍与遗传最为密切；生殖障碍受环境影响最小；大多数眼疾（42 种眼疾中有27 种）源于环境因素；社会经济地位是肥胖的强有力预测指标；温度变化影响着100 多种疾病的风险。然而对6 000 多种遗传性疾病来说，基因“出错”是主要因素。

最新研究表明，社会经济地位影响了145 种不同的疾病，特别是肥胖。2018-02 某期刊曾发文证实环境（包括饮食和生活方式等）是塑造肠道菌群结构的最主要因素；相反，内因在约2%微生物组成上发挥着较小的作用，只有一小部分肠道微生物的寄生宿主可遗传这些肠道微生物。2018-03 某期刊也曾发文表明，环境是免疫系统衰老的主要原因，包括饮食、睡眠、运动、感染、工作以及生理、心理压力等，这些外因会引发表观遗传学差异。2018 年，某期刊上一篇论文着重分析了环境污染对于疾病的影响，结果显示，与基因影响疾病一样，环境对疾病也有重要的影响。2017年某期刊也曾发文表示，29%的致癌突变与环境因素或者生活方式有关。基因这一遗传因素是不易可控的因子，而环境因素在不少疾病中都占着很大的影响比例，这是可以调控的因素。所以，维持健康的体重、避免接触已知的致癌物质、尽量规避环境污染、保持合理均衡的饮食都是预防疾病的关键。