DCK 信号系统在心脏及神经两类兴奋细胞功能的分子机理＊

李加源，李艺茹，何博聆，岳慧敏，肖丽琴，周 蓉，周 鑫，徐学红

（1.陕西师范大学 生命科学学院，陕西 西安710119；2.西安医学院基础与转化医学研究所，陕西 西安710021）

1 前言

人类及哺乳动物均具有两类兴奋细胞，它们是心脏的心肌细胞和大脑的神经元细胞，DCK-CaV 在调节这两类细胞的兴奋收缩耦联中意义重大。在心脏发挥泵血供血功能的过程中，心肌细胞通过兴奋-收缩耦联（excitation-contactile coupling）和心脏传导系统联动所有心肌细胞共同收缩来实现正常的生理过程；大脑指挥调控机体全身的功能是通过其神经细胞兴奋-收缩耦联（excitation-contraction coupling）来实现的。这两类兴奋细胞在分子机理上均是通过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释放进入胞浆，导致肌肉收缩、大脑神经冲动信号传导，且介导着两类细胞相关的组织激素分泌、基因转录、蛋白折叠、程序性凋亡以及坏死等一系列生命过程。RyRs作为一种钙离子通道蛋白，钙诱导的钙释放下（Calcium induced calcium release，CICR）肌纤维行使收缩功能，这在大脑神经元细胞电信号传导中的意义是不可替代的，细胞中维系钙离子从内质网或胞浆网钙库（Endoplasmic reticulum，ER or sarcoplasmic reticulum，SR）中的规律性释放及回收极为关键，其可促进肌细胞收缩在心脏组织中以兴奋-收缩偶联（Excitation-contactile coupling）的通路方式协同作用。RyR调节的异常可能会产生心脏衰竭（Heart failure，HF）乃至心猝死（Sudden cardiac death，SCD）和脑猝死（Sudden brain death，SBD），本文对两类兴奋细胞发挥功能的分子机制以及它们的异常导致的疾病进行了分析，并对可能的预防机理进行了探讨。

2 心脏功能与钙-DCK 信号系统

心肌细胞胞质内的纳摩尔级的钙离子可以诱导内质网池或浆池内微摩尔级的钙离子释放，大量释放到胞质中的钙离子则会启动细胞内调控收缩的细胞骨架结构行使收缩功能。然而，如何在心脏传导系统的指挥下，使得全体心肌细胞协调同步完成四腔心的联动式运动，以及实施心脏泵血功能尚在探索中，该机制的研究进展将为解决心脏生理功能和病理异常提供重要依据。

2.1 心律失常与钙信号系统及其调控

儿茶酚胺能多态性心室心搏过速1 型（CPVT1，Catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia type I）是由心脏兰尼碱受体（RyR2，Ryanodine receptor）的突变引起的，这会导致心肌细胞和心室心搏过速细胞连续性处理Ca2+的中断。兰尼碱受体（RyR2）为心脏Ca2+释放通道，Ca2+的恢复是测试运动训练是否可以减少CPVT1 致病性错义突变Ryr2R2474S 小鼠的心律失常倾向的首要指标。实验发现，运动训练对CPVT1长期的有益效果是通过减少DCKII依赖的RyR2 的Ser2814 磷酸化实现的。

2.2 合理适当的运动可改善心脏疾病并保护心脏

间歇性跑台运动训练可以阻止CPVT1Ca2+基因突变小鼠的致死性心博过速（VT），并减少由于低DCKII 依赖的RyR2 磷酸化导致的心律失常性Ca2+的释放。适当强度、个体化、安全监测的长期运动训练对RyR2 有有益影响，并可能减轻运动对CPVT1 的急性影响。数据证实，运动能够通过补偿动作电位，随着运动强度的增加而减少心室颤动（VF）的发生。作为心脏生理学中电传播动力学最重要的特性之一，长期运动所促进的这种补偿可以保护老年大鼠免受致死性心博过速（VT）和心室颤动（VF）的伤害。

2.3 DCK-CaV 调节钙诱导的钙释放

近期研究表明，DCK-CaV 对心脏组织特异的钙相关蛋白RyR 以及IP3R 均有特定的调节作用，DCK 对钙诱导的钙释放的作用会联动性地影响到心肌细胞内的收缩。在心脏中，各个心肌细胞内不同程度的作用会直接破坏各细胞间的协调作用，导致心律不齐，包括早搏、房室传导阻滞和QT延迟和房颤等，严重的心律不齐则可导致心源性突然死亡及心猝死。

3 DCKI 与神经元热感觉感知的调控

DCK 的家族蛋白通常与细胞兴奋有关，无论是在包括心肌细胞在内的肌细胞兴奋-收缩耦联，还是在神经元细胞中的兴奋-传导偶联中，DCK 均发挥着关键作用。实验证明，DCKI 与哺乳动物神经元热感觉的感知密切相关，由于这种感知出现在进化后期的恒温动物中，所以，对其细胞分子生物学机制的探究意义重大。

3.1 DCKI 与神经元热感觉感知的进化

DCKI 依赖的感觉基因表达调节介导经验依赖的可塑性在一个热感觉神经元操作范围内的感觉适应代表了一种依赖经验的可塑性，这种可塑性允许神经元在广泛的动态范围内保持高度的敏感性。在动物进化的过程中，这种进化适应过程的起源和稳定尚不清楚，感觉神经元热感觉的感知反应在不同时间尺度上发生改变的机制尚不清楚。

在模式动物秀丽线虫AFD 热感觉神经元（T*AFD）温度诱发活动的阈值由培养温度（TC）决定，涉及到感受细胞内cGMP 水平的调节。在暴露于比室温更高的温度情况时，无论时间长短秀丽线虫都会适应，而且长时间暴露于高于室温的温度情况下，可以检测到AFD 特异性受体鸟苷酸环化酶基因表达的改变。进一步研究表明，这些温度调节基因表达的变化是由DCKI 酶介导的，DCKI 能够自主调节AFD 中温度诱发的钙动力学。该酶在AFD 中表现出温度依赖的核质细胞穿梭现象，证实DCKI 介导的感觉基因表达水平的改变有助于T*AFD 适应长期进化，可以进一步地推理DCKI 在进化中的参与程度，有效地组织了其他调节温度感知所需分子部件的协同作用，随着时间轴的延续，形成恒温动物复杂的神经元热感觉感知体系。

3.2 DCK 和PKC 联合调控SFO 神经元血管紧张素II 介导的钙瞬变

研究表明，血管紧张素II（AII，angiotensin II）由大脑皮层（Subfornical organ）神经元产生，可以通过改变SFO神经元自发Ca2+振荡的振幅和频率，最终调节（SFO）包括饮酒行为在内等行为学变化。这种调节依赖于神经元AII 浓度的变化，在皮摩尔浓度下，SFO 神经元可以被诱导出自发Ca2+振荡，而在纳摩尔级AII 浓度下，则在诱发出初始[Ca2]峰之后，持续[Ca2]增加超过1 h，进而导致Ca2+的持续释放。抑制剂实验表明，神经元细胞Ca2+持续释放由DCK 和PKC同时调节。由于DCK 和PKC 均直接参与神经元细胞CICR的调节作用，因此推测DCK 和PKC 联合调控很可能通过实施神经元细胞内质网上的RyR 进行，共同实现病理生理学上AII 诱导的SFO 神经元功能。

3.3 营养疗法可能通过DCK 调节和促进神经元可塑性

营养疗法是时间悠久但分子生物学理论基础缺乏的学科，这种无理论支撑疗效褒贬不一。近年来，研究者利用人类神经母细胞（SH-SY5Y）中皮质酮（CORT）诱导应激的模型检测了一系列的天然粗提物，对其酚类物质等的疗效进行了评估，研究发现曲酮、虾青素、姜黄素、纤维素和白藜芦醇可以使SH-SY5Y 细胞中的指标BDNF-VI mRNA 表达显著提高，另一指标CREB1 mRNA 表达也明显提高，证明了这些物质促进神经元可塑性对CORT 引起压力的调节潜力。根据现有有关酚酮类研究结果，可以推测这种CORT 诱导的调节，可以通过神经元细胞内的P-ERK 信号系统与钙-DCK 信号系统共同调节细胞核内的P-CREB 而影响BDNF-VI mRNA 的表达，揭示了该营养疗法的分子机制的细胞基础。

4 结论与展望

在包括人类在内的哺乳动物中，细胞心脏的心肌细胞和大脑神经系统的神经元细胞的功能均与RyR 和IP3R 两个钙相关蛋白有关，它们均为细胞质内膜系统整合蛋白，是分布在内质网上的阳性离子通道性蛋白，它们介导钙离子在心肌细胞的整合性兴奋、收缩耦联，以及神经元细胞的兴奋-神经信号传导。近几年的研究越来越表明，DCK-CaV 在调节上述两个兴奋细胞RyR 和IP3R 的相关细胞生物学过程中，对哺乳动物的心脏和大脑两个重要器官的功能行使起至关重要的作用。纵观钙信号系统在细胞功能生物过程中的作用，以及血液钙和细胞钙平衡的相关性，可以推测DCK-CaV在包括心律失常心脏疾病和神经退行性疾病上DCK-CaV 起至关重要的作用。未来需要进一步明确研究方向，即摄入钙、血液钙和心脏细胞/神经元细胞钙是如何在各类组织器官和细胞中保持协调均衡的，DCK-CaV 如何识别心脏细胞/神经元细胞，进而发挥其特定的作用，但却在其他细胞中发挥不同的功能。这类研究将有利于开发特异性针对心脏疾病，或者针对神经元相关疾病的持续有效药物。