糖尿病对冠状动脉钾离子通道的影响及意义∗

鹿存玉 钱玲玲 王如兴

冠状动脉舒缩功能障碍是糖尿病心血管系统并发症的重要原因,越来越多的研究表明,糖尿病时冠状动脉钾离子通道发生改变,这些变化在糖尿病冠状动脉舒缩功能障碍中发挥重要作用[1],但其机制尚不明确。现已发现冠状动脉平滑肌细胞和内皮细胞上主要存在四种钾离子通道:电压依赖性钾离子通道(KV)、钙依赖性钾通道(KCa)、内向整流性钾离子通道(Kir)和三磷酸腺苷敏感性钾通道(KATP)。笔者综述糖尿病时这四种钾离子通道的变化及其临床意义。

1 KV 通道的变化及调控机制

活性氧簇(ROS)的过量产生是糖尿病的重要病理改变,与糖尿病的发生发展具有密切关系。研究表明,ROS可以直接或间接对KV通道的功能产生影响[2]。

有研究发现,与非糖尿病大鼠相比,链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠冠状动脉对KV通道阻滞剂4-氨基吡啶(4-AP)的收缩反应减弱,对KV通道激动剂Forskolin诱发的K＋电流增加幅度显著降低,而氧自由基清除剂及还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶抑制剂可以部分改善该进程[3]。这说明糖尿病时冠状动脉KV通道功能受损,且NADPH 氧化酶诱导产生的O2－自由基可能是致冠状动脉功能受损的关键因素。

ROS影响冠状动脉KV通道的机制复杂多样,可通过直接修饰KV通道复合体中特定的半胱氨酸、蛋氨酸、组氨酸和酪氨酸残基而调节KV通道功能[4],且这种氧化修饰对KV通道的影响是双向的,即在生理状态下氧化修饰可以增加KV通道的开放概率,但过度氧化修饰则会抑制KV通道活性[2],如肠系膜血管平滑肌细胞短期暴露于H2O2会引起氧化型谷胱甘肽与KV通道半胱氨酸残基结合和修饰,从而使KV通道活性增强[5],这种作用在冠状动脉平滑肌细胞中同样得到证实[6]；而强氧化剂ONOO-则会硝化冠状动脉平滑肌KV通道酪氨酸残基,损害KV通道介导的血管扩张[7]。

糖尿病时,除过度激活的ROS对冠状动脉平滑肌KV通道功能产生直接不良影响外,过量产生晚期糖基化终末产物(AGEs)是导致KV通道表达减少和功能异常的另一个重要原因。Su等[8]研究发现,链脲佐菌素诱导糖尿病大鼠冠状动脉血管平滑肌细胞KV通道基因转录及蛋白表达较非糖尿病大鼠明显下降,且KV通道电流密度降低；这些改变在应用晚期糖基化终末产物受体(RAGE)阻滞剂后会发生一定程度的改善。该研究说明,糖基化终末产物/糖基化终末产物受体(AGEs/RAGE)通路异常可能是糖尿病致KV通道功能受损的机制之一。

糖尿病导致KV通道表达降低和功能受损常常是多因素综合作用的结果,如上述ROS和AGEs/RAGE 通路的作用就存在相关性。AGEs/RAGE 可激活多种细胞内信号通路,如丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)和核因子-κB(NF-κB)等,从而激活氧化应激反应[9－10],而氧化应激水平增加可下调KV通道m RNA 和蛋白表达[11],这可能是AGEs/RAGE下调KV通道表达的机制,但目前在冠状动脉平滑肌细胞上研究较少,仍需进一步研究以予以证实。

2 KCa通道的变化及调控机制

2.1 对冠状动脉平滑肌细胞BK 通道的影响 BK 通道,又称SLO1、Maxi K 或KCa1.1通道,在冠状动脉平滑肌细胞上广泛分布,是调节冠状动脉血管张力的关键因素。BK 通道具有电压敏感性和钙离子浓度敏感性的特点,即BK 通道受跨膜电压和钙离子浓度双重门控,当细胞膜发生去极化和/或细胞内钙离子浓度水平升高时BK 通道激活。BK 通道通常由4个α亚基和4个β亚基组成,α亚基构成BK 通道的孔道结构、电压敏感阈及钙离子结合位点,β亚基使BK 通道的Ca2＋敏感性增加、电压敏感性降低及通道动力学改变。糖尿病时冠状动脉平滑肌细胞BK 通道开放概率降低,电流密度下降,β1亚基表达下降,这些改变导致了糖尿病冠状动脉血管舒缩功能异常[12]；而糖尿病时细胞内外的ROS、血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)、内皮素1(ET-1)和蛋白激酶C(PKC)等对冠状动脉平滑肌细胞BK 通道均具有调节作用[13],故糖尿病时调节冠状动脉平滑肌细胞BK 通道的机制仍不完全清楚,可能涉及代谢异常、氧化应激、慢性炎症和神经内分泌紊乱等多方面因素,即糖尿病对冠状动脉平滑肌细胞BK 通道的调控机制复杂多样。

2.2 ROS对BK 通道α亚基的调控 BK 通道α亚基与KV通道具有类似的跨膜蛋白及胞内氨基酸残基调节位点,因此,ROS也可以通过对这些位点的修饰完成对BK 通道功能的直接调节。研究发现,H2O2通过氧化修饰BK 通道钙碗附近的C911半胱氨酸残基抑制BK 通道功能[14]。除对BK通道的直接修饰,ROS还可以通过激活下游信号,如环磷酸鸟苷(cGMP)相关信号通路调节BK 通道的功能[15]。

2.3 通过不同信号通路介导BK-β1亚基泛素化降解 糖尿病时BK 通道β1亚基(BK-β1)表达降低,导致BK 通道功能受损。泛素化是一种酶促蛋白质翻译后修饰的过程,通过活化、结合和连接对蛋白进行泛素标记。近年来,越来越多的研究表明BK-β1亚基泛素化降解是糖尿病冠状动脉舒缩功能障碍的发病机制之一,包括FBXO(F-box only protein)及肌环指蛋白1(MURF1)在内的E3泛素连接酶在这一过程中发挥重要作用[16]。

Zhang等[17]研究发现,糖尿病大鼠血管平滑肌细胞及高糖培养人冠状动脉平滑肌细胞中BK-β1表达下调,BK-β1泛素化增加,上述改变可以被泛素连接酶复合体的关键组分之一FBXO 激活剂增强,被FBXO 抑制剂减弱；抑制Akt/FOXO-3a磷酸化使FBXO 表达增加,BK-β1表达减少。以上结果表明Akt/FOXO-3a/FBXO 信号通路对BK-β1 亚基的泛素化修饰可能是糖尿病时BK-β1亚基表达下降的机制之一。进一步研究证实糖尿病时血管平滑肌细胞ROS代谢异常促进了AKT/FOXO-3a/FBXO 依赖性BK-β1亚基表达下调[18]。

Mu RF1是在肌组织中特异表达的另一种泛素连接酶,在糖尿病小鼠血管平滑肌中表达上调,参与BK-β1亚基的泛素标记与降解过程。Yi等[19]研究表明,糖尿病时NF-κB(NF-κB)与IκB 解 离 增 加,NF-κB 入 核 增 加,进 而 上 调MuRF1表达,使BK-β1亚基泛素化降解增加。糖尿病可以通过不同途径激活NF-κB/MuRF1信号通路,使BK-β1亚基降解。目前认为,其可能的上游调节途径包括:①异常生成的ROS通过不同途径调节NF-κB 的表达。ROS可以通过激活或抑制NF-κB上游通路、调节IκB降解和直接修饰NFκB异二聚体以调整其转录活性,从而调节Nf-κB 相关信号通路[20],例如,NADPH 氧化酶相关的ROS通过JNK/NFκB通路导致高血糖相关的心血管系统损伤[21]。ROS激活NF-κB还可诱导转化生长因子β1(TGF-β1)基因的表达,而TGF-β1可促进NOX4的表达,从而增加ROS的活性[22],由此形成ROS 与NF-κB 相互促进的恶性循环。②Nrf2 对NF-κB/MuRF1信号通路抑制作用受损可能会促进糖尿病时BK-β1的降解。Nrf2是一类与细胞氧化还原状态调节及解毒反应密切相关的核因子,氧化应激可激活Nrf2入核活性,从而诱导抗氧化酶的表达,在糖尿病及其并发症中发挥保护作用。有研究表明,糖尿病时Nrf2 表达下调,对NFκB/Mu RF1信号通路的抑制性下降,从而增加BK-β1 泛素化降解[23]。

2.4 ET-1和AngⅡ对BK 通道的调控 近年有研究表明,血管平滑肌细胞BK-β1亚基除受泛素化调控外,还与其在细胞膜及细胞质中的再分布与转运相关,ET-1在此过程中发挥重要作用。ET-1在糖尿病及心肌缺血时表达较高,从而可能参与疾病的发生与发展[24]。Zhai等[25]研究表明,ET-1可以通过PKC 途径磷酸化细胞内膜转运体Rab11A,使Rab11A 活性降低,BK-β1亚基从胞质向胞膜表面的转运减少,BK-β1亚基细胞膜表达降低,进而调控BK 通道功能以及血管平滑肌舒缩功能。该研究是在脑动脉中进行的,在其他动脉中是否存在有类似或相同作用目前仍不完全清楚,但作为一种新的调控机制,BK-β1亚基膜转运在其他类型动脉中的调控作用和机制仍需进一步研究与探讨[26]。

糖尿病时AngⅡ显著升高,且可通过激活氧化应激等方式对血管功能造成损害。Lu等[27]认为,AngⅡ通过结合糖尿病大鼠冠状动脉血管平滑肌细胞膜上的血管紧张素1型受体(AT1R),形成AngⅡ/AT1R 复合体并转运至细胞膜上的小凹结构,即caveolae内。该过程需要caveolae结构上特异表达的蛋白caveolin-1(cav-1)协助完成。AT1R 是一种G蛋白耦联受体,可以激活Gαq 和Gβγ 亚单位。Gαq 激活PKC,继而PKC通过磷酸化NOXO1(又名p47phox)及Rac-1亚单位激活NAD(P)H 氧化酶(NOXs)。NOXs作为血管平滑肌上O2－的主要来源,可以通过ROS途径损伤BK 通道。Gβγ通过级联反应激活c-Src/c-Abl激酶,使cav-1酪氨酸14位点磷酸化,进而使AT1R 转运增加,形成了AT1R转运的自我循环与增强过程。进一步研究发现,cav-1、AT1R 与BK 通道也存在相互作用,使上述机制中BK 通道、AT1R、G 蛋白、NOXs及c-Src在caveolae中共定位,介导AngⅡ对BK 通道的调控[28－29]。因此,AngⅡ的升高与caveolae的表达增加共同促进了糖尿病状态下AngⅡ介导的BK 通道损伤。

2.5 长链n-3多不饱和脂肪酸对BK 通道的保护作用 长链n-3多不饱和脂肪酸主要包括二十二碳六烯酸(DHA)和二十碳五烯酸(EPA),具有改善心血管功能的作用。我们课题组的研究发现,DHA 与EPA 均可激活糖尿病大鼠冠状动脉BK 通道,进而改善冠状动脉舒缩功能[30－31]。进一步研究表明,长链n-3多不饱和脂肪酸激活BK 通道的机制复杂多样,低浓度DHA 可通过细胞色素P450环氧合酶代谢产物介导BK 通道的激活,高浓度DHA 可直接激活BK 通道。低浓度及高浓度DHA 均可通过PLC-IP3-Ca2＋信号途径提高胞浆钙离子浓度,进而激活BK 通道[32]。

2.6 SK 通道和IK 通道影响及其机制 BK 通道在血管内皮和平滑肌细胞中均有表达,但在血管平滑肌细胞中占主导地位,而SK 和IK 通道主要在血管内皮细胞中发挥作用。SK 和IK 是内皮源性超极化的重要启动因素,通过内皮细胞-平滑肌细胞间的相互作用,可调控内皮源性超极化因子以及一氧化氮介导的血管舒张。研究发现,链脲佐菌素诱导的糖尿病小鼠心房细胞SK2通道和SK3通道的蛋白表达水平分别下调85%和92%[33],在血管平滑肌细胞中也有类似发现[34],表明糖尿病时SK 通道发生损伤。对人冠状动脉微血管(直径80～150μm)研究发现,糖尿病时SK 通道和IK通道对激活剂的反应均显著降低,内皮细胞SK 通道和IK通道电流密度下降,但SK 通道和IK 通道蛋白表达及组织分布与非糖尿病组相比并无明显差异[35－36]。该研究结果说明,SK 通道和IK 通道活性降低及功能异常是导致糖尿病冠状动脉血管舒缩功能障碍的重要因素,糖尿病对SK 通道和IK 通道的影响可能主要通过翻译后修饰导致通道门控及转运特性的改变,而与SK 通道和IK 通道的蛋白表达调控无明显相关性。

SK 通道在糖尿病心血管病变中的研究主要集中在心房肌组织以及心律失常领域,认为糖尿病时氧化应激增加导致SK 通道表达与功能的异常改变[33]。近年来,糖尿病时SK通道变化对冠状动脉的影响在开始逐步研究中。Feng等[37]发现,与非糖尿病组相比,糖尿病组心脏停搏缺血再灌注后冠状动脉对二磷酸腺苷(ADP)的舒张反应明显降低,而使用SK 通道激活剂后ADP 舒张作用有所改善；且发现冠状动脉血管内皮细胞在缺血再灌注损伤后细胞膜表面SK通道表达也明显下降,但细胞质中SK 通道表达上升,因此提出在糖尿病心肌缺血再灌注损伤中,冠状动脉内皮细胞SK 通道内化/再分布可能是冠状动脉微血管舒张功能障碍的潜在机制。Xie等[38]研究发现糖尿病可使人冠状动脉内皮细胞代谢发生改变,代谢产物还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)升高,而NADH 过量表达则使内皮细胞SK 通道功能下降。这些研究表明,代谢信号的改变是导致糖尿病患者SK 通道及冠状动脉内皮功能下调的可能机制。

3 Kir通道的变化及调控机制

Kir通道在阻力血管中的表达较高,提示Kir通道在调节冠状动脉血流中可能发挥重要作用；然而,目前对Kir通道在糖尿病冠状动脉血液循环中作用研究相对较少。血管平滑肌细胞和内皮细胞主要表达Kir2.1 亚型。Troncoso等[39]研究发现,Kir通道有助于糖尿病肾传入小动脉的扩张,但主要与Kir1.1即Kir3.x相关,未研究Kir2.1的作用。Ren等[40]研究发现糖尿病时心血管组织中Kir通道亚型Kir2.1、Kir3.1、Kir6.1和Kir6.2的m RNA 表达无明显变化,因此,糖尿病对Kir通道的影响可能不是在基因表达水平,故糖尿病对冠状动脉Kir通道的作用及其机制仍需进一步研究。

4 KATP通道的变化及调控机制

已有研究表明KATP通道异常与糖尿病及心血管并发症发生密切相关。KATP通道主要在胰岛细胞中表达,通过调节胰岛素与胰高血糖素的分泌保持血糖的稳态,KATP通道调节功能失调可诱发糖尿病的发生发展,而糖尿病时KATP通道依赖性冠状动脉血管舒张功能受损,实验表明KATP通道Kir6.1亚基基因敲除后将加重这种损伤,甚至发生死亡[41]。糖尿病时KATP通道功能受损的发生机制不仅包括细胞代谢产物对通道蛋白的直接作用,而且包括异常蓄积的代谢产物对KATP基因表达的调控。

Yang等[42]研究发现,H2O2和其他类型的氧化剂均可通过S-谷胱甘肽化修饰抑制KATP通道的功能,而炎症氧化应激导致ROS过量产生认为是糖尿病的重要病理改变之一,因此,ROS通过S-谷胱甘肽化修饰对KATP通道功能产生强烈抑制作用可能是糖尿病时KATP损伤的重要机制[41]。硫化氢(H2S)是一种重要的内源性血管舒张中介物,可通过增强KATP通道的开放诱导血管舒张。糖尿病时血浆H2S水平以及H2S合成活性均降低,这可能是糖尿病时心血管舒缩功能障碍的另一重要机制[43]。

有研究发现,糖尿病时心肌细胞KATP通道Kir6.2/SUR2A 亚型的m RNA 与蛋白表达水平均下降,但可被氧自由基清除剂部分逆转[44]。与心肌细胞不同,冠状动脉血管平滑肌细胞主要表达Kir6.1/SUR2B 亚型。Li等[45]认为,持续性高血糖及乙二醛酶活性降低导致活性物质甲基乙二醛过量产生,进而增加miR-9a-3p的表达,而miR-9a-3p可下调SUR2B的m RNA,从而损害血管平滑肌细胞KATP通道的表达及功能。该研究结果表明,糖尿病代谢异常从基因表达水平损伤KATP通道的功能,持续性高血糖状态及其代谢异常、活性物质异常生成和解毒机制的损害均可能参与该过程。

5 结论

本文主要综述了糖尿病时冠状动脉四种主要钾离子通道的变化和机制,糖尿病时钾离子通道的变化是一个复杂的过程,涉及冠状动脉内皮细胞与平滑肌细胞钾离子通道间、不同类型钾离子通道间和各因素与通路间的协同作用和相互影响。尽管已有许多研究探讨了钾离子通道在糖尿病时变化、机制及对冠状动脉的影响,但仍需进一步研究。通过对糖尿病时冠状动脉钾离子通道的变化和机制的研究,可以深入了解糖尿病冠状动脉病变的发病机制,对寻找预防和与治疗糖尿病及并发症的新靶点具有重大的临床意义。