Piezo1离子通道在心血管疾病中的作用

刘慧意 薛玉梅

机械转导将物理力转化为生化反应,是存在于所有生物体的重要信号传导机制[1]。自从1980年人们发现存在直接由机械力激活的离子通道,越来越多人对这些离子通道的蛋白质感兴趣。通过膜片钳电生理技术,人们在哺乳动物的多种类型细胞中观察到了机械敏感离子通道的活动,包括背根神经节感觉神经元、内耳毛细胞、结节神经节的主动脉压力感受器神经、肾小球系膜细胞、肺动脉平滑肌细胞和骨骼肌管[2]。细菌中机械敏感的离子通道的分子成分已经研究得很清楚,然而直到现在,高级物种中的机械激活通道的分子成分还不是很清楚。

近年来,科学家们通过siRNA筛选,在表达的机械激活电流的成神经细胞瘤细胞系中发现,Piezo蛋白是机械激活通道的基本组成部分。这种方法发现了存在于许多机械敏感组织中的两种蛋白质家族,即Piezo1和2。Piezo1和Piezo2是不同机械激活离子通道的必要组成部分[3]。人造液滴脂质双分子层实验表明,Piezo1的机械敏感性是固有的,不需要其他蛋白质或第二信使信号激活[4]。Piezo1广泛分布于血管内皮细胞中,因此它在心血管疾病发生发展中起了相当大的作用[5－8]。近年来,Piezo1及其相关分子作为治疗许多心血管疾病的新靶点而被广泛研究。

1 Piezo1蛋白的结构

Piezo1由Piezo1/FAM38A基因编码,位于16号染色体上。人Piezo1包含2 521个氨基酸,piezo1蛋白是具有24-40个跨膜结构域的大型整体膜蛋白,也是具有最多跨膜结构域的蛋白[3]。Piezo1具有离子导电孔,它具有许多内源性阳离子机械敏感离子通道共有的电生理特性,具有约0 m V的逆转电位,电压依赖性失活和肽Gs MTx4的抑制作用[9]。Piezo1蛋白的结构信息首次在小鼠中发现,该蛋白与人Piezo1高度同源。3个Piezo1组装在一起形成了功能体,每个Piezo1约为300 k Da,并且都是糖基化的[6,10]。Piezo1蛋白的结构是一种类似三叶螺旋桨的三聚体,包括一个中央孔结构域和三个外周扩展翼。其中央孔模块顶部上方的C末端胞外结构域形成了带有负电荷残基的“帽”结构,决定了Piezo1选择性通透阳离子Na＋、K＋、Ca2＋和Mg2＋,略微偏向Ca2＋[6]。三聚体的侧面朝上,可以将膜压向细胞质,这个特征对感测力至关重要。嵌入膜中的区域由3组38个α螺旋组成,并带有额外的细胞内α螺旋和约9 nm细胞内束。这些叶片包括通过非结构化区域与其相邻束连接的4个螺旋束。每个亚基的最后2个C端α螺旋(37和38)在结构中处于中心并形成离子孔区域,C末端细胞外结构域在顶部之间和上方。孔隙调节渗透。叶片呈弧形弯曲,其外部区域相对于孔隙区域的平面升高。产生了倒置的圆顶形或钟形凹痕,提示此处用于能量存储,该能量随膜片张力成比例地调节门控通道。机械计算表明,通道周边以外的膜环境变化会产生特殊的印迹,从而决定张力的敏感性[10－11]。Piezo1在皮肤、膀胱、肾脏、肺、内皮细胞、红细胞和牙周膜细胞中广泛表达。

2 Piezo蛋白的药理学

Yoda1能够激活Piezo1。在微摩尔范围内,Yoda1将Piezo1的压力效应曲线移向较低的压力值,并显著减缓了Piezo1的失活[6,12－15]。Yoda1应用于内皮细胞,可增加细胞内钙水平,影响蛋白激酶B(protein kinase B,AKT)和内皮型一氧化氮合酶(Endothelial nitric oxide synthase,eNOS)磷酸化以及ATP释放。重要的是,即使在没有机械刺激的情况下,添加Yoda1也会增加Piezo1的通道活性。Yoda1包含两个氯和一个硫醚基团,这都是打开Piezo1的关键条件[13]。动力学分析表明,Yoda1主要稳定Piezo1的打开状态[13]。值得注意的是,Yoda1还可以在重构人造双层膜打开Piezo1,即Yoda1不需要其他蛋白质,可以直接作用于Piezo1和(或)脂质双层。这些发现表明在没有任何机械刺激的情况下,存在可以打开Piezo1的天然激动剂。最近,人们合成了名为Dooku1的Yoda1类似物,并显示出它通过竞争特定的通道结合位点可逆地拮抗Yoda1诱导的Piezo1激活[12,15]。

辣椒碱在背根神经节神经元或异源表达系统中激活辣椒素受体离子通道1(transient receptor potential vanilloid1,TRPV1)通道,后者通过消耗磷脂酰肌醇4,5-二磷酸[PI(4,5)P2]及其前体磷脂酰肌醇4-磷酸[PI(4)P]抑制Piezo1通道(通过Ca2＋诱导的磷脂酶Cδ(PLCδ)激活从质膜中获取[PI(4)P][13,16]。此外,PI(4,5)P2和PI(4)P应用于膜贴片可防止Piezo1活性下降。膜磷酸肌醇上调Piezo1的作用还表明内源性脂质可能充当天然的Piezo开孔剂[13,16]。

在机械激活通道研究中还使用其他几种试剂和化合物,包括镧系元素Gd3＋和La3＋、氨基糖苷类抗生素(例如链霉素和庆大霉素)以及从蜘蛛小夜蛾的毒素中分离出的Gs MTx-4肽[17],Gs MTx4在低微摩尔浓度下对Piezo1有效,并且仅在从细胞外侧施用时才抑制通道[12]。Gs MTx4充当通道调节器,将激活的中点转移到更高的压力值。毒素通过插入脂质双分子层和修饰脂质通道界面起作用,因此可能影响许多离子通道[5]。这些抑制剂都不是Piezo1特有的,它们同时还是其他许多离子通道的抑制剂,如瞬时受体电位(transient receptor potential,TRP)通道[18]等。另一类化合物,例如两亲氯丙嗪,可以激活原核和真核机械激活通道[12]。除了这些“典型”的机械激活通道阻滞剂和激活剂外,还有更具体的化合物仅影响某种类型的机械激活通道。例如,钌红可阻断Piezo1[12]。钌红对Piezo1的抑制作用与电压有关,这是孔阻滞剂的共同特征,反映出它们对离子流方向性的依赖性[2]。

3 Piezo1通道与人类疾病

Piezo1突变与两种主要类型的疾病有关[5]。常染色体显性突变(M2225R和R2456H)导致Piezo1信号增强,与脱水遗传性造血细胞增多症有关。脱水遗传性造血细胞增多症的特征在于渗透性驱动的红细胞脱水,脱水的红细胞中总阳离子和钾含量降低,但Na＋和水却没有成比例的净增加,可导致溶血性贫血[11,19]。突变型Piezo1通道灭活速率比野生型慢,并且激活潜伏期延长,这表明突变可能增加阳离子渗透性,导致红细胞脱水,这也表明了该通道在红细胞体积稳态中的关键作用[9,20]。Piezo1隐性功能丧失突变导致先天性淋巴发育不良,导致淋巴液泄漏到四肢及胸腔中,产生胸腔积液等[21]。此外,成年淋巴瘤中条件性的Piezo1失活导致大量的淋巴瓣变性[21]。在培养的淋巴内皮细胞中,Piezo1敲除抑制了由剪切应力诱导的淋巴瓣特征基因的上调[21]。相反,在没有机械刺激的情况下,由Yoda1激活Piezo1可以加速动物的淋巴瓣形成,并且还触发了培养的淋巴内皮细胞中淋巴瓣基因的上调。同样,用Yoda1激活Piezo1会诱导培养的淋巴内皮中的放线菌素和细胞粘附表面的重塑[22]。简而言之,在内皮细胞中敲除Piezo1后,集体迁移,肌动蛋白聚合和细胞间连接重塑受损[22]。这些发现表明,Piezo1的剪切应力激活是淋巴瓣形态发生的关键机制[21－22]。小鼠遗传学研究已确定,转录因子、粘附蛋白和细胞间信号传导介质是淋巴管系统和瓣膜的发育和维持的重要组成部分。此外,机械力也参与淋巴管系统发育和维持。应当指出,Piezo1是一种广泛表达的离子通道,尚不清楚其调节发育和生理的完整程度[6]。

4 Piezo1在心血管疾病的作用

4.1 Piezo1在早期血管发生中的作用 Piezo1整体敲除导致胚胎死亡,表明该机械敏感离子通道是早期血管发育的关键内皮机械传感器[23－25]。在小鼠胚胎期E8.5之后心脏开始跳动并产生血流,产生剪切应力刺激内皮细胞。在E9和E10.5天之间,Piezo1在发育的心血管系统中表达,尤其是内皮和心内膜,因此E9是器官形成与成熟的关键时期[23－25]。Piezo1也存在于人脐静脉和胎儿胎盘内皮细胞中。成年小鼠中,Piezo1持续表达于内皮细胞和阻力动脉的平滑肌细胞中[25－27]。

Piezo1遗传基因缺失导致胚胎死亡[23－25]。Piezo1缺陷胚胎在妊娠中期死亡,在E9.5之前血管新生正常,这表明血管新生本身并没有受到损害,此过程与剪切应力无关。在Piezo1敲除小鼠中,卵黄囊以及胚胎血管组织通常无序且缺乏主要血管,表明Piezo1缺陷会影响内皮细胞随后重构及成熟为大血管[23－25]。缺乏Piezo1的胚胎表现出大量的心包积液,并在E14.5之前死亡,表明心脏循环功能缺陷[23－25]。内皮特异性缺失Piezo1的小鼠会导致相似的表型(如E9.5胚胎血管破坏,E10.5胚胎生长延迟,胚胎早期死亡)表明,血管结构的缺陷是由内皮细胞中Piezo1的缺失造成的。Piezo1是胚胎心脏开始跳动后产生血液灌注的内皮感受器,它促使血流进入新生内皮血管,刺激血管重构与成熟[1,13,19,28]。同时,Piezo1可介导流体剪切力引起的动脉扩张,以维持成年小鼠的基础血压[29]。

4.2 高血压时动脉平滑肌中的Piezo1导致动脉重构 Piezo1在阻力动脉(如脑动脉)平滑肌中大量表达,而在管状动脉(如主动脉和肾内动脉)中表达很少[30]。动脉平滑肌细胞中的Piezo1条件缺失完全抑制了阻力动脉肌细胞中的机械激活电流。在高血压情况下,Piezo1开放增强导致细胞内Ca2＋含量增加,刺激谷氨酰胺转移酶及交联酶,这两种酶都参与阻力动脉重构。阻力动脉重构使动脉壁增厚,管腔直径缩小[30]。虽然由肠系膜或大脑动脉的腔内压力升高引起的肌原性收缩与平滑肌细胞Piezo1无关,但该通道在慢性高血压期参与了阻力动脉的动脉重构[30]。因此,在高血压状态下,平滑肌细胞Piezo1的缺失降低了动脉直径和介质厚度,从而降低了阻力动脉的横截面积[30]。在体内,半胱氨酸对谷氨酰胺转移酶的抑制可以逆转Piezo1依赖的重构[30]。这些发现将血管平滑肌细胞的Piezo1开放和临床相关的动脉重构建立联系,现在认为动脉重塑是心血管高危患者的主要预后指标,因此Piezo1可能是治疗高血压疾病新的靶点[30]。

有研究发现Piezo1在心肌梗死心力衰竭大鼠心脏中表达增加,并可被血管紧张素受体阻滞剂-氯沙坦所抑制；体外予以血管紧张素Ⅱ(angiotensinⅡ,AngⅡ)刺激新生大鼠心室肌细胞可通过血管紧张素Ⅱ1型受体(angiotensinⅡtype 1 receptor,AT1)受体依赖性途径上调Piezo1[31]。此外,有研究发现拉伸可激活培养的人和小鼠心脏成纤维细胞的Piezo1表达,促进Ca2＋内流,激活下游的p38MAPK,促进白细胞介素6(Interleukin-6,IL-6)分泌,参与心脏重构[8]。然而,也有研究显示,拉伸人心肌细胞系AC16可下调Piezo1,降低Ca2＋的释放,激活Wnt相关的信号传导途径,参与调控心脏收缩[7]。有关Piezo1影响机械应力诱导的心脏重塑的研究十分有限,值得进一步研究。心房颤动(简称房颤)患者心肌细胞中钙调素(Calmodulin,Ca M)激活Src激酶,活化的Src激酶一方面使细胞核内的细胞L型钙通道(L-type calcium channel,LCC)和缝隙连接蛋白43(Connexin 43,Cx43)表达下降,另一方面使膜上的L型钙电流下降,Cx43分布侧边化,并促进Cx43在非闰盘区与LCC形成分子复合物,L型钙电流下降和Cx43分布侧边化导致心房肌细胞的电重塑和细胞间的传导障碍,促进房颤的发生和维持。

高血压患者所致的高静水压刺激离子通道Piezo 1开启,介导Ca2＋内流,细胞内钙增加,激活钙调素。由此可以猜想,Piezo1可能是高血压所致房颤的关键机械离子通道,Piezo1在房颤产生和维持中的作用值得进一步研究。

4.3 Piezo1在血管舒张中的作用 在正常和高血压情况下,动脉血压受到各种血管舒张因子的控制,这些因子是由于血液流动引起的流体剪切应力而从内皮中释放出来的。这些因素包括NO、内皮源性超极化因子和类前列腺素。NO在系统性血压调节中起着主要作用[29]。剪应力激活肠内皮细胞中Piezo1从而释放ATP,ATP通过Gq/G11偶联的P2Y2受体起作用,导致血小板内皮细胞黏附分子1(platelet endothelial cell adhesion molecule1,PECAM-1)/血管内皮钙黏素/血管内皮生长因子受体2(vascular endothelial growth factor receptor,VEGFR2)介导的AKT活化并随后通过eNOS形成NO[29]。同时,增加的血流量以一种尚未清楚的方式诱导肾上腺髓质素从内皮细胞中以Piezo1依赖的方式释放,引起蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)连接降钙素受体样受体(calcitonin receptor-like,CALCRL)/受体活性修饰蛋白2(Receptor activity-modifying protein 2,RAMP2)受体下游的e NOS 632位点磷酸化,从而进一步增强NO水平[29]。升高NO水平进而介导血管舒张。

成年期内皮细胞Piezo1失效(或条件敲除)导致体内eNOS磷酸化减弱,NO释放减少,可能与收缩压升高有关[29]。Yoda1治疗还可使小鼠肺内动脉以Piezo1和NO依赖的方式舒张[32]。内皮细胞Piezo1通过控制内皮细胞Ca2＋和NO的产生,从而促进肺内血管舒张,然而在慢性缺氧条件下,Piezo1的内皮细胞失效并不影响肺动脉高压的发展[32]。在大鼠中,Piezo1也证明可以介导妊娠期子宫动脉的血流依赖性血管舒张[27]。同时,miR-103a调节Piezo1表达,并随后影响内皮细胞的功能。高血压患者中miR-103表达的升高可能会导致内皮细胞中Piezo1的表达降低,并随后抑制内皮功能。这可能与急性心肌梗死的发作有关[33]。

4.4 Piezo1在肠系膜平滑肌中的血管收缩作用 内皮细胞分泌的NO、前列腺素、花生四烯酸代谢物、H2O2、CO2、H2S等使平滑肌细胞K＋通道开放。Ca2＋激活的K＋通道也会通过缝隙连接使电耦合致使平滑肌细胞超极化,由此产生的超极化处于静止状态,称为内皮依赖性超极化(endotheliumdependent hyperpolarization,EDH)[26,34]。致舒张EDH功能障碍涉及高血压在内的多种疾病状态,因此认为与EDH作用的许多分子是相关疾病治疗的靶点[34]。

Piezo1通道在质膜中打开时,引起细胞内Ca2＋升高和去极化。在可兴奋细胞中,通常会发生除极,触发动作电位,引起心肌细胞收缩等。但在非兴奋性细胞(如内皮细胞)中,细胞内升高的Ca2＋激活NO合酶,产生强大的血管扩张剂NO,引起血管舒张。去极化与内皮超极化相反,内皮超极化是一种公认的由Ca2＋激活的血管舒张剂机制[6]。在某些类型的血管(如肠系膜动脉)中,通过缝隙连接的有效电传输可产生内皮和血管平滑肌层的合胞体。在这种情况下,Piezo1通道对内皮的去极化作用可能会引起血管平滑肌细胞的去极化作用,当幅度足够大时,它将激活血管平滑肌细胞的电压门控Ca2＋通道并驱动血管收缩。因此,根据间隙连接传输的效率,Piezo1可以在不同的血管床中产生不同的反应。例如,在全身体育锻炼时,内脏血管收缩,而骨骼肌灌注保留[6]。当小鼠夜间在跑步轮上运动时,内皮细胞中Piezo1缺失显著降低了升高的血压。因此,内皮Piezo1在运动时有升高血压的作用,其通过高血流量激活,有抗EDH的作用[34]。

5 小结

自从发现Piezo1蛋白作为机械感觉转导分子,对它们的研究已经揭示了除机械转导之外的许多意外作用。揭开这些蛋白质在细胞,发育和分化阶段的特定作用和对生物的特定作用,将为相关疾病治疗带来极大突破。尽管过去30年来在这一领域取得了进展,但仍然存在许多悬而未决的问题。因此,我们期待未来的发展,这可能为治疗整个机械通道病开辟新的途径!