ATP敏感性钾通道在帕金森病中的研究进展

唐蕴怡,陈志斌，赵振强，高仕君，王埮

(1.海南医学院，海口 571199； 2.海南医学院第一附属医院神经内科，海口 570102)

帕金森病(Parkinson′s disease，PD)是老年人中常见的一种神经退行性疾病，主要病理特征为中脑黑质多巴胺能神经元变性死亡，导致纹状体多巴胺含量减少及残存的神经元胞质内出现以α-突触核蛋白为主要结构的路易小体。PD发病可能与遗传、氧化应激、炎症反应、线粒体功能障碍及铁异常沉积等有关，但具体机制尚未完全明确[1-2]。ATP敏感性钾(ATP-sensitive potassium,KATP)通道是内向整流钾通道的主要成员，广泛分布于人体的多种组织。正常大脑黑质致密部的多巴胺能神经元具有高密度的 KATP通道，而有研究发现在PD模型中功能性KATP通道的存在会促进黑质多巴胺能神经元的变性死亡，腹侧被盖区的多巴胺能神经元则不受影响，提示KATP通道的选择性激活可能参与了PD的发病[3]。但也有研究发现，激活KATP通道抑制了黑质多巴胺能神经元的死亡[4]。现从KATP通道对黑质多巴胺能神经元的作用、对神经元电活动的调节、对铁代谢的影响、对α-突触核蛋白的调控以及与PD炎症之间的关系5个方面介绍KATP通道在PD发病中的作用，以为PD的靶向治疗提供理论依据。

1 KATP通道的结构及功能

1.1KATP通道的分子结构及分布 功能性KATP通道是由内向整流性的K+通道(inwardly rectifying K+channel，Kir)中的Kir6.x亚基和ATP结合盒蛋白超家族成员中的磺酰脲类受体(sulfonylurea receptor，SUR)亚基组成的复杂八聚体结构[5]。其中Kir6.x为成孔亚基，形成KATP通道的离子通道，包括Kir6.1和Kir6.2，其上有ATP结合位点；SUR是调节亚基，调节通道的功能及通道对代谢状态的敏感性，也是药物作用的主要位点，包括SUR1和SUR2(SUR2A和SUR2B)[6-7]。Kir6.x亚基或SUR亚基单独表达时KATP通道无活性，而当两个亚基共表达时KATP通道表现出活性[8]，并可组成不同类型的KATP通道[9]。

KATP通道在多种不同类型的细胞和组织中均具有活性[10]。其在神经系统广泛表达，包括皮质、海马、下丘脑和基底神经节等，不同类型的神经元[γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid，GABA)神经元、谷氨酸能神经元和多巴胺能神经元等]上也存在KATP通道[11]。此外，KATP通道也存在于细胞膜表面和线粒体内膜上，线粒体KATP通道的结构与细胞膜上类似，均由4个Kir6.x亚基和4个SUR亚基构成[12]。

1.2KATP通道的功能 KATP通道的活性不仅受细胞内ATP水平的调节，也受细胞信号分子如瘦素、胰岛素、生长素释放肽、长链脂肪酸、脂酰肌醇二磷酸、过氧化氢、一氧化氮等的调节[13]。作为神经元能量代谢与电活动之间的枢纽，神经元上的大部分KATP通道在生理状态下处于关闭状态。当电活动增强时，细胞内ATP大量消耗，ATP/ADP比值下降，细胞KATP通道被激活，从而引起细胞膜超极化，细胞兴奋性下降、ATP消耗减少、电活动降低。激活的KATP通道调节神经元电活动与能量代谢之间的平衡，保护细胞免受过度兴奋的影响[7,13]。而线粒体上的KATP通道则通过维持线粒体上的K+平衡调节线粒体基质容积变化，使其与细胞内能量代谢变化相适应[14]以及维持线粒体氧化呼吸链的功能，调节线粒体的氧化还原状态，从而减少氧化应激[15]。

2 KATP通道在PD发病中的作用机制

2.1KATP通道对黑质多巴胺能神经元的作用 在PD患者存活的黑质多巴胺能神经元上可检测到SUR1、SUR2和Kir6.2的表达，其中SUR1信使RNA水平上调，而SUR2和Kir6.2信使RNA水平无明显变化[16]。在黑质多巴胺能神经元退行性变的遗传小鼠模型中发现，出生14 d后小鼠黑质中存活的多巴胺能神经元仅表达SUR1/Kir6.2亚基，说明SUR1亚基能保护多巴胺能神经元免受损伤，而表达SUR2B亚基易损伤多巴胺能神经元；出生30 d后，表达SUR1/Kir6.2亚基的多巴胺能神经元也死亡[17]。在大鼠PD模型中敲除Kir6.2基因后发现，Kir6.2基因沉默可增加存活的黑质多巴胺能神经元数目[18]。但在Kir6.1亚基敲低的1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine，MPTP)诱导的PD小鼠模型中发现，黑质多巴胺能神经元死亡显著增加[19]。以上研究表明，在黑质多巴胺能神经元上表达的KATP通道的各种亚基具有不同的功能，其在PD中的具体作用有待进一步研究。

目前，关于KATP通道在PD中的作用有两种不同的观点。一种观点认为开放KATP通道能保护多巴胺能神经元。研究发现，KATP通道激活剂埃他卡林减少了鱼藤酮诱导的亚急性PD大鼠黑质多巴胺能神经元的变性死亡，而选择性线粒体KATP通道阻滞剂5-羟基癸酸酯可逆转神经元变性死亡[4]；非选择性KATP通道激活剂吡那地尔以及对SUR1/Kir6.2 KATP通道敏感的二氮嗪通过抑制活性氧类过量产生，改善线粒体功能，保护经1-甲基-4-苯基吡啶离子处理后的小鼠中脑神经元，尤其是多巴胺能神经元免受损伤[20]；用KATP通道抑制剂格列本脲可逆转硫化氢对6-羟基多巴胺诱导的亚急性大鼠PD模型的神经保护作用，抑制黑质多巴胺能神经元的丢失[21]。另一种观点则认为，KATP通道的开放增加了1-甲基-4-苯基吡啶离子诱导的大鼠纹状体中羟自由基的产生；而格列本脲预处理可改善6-羟基多巴胺诱发的慢性PD大鼠运动症状的严重程度，且与维生素B合用更为有效；使用二氮嗪激活线粒体KATP通道可加重鱼藤酮诱导的PC12细胞模型和慢性大鼠模型中多巴胺神经元的变性程度；相反，5-羟基癸酸酯抑制了线粒体KATP通道，通过调节线粒体动力学变化改善鱼藤酮诱导的多巴胺神经退行性变[22-24]。可见，抑制KATP通道开放能改善多巴胺神经元变性。

KATP通道在PD病理机制中表现出两种不同的效应可能由于其在不同(急性/亚急性和慢性)的PD模型中发挥的作用不同。研究发现，在MPTP诱导的急性PD模型中，KATP通道缺陷(Kir6.2亚基敲除)小鼠的黑质多巴胺能神经元更易出现损伤变性[3]，而在MPTP诱导的慢性PD模型中，Kir6.2亚基的敲除减少了黑质多巴胺能神经元的选择性变性[18]。以上研究表明，急性损伤效应和慢性损伤效应之间的差异可能是KATP通道作用不同的原因之一。

2.2KATP通道对神经元电活动的调节 黑质多巴胺能神经元在生理情况下表现为整齐、不依赖突触活动的自发放电(低频)，在调节多巴胺能神经元轴突支配区域(如纹状体)局部多巴胺含量中发挥重要作用[25]。另一种比较少见的放电模式为高频、短周期的爆发性放电，可在短时间内释放大量的多巴胺。爆发性放电与PD的病理状态密切相关[16]，中脑黑质多巴胺能神经元对外界做出反应的方式是从低频放电转换为高频放电[26]。N-甲基-D-天门冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid，NMDA)受体是一种对Na+和Ca2+通透的阳离子通道蛋白，因可被细胞外Mg2+电压依赖性阻断以及被谷氨酸、甘氨酸等激活，故同时受膜电位和神经递质的调控[27]。NMDA受体由NR1亚基和多个NR2亚基共同组成，功能性的NMDA受体必须含有NR1亚基[28]。

特异性缺失NMDA受体主要亚基的多巴胺能神经元大大降低了体内爆发性放电活动，表明NMDA受体是多巴胺能神经元爆发性放电过程的重要组成部分[29]。但体外研究发现，仅NMDA受体激活并不足以将中脑多巴胺能神经元切换为爆发性放电模式，而施加超极化电流在NMDA受体诱导的体外爆发过程中是必要的条件[30]。一项研究发现，NMDA受体刺激可导致黑质多巴胺能神经元的强烈爆发性放电，但仅当与KATP通道共同激活时才发生[31]。表明NMDA受体和KATP通道的存在是多巴胺能神经元爆发性放电的前提。此外，PD患者存活的黑质多巴胺能神经元中KATP通道调节亚基SUR1信使RNA的水平约是健康人的2倍，NMDA受体NR1亚基信使 RNA的水平约是健康人的10倍，同时爆发性放电也增加[16]。以上研究说明，在PD患者中通过选择性上调KATP通道SUR1亚基的表达可促进黑质多巴胺能神经元的爆发性放电。

在能量代谢需求旺盛、神经元内ATP水平显著下降的情况下，KATP通道被激活，导致细胞膜电位超极化，从而改变神经元的放电模式并降低神经元的活性。短期内激活KATP通道对代谢有益，但长期激活黑质多巴胺能神经元上的KATP通道可能触发神经元变性[32]，进而影响PD发生。KATP通道持续激活使神经元爆发性放电持续增加，促进了兴奋性毒性的产生，同时KATP通道与NMDA受体和L型Ca2+通道协同增加钙负荷[33]，而PARK基因的缺陷与环境因素进一步降低了线粒体的钙缓冲能力，并增加了钙触发的活性氧类的产生[34]，线粒体产生的活性氧类激活KATP通道，并可能导致代谢级联放大、兴奋性毒性和钙超载的恶性循环。这种循环可能会使黑质多巴胺能神经元一直处于高代谢压力的爆发放电状态，并加速黑质多巴胺能神经元退行性改变的进程[16]。

2.3KATP通道对铁代谢的影响 铁沉积可能影响PD的发病。有研究发现，与正常对照者相比，PD患者黑质多巴胺能神经元铁水平升高，并选择性沉积于黑质致密部[2]。在6-羟基多巴胺和MPTP诱导的PD小鼠中均发现黑质中铁水平的升高和多巴胺能神经元的减少；在PD细胞模型中，铁摄入水平也显著增加[28]。PD患者大脑中铁的不平衡分布提示铁在多巴胺能神经元变性中起关键作用。

脑铁代谢涉及多种功能蛋白，如铁蛋白、二价金属转运蛋白1(divalent metal transporter 1，DMT1)、铁调节蛋白。DMT1的转运功能是质子耦合的，并取决于细胞膜电位。据报道，超极化电位可促进DMT1吸收铁[35]。研究发现，KATP通道激活通过使细胞膜超极化增强了SK-N-SH细胞中DMT1介导的铁摄取[36]。随后ATP消耗和活性氧类的产生在前馈循环中诱导了其他KATP通道的激活，这种循环导致细胞内铁水平和氧化应激增加，并最终导致细胞死亡；而抑制KATP通道显著减少了铁吸收，并抑制细胞损伤[36]。铁蛋白是主要的铁存储蛋白，由24个亚基组成，亚基包含铁蛋白重链和铁蛋白轻链两条多肽链。研究发现，在MPTP处理的慢性PD小鼠的黑质多巴胺能神经元中可观察到铁蛋白轻链积累和铁沉积，这些变化可能因Kir6.2基因的失活而有所逆转；构建Kir6.2亚基基因敲除的SH-SY5Y细胞，用1-甲基-4-苯基吡啶离子处理后发现，Kir6.2的缺失可通过减少铁蛋白轻链的产生和铁沉积减少PD模型中黑质多巴胺能神经元的变性死亡[18]。以上研究表明，黑质中选择性铁沉积可能与KATP通道活化有关，未来需要更多的研究揭示其潜在机制。

2.4KATP通道对α-突触核蛋白的调控 α-突触核蛋白是一种突触前神经元蛋白，参与构成路易小体，并与PD相关[37]。α-突触核蛋白主要定位于突触前区，可与细胞膜结合，同时也存在于神经元细胞核中[38]。研究表明，α-突触核蛋白可被邻近的神经元吸收，然后神经元释放错误折叠和聚集形式的α-突触核蛋白，这种以朊病毒样在细胞间传递的方式可能是脑内PD病变过程的扩散机制之一[39-40]。

在携带人突变型α-突触核蛋白的转基因PD小鼠的纹状体中发现，大部分α-突触核蛋白定位于皮质纹状体谷氨酸能神经末梢，而α-突触核蛋白的分泌通过激活存在于谷氨酸能神经末梢上的GABAB受体介导[41]。该研究发现，表达SUR1亚基的KATP通道激活后会引起细胞膜超极化，减少GABA释放，而局部降低的GABA水平则抑制邻近谷氨酸能神经末梢上GABAB受体的激活，使神经元内Ca2+水平升高，从而触发α-突触核蛋白的分泌；相反抑制KATP通道的激活可减少α-突触核蛋白分泌[41]。以上研究表明，体内α-突触核蛋白的分泌受到表达SUR1亚基的KATP通道的严格调控。而另一项研究发现，在α-突触核蛋白过表达的细胞中，SUR1信使RNA的水平被选择性上调，提示SUR1过表达可能与PD的进程有关[42]。可见，SUR1亚基可能通过调控α-突触核蛋白参与PD的进展，而KATP通道的其他亚基与α-突触核蛋白之间的联系还需要未来进一步的研究。

2.5KATP通道与PD炎症之间的关系 神经炎症反应是PD发病机制的重要组成部分，主要由活化的小胶质细胞和星形胶质细胞等神经胶质细胞介导，并伴有炎症因子的产生[43]。在PD患者和动物黑质变性的神经元附近均观察到大量激活的小胶质细胞[44]。以往研究表明，小胶质细胞上有KATP通道的分布，包括Kir6.1和Kir6.2、SUR1和SUR2四个亚基[45-46]。活化的小胶质细胞可分为具有促炎作用的M1型和抗炎作用的M2型[19]。在Kir6.1亚基敲低的MPTP诱导的PD小鼠中发现，黑质多巴胺能神经元死亡显著增加，并伴有小胶质细胞过度活化，小胶质细胞M1型/M2型比值增大，同时抑制Kir6.1也可促进脂多糖+γ干扰素处理后的小胶质细胞产生促炎因子(白细胞介素-1β、肿瘤坏死因子-α和白细胞介素-6)[19]。该研究表明，Kir6.1亚基对于M2型小胶质细胞的产生必不可少，敲低Kir6.1亚基可通过p38促分裂原活化的蛋白激酶-核因子κB信号通路将小胶质细胞从有益的M2型转换为有害的M1型，并最终加速多巴胺能神经元的死亡。在鱼藤酮诱导的 PD大鼠模型中发现，埃他卡林可减轻黑质多巴胺能神经元的变性，并抑制小胶质细胞的活化，下调肿瘤坏死因子-α和环加氧酶2等炎症介质信使RNA的水平[4]。在原代培养的小胶质细胞中，埃他卡林的预处理同样抑制了鱼藤酮诱导的活化，减少肿瘤坏死因子-α和前列腺素E2的产生，同时也减少了小胶质细胞中鱼藤酮诱导的线粒体膜电位损失[4]。以上研究表明，激活KATP通道可抑制小胶质细胞的活化和炎症因子的释放，而Kir6.1亚基在其中起重要作用。

在PD患者的黑质致密部中也存在反应性星形胶质细胞，激活的星形胶质细胞可释放炎症因子，导致多巴胺能神经元变性[47]。星形胶质细胞可以放大小胶质细胞产生的炎症反应，导致形成神经炎症的反馈回路[48]。星形胶质细胞上有KATP通道表达，以往研究表明，激活星形胶质细胞中的KATP通道可以缓解PD模型中的线粒体功能障碍[49]，抑制神经炎症[50]。但与未敲除星形胶质细胞Kir6.1的PD小鼠相比，在星形胶质细胞上条件性敲除Kir6.1亚基基因的PD小鼠黑质致密部处有过度活化的星形胶质细胞和更多的多巴胺能神经元丢失，纹状体中的多巴胺水平更低，且运动障碍更严重[51]。同时敲除该基因也抑制星形胶质细胞中线粒体自噬，导致受损线粒体积累、活性氧类产生增加和神经炎症加重；而恢复线粒体自噬功能可逆转Kir6.1敲除造成的线粒体功能障碍、炎症和多巴胺能神经元死亡[51]。这表明，星形胶质细胞中Kir6.1亚基缺乏会加速PD小鼠中多巴胺能神经元的变性，而Kir6.1亚基可通过促进线粒体自噬预防PD中多巴胺能神经元神经变性。可见，在PD模型中星形胶质细胞上的KATP通道可能具有相反的作用，未来需要更多的研究阐明。

3 结 语

正常生理条件下，KATP通道大部分处于关闭状态，其在PD患者的黑质中被选择性激活，激活的KATP通道可偶联细胞代谢与电活动，通过影响神经元的兴奋性和电活动、神经元内能量代谢、铁代谢、α-突触核蛋白分泌以及调节神经胶质细胞介导的炎症反应等机制，参与黑质多巴胺能神经元的退行性变进程。目前，有关KATP通道在PD发病机制中的作用尚未统一，其参与PD病理生理调节的作用也尚未清楚，未来需要进一步研究KATP通道在PD中的作用机制，以为研发治疗PD的药物提供更多的理论基础。