缓慢激活延迟整流钾通道（IKs）的研究进展

1、缓慢激活延迟整流钾通道（IKs）的研究进展 08-09-19 14:47:00 作者：柳静，于锋编辑：studa20心肌细胞动作电位是许多离子通道电流共同作用的结果，其中许多电压门控钾通道协同参与调节其复极过程, 并以延迟整流钾通道（delayed rectifier potassium cur- rent,IK）的作用最为重要。20 世纪60 年代末,Noble 和Tsien 首次在羊浦肯野纤维标本上使用电压钳技术对IK进行了初步分析, 他们推测IK可能含有两个成分, 分别称为IK1和IK21。1990 年Sanguinetti等观察了E24031对豚鼠单个心室肌细胞IK的影响, 结果证实I

2、K确由两个成分组成, 并根据它们对E24031 不同的敏感性分别命名为快速激活的延迟整流钾通道（rapidly activated delayed rectifier potassuim current, IKr）和缓慢激活的延迟整流钾通道（slowly activated delayed rectifier potassuim curr- ent, IKs）。目前，普遍认为IK包含3个成分，除了上述的两种通道以外，还包含超快激活的延迟整流钾电流（ultra rapidly activated delayed rectifier potassium current, IKur）。 1 IKs的

3、药理学特性 IKs主要在动作电位平台期的后期起作用。膜去极化时, IKs激活非常缓慢, 在-30mV左右IKs才被激活,激活的时程很慢，+20mV左右达到中值，要经数秒钟才能达到稳态。IKs在膜电位复极时，它的去激活也慢，在-80mV时需经数百毫秒才能恢复2，3。由于它的恢复慢，所以在心率快时，每次的去极化后都不能完全恢复，下次去极化时，IKs在上次的基础上又激活，而呈现累积，即外向电流加大，而使复极加快。这使得心肌细胞在快速驱动时，动作电位时程变短，在心电图上就表现为QT间期变短。 IKs在不同种属动物的心脏中的分布是不同的：在豚鼠心脏中，心房肌细胞中IKs的密度大于心室肌细胞，心外膜下层、

4、中层细胞（M细胞）大于心内膜下层；在兔的心脏中，心脏基底层密度大于心脏顶层；在犬的心脏中，心房肌细胞、心室肌细胞的IKs密度无明显区别4。实际上，动作电位复极化过程在不同深度的心室壁中也是不均一的，细胞较之内膜层心肌和外膜层心肌有更长的动作电位时（APD）。之所以会造成这种APD的不同，就是因为IKs在不同部位表达以及调控的不同。 2 分子基础 IKs通道分子是由4个KCNQ1成孔道基因（-亚单位）及2个附属的KCNE1基因（-亚单位）组成，KCNE1表达一个单独的N-末端在细胞内，C-末端在细胞外的跨膜区域。KCNQ1异源表达能产生快激活、慢失活的通道电流，但是KCNE1单独表达并不能形成具

5、有功能的通道。KCNQ1/KCNE1共同表达减缓通道激活及失活的动力学，使得通道要在更正的电位才能被激活，并且通道电流幅度增加，这与天然心肌中IKs的生物物理特性非常一致。此外，KCNE1还参与蛋白激酶C（PKC）对IKs的调控并改变KCNQ1的药理学特性3。KCNQ1和KCNE1 突变分别与型（LQT）和型（LQT）先天性QT间期延长综合征的Romano-Ward变异有关，儿童期伴有耳聋的Jervell LangeNielsen综合征也是由于从父母那里遗传了异常的KCNQ1及KCNE1等位基因而造成的。 KCNQ为典型的K离子通道亚单位（676个氨基酸长度），包含6个跨膜区域和1个成孔道区域

6、。KCNQ1在许多组织中都有表达，但主要在心脏、胰腺、肾脏和肠中表达5。KCNQ1基因产物对于内耳正常功能的维持非常重要，这一点在Jervell LangeNielsen综合征中KCNQ1基因上的退行性功能缺失突变会引起神经性耳聋并伴有严重的QT间期延长上得到了证实6，7。此外，有关KCNQ1基因敲除小鼠的研究表明，除了神经性耳聋，基因敲除小鼠还伴有原因未知的胃黏膜明显肿大10。 KCNE基因的产物就是KCNQ成孔道蛋白的亚单位。心肌中IKs需要KCNQ1和KCNE1共同表达。KCNE1是1个129个氨基酸的膜蛋白，含有1个跨膜区域，在心脏及肾脏中高度表达。至今，有3个KCNE家族成员（KCN

7、E2、KCNE3、KCNE4）已经被克隆出来，但它们各自在心脏以及其他器官中的生理学作用并未被完全揭示7，9，11。有研究提出，KCNE2（以前称为Mirp1）和KCNE3与KCNQ相互作用，能够显著影响KCNQ1相关的电流9。与心脏电生理学更为相关的是：KCNE2（心脏中表达的）与KCNQ1结合能将电压依赖性的KCNQ1通道转变为非电压依赖性的通道，原因可能是KCNE2与KCNQ1相互作用产生一个背景电流，这个电流通过控制膜静息电位从而间接调控动作电位不应期。从上面我们不难看出，与一系列不同的亚单位相互结合可以实现对KCNQ1的调控。 3 调控 胞外低浓度K离子、Ca离子能够增强IKs，环腺

8、苷酸（cAMP）诱导释放的蛋白激酶A（PKA），磷酸二酯酶抑制剂和-肾上腺素受体激动剂都能增加IKs的密度并且产生频率依赖性的APD缩短，在生理温度范围内，豚鼠心肌细胞中的IKs电流会随着温度的改变而显著改变。受体激动时,经偶联G2蛋白活化腺苷酸环化酶（AC）,使细胞内cAMP 合成增多,作为第二信使的cAMP 进一步激活cAMP 依赖的蛋白激酶（PKA）,后者直接调节IKs通道12，13。 KCNQ1/KCNE1通道是一个大分子的信号复合物，由靶蛋白yotiao结合到KCNQ1的C-末端亮氨酸拉链基序上来协调。Yotiao是一个骨架蛋白，它将PKA和蛋白质磷酸酶1（PP1）结合到通道微域上，

9、然后通过对N-末端上的一个残基（S27）的磷酸化来调控。破坏KCNQ1的亮氨酸拉链区域以及S27A突变都会阻断IKs的cAMP依赖性上调，然而，如果缺少yotiao，KCNQ1/KCNE1通道并不会因为细胞内cAMP而增加。由PKA钝化-奎尼丁和293B造成的KCNQ1亚单位磷酸化会导致通道阻断，这可能是因为药物进入阻断位点造成KCNQ1的构象发生了改变。另外，PKA依赖性的信号调控系统有一部分是通过A-激酶锚定蛋白（AKAPs）介导来发挥作用的。cAMP与PKA全酶四聚体结合后，PKA的催化（C-）亚单位被激活并从调节（R-）亚单位二聚体上释放，游离的催化亚单位在Mg2+和ATP参与下,使通

10、道蛋白磷酸化,改变蛋白质的构象和功能,最终控制通道的开关。虽然个体AKAPs之间序列相似性很小，但是每个AKAP都包含一个与R-亚单位二聚体结合的区域。此外，AKAPs 对于同样也由PKA调控的天然细胞中的L-型Ca通道调控功能的重现是必需的14。PKC对IKs电流的调控非常复杂，这种调控作用具有种属特异性且作用较PKA的调控作用弱至少两倍。有研究证明在KCNQ1/KCNE1通道上有两个功能各不相同的PKC作用位点，KCNE1上的磷酸化位点N102是PKC对IKs进行调控的作用位点13。除此之外，PKC预调控会阻碍PKA对IKs的调控，而且PKC对于已经因为PKA调控而增强的IKs电流不产生作

11、用，这说明PKA和PKC对IKs的调控是互相排斥的。 4 IKs阻断剂 IKs对甲磺酸盐类有抵抗作用，但可被色原烷醇类（293B、HMR-1556）,吲哚帕胺，硫喷妥钠，异丙酚和地西泮（L-768、673，L735、821或L-7）选择性阻断1517。此外，色原烷醇类对于开放通道的阻断作用具有对映选择性，（-）3R，4S-293B和（-）3R，4S-HMR1556为有效的IKs选择性阻断剂就是很好的例子18。 IKs一开始就是类抗心律失常药的非常有吸引力的作用靶点。这是因为IKs由于它的缓慢失活特性在高速驱动频率下会出现累积，于是IKs阻断剂有希望在高频率下更有效地延长APD。实际上，在人心室肌细胞中，293B延长APD和不应期且与频率无关，所以认为IKs阻断剂