nav17在疼痛信号传导和调控中的功能

nav17在疼痛信号传导和调控中的功能

当身体感受到疼痛和刺激时，从外周初神经末梢源的损伤感受器中激活和协调合作，将各种损伤的机械和化学信号转化为相互连接的电脉冲，并通过将有害征象转移到脊柱背面神经节（drg）和行信号通道将疼痛信号传递给大脑中心。急性快痛作为机体适应性保护机制无需医疗介入。然而,由神经损伤引起的慢性痛如神经病理性痛(neuropathicpain)以及它本身所引起的相关神经精神症状严重危及人们的健康、生活和工作,是迫切需要解决的现代医学难题。最近,英国的Cox等在Nature上首次报道了编码电压门控NaV1.7通道的SCN9A基因突变导致遗传个体无痛症的出人意料研究结果。该遗传突变的个体先天失去痛觉,但机体的其它功能完全正常,提示NaV1.7通道可能会成为选择性治疗疼痛并无副作用的药物靶点。本文概述了电压门控NaV1.7通道参与疼痛的近期研究报道,并希望为进一步探索疼痛的分子机制和药物研发提供思路。最近韩济生院士综述了NaV1.7通道的研究进展,并指出作为新镇痛药的靶点,我们离最终消除疼痛的理想正越走越近。本文在此基础上作进一步的说明和补充。一、y的电压钳研究细胞膜离子通道是镶嵌在细胞脂质双分子层中的糖蛋白和充满水分子的孔道。通道开放时,能以超高的效率顺电化学梯度选择性地转运离子跨膜。“离子通道”这一概念起源于20世纪50年代初,英国科学家AlanHodgkin和AndrewHuxley利用电压钳(voltageclamp)技术研究枪乌贼神经元细胞膜电导和兴奋性时提出。他们发现去极化早期Na+内流和复极化时K+外流形成的动作电位传递神经电信号,并建立了Hodgkin-Huxley方程以阐明电压依赖性钠离子通道的三个关键特性,即电压依赖性激活、迅速失活和选择性离子传导。当膜去极化到达一定水平(阈值),钠通道在1ms内被迅速激活,形成内向钠电流,后经0.5至数百ms后达最大效应,通道逐渐失活,钠离子传导性迅速下降。在心脏、神经、和肌肉细胞,动作电位始于快钠通道的激活,内向钠电流形成了动作电位陡峭的上升支,引发了后续K+、Ca2+离子流的正常活动。短时间内钠的大量流入,引起肌肉收缩和神经冲动传导等一连串电活动。因此钠通道在维持细胞兴奋性和电传导中发挥了重要作用。(一)na+通道亚基在各种离子通道中,Na+通道(本文主要指电压门控型钠通道VGSC)最早被发现并研究,但其在进化上却是最晚,是由与其结构类似的含有四个同源结构域的钙通道进化而来。国际药理学家协会根据Na+通道α亚单位基因对其分类和命名。目前已确认,Na+通道α亚基至少有九种:NaV1.1～NaV1.9,第十种亚基NaX/NaG亦可能行使钠通道功能(图1)。命名规定:NaV分别表示通透离子的化学符号和主要生理调节因素——电压,其后的数字由小数点分开依次表示通道亚科和同型异构体。钠通道蛋白氨基酸序列同源性较高(均超过50%),所有钠通道(α亚基)结构相(二)跨膜螺旋s1s1细胞内存在的电压依赖性钠通道包含两种亚单位:α亚单位及β亚单位。目前已克隆了10种α亚单位和4种β亚单位。通道通常由一个α亚单位和1～2个β1或β2亚单位共同组成,尤其是哺乳动物脑神经细胞上的钠通道,需由一个α亚单位(260kD)与一个或更多β亚单位(33～36kD)构成。钠通道家族各α亚基虽然氨基酸序列不同,但空间核心结构基本相同。如图2所示,通道蛋白折叠成四组相似的同源结构域,每个结构域均为一条连续的多肽,并含有六个跨膜α螺旋(S1～S6)。S4跨膜段含有每隔三个氨基酸的带正电荷氨基酸残基,作为电压感受器感受膜电位的变化,并与通道电压依赖的激活门形成偶联。当膜去极化达阈值时,激活门打开,通道开放。通道失活机制则可被形象地称作具有“摆动盖机制”(hinged-lidmechanism)的动力学特征。在结构上,通道失活门主要由III功能区的S6和IV功能区的S1之间的细胞内环形成肽段组成,该肽段中包含高度保守的带正电的疏水氨基酸残基。通道失活时肽链旋转,其中某些关键的氨基酸位点能与通道内口作用并闭塞离子传导通路,例如位于该肽链环靠顶端的异亮氨酸、苯丙氨酸和蛋氨酸位点(Ile-Phe-Met,IFMmotif)能随着肽链移动并与通道内口结合,使该肽段像盖子一样封住通道内口并使之失活。另外,四个跨膜螺旋S5和S6间的肽链盘旋成凹环(reentrantloop)插入通道的跨膜区,形成近孔道外端的离子选择过滤器。孔道宽大的内端则由4个S6片段组成。因此α亚基本身即可实现钠通道的三个基本功能即电压依赖、离子选择和迅速激活开放和失活关闭的门控过程。但研究显示,在某些情况下β亚单位为维持通道功能所必须,当只有α亚单位时,电压依赖性向正电位偏移,使激活阈值增大,失活变慢。β亚单位具有稳定α亚单位,增加峰电流,加速激活与失活,改变失活的电压依赖性等生物物理和药理学特征。有趣的是,β1和β2亚单位均含有免疫球蛋白样构型,预示其可能与某些细胞外蛋白配体发生相互作用,与某些神经黏附功能有关。二、nav1。7，疼痛(一)慢性痛的临床表现根据国际疼痛学会定义,疼痛是一种“不愉快的主观感觉和情绪体验”疼痛发生时,机体可以像判断一般躯体感觉一样,觉察痛刺激的类型、部位和强度。疼痛亦是人类进化保留下来的一种机体对外环境的适应方式。当受到某些刺激时,急性痛作为一种警示保护机体,回避伤害。与急性痛不同,慢性痛伴随着强烈而不愉快的情绪反应,包括厌恶、焦虑、恐惧,以及迫切要求终止或除去致痛刺激的愿望。慢性痛如神经病理痛,由于其病因的多样性和发病的复杂性给临床治疗带来很大困难。因此,在分子和细胞水平研究疼痛发生的机制,寻找特异和更精确有效的治疗靶点,已成为近年来神经科学领域倍受关注的研究热点。(二)nav1.7在疼痛中的作用河豚毒素(TTX)敏感的NaV1.7选择性高表达于外周痛觉神经末梢和交感神经节。编码hNaV1.7的α亚基基因——SCN9A,位于2号染色体长臂。早期对炎症痛动物模型的观察发现,炎症痛大鼠DRG神经元中NaV1.7表达增加。条件敲除DRG神经元伤害性感受器上NaV1.7基因的大鼠,对炎症痛的反应大大降低。提示该通道可能在疼痛中发挥重要作用。NaV1.7分布于感觉冲动诱发周围区域,在DRG神经元电活动生成的早期,末梢兴奋(如斜坡电压刺激rampstimulus)可诱发膜电位微小去极化。由于NaV1.7具有缓慢关闭态失活和缓慢去失活的特点,使其在低幅阈下刺激时不太可能失活。因此NaV1.7能在约-65mV的低电压下产生对TTX敏感的持续内向电流,这种阈下钠电流能提高神经元对外来刺激的去极化水平,使冲动扩大继而激活伤害性感受器上的NaV1.8通道,NaV1.8所介导的内向电流占DRG神经元动作电位上升支幅度的80%～90%。可见NaV1.7可将最初的疼痛电信号扩大并促进神经持续兴奋,这种“放大器效应”是NaV1.7区别于其它钠通道的特殊功能。近年来研究发现,NaV1.7的突变与疼痛的遗传机制密切相关。已有多篇文献报道,该通道突变可导致一种罕见的常染色体显性遗传病——红斑性肢痛病。因此深入研究该通道功能对认清和诊治某些罕见的遗传性疼痛症起到积极作用,同时也有望开发治疗慢性痛和偶发性疼痛的靶点特异性药物。(三)突变基因的发现和分类原发性红斑性肢痛症(Primaryerythermalgia,PE)为常染色体显性遗传病。一般起病于青春期,多呈家族性遗传,其症状为肢端间歇性烧灼样疼痛、红肿和温度升高,通常由轻微热刺激或运动产热引起。某些镇痛药,如阿司匹林、非甾体类抗炎药、血管收缩药等治疗只能部分控制病情,一般抬高肢体或将患肢浸入冷水中可缓解症状,但后者易导致坏疽,严重者甚至被截肢,病情恶劣给患者身心带来极大伤害。红斑性肢痛症研究取得的突破性进展始于其遗传基因的定位。最初由美国的研究组对患病基因连锁分析显示,突变基因位于2号染色体(2q31～32)。在2004年,我国的杨勇等对两个患病的中国家系进行了研究,将易感位点缩小到5.98cM的区域,并首次报道了红斑性肢痛症病人在SCN9A高保守序列上的两个遗传错义突变位点(I848T、L858H)。随后Dib-hajj等还报道了NaV1.7保守序列上的另一个错义突变F1449V。将患病突变型NaV1.7转染HEK293细胞,研究发现突变的NaV1.7通道的激活向超极化左移,激活阈值降低,同时通道失活减慢。突变通道易激活、电流幅值增大、开放时间延长等特点导致神经元能感应微小刺激并持续兴奋。Gardiner等在对阵发性剧痛症(paroxysmalextremepaindisorder)研究中发现,病人的SCN9A基因发生了突变可以导致其它疼痛异常。阵发性剧痛症是一种罕见的常染色体显性遗传性疼痛症,症状为无征兆性突发性烧灼痛,疼痛部位一般位于直肠、眼睛和颚部。研究者对11例家族遗传性病例和2例散发病例进行了研究,发现8处位于SCN9A基因上的错义突变。体外对其中三种突变的电生理研究显示,突变集中在钠通道控制失活的区域,妨碍了电压门控性钠通道的快速失活,使开放时间延长。因此,由于在SCN9A上的突变位点不同,使这两种疼痛中钠通道功能改变各异,以致它们从患病机理到临床治疗都存在差异,类似情况在其它钠离子通道病中也有出现。(四)日性特征:12亚基+scn9a12a红斑性肢痛病是钠通道的“功能增强性”突变所致。对红斑性肢痛病机制的研究使人类开始从分子遗传学角度认识疼痛,并开始寻找与疼痛相关的基因突变。令人惊奇的是,最近英国的Cox等在Nature杂志上首次报道了由SCN9A突变引起的罕见的先天性无痛症。有趣的特点是,患者先天对疼痛感觉完全消失,但身体其它功能完全正常。研究报道的患病男孩来自巴基斯坦北部的库里什·伯达里部落,他从生下来就感觉不到任何疼痛。对自残行为如将刀子刺入自己的手臂,或者在灼热的煤炭上行走毫无疼痛感觉。Cox等还对其家系中来自三个家庭的六名无痛觉儿童(年龄为4至14岁)进行了全面研究,发现他们没有其它任何外周或中枢神经系统异常,智力和健康状况正常。基因分析显示,SCN9A基因在三个不同位点发生了无意义突变,分别为第15外显子W897X单碱基替换、第13外显子单碱基缺失导致移码突变,以及第10外显子S459X单碱基替换。这些突变使多肽链提前停止合成,蛋白失去功能。体外将突变的SCN9A与β1、β2亚基共表达在HEK294细胞,全细胞膜片钳结果显示,对比正常通道,突变体的电压门控内向钠电流峰值大大减少,电压依赖性激活与失活特性消失,其电生理特性几乎与只表达β1、β2亚基的细胞毫无区别(图3)。尽管先天性无痛症与NaV1.7通道“功能完全缺失”的结果可能是巧合,但根据NaV1.7在DRG神经元动作电位产生的重要作用而言,人们有理由推测,缺乏NaV1.7的伤害性感受神经元的动作电位的产生和发放均受到了影响。虽然NaV1.7在DRG的表达远远高于脑,但人们仍不能排除先天性无痛症是由于NaV1.7通道功能缺失介导的中枢神经系统功能异常的可能性。三、nav1.7阻断剂对慢性痛觉的保护作用电压门控钠通道的激活开放并通过协调