氧自由基对离子通道的调节
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2005年10月12日
作者：陈建国
在缺血-再灌注所导致的心肌细胞损伤和心律失常发生机制中，氧自由基(ROS)是最受关注的因素之一，其攻击的主要靶点便是离子通道蛋白质，然而，由于有关其确切机制的基础研究相对滞后，使有关的新药研发和临床治疗遇到困难。近年来有关膜片钳结合氨基酸点突变技术的研究表明,通道中某些关键部位的氨基酸残基为维持通道电生理特性和生理功能所必须，如被其他氨基酸取代或其本身出现变构(如氧化-还原反应等)，将会使通道功能出现戏剧性的变化。其中蛋白质中半胱氨酸(Cys)和蛋氨酸(Met)最易受ROS攻击而氧化，且Met是唯一氧化后可被特异性蛋氨酸还原酶(MsrA)所还原的氨基酸。MsrA最近已被提纯和克隆,其控制氧化-还原反应可能参与了很多重要生理过程的反馈性调节。
钾通道在心肌细胞中广泛分布，为维持正常心脏电生理功能所必须。我们近年来的研究表明,A-型K+通道胞浆侧N-端的"失活球"结构域的第3位蛋氨酸氧化，可戏剧性地减慢N-型失活，但可被MsrA所逆转。此外,Shaker K+通道N-端被切除后可表现为P/C-型失活。我们在表达有通道的卵母细胞上发现：膜片撕裂(从细胞贴附式变为内面向外式)可使Shaker 通道P/C-型失活加快，氧自由基H2O2和高O2可以模拟这种失活加快现象, 如果将通道P-段的第440位上的蛋氨酸(M440)突变为亮氨酸，则上述失活加快现象消失。由此推断，M440是决定Shaker钾通道P/C-型失活的关键性氨基酸。
, 百拇医药
另一方面, 越来越多证据显示一氧化氮(NO)也是一种弱自由基，除了经典的通过激活cGMP途径而产生作用外，它还能直接通过氧化或提升氧化反应而改变细胞或通道功能。P/Q-型钙通道是钙通道家族中的新成员。我们结合膜片钳和腺病毒介导的NOS基因表达方法，在稳定表达有P/Q-型钙通道的BHK细胞上，测定和比较NO与H2O2、NO与NOS的激活对通道电流特性的影响的异同， 证明NO能通过直接氧化通道蛋白质中的半胱氨酸残基而增加钙电流，后者再激活NOS，产生更多的NO, NO进一步增加钙电流, 由此形成一个正反馈回路。NO可通过这种新机制改变P/Q-型钙通道的功能。
研究表明，离子通道的β-亚单位在离子通道动力学特性的调控中扮演了十分重要的角色。结合电生理技术和通道蛋白点突变技术，我们最近证明，β1亚单位的存在明显增强了氧化剂Ch-T对BK通道α亚单位介导的K+电流的调节，特别是β1亚单位上第177位蛋氨酸(M177)在这一增强效应中起到了关键性的作用。
因此，MsrA有望成为研发新型抗氧自由基损伤药物的新靶点，通过筛选能特异性地增强MsrA的药物，有望开发出新的、能有效防治缺血-再灌注性心肌损伤和心律失常的药物。
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* 受国家自然科学基金(项目编号：30270351)和教育部回国人员科研启动基金资助。
参考文献：
1. Chen J, Avdonin V, Ciorba MA, Heinemann SH and Hoshi T. 2000. Acceleration of P/C-type inactivation in voltage-gated K+ channels by methionine oxidation. Biophysical J, 78: 174-187.
2. Chen J, Daggett H, Heinemann SH and Hoshi T. 2002. Nitric oxide augments voltage-gated P/Q- type Ca2+ channels constituting a putative positive feedback loop. Fr Rad Biol & Med 32: 638-649.
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3. Ciorba MA, Heinemann SH, Weissbach H, Brot N, Hoshi T. 1997. Modulation of potassium channel function by methionine oxidation and reduction. Proc Natl Acad Sci U S A, 94(18): 9932-9937.
4. Hoshi T and Heinemann SH. 2001. Regulation of cell function by methionine oxidation and reduction. J Physiol, 531(1):1-11.
5. Santarelli LC, Chen J, Heinemann SH, Hoshi T. 2004. The beta1 subunit enhances oxidative regulation of large-conductance calcium-activated K+ channels. J Gen Physiol, 124(4): 357-70., 百拇医药
在缺血-再灌注所导致的心肌细胞损伤和心律失常发生机制中，氧自由基(ROS)是最受关注的因素之一，其攻击的主要靶点便是离子通道蛋白质，然而，由于有关其确切机制的基础研究相对滞后，使有关的新药研发和临床治疗遇到困难。近年来有关膜片钳结合氨基酸点突变技术的研究表明,通道中某些关键部位的氨基酸残基为维持通道电生理特性和生理功能所必须，如被其他氨基酸取代或其本身出现变构(如氧化-还原反应等)，将会使通道功能出现戏剧性的变化。其中蛋白质中半胱氨酸(Cys)和蛋氨酸(Met)最易受ROS攻击而氧化，且Met是唯一氧化后可被特异性蛋氨酸还原酶(MsrA)所还原的氨基酸。MsrA最近已被提纯和克隆,其控制氧化-还原反应可能参与了很多重要生理过程的反馈性调节。
钾通道在心肌细胞中广泛分布，为维持正常心脏电生理功能所必须。我们近年来的研究表明,A-型K+通道胞浆侧N-端的"失活球"结构域的第3位蛋氨酸氧化，可戏剧性地减慢N-型失活，但可被MsrA所逆转。此外,Shaker K+通道N-端被切除后可表现为P/C-型失活。我们在表达有通道的卵母细胞上发现：膜片撕裂(从细胞贴附式变为内面向外式)可使Shaker 通道P/C-型失活加快，氧自由基H2O2和高O2可以模拟这种失活加快现象, 如果将通道P-段的第440位上的蛋氨酸(M440)突变为亮氨酸，则上述失活加快现象消失。由此推断，M440是决定Shaker钾通道P/C-型失活的关键性氨基酸。
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另一方面, 越来越多证据显示一氧化氮(NO)也是一种弱自由基，除了经典的通过激活cGMP途径而产生作用外，它还能直接通过氧化或提升氧化反应而改变细胞或通道功能。P/Q-型钙通道是钙通道家族中的新成员。我们结合膜片钳和腺病毒介导的NOS基因表达方法，在稳定表达有P/Q-型钙通道的BHK细胞上，测定和比较NO与H2O2、NO与NOS的激活对通道电流特性的影响的异同， 证明NO能通过直接氧化通道蛋白质中的半胱氨酸残基而增加钙电流，后者再激活NOS，产生更多的NO, NO进一步增加钙电流, 由此形成一个正反馈回路。NO可通过这种新机制改变P/Q-型钙通道的功能。
研究表明，离子通道的β-亚单位在离子通道动力学特性的调控中扮演了十分重要的角色。结合电生理技术和通道蛋白点突变技术，我们最近证明，β1亚单位的存在明显增强了氧化剂Ch-T对BK通道α亚单位介导的K+电流的调节，特别是β1亚单位上第177位蛋氨酸(M177)在这一增强效应中起到了关键性的作用。
因此，MsrA有望成为研发新型抗氧自由基损伤药物的新靶点，通过筛选能特异性地增强MsrA的药物，有望开发出新的、能有效防治缺血-再灌注性心肌损伤和心律失常的药物。
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* 受国家自然科学基金(项目编号：30270351)和教育部回国人员科研启动基金资助。
参考文献：
1. Chen J, Avdonin V, Ciorba MA, Heinemann SH and Hoshi T. 2000. Acceleration of P/C-type inactivation in voltage-gated K+ channels by methionine oxidation. Biophysical J, 78: 174-187.
2. Chen J, Daggett H, Heinemann SH and Hoshi T. 2002. Nitric oxide augments voltage-gated P/Q- type Ca2+ channels constituting a putative positive feedback loop. Fr Rad Biol & Med 32: 638-649.
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3. Ciorba MA, Heinemann SH, Weissbach H, Brot N, Hoshi T. 1997. Modulation of potassium channel function by methionine oxidation and reduction. Proc Natl Acad Sci U S A, 94(18): 9932-9937.
4. Hoshi T and Heinemann SH. 2001. Regulation of cell function by methionine oxidation and reduction. J Physiol, 531(1):1-11.
5. Santarelli LC, Chen J, Heinemann SH, Hoshi T. 2004. The beta1 subunit enhances oxidative regulation of large-conductance calcium-activated K+ channels. J Gen Physiol, 124(4): 357-70., 百拇医药