细胞_Ca2+_基本单位_通道

钙信号基本单位和特征的研究进展

http://www.100md.com 《生理科学进展》 2000年第2期

     作者：张睢扬郭先健

    单位：第三军医大学新桥医院全军呼吸研究所，重庆400037

    关键词：细胞；Ca²⁺；基本单位；通道；钙释放单位

    生理科学进展000204 摘要细胞内存在多种不同的Ca²⁺信号基本单位，这些Ca²⁺信号基本单位依赖于刺激浓度的等级体系组织。低水平的刺激激活单通道开放，产生Ca²⁺脉冲或Ca²⁺夸克；中等组织水平刺激则产生喷烟和火花，似乎与一小簇通道的激活有关；高浓度刺激时，Ca²⁺信号基本单位协同产生球形Ca²⁺波。这些Ca²⁺基本单位既体现了钙释放单位(Ca²⁺ release unit)的特征，又导致Ca²⁺信号传播在时空上的差异性，从而构成了钙释放的梯度特征和局部控制模式。
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    学科分类号 Q273

    Elementary Events and Characteristics of Calcium Signalling

    ZHANG Sui-Yang， GUO Xian-Jian

    (Institute of Respiratory of New Bridge Hospital,The Third Military Medical College, Chongqing 400037)

    Abstract There are many different elementary intracellur calcium signalling in the cell. These events appear to have a hierarchical organization depending on stimulus intensity.Low levels of stimulation activate individual channels such as the blips or quarks;The next level of organization is the puffs and sparks,which appear to be derived from small clusters of channels.At high stimulus intensities these elementary events are coordinated to give global events.These events not only present the character of Ca²⁺ release unit, also lead to different complex spatiotemporal organization of calcium signalling, emphasizing the hierachical organization and local control model of calcium signalling.
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    Key words Cell； Ca²⁺； Elementary event； Channel； Release unit

    Ca²⁺在多种形式的细胞活动中起重要作用，如肌肉收缩、神经递质释放、突触适应、细胞分化和死亡等。为了完成如此众多的控制功能，细胞出现了多种不同的Ca²⁺信号基本单位。一些以高度局限化短暂Ca²⁺爆发的形式出现，而另一些则为较长而持续的球型Ca²⁺升高。这些由单通道或成组Ca²⁺通道活化而引起的Ca²⁺释放，构成了Ca²⁺信号的基本单位^[1，2]。本文综述钙信号基本单位和特征的研究进展。

    一、钙信号的基本表现

    细胞从两条途径获得钙信号的来源：细胞外Ca²⁺和内质网(ER)/肌质网(SR)内储存的钙。
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    (一)质膜上的Ca²⁺通道根据调节机制，已定义了三个主要的Ca²⁺进入通道，即电压开启性通道(VOCs)、受体开启性通道(ROCs)和储存开启性通道(SOCs)。三个通道有非常不同的力学特征。VOCs和ROCs常产生短暂、高强度的Ca²⁺爆发；而SOCs则产生较小、持续的Ca²⁺灌注。对VOCs和ROCs开放机制已有较好的认识，但SOCs仍然有许多问题需解决^[3，4]。SOCs的开放由贮存Ca²⁺的充盈状态决定。当贮存钙排空时，质膜上的SOCs开放，Ca²⁺进入；反之则关闭^[4]。SOCs对Ca²⁺特别敏感，Ca²⁺对SOCs似乎有双相性影响,低水平时激活，高水平则抑制其活性。

    贮存排空到通道开放间的耦联机制仍是未解决的问题。一种观点是贮存排空时产生一种钙灌注因子(CIF)，CIF扩散到质膜打开SOCs；另外的耦联模式可能是通过IP₃R的大胞质头直接地传输信息^[4]。当贮存钙排空时，IP₃R发生构形变化,将信息传输到质膜中的SOCs，诱导外部钙的进入。已发现非洲蟾蜍卵母细胞中ER的一部分与质膜间仅存在10nm的间隙，容许IP₃Rs同SOCs相互作用。SOCs的功能十分重要，提供了补充内部贮存Ca²⁺所必需的持续Ca²⁺内流，维持了大量非兴奋细胞中出现Ca²⁺脉冲和Ca²⁺波。
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    (二)细胞内Ca²⁺通道细胞内有两个位于SR/ER的主要Ca²⁺释放通道:Ryanodine受体(RyRs)家族和IP₃R家族。已发现三个RyRs和四个IP₃Rs亚型。两个受体家族似乎由共同的祖先进化而来，在结构和功能上具有较多相似性。每个受体的C末端形成嵌入ER/SR中的跨膜区域，构成功能性Ca²⁺通道。

    非常大的N末端区域形成球状头，投射进胞质，同各种开启和关闭通道的信号结合。特别重要的是两个受体家族均显示了Ca²⁺敏感性的Ca²⁺诱导Ca²⁺释放(CICR)，产生各种基本的Ca²⁺脉冲和Ca²⁺波，构成了时空面貌不同的钙信号基本单位。钙敏感性使一个受体释放的Ca²⁺能兴奋相邻的受体，产生一个掠过胞浆的Ca²⁺波。胞质可以认为是一种“兴奋性介质”(excitable medium)，静息状态时，它不具兴奋性，在刺激状态下时，IP₃R和RyRs的钙敏感性开始升高，通过IP₃和cADPR等第二信使的作用，使胞质转变成兴奋性介质，具有产生重复钙波的能力。
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    IP₃是IP₃Rs的主要兴奋剂，作为第二信使可直接引起Ca²⁺释放，但这种反应可能仅在强烈刺激下引起大量IP₃的释放时发生。在正常生理状态下，IP₃增加不足以直接刺激释放Ca²⁺，但可以使IP₃Rs对Ca²⁺的敏感性增加，建立起自发性Ca²⁺振荡的阶梯。非常重要的是IP₃Rs具有双重兴奋剂控制,即激活依赖于IP₃和Ca²⁺的存在。双重兴奋概念似乎也适应于RyRs，cADPRs通过提高RyRs的Ca²⁺的敏感性而发挥作用。

    除了这些胞质释放调节剂外，ER/SR囊中Ca²⁺水平具有调节IP₃Rs和RyRs敏感性的能力^[5，6]。Ca²⁺过载的心肌细胞RyR₂的兴奋性显著增加^[7]。由于受体对着囊的那些片段没有明显的Ca²⁺连接区域，一种可能是囊Ca²⁺漏出，通过胞质连接位点起作用;另一种可能是Ca²⁺通过囊内缓冲剂，例如Calsequestrin和Calreticutin间接起作用。
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    二、量子性钙释放和梯级反应

    IP₃R和RyRs的大量释放例子发现，Ca²⁺释放呈量子性关系^[8]。在可渗透细胞可较好地观察到这种现象。随着IP₃的增加，贮存Ca²⁺似乎改变了敏感性，越来越多的贮存钙被激活。量子性Ca²⁺释放也在单个完整细胞中发现，细胞内Ca²⁺释放通道的量子化释放似乎与梯级化钙信号的产生有关，这种现象已在Hela细胞和心肌细胞中得以证实^[8]。可能的解释是钙信号系统由各自具有独立功能的基本单位构成,这些单位对刺激有不同的敏感性，随着刺激浓度的变化，产生不同量的反应^[1，2]。这些钙信号基本单位的性质和构成，怎样协同产生球形Ca²⁺信号反应是目前研究的重点。

    (一)Ca²⁺信号的基本单位大多数研究记录到的Ca²⁺信号基本单位代表了单通道的开放或关闭，也可能反应了局部的多组通道功能，后者在一个典型的Ca²⁺球形信号发展时期作为功能单位联系在一起。这些基本单位已在许多不同类型细胞中发现，其特征为快速升高的比率和较慢的恢复时期。这种力学同单通道快速开放和关闭特征相一致。当通道开放时，Ca²⁺的快速释放产生一个卷流(plume)，随着通道关闭，Ca²⁺通过弥散而缓慢消散。Ca²⁺释放通道的开放和关闭与参加数量的多少明显地受Ca²⁺的正和负反馈影响，限制了在每一个基本事件期间Ca²⁺释放的量，从而决定了球形Ca²⁺信号的波幅。这样的Ca²⁺信号基本单位有各种各样的名称，常常反映了它们的时空性质，例如：火花(sparks)、喷烟(puffs)、沸腾(bumps)、卷流和量子散发范围(quantum emissiondomains,QED)。短暂的Ca²⁺依赖性瞬时电流是这些Ca²⁺信号单位存在的基础。例如平滑肌中的自发瞬时外向电流(STOCs)或神经元中自发小型内向电流(SMOCs)。Ca²⁺信号基本单位至少有以下三个基本功能：
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    1.Ca²⁺信号基本单位对细胞内静息钙水平的影响：胞浆内静息Ca²⁺水平由Ca²⁺进入或排出胞浆间的基本比率决定。Ca²⁺信号基本单位以火花和沸腾等方式释放一小团Ca²⁺到胞浆，有助于维持静息或基础Ca²⁺水平。平滑肌的研究揭示以STOC为代表的基本单位对决定Ca²⁺静息水平时有显著性影响，用咖啡因或Ryanodine抑制STOC后，减少了钾电流的背景，并同Ca²⁺静息水平的减少相一致。研究已揭示Ca²⁺波动的细胞内水平显著性地依赖于STOC频率^[9]。在Hela 细胞株和非洲蟾蜍卵母细胞中，已获得Ca²⁺信号基本单位有助于保持细胞内静息Ca²⁺水平的证据^{[8，10，11]}。在静息细胞或接受低水平刺激的细胞中，Ca²⁺少量释放到胞质中能对钙的静息水平产生显著性影响。Ca²⁺水平的这种升高提高了细胞内受体的兴奋性，有助于球形Ca²⁺信号的开始。
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    2.Ca²⁺信号基本单位的局限化功能：Ca²⁺信号基本单位产生高浓度局限化的Ca²⁺爆发，执行非常特殊的信号功能。典型例子是通过VOCs进入的Ca²⁺一个短暂的Ca²⁺脉冲激发细胞排粒作用。QEDs定位在囊的附近，持续大约500μs，在此期间Ca²⁺浓度从100nmol/L上升到200μmol/L, 产生一个微小的延迟后激发排粒作用。因此VOCs同突轴蛋白的Syntaxin和25kD的突出小囊联系蛋白(SNAP25)相联系^[12]。对线粒体代谢调节是Ca²⁺信号基本单位局限化信号功能的另一个例证^[13]。线粒体对Ca²⁺摄取机制的亲合力太低，不能检测到Ca²⁺浓度的球形升高(常<1μmol/L)，但线粒体能对接近基本单位附近的较大Ca²⁺信号,特别是对Ca²⁺振荡起反应，引起呼吸代谢增加。一些细胞中，线粒体对通过质膜进入的Ca²⁺起反应;而在另一些细胞，则对内部Ca²⁺释放敏感。
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    3.Ca²⁺信号基本单位对离子通道的影响：Ca²⁺信号基本单位的另一个重要局部功能是激活离子通道。肌纤维膜下的Ca²⁺火花刺激局部的钾通道产生与Ca²⁺球形升高相分离的STOCs。动脉平滑肌中的STOC可能具有刺激钾灌注的特殊功能，使膜超极化导致平滑肌舒张，于是接近膜的小量Ca²⁺爆发导致舒张，而较大的扩散性球形Ca²⁺升高则刺激收缩。

    (二)球形Ca²⁺信号 Ca²⁺信号基本单位的主要作用是有助于球形Ca²⁺信号形成，实现对细胞功能的不同程度控制。球形反应依赖于足量Ca²⁺信号基本单位在时间上的协调，共同协同作用使胞质Ca²⁺水平升高。细胞能激发两种主要的协调机制：首先，各种肌肉细胞中RyRs的开放紧紧同质膜上的动作电位相耦联；第二，Ca²⁺作为耦联因子，通道之间相互“会话”使之达到同步化。这个过程在非兴奋细胞是非常缓慢的，因为同步化信号由Ca²⁺从一个通道扩布到下一个通道，Ca²⁺波常常需几秒钟才能横跨一个细胞。
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    三、骨骼肌RyRs Ca²⁺释放的激发

    骨骼肌Ca²⁺释放主要依赖于质膜中的二氢嘧啶受体(DHPR)^[14]。DHPR作为电压敏感器检测到去极化，以蛋白—蛋白的相互作用方式，将信息传递给RyRs。骨骼肌中DHPR同RyR₁直接耦联，Ca²⁺通道的大胞浆头通过变构耦联效应，在两个膜之间传输信号^[15],激发RyR₁释放Ca²⁺。通过这种紧密的耦联，动作电位能使所有的RyR₁几乎同时激活，产生爆发性Ca²⁺释放，引起肌肉收缩。DHPR不仅在去极化时激活RyR₁，而且在复极化时，有助于释放通道的关闭。缺乏RyR₁的dysgenedic小鼠肌管，DHPR功能丧失,注射RyR₁ cDNA使RyR₁表达后，恢复了DHPR功能，提示RyR₁可能逆向影响了DHPR的功能^[16]。由于RyR₁数量上多于DHPR,一部分RyR₁同DHPR直接耦联，另一部分RyR₁则可能以CICR的方式被激活。因此，耦联基本单位应由一个DHPR-RyR₁同一些邻近的RyR₁共同组成^[17]。
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    四、激发心肌RyR₂钙释放

    心肌中DHPR同RyR₂没有直接接触，利用Ca²⁺作为一种中介物而达到耦联。动作电位打开DHPR，引起小量Ca²⁺脉冲，以CICR方式引起一小组RyR₂释放球形Ca²⁺波。局部Ca²⁺释放机理揭示RyR₂划分为独立的功能单位，一个DHPR同一小组RyR₂产生耦联。Stern介绍了Ca²⁺突触(calcium synapse)的概念，认为Ca²⁺作为信使耦联DHPR和RyR₂。这些独立单位信号在时间和空间上总合产生球形Ca²⁺波。独立Ca²⁺释放单位或Ca²⁺基本成分的可能存在是因为RyR₂的低Ca²⁺敏感性，即邻近单位或突触间没有功能性的耦联。这种局部控制概念能解释Ca²⁺信号释放的梯级特征，即Ca²⁺信号的梯级放大，取决于每一次膜电位兴奋的DHPR依赖性Ca²⁺释放单位的激活；同时与DHPR能迅速关闭通过胞膜去极化Ca²⁺释放引起的Ca²⁺电流有关。因为DHPR的随机性，即短暂的开放时间(0.2ms)和较低的开放率(0.04)，以致于不是所有钙释放单位在给定的时间内均被激活，解释了激活过程很快被终止的原因。
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    尽管一个DHPR与邻近四个RyR₂构成的耦联单位代表了心肌Ca²⁺信号的自发性基本单位，Lipy等建议将一个DHPR同紧紧耦联的RyR₂进一步划分为Ca²⁺夸克(calcium quarks)。Ca²⁺夸克可以看作是来自单通道开放的Ca²⁺信号基本事件。夸克概念强调Ca²⁺信号的多级体系组织。夸克被激活时发出Ca²⁺火花；反过来，众多的夸克产生细胞内Ca²⁺瞬时。

    心脏中，基本Ca²⁺单位是Ca²⁺火花，分析这样的Ca²⁺火花能帮助解释不同的E-C耦联状态。例如：通过DHPR进入的Ca²⁺，激发RyR₂的Ca²⁺释放，构成了传输机理的放大或增益。Cannell等认为这种增益有数字化和类似的两个成分。类似的增益来自RyR₂比DHPR有较大的通透性，而数字的增益依赖于RyR₂较长开放的时间。这两个成分的联合意味着通过DHPR的小量Ca²⁺内流被RyR₂的大量Ca²⁺释放放大。如此高增益的总和，全或无的Ca²⁺基本释放单位产生了在每一心搏期间心肌细胞收缩所必需的球形Ca²⁺波。
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    五、平滑肌中激发和自发的Ca²⁺释放

    Ca²⁺信号机制在不同的平滑肌之间存在着很大的差异。动静脉平滑肌通过VOCs进入的Ca²⁺被来自内部贮存Ca²⁺的CICR方式放大。相似于心肌细胞，细胞外进入的Ca²⁺构成了平滑肌细胞中球形Ca²⁺信号的大部分成分。许多平滑肌也存在着兴奋剂依赖性过程，即利用IP₃或cADPR从内贮存中释放Ca²⁺。Ca²⁺信号由IP₃R和RyRs产生，提示两个Ca²⁺释放通道可能在一些平滑肌细胞中相互协作。

    最初一些Ca²⁺信号基本单位是在内脏和血管平滑肌中记录到的STOCs，这些STOCs有典型Ca²⁺信号基本单位的特征。来自内部贮存的局部化的Ca²⁺释放打开质膜中75～100个Ca²⁺敏感性钾通道产生STOC。聚焦显微镜发现调节这些STOCs的Ca²⁺信号，以局限Ca²⁺火花的形式发生在脑动脉和门静脉平滑肌细胞膜下^[18]。这些STOCs既介导了一些平滑肌细胞的松驰，又有助于诱导收缩的球形Ca²⁺波反复产生。平滑肌细胞也利用大的去极化诱导增加STOC频率。膜去极化提高STOC频率的能力似乎同Ca²⁺贮存负载相联系。用咖啡因耗竭Ca²⁺贮存后，去极化仅引起非常小的STOC。紧接着咖啡因反应，自发性STOCs立即完全停止。然而，一分钟后STOCs和一个球形Ca²⁺信号开始再现，这些平滑肌细胞中Ca²⁺的球形升高似乎同STOC频率的增高相联系。在一些维持去极化引起Ca²⁺振震的例子中，每一个Ca²⁺升高的时相里，STOC频率均有大的增加。Ca²⁺信号球形反应的放大似乎按照STOC频率呈梯级特征，提示兴奋性Ca²⁺信号是Ca²⁺信号基本单位累积的结果。
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    除膜去极化外，许多因子能影响STOC频率，这些因子大部分与改变细胞内受体敏感性相联系。例如，咖啡因、乙酰胆碱、组织胺或反复注射IP₃等，均在新生的球形Ca²⁺波反应开始之前，常常显著地使STOC频率加速^[18]。

    六、非肌肉细胞中自发性钙释放

    Ca²⁺信号在许多细胞中的特征是它的复杂的时空组成。在低于生理剂量的兴奋剂刺激时，Ca²⁺信号恒定地以重复Ca²⁺尖锋信号出现，提示来自较低的静息Ca²⁺水平。细胞内似乎有一个前决定区域作为Ca²⁺信号的起始位点，Ca²⁺信号在那里产生，然后以波的方式扩布整个细胞。已观察到非洲蟾蜍卵母细胞中，对增加的IP₃作出反应时的这种特征^[11]。非常低的IP₃时，静息状态的Ca²⁺水平出现梯级性增加，这种增加似乎来自单个IP₃R的随机开放，产生叫做光点的短暂Ca²⁺脉冲^[11]。这些Ca²⁺信号基本单位的出现代表了兴奋性增加的最初现象，同静息状态Ca²⁺水平的增加相联系^[11，19]。随着刺激的进一步增加，非洲蟾蜍卵母细胞中的光点生成较大的喷烟状，成为Ca²⁺波开始的最初位点。这样的Ca²⁺波代表了所有IP₃Rs协同的Ca²⁺释放机制。如果细胞已具备充分敏感性，IP₃R将对从喷烟点扩布来的钙波起反应，通过CICR过程扩布该Ca²⁺信号。
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    国家自然科学基金资助课题(39470325)

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