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医学生 细胞内钙离子释放通道IP3受体 文字表述 关键词 钙释放通道 信号转导 三磷酸肌醇 受体 第二信使 近年来细胞内游离钙在信号转导中的作用日益受到重视 细胞钙离子的平衡 不仅通过质膜上电 压和受体门控的通道入胞 还通过胞内钙释放通道介导的钙释放 形成了释放 摄取 结合的 完整过程 是影响或决定许多细胞反应的独立的第二信使 1 此外 细胞内游离钙还与胞浆和胞外 钙有着及为复杂的时空动力学关系和多样的作用方式 2 作为钙释放通道之一的三磷酸肌醇受体 i P 3 R 除了在兴奋收缩耦联中起关键作用外 还参与了神经释放与突触效能改善 细胞周期调控与细 胞间通讯 激素分泌 基因表达等活动 钙信号失常也会导致一系列病理过程 1 分子特征与表达 在克隆小鼠 i P 3 R c D N A 的过程中 人们已了解其大致结构 3 该受体有一个跨膜的信点靠近 c 末端 在胞浆部分有一长的氨基末端和短的 c 末端 比较小鼠 大鼠和人类的 i P 3 R 结构 i P 3 R 胞浆 部分大约有4 1 8 6 5 0 个 n 末端的氨基酸残基是高度保守的 该区域缺失任何一个片断都能取消 i P 3 结 合活性 提示该区域是 i P 3 结合的关键序列 克隆的 c D N A 所编码的蛋白实际上同时具备了 i P 3 结合 和钙通道特性 因此又可称之为 i P 3 门控的 c a 2 通道 i P 3 R 的主要序列与细胞质膜上的钙通道无同源性 但与心肌和骨骼肌肌浆网上的另一种胞内钙释 放通道 r y a n o d i n e 受体部分同源 i P 3 R 为同型四聚体 每个亚单位结合一个 i P 3 分子 大鼠 i P 3 R 结 构存在含有或缺失4 5 核苷序列的两种 c D N A 克隆 提示有不同的剪接方式 每个亚基有2 7 3 4 个或2 7 4 9 个氨基酸 分子量2 6 0 k D 4 受体结构含3 个 c A M P 依赖的蛋白激酶作用的序列 因含 i P 3 结合 配基 门控钙通道和数个调控部位 i P 3 R 是目前发现的最大受体之一 I P 3 R 在脑 p u r k i n j e 细胞 海马 脑干呈高表达 亦表达于动脉平滑肌 子宫 膀胱和卵细胞 i P 3 R 分布于粗面内质网和外层核膜 在无脊椎动物中 i P 3 R 分布很不同 主要集中于脑 感觉和肌 肉系统 还有报道 i P 3 R 存在于嗅觉神经元质膜 人 t 淋巴细胞 内皮 平滑肌和角膜细胞的质膜 上 5 在大鼠的肾脏 i P 3 R 的 型分布也不相同 型分布很广 几乎沿整个肾单位分布 而 型 局限于集合管 6 2 受体功能调控 在非洲蟾蜍属 x e n o p u s 母细胞核外膜上 用膜片钳技术研究了 i P 3 R 单通道的特性 发现离子通 透性呈现三种电导离状态 通道开放的可能性随时间而变 7 在脂质双层中研究了单通道水平 a T P 对 i P 3 R 的作用 8 在 i P 3 存在时 加入 a T P 可使 i P 3 R 开放频率增加4 8 倍 通道开放平均时间增 加2 5 倍 而电导不变 高浓度的 a T P 则通过竞争 i P 3 结合位点抑制 i P 3 R a T P 也增加主动脉微体 组分和重构膜中 i P 3 依赖的钙释放 蛋白激酶 p K A 可磷酸化 i P 3 R 9 磷酸化对配基结合无影响 但能阻止配基引起的钙通道开 放 钙离子可能通过与不同的钙结合蛋白相互作用而抑制 i P 3 与受体的结合 抗 i P 3 R C 末端的单克 隆抗体可以阻断 i P 3 R 的钙通道特性 对重组脂质体中免疫亲合纯化 i P 3 R 钙离子释放动力学研究表明 1 0 i P 3 R 介导的钙释放有正协 同性 h i l l 系数为1 8 0 1 钙离子释放的半数最大初速率出现在 i P 3 浓度为1 0 0 n M 时 而且一种类 型的 i P 3 R 就能产生顺序性钙释放 有快慢两种速率常数 提示 i P 3 R 有两种钙离子释放状态 肝素是 i P 3 R 的竞争性抑制剂 但同时也抑制 i P 3 产生 所以作为工具药价值受限 咖啡因可增 强 i P 3 介导的钙释放 乙醇是 i P 3 R 很强的抑制剂 最近发现 n O 可引发由胞内钙释放引起的容量性钙 内流 l 型钙通道阻断剂地尔硫不能阻断这一效应 1 1 g i 可直接调控 i P 3 R 介导的钙释放 1 2 3 受体异质性与亚型 i P 3 R 含有2 个不同的片断称为 s 和 s 前者由 i P 3 结合位点的4 5 个核苷酸组成 s 位于两 个磷酸化部位之间调控位点内 由1 2 0 个核苷酸组成 又进一步分成3 个亚剪接片数 a b 和 c 由此 构成了 s s b s b C s a B C 来源于不同基因的新型 i P 3 R 已有报道 故原先发现的 i P 3 R 称为脑型或 型受体 而新发现的 型 i P 3 R 在 i P 3 结合和跨膜区与 型同源性很高 对 i P 3 的亲合力也比 型高 最近报道了大鼠 i P 3 R 家族中的第 型 i P 3 R 3 的完整序列 1 3 一种组织可能含有来自不同基因或同一基因但剪接方 式不同的几种不同亚型受体 提示细胞内存在不同的钙信号传递途径 不同的 i P 3 R 转导途径具有不 同的调控机制 大鼠心肌细胞 i P 3 R 主要分布于心室肌细胞的闰盘处 相反 r y R 主要分布于整个心肌的横带中 恰好在三联体 带 的位置 在纵向肌浆网 结合肌浆网 纤维肌膜 线粒体及其囊泡中几乎未见 i P 3 结合 1 4 1 5 放射配基测定显示 i P 3 结合在富含闰盘的亚组份中 而 r y R 结合主要在连接区 s R 中最高 提示 i P 3 R 在 c a 2 通过闰盘及心肌细胞间的信号转递中起重要作用 尽管原位杂效显示心肌 细胞内 i P 3 R 的 m R N A 表达水平比 r y R 低约5 0 倍 最近克隆了编码健康人膀胱癌和白血病细胞系 h L 6 0 i P 3 R 1 的 c D N A 1 6 n o r t h e m b l o t t i n g 显示约1 0 K b 的 i P 3 1 m R N A 表达 预测的氨基酸顺序有2 6 9 5 个氨基酸 与小鼠 s S 剪接和 i P 3 P 有9 9 的同源性 人 i P 3 R 基因定位于人染色体3 号3 P 2 5 2 6 区 分子量低于小鼠的脑 i P 3 R 分子量 2 5 0 k D 而其理论计算的分子量应为3 0 7 k D 小鼠和大鼠 i P 3 R 1 与大鼠 i P 3 R 2 和 i P 3 3 分别有7 0 和6 2 的同源性 4 I P 3 R 病理生理意义 在缺血再灌注时 心肌收缩功能障碍与心肌 s R 摄取胞浆钙泵活性障碍 同时钙释放通道释放的 钙离子增加 1 7 与临床上心肌再灌注后心肌冬眠有关 在心室肌中绝大多数浦肯野氏细胞中表达的 i P 3 R 活性明显高于心房和心室肌细胞 心脏传导系统的原位杂交显示 i P 3 R 的 m R N A 表达水平增加 浦 肯野氏细胞中存在 i P 3 敏感的钙库和肌浆网 钙结合蛋白 1 肾上腺素能受体兴奋 内皮素 i P 3 敏 感的钙库释放引起 揭示了神经体液因素调制心肌变时性及心律失常发生中的可能分子机制 1 8 自 发性高血压大鼠肌浆网钙释放明显高于 w K Y 的肌浆网 在分离的肌浆网中也有类似现象 但在心肌肥 厚中的作用尚不清楚 1 9 心衰时 i P 3 R 在介导心肌细胞调凋亡的过程中起重要作用 2 0 在人心衰终末期时 i P 3 R 和 r y R 呈不同的改变 2 1 左心室 r y R m R N A 减少3 1 而 i P 3 R m R N A 却增加1 2 5 原位杂交显示 i P 3 R 的结合位 点较 r y R 相对增加4 0 r y R 的下调可能导致心肌收缩力受损 而 i P 3 R 上调可能是一种增加钙离子的 代偿反应 最终使心肌舒张功能受限 并参与心肌肥厚和重构 已发现 i P 3 R 在 t 细胞激活的信号转导过程中起关键作用 2 2 人血小板存在单一的 i P 3 R 免疫 印迹发现血小板含有2 6 0 k D 的多肽 与脑 i P 3 R 有交叉免疫反应 免疫荧光显示 i P 3 R 主要位于血小板 质膜外周 2 3 5 时空性的钙信号传递 由 i P 3 R 和 r y R 介导的时空性钙信号传递在很多方面都与质膜上的电兴奋很相似 胞浆钙变化类 似于膜除极 而胞内钙释放类似于动作电位 再生性的钙释放由 i P 3 诱导的局部钙释放所介导 其产 生取决于 c a 2 与 i P 3 引起的钙释放或 c a 2 和 i P 3 作用辅因子操纵 i P 3 R C a 2 通道激活或失活之间的 平衡 钙释放以再生的方式向周围扩散分布 并将信号传递至核内和线粒体 可能是一种频率编码而 非幅度调制的电兴奋信号 一旦钙信号传递到核 可通过激活和抑制各种转录因子来调控基因表达 2 4 2 5 现已发现三种 途径 1 致分裂原激活蛋白激酶 激活或转位胞浆激酶到核内 改变转录因子 d N A 结合及转录激 活的功能 2 通过信号传递和转录激活蛋白 直接磷酸化胞浆潜在的转录因子 3 通过核因子 n F b 将转录因子从胞浆或抑制蛋白中释放出来 转位到核内 结合至靶序列 激活基因表达 特异性的钙通道可激活各种不同的信号传递途径 调控转录复合体和基因表达 因此 不同钙通道 不同的信号传递途径可作用于基因表达 造成广泛的生理效应 参考文献 1 b e r r i d g e M J N a t u r e 1 9 9 3 3 6 1 3 1 5 3 2 5 2 m i y a z a k i S C u r r O p i n C e l l B i o l 1 9 9 5 7 1 9 0 1 9 6 3 m i k o s h i b a K T i e r a r z t l P r a x S u p p l 1 9 9 3 1 4 8 6 8 9 4 m i g n e r y G A e t a l J B i o l C h e m 1 9 9 0 2 6 5 2 1 1 2 6 7 9 1 2 6 8 5 5 b o u r g u i g n o n L Y e t a l J C e l l P h y s i o l 1 9 9 4 1 5 9 1 2 9 3 4 6 y a n g T e t a l A m J P h y s i o l 1 9 9 5 2 6 8 6 p t 2 F 1 0 4 6 F 1 0 5 2 7 m a k D O D e t a l J B i o l C h e m 1 9 9 4 2 6 9 4 7 2 9 3 7 5 2 9 3 7 8 8 b e z p r o z v a n n y I e t a l N e u r o n 1 9 9 3 1 0 6 1 1 7 5 1 1 8 4 9 k o m a l a v i l a s P e t a l J B i o l C h e m 1 9 9 4 2 6 9 1 2 8 7 0 1 8 7 0 7 1 0 h i r o t a J e t a l J B i o l C h e m 1 9 9 5 2 7 0 3 2 1 9 0 4 6 1 9 0 5 1 1 1 v o l k T e t a l J C e l l P h y s i o l 1 9 9 7 1 7 2 3 2 9 6 3 0 5 1 2 n e y l o n C B e t a l C e l l C a l c i u m 1 9 9 8 2 3 5 2 8 1 2 8 9 1 3 b l o n d e O e t a l J B i o l C h e m 1 9 9 3 2 6 8 1 5 1 1 3 5 6 1 1 3 6 3 1 4 k i j i m a Y e t a l J B i o l C h e m 1 9 9 3 2 6 8 5 3 4 9 9 3 5 0 6 1 5 m o s c h e l l a M C e t a l J C e l l B i o l 1 9 9 3 1 2 0 5 1 1 3 7 1 1 4 6 1 6 y a m a d a N e t a l B i o c h e m J 1 9 9 4 3 0 2 7 8 1 7 9 0 1 7 m e i s s n e r A e t a l A m J P h y s i o l 1 9 9 4 3 0 2 7 8 1 7 9 0 1 8 g o r z a L e t A L J C e l l B i o l 1 9 9 3 1 2 1 2 3 4 5 3 5 3 1 9 k a w a g u c h i H e t a l M o l C e l l B i o c h e m 1 9 9 3 1 1 9 5 1 5 7 2 0 g o L O e t a l J C l i n I n