离子通道病研究生

,神经系统离子通道病,History,1890 Wilhelm Ostwald proposed the idea that electric signals were produced by ions moving in and out of the cell. He was awarded the Nobel Prize in 1909 for the discovery.,John Eccles, Alan Hodgkin and Andrew Huxley were able to show how potassium and sodium ions were involved in chemical cascades. They were awarded Nobel Prize in the 1963.,A better understanding of cell membrane structures and channel functions has been achieved by 3 scientific advances:cloning and sequencing of genes (site-directed mutagenesis)patch-clamp technique (Neher and Sakmann-Nobel Prize)use of selective neurotoxins (TTX),Patch Clamp Recording Technique,1、离子通道2、神经系统离子通道病3、钾离子通道及癫痫,1、离子通道,转运机制 离子载体或交换体 Carrier离子泵 Ion pump离子通道 Channel,Membrane Transport Proteins,1、离子载体或交换体,2、离子泵（Ion pump） 通过消耗能量的方式进行逆电化学浓度差的离子转运，例如：钠钾泵、钙泵等，本质是ATP酶，为主动转运。,（1）钠钾泵,构成：由个大亚基、个小亚基组成的4聚体，也称Na+-K+ATP酶。工作原理：对离子的转运循环依赖自磷酸化过程，所以叫做P-type离子泵。每个周期转出个钠离子，转入个钾离子。,Na+-K+ATP PUMP,钠钾泵的作用维持低Na+高K+的细胞内环境维持细胞的渗透性，保持细胞体积维持细胞的静息电位,（2）钙离子泵,作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（胞内钙浓度10-7M，胞外10-3M）。每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。位置：质膜、内质网膜。,Ca+ ATPase,Maintains low cytosolic Ca+Present In Plasma and ER membranes,Model for mode of action for Ca+ ATPase Conformation change,3、离子通道（Channel）,离子通道,离子通道在膜上形成特殊的亲水性孔道，当感受到一定的刺激时，孔道开放可有选择性地让某种离子通过膜而顺其电化学梯度进行被动转运，并产生膜电流。离子通道大量分布于神经系统，离子通道的数量及类型根据细胞类型及定位的不同而有所不同。,Channel open and close,离子通道性能,特殊电、机械或化学信号作用下开放或关闭识别和选择特殊离子传导离子,离子通道,离子通道的开放与关闭包含通道的空间构象变化，1998年美国科学家MacKinnon首次测定出钾通道的空间结构，从而荣获2003年度诺贝尔奖化学奖。,Roderick MacKinnon开创了离子通道研究的新纪元！,3D Structure of Potassium channel,Science, 1998,280: 69,离子通道,离子通道由不同的亚基组成，不同亚基具有不同的功能，并被不同的基因所编码。多数离子通道包含1个主要亚基和3-4个辅助亚基主要亚基具有独立执行通道功能的能力，而辅助亚基则具有提高表达、调节通道生理特性的功能。,Each alpha1subunit has 4 homologous repeat domains, each comprised of 6 transmembrane segmentsalpha1 modulated by other subunits,离子通道,3种状态：静息关闭、开放、失活关闭。3种过程：激活、失活、复活。,通道分类：,门控通道：需要一把钥匙来开启通道的门,根据不同的激活机制分为电压、质子、配体、机械、第二信使门控通道等等。非门控通道：开放和关闭与膜内、外离子浓度梯度有关。,一、电压门控通道,电压门控通道：离子传导性受膜电位变化影响的一类通道，通道上存在对膜电场敏感的电压传感器，触发通道发生空间构象变化，影响通道的开放和关闭。电压门控通道家族包括：钾、钠、钙、氯离子通道。,Voltage gated K+ channel,K+通道由四个亚基组成，每个亚基有6个跨膜螺旋(S1-S6) 。连接S5-S6段的发夹样折叠 ，构成通道内衬，允许K+通过，S4段为电压感受器。,K+ channel,4th subunit not shown,二、酸敏感性通道,酸敏感性通道：对pH值变化敏感的一类离子通道，通道被酸所激活，导致通道开放。广泛存在于神经组织，尤其在感觉传导中起作用。 包括：背根酸敏感通道DRASIC、酸敏感离子通道ASIC等。,三、配体（受体）门控通道,配体门控通道：离子传导性变化受配体与通道受体结合的影响。配体包括： Ach、谷氨酸、 GABA、甘氨酸及环核苷酸等等。,1、ACh受体通道,烟碱型ACh受体通道：5个亚基，每个亚基含4个螺旋区域M1-M4。M2区域形成离子通道的中央孔道，组成该孔道的氨基酸带较多的负电荷，阳离子选择性易于通透。毒蕈碱ACh受体通道：第二信使门控通道，通过G蛋白受体的激活来启动。,Nicotinic acetylcholine receptor,Three conformation of the acetylcholine receptor,2、谷氨酸受体通道,离子型谷氨酸受体通道：分为NMDA、AMPA/KA和KA受体通道，当神经递质与受体结合，通道开放，钠、钾及钙离子进入细胞，产生兴奋效应。代谢型谷氨酸受体通道：属G蛋白偶联受体家族（第二信使门控通道）,3、GABA受体通道,GABA-A受体通道：5个亚基组成，当神经递质与受体结合，通道开放，氯离子进入细胞，产生抑制效应。甘氨酸门控通道通道：类似GABA受体通道，均为抑制性离子通道。,GABA作用示意图,GABA与受体结合引起突触后膜Cl通道开放，导致细胞静息电位超极化，产生突触后抑制,4、环核苷酸门控通道,环核苷酸通道：非选择性的阳离子通道，由2个或3个不同的亚基组成的异四聚体复合物，是Ca2+进入细胞内的主要通道之一，环核苷酸直接与通道相结合并激活通道。cGMP和cAMP通道分别在视网膜和嗅球被确定,四、机械门控通道,机械门控通道：由压力、牵张所激活的一类通道，存在于感觉和运动神经元上。最近在果蝇刚毛感觉神经元克隆离子通道，并揭示刚毛的运动可转化为电信号，同时显示通道的变异可减弱机械诱发的感觉信号。,五、第二信使门控通道,由第二信使细胞内作用导致通道开放或关闭的一类离子通道(包括：毒蕈碱ACh受体、5-羟色胺和肾上腺素受体通道）,Ion Channels,-or-,2.离子通道病,概念： 编码离子通道亚单位的基因发生突变表达异常或体内出现针对通道的病理性内源性物质时，使通道的功能削弱或增强，从而导致机体整体生理功能紊乱。,1、毒素：蛇毒金环蛇毒素（阻抑烟碱型Ach受体）蝎毒素2、自身免疫：重症肌无力（烟碱型ACh受体抗体） Rasmussens脑炎（Glu受体GluR3抗体） Isaacs综合征（周围神经钾通道抗体）,病因,Myasthenia gravis(anti-acetylcholine receptors),In myasthenia gravis the antibodies bind the acetylcholine receptor and cause it to be cleared from the surface of the muscle,3、遗传因素：基因突变改变通道蛋白的结构，导致通道功能的异常。 对通道蛋白结构及其编码基因的了解能更好地理解离子通道在遗传性疾病中的作用，并能更好地设计新的特异的靶向治疗药物。,I. Production,II. Processing,III. Conduction,IV. Gating,Molecular Mechanisms of Channel Disruption,Channelopathies,Human Channelopathies,Ptacek, L. J. et al. Arch Neurol 2004;61:1665-1668.,离子通道病间歇性发作,通道基因突变产生“细胞膜兴奋性改变”，其在可兴奋组织中导致发作倾向。通道的显著变异可能对细胞膜兴奋性产生更严重的影响，导致个体死亡表型。,怎样理解通道功能失调？,定位选择性通道相互依赖性遗传异质性表型异质性,定位选择性,离子通道的定位决定他们的功能 中枢神经系统钠通道的功能紊乱导致热性惊厥，而肌肉钠通道的功能紊乱导致高钾周期性麻痹。,通道相互依赖性,神经元和肌细胞膜的正常兴奋性需要许多离子通道的联合作用。神经细胞的动作电位源于钠离子传导的快速增加，而钾通道的激活则有助于细胞膜的复极化。,遗传异质性,通道蛋白的功能可能被多个基因所调控，不同的基因变异可产生相同的疾病表型。至少56种（Ach受体基因）变异导致先天性肌无力综合征。,表型异质性,相似的基因变异可产生不同临床表型。肌钠离子通道基因的相似变异可分别导致高钾周期性麻痹、先天性肌强直病或其他肌强直病。,通道功能失调,功能增强：变异增强通道的功能功能减弱：变异削弱通道的功能负性作用：变异干扰正常通道蛋白活性,2.1 钠离子通道病,电压门控钠离子通道：1个主要亚基及2个辅助亚基，亚基有4个同源结构域，每个域内有6个跨膜片段。钠离子通道病：伴热性惊厥的全身发作、高钾周期性麻痹、先天性（副）肌强直、钾聚集肌强直和低钾周期性麻痹等。,伴热性惊厥的全身发作,特征：伴有家族史的热性惊厥综合征，可能持续至6岁以后，继而出现非热性的全身性发作，一般到青春期停止。系19q13.1区域基因SCN1B突变，突变干扰钠离子通道1亚基调节门控动力学的能力，导致细胞膜的超兴奋性。,高钾周期性麻痹,特征：反复发作肌无力，肌无力症状能被钾离子所诱发，并被钙离子所减轻。基因突变减弱钠通道的失活，导致异常去极化漂移，从而使部分钠通道脱敏或失活，肌电难以激动，产生软麻痹。,Hayward, L. J. et al. Neurology 1999;52:1447,WT and mutant whole cell Na currents,Impaired inactivation of Na channels underlies HyperPP,先天性副肌强直,特征：肌强直，偶可表现为软麻痹。在SCN4A基因上的点突变导致缬氨酸代替甘氨酸。正常温度下功能正常，但轻度降温便干扰蛋白运动，导致钠离子持续流入细胞产生持续去极化。,低钾周期性麻痹,低钾周期性麻痹：常染色体显性遗传疾病，通常由钙离子通道功能失常所致。研究发现也可由钠离子通道1亚基变异（电压传感器）所致，表现出遗传异质性。,2.2 钾离子通道病,钾通道：细胞动作电位复极的主要离子流，钾通道的种类和亚型很多，仅电压依赖的钾通道就已克隆出30多种。钾离子通道病：良性家族新生儿痉挛、发作性共济失调I型。,良性家族新生儿痉挛,特点：新生儿惊厥，症状包括强直性运动、呼吸表浅、眼部体征及自动症等。 研究显示KCNQ2或KCNQ3变异改变了孔区域和胞质亚区羧基端的结构，导致钾通道的功能改变，降低的钾电流（M电流）削弱细胞膜的复极化，导致发作。,发作性共济失调I型,特点：发作性小脑共济失调、肌纤维颤搐。此病与12q13上钾通道基因KCNA1相连锁，其有多种等位基因变异型，电生理实验显示突变导致电流下降26-100%。,2.3 钙离子通道病,钙离子通道：主要1亚基和辅助亚基组成, 基于不同的药物和生物物理特性，钙通道可被分为：L、N、T、P、Q和R型钙通道。钙通道疾病多种多样，目前确定的至少有视网膜疾病、偏头痛等7种。,VACC are heterologous multimers,Each alpha1subunit has 4 homologous repeat domains, each comprised of 6 transmembrane segmentsalpha1 modulated by other subunits,家族偏瘫型偏头痛,特点：偏头痛伴偏瘫、偶尔有意识障碍。系位于染色体19p13、编码P/Q型电压门控钙通道1A亚基的CACNL1A4基因发生突变。已发现CACNL1A4突变有4种：ARG192GLN、THR666MET、VAL714ALA、ILE1811LEU。,发作性共济失调2型,特点：发作性小脑共济失调，伴眼震，对乙酰唑胺有良好反应。基因定位于19p13.1，已确定的等位基因变异型：1BP DEL-4073C、IVS 24DS-G-A+1、ARG1666HIS、（CAG）n扩展等等。,脊髓小脑共济失调6型,特点：进行性共济失调、构音障碍、眼球震颤及震动位置觉的缺损，随疾病进展将产生严重的步态障碍。钙通道1亚基编码区CAG重复扩展或精氨酸代替甘氨酸所致。,Comparison of alpha 1A mutant diseases,低钾周期性麻痹,特点：肌无力伴低血钾，肌无力症状可被运动过度或高碳水化合物所诱发。定位1q31-32上CACNA1S基因缺陷，已确定的基因变异：ARG1239HIS、ARG1239GLY和ARG528HIS。,Cav1.1 mutants have decreased VACC current in Hypokalemic Periodic Paralysis-,Unclear how this decreased activity causes HypoPP.,恶性高热综合征,特点：应激状态下，肌强直、心动过速、血压不稳或增高、乳酸增高及严重高热。骨骼肌细胞膜上CACLN1A3钙通道基因突变及肌浆网膜RYR基因突变均可导致胞内钙离子超载，引起肌强直和体温增高。,中枢核疾病,中枢核疾病是婴儿期出现的一种肌病，表现为肌张力减退或松软婴儿症。位于染色体19q13.1的骨骼肌细胞肌浆网膜RYR基因发生突变导致对钙敏感性增加，正常静息状态释放钙离子，使肌浆网钙储存减少，当刺激时钙增加达不到肌肉收缩水平，从而肌无力。,先天性夜盲,特点：视敏度下降和夜视力丧失。视网膜特异钙通道1亚基基因变异产生通道功能下降，进而导致神经递质释放减少。,2.4 氯离子通道病,肌肥大和肌强直综合征，过度兴奋性是由肌纤维膜的静息氯传导的永久性降低所致。由定位在7q35的氯离子通道基因CLCN1变异所致，已发现了30余个点突变和3个缺失。,先天性肌强直,特发性癫痫：儿童、青少年失神癫痫，青少年肌阵挛癫痫及觉醒全身发作癫痫。突变：1）不成熟终止密码子 2）异常剪切 3）单个氨基酸替代,特发性癫痫,Non-functional mutants are inserted into the cell membrane,2.5 ACh受体通道病,Structure of nicotinic acetylcholine receptors,常染色体显性夜间额叶癫痫,患者常在睡眠或有睡意时发作，运动障碍、呻吟、尖叫或精神运动障碍是发作特点。位于染色体20q13.2-13.3的神经元烟碱型ACh受体通道亚型基因突变产生结构和功能改变，导致神经元兴奋性增强。,先天性肌无力综合征,患者具有出生时呼吸和喂养困难或视觉、嗅球综合征，位于染色体2q及17p的、等乙酰胆碱受体亚单位基因发生突变。 分类： 突触前缺陷（影响ACh释放的数量及速率） 突触缺陷（终板乙酰胆碱酯酶缺陷） 突触后缺陷（ACh受体缺陷或动力学异常）,3、钾离子通道及癫痫,3.1钾通道空间结构测定,The four main classes of potassium channel,3D Structure of Potassium channel,钾离子的选择性过滤,3D Structure of Potassium channel -Ca2+-gated channel,Nature, 2002, 417:,3D Structure of Potassium channel -Inward rectified channel,Science, 2003, 300: 1922,3D Structure of Potassium channel -Voltage-gated channel,Nature, 2003, 423: 33,钾通道的空间结构特点 -过滤器空间结构的刚性,3.2 KCNQ2/KCNQ3 和癫痫,M电流和癫痫发作,M电流：神经元中一个低阈值、慢激活/失活的电压依赖钾电流。 当兴奋性刺激使神经元去极化至尖波发放的阈值，M电流缓慢激活，使膜复极化至静息膜电位，抑制点燃。,M电流和癫痫发作,M电流的抑制导致膜的去极化和神经元输入阻抗的增加，使细胞更容易发放动作电位。KCNQ2和KCNQ3在神经元中形成M电流，变异使M电流抑制，致良性家族新生儿惊厥发作。,Inhibition of M-currents leads to hyperexcitability,KCNQ2/KCNQ3协同作用,KCNQ2/KCNQ3在脑中表达有重叠现象，其有效表达需要两种亚单位基因的存在。将KCNQ2和KCNQ3共表达所产生的电流的振幅比单独表达产生的电流大10倍。KCNQ2或KCNQ3基因变异导致的良性家族新生儿惊厥的表型相似。,Structure of KCNQ and mutations,Functional analysis of KCNQ2.3 mutations,为什么发作只在新生儿阶段见到？且数周后发作将完全消失？,在脑的成熟过程中钾离子通道的表达有差异，KCNQ钾通道可能在生后数周内起主要作用。,通道病分子机理,癫痫的发病机理尚未完全阐明,但至少部分癫痫是由钾离子通道变异所致，变异导致复极化的降低，增加或延长兴奋性。基因剂量效应（gene dosing effect），钾通道表达的部分下降可无临床发作，但增加癫痫发作的敏感性，而表达完全消失则导致明显的癫痫发作。 临床暂不表现（只对特殊环境应激敏感）突变基因的确定，揭示：通道病是在遗传基础上与其它因素相作用而形成。,通道病治疗,对通道病分子病理生理的理解有助于新的、高度靶向的基因特异治疗。基因作图及变异分析对通道病的选择性治疗起指导作用。,KCNQ2/KCNQ3钾通道开放剂,KCNQ2/KCNQ3钾通道为神经特异性的，因此特异作用于KCNQ2/KCNQ3钾通道开放剂作为抗痫剂具有明显优势。 Retigabine在体外的抗痫活性依赖于其对神经特异钾通道的激活能力，目前在临床上用于治疗癫痫。,离子通道学发展趋势及存在问题,1、离子通道学研究最具影响的新技术X-射线晶体衍射技术、高通量膜片钳技术、质谱、芯片技术、蛋白组技术、转基因技术、离子通道突变设计、电磁共振和核磁共振技术及荧光技术等。构建完整的、生理状态的模型：反映一个细胞产生电信号的全过程和调节途径，包括调节基因转录、细胞内转运和细胞间信息通路，进一步构建整个组织模型。,2、怎样理解离子通道在细胞生理及病理状态下作用？重视微结构域中相邻分子间离子浓度改变及其效应重视整体水平上的联系和相互作用：临床现象非常复杂，不可能用一个分离的离子通道直接解释，需要研究在体细胞生物活性和门控机制。通道功能、信号转导和细胞的网络行为及最终的总体表现之间的关系尚不清楚。,3、在门控通道研究中，最迫切解决的问题是什么？通道的门控机制、通道的调节机制、蛋白质之间的相互作用。（需要突变实验、分子动力学模拟和成像技术联合应用）离子通道结构研究的后结构时代：X衍射晶体研究离子通道的静态结构，但并不能表示各种状态之间的相互转换，需要研究包括疾病状态或与疾病状态接近的改变。,4、天然毒素在离子通道结构功能关系研究中的作用特异、高亲和力的通道抑制剂和激动剂，在通道的功能及门控机制的研究中起着重要作用（特异阻断剂类似于基因敲除），也是新药设计的基础。天然毒素的获得不易且随机，化学合成的方法将会有更多的机会。,5、人类基因组计划对离子通道研究的影响人类基因组计划通过发现新的受体、新的通道亚基、相关分子伴侣和互作蛋白来影响通道的研究，有助于发现特殊受体或通道家族的亚基。蛋白质组