Kv7钾离子通道在血管平滑肌中的表达及功能

Kv7钾离子通道在血管平滑肌中的表达及功能
张璇;刘灵;焦晓翠;陈兴娟;贾占峰;杲海霞;张海林
【摘要】Voltage-gated Kv7 K + channels encoded by the KCNQ gene family ( KCNQ 1 ~ 5 ) were prevalently expressed in the cardiac muscle ( Kv 7.1) and nervous system ( Kv 7.2 ~ 7.5 ), which play a key role in controlling cardiac action potential and neuronal excitability.Recently, KCNQ genes have been identified highly expressed in multiple vascular smooth muscles and suggested to play an important role in regulating vasoconstric-
tion.This review summarizes the present understanding of Kv7 channels in vascular smooth muscles and the potential therapeutic effect of Kv7 channel openers on hypertension.%KCNQ基因(KCNQ1~5)编码的电压门控型Kv7钾离子通道广泛存在于心肌细胞(Kv 7.1)和神经系统(Kv 7.2~7.5),在调节神经兴奋性和心肌动作电位方面发挥着重要的作用.近来,KCNQ基因被发现高表达于血管平滑肌细胞并在调节血管收缩中发挥着重要的作用.该文将对目前Kv7钾离子通道在血管平滑肌细胞中的表达、功能及Kv7钾离子通道开放剂对高血压的潜在治疗作用的证据进行总结.
【期刊名称】《中国药理学通报》
【年(卷),期】2013(029)004
【总页数】4页(P457-460)
【关键词】Kv7钾离子通道;KCNQ基因;血管平滑肌;高血压;瑞替加滨;XE991
【作者】张璇;刘灵;焦晓翠;陈兴娟;贾占峰;杲海霞;张海林
【作者单位】河北医科大学药理学教研室,河北,石家庄,050017
【正文语种】中文
【中图分类】R322.74;R329.24;R544.105
电压门控型钾离子通道Kv7家族由KCNQ基因编码。

其具有6跨膜结构(S1-S6)，第1至4跨膜结构(S1-S4)构成通道的电压感受器，N、C末端均在胞内。

迄今为止，共发现这个家族的5个成员:Kv7.1～Kv7.5(KCNQ1-KCNQ5)［1］。

KCNQ1编码的Kv7.1主要表达于心肌细胞，因其突变后引发长QT间期综合症而又被称作KvLQT1。

KCNE1-5构成KCNQ1通道的辅助亚基，参与调节KCNQ1的表达及
通道的生物物理学、药理学特性。

KCNQ1/KCNE1(MinK)被认为是心肌细胞Iks
电流的分子学基础。

分别由KCNQ2和KCNQ3编码的Kv7.2和Kv7.3主要表达
于神经系统，被认为是M型钾离子电流(M current)的主要分子学基础，参与调节神经元的兴奋性［2］。

KCNQ4编码的Kv7.4主要表达于内耳和听觉神经。

KCNQ5编码的Kv7.5广泛分布于神经系统，被认为也参与构成了M电流。

近来，KCNQ基因在血管平滑肌的表达成为了一个新的研究热点。

KCNQ基因(KCNQ1、KCNQ4和KCNQ5)最初在小鼠门静脉中被发现［3］。

并且，越来越多的证据显
示KCNQ基因在大鼠、小鼠的多种血管平滑肌细胞中表达，例如:小鼠的门静脉、胸主动脉、颈动脉、股动脉及大鼠的主动脉及肠系膜动脉;而KCNQ2和KCNQ3
则几乎无表达［4－7］。

应用Kv7钾离子通道家族的非特异性阻断剂XE991和linopirdine均能引起膜电位去极化和血管收缩［7－9］。

相反，应用Kv7钾离子通道家族的开放剂瑞替加滨(retigabine)和S-1均能引起膜电位超极化和血管舒张［3，5－6，10］。

此外，有研究发现原发和继发性高血压大鼠胸主动脉和肠系膜动脉的KCNQ4基因的mRNA水平及蛋白水平均大大降低［11］。

高血压是常见的慢性心血管疾病，主要表现为体循环动脉血压持续性增高。

重度高血压常伴有脂肪和糖代谢紊乱以及心、脑、肾等重要器官的不良重塑。

高血压可提高心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)和外周动脉疾病(peripheral arterial disease，PAD)的发病率，例如:心脏衰竭、主动脉瘤、动脉粥样硬化等［12］。

高血压的发病是一个非常复杂的病理生理过程，其发病机制还没有完全
清楚。

目前，临床上使用的降压药物主要有五大类，按其作用机制分别为:(1)利尿剂;(2)β受体阻滞剂;(3)钙通道阻滞剂;(4)血管紧张素转换酶抑制剂(ACEI);(5)血管紧张素Ⅱ受体拮抗剂(ARB)。

上述药物在发挥良好疗效的同时，均不可避免地引发了多种不良反应。

例如:利尿剂可能引发低血钾症、高钙血症、高血糖和高血脂症等，利尿药还影响肾功能，对肾功能减退患者不利等。

随着现代医学研究的不断深入，人们已经认识到高血压病的防治不再是单纯的降压问题，更重要的是预防和逆转靶器官的损害，降低心脑血管并发症的发病率和致死率，同时减少不良反应。

探索高血压的发病机制，寻找新的药物作用靶点和开发新的降压药具有重要意义。

自发现Kv7钾离子通道重要的生理功能后，研发Kv7钾
离子通道调节剂成为国际范围内的研究热点。

目前，已有多种小分子化合物(例如:retigabine、苯甲酰胺衍生物 ICA-27242［13］及 BMS-204352［14－15］)作为 Kv7钾离子通道调节剂进入临床研究的各个阶段。

这为研究Kv7钾离
子通道在血管平滑肌细胞上的功能和开发针对Kv7钾离子通道的舒血管药物奠定
了基础。

本文将对血管平滑肌细胞上Kv7/KCNQ钾离子通道的功能，以及其成为抗高血压药物新的作用靶点的潜力及相关机制进行总结和讨论。

1 Kv7钾离子通道调节剂的开发
KCNQ2和KCNQ3被认为是构成神经元M电流的分子学基础［2］。

M电流是
一种具有电压及时间依赖性、慢激活、慢去活、非失活的外向钾离子电流。

研究发现M电流广泛地存在于外周和中枢神经元，起到稳定静息膜电位的作用。

当M电
流被增大后，细胞膜因发生超极化而趋于稳定;当M电流被抑制后，细胞膜因发生去极化而易暴发动作电位。

M通道的开放剂可以治疗癫痫发作、偏头痛，以及神
经性和炎症性疼痛。

在整体动物实验中，M通道抑制剂XE991能够引发动物的疼痛反应，而其增强剂如retigabine则能有效对抗由福尔马林、角叉菜胶(carrageenan)及缓激肽(bradykinin)所引发的炎性疼痛［16］。

开发Kv7钾离子通道的开放剂已经成为一个研究热点。

研究最为深入和全面的
Kv7通道开放剂是retigabine。

Retigabine能激活除Kv7.1之外的其他Kv7家族成员(Kv7.2-Kv7.5)。

还有研究显示 retigabine还可增大 GABAA电流。

此外，还发现了一些Kv7家族亚型特异性调节剂。

例如:苯甲酰胺衍生物ICA-27242可选
择性地调节Kv7.2/Kv7.3电流［13］。

BMS-204352的作用靶点虽然与retigabine相同，但明显表现出对 Kv7.4［14］和 Kv7.5［15］很强的选择性，
而对 Kv7.2/Kv7.3没有明显用。

Acrylamides的作用靶点也与retigabine相同，但明显表现出对Kv7.4和Kv7.5具有很强的选择性［17］。

我们实验室合成的吡
唑并嘧啶酮类化合物可以开放Kv7(Kv7.1～Kv7.5)钾离子通道［18］。

目前，已有多种小分子化合物作为M/KCNQ通道的调节剂针对癫痫、疼痛等进入临床研究阶段［19］。

例如:抗惊厥药 retigabine，其作为Kv7.2/Kv7.3的开放剂被发现对于目前药物无效的顽固性癫痫具有良好的疗效和安全性，已于2011年上市。

动物行为学研究表明retigabine可以减轻神经性及炎症性疼痛［16，20］。

此外，retigabine可能还具有缓解疱疹后神经痛的作用(C.g.Identifier:，NCT00612105)。

2 Kv7钾离子通道在血管平滑肌细胞的表达
2003年，首次发现Kv7钾离子通道在小鼠门静脉中表达［4］。

之后的研究发现Kv7钾离子通道还在多种动脉血管平滑肌细胞中高表达，例如胸主动脉、颈动脉和肺动脉等［7，9，20］。

RT-PCR、单细胞 RT-PCR、Western blot及免疫化学
的结果均表明:血管平滑肌细胞上存在KCNQ1、KCNQ4和KCNQ5 mRNA及蛋
白的表达，而不存在KCNQ2和KCNQ3 mRNA 及通道蛋白的表达［7，9，20］。

以前认为 KCNQ4编码的Kv7.4主要表达于内耳和听觉神经，其功能降低可引发
耳聋［21－22］。

现在发现其在血管平滑肌中表达水平很高［7，20］，且有研
究显示原发性和继发性高血压大鼠胸主动脉和肠系膜动脉的KCNQ4基因的mRNA水平及蛋白水平均大大降低［11］。

这均证明KCNQ4基因可能是KCNQs家族中参与调节血管张力的一个重要的基因。

在多种血管平滑肌细胞上KCNQ1的表达水平与心肌细胞上KCNQ1的表达水平
相当。

除KCNQ1外，其辅助亚基KCNE家族的表达也受到关注。

KCNE1-5构成KCNQ1通道的辅助亚基，参与调节KCNQ1的表达及通道的生物物理学、药理学特性。

研究发现KCNE1-5选择性地高表达于容量血管。

例如KCNE4高表达于主动脉，KCNE3和KCNE5则分别高表达于门静脉和股动脉［5］。

3 Kv7钾离子通道在血管平滑肌细胞的功能
Kv7钾离子通道在血管平滑肌细胞的功能主要通过利用其药理学调节剂推论。

首先，Kv7钾离子通道的开放剂retigabine、flupirtine可以引发膜电位超极化及血管舒张。

Retigabine 的舒血管作用可以被 XE991 所阻断［5－6，10］。

第2，Kv7
钾离子通道广谱阻断剂XE991、linopirdine可以引发肠系膜、肺及脑主动脉和门静脉血管收缩［5－9］。

另外，Retigabine可以翻转去氧肾上腺素或4-胺基吡啶引发的血管收缩，但是不能翻转XE991引发的血管收缩。

以上结果均证明Kv7钾离子通道在血管张力调节中发挥重要作用。

研究还显示，电压门控型钙通道的阻断剂尼卡地平(nicardipine)及KATP钾通道的开放剂吡那地尔(pinacidil，引发膜电
位超极化)均可取消Kv7钾离子通道阻断剂引发的血管收缩。

据此推测Kv7钾离子通道在血管张力调节过程中可能的机制为:Kv7钾离子通道的功能增强可导致膜电
位超极化，进而抑制电压门控型钙通道，使胞内钙离子浓度降低，血管舒张;反之Kv7钾离子通道功能抑制则可致血管收缩。

虽然研究显示Kv7.1及其辅助亚基在血管平滑肌中高表达。

但是，Kv7.1的特异性阻断剂chromanol 293B、HMR 1556及 L-768-673均不影响血管张力［5，23］。

此外，Kv7钾离子通道开放剂retigabine和S-1均能抑制Kv7.1，却引发血管舒张。

综上，KCNQ1及KCNEs虽然在血管平滑肌上高表达，但并没有直接参与血管张力的调节。

4 Kv7钾离子通道开放剂在心血管疾病中潜在的治疗作用
有研究显示，高血压发生时外周血管张力增加是由平滑肌胞质内钙离子浓度升高导致的［24－25］。

如上所述，高血压发生伴随着血管平滑肌细胞中Kv7.4钾离子通道的下调，由此可能会使膜电位去极化进而激活电压门控型钙离子通道，导致胞质内钙离子浓度升高，血管张力增加［11］。

应用Kv7钾离子通道开放剂可使膜电位超极化，钙内流减少，血管张力降低。

在动物实验及临床用药中，已经证实了以上推论。

塞来昔布(celecoxib)作为非甾体解热镇痛抗炎药(nonsteroidal anti-inflammatory drugs，NSAIDs)被广泛应用于临床，其主要通过选择性地抑制cyclooxygenase-2(COX-2)活性而发挥镇痛和抗炎作用。

然而，同样具有选择性抑制COX-2活性的罗非昔布(Rofecoxib)却被发现可明显提高心血管疾病发病率［26－27］。

有研究显示与服用罗非昔布的患者相比，服用塞来昔布的患者具有较低的高血压发病率［28－29］。

新的实验证据提示，除了抑制COX-2活性，塞来昔布还影响离子通道功能。

Brueggemann及其同事基于自己的研究结果对塞来昔布有较低心血管疾病发病率的作用机制提出假设，即:塞来昔布可能通过增大Kv7钾电流和抑制L型钙电流而发挥心血管保护作用的［10，30］。

我们研究的结果也表明塞来昔布具有较强的增大Kv7通道电流的作用(Kv7.1及KCNQ1/E1除外)，并发现其是通过结合在Kv7.2通道A235和W236氨基酸残基上而发挥作用的。

而研究显示罗非昔布具有极弱的增大Kv7钾电流和抑制L型钙电流的作用
［10］。

另外，环氧合酶(COX-1和COX-2)抑制剂双氯芬酸(diclofenac)和甲氯芬那酸(meclofenamic acid)也被发现具有开放Kv7钾离子通道的作用［31］。

氟吡汀(flupirtine)作为非甾体解热镇痛抗炎药和COX-2抑制剂，可以浓度依赖性地增大大鼠肠系膜动脉血管平滑肌细胞Kv7钾离子电流并降低大鼠平均动脉压［6］。

5 结论
新的研究发现Kv7/KCNQs家族钾离子通道中KCNQ1、KCNQ4和KCNQ5以及KCNQ1的辅助亚基KCNE1-5在血管平滑肌细胞高表达，其中KCNQ4可能在调节血管平滑肌细胞的收缩中发挥重要作用。

研究表明KCNQs钾离子通道的开放剂具有扩血管作用。

临床上发现的塞来昔布具有的降血压作用的机制可能源于其增加Kv7功能。

因此深入了解Kv7钾离子通道在心血管系统中发挥的作用具有广泛的指导意义。

另外，已经有许多的Kv7钾离子通道的开放剂被开发，这都将为今后研究开发治疗心血管疾病的新药物与新手段提供帮助。

鉴于Kv7钾通道在神经系统和心血管系统均高表达并发挥着重要的生理功能，对于疾病的治疗则需要具有高组织选择性的Kv7钾通道开放剂，这将是今后Kv7钾通道开放剂研发的重点。

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