第六节　血管平滑肌钙激活钾通道功能异常与高血压

小动脉与微动脉壁血管平滑肌细胞（smooth muscle cell，SMC）的收缩活动产生血管张力，它决定循环系统血流阻力和组织血流分布。血管张力受神经、体液及各种刺激因素调节，这些调节信号经SMC整合后，通过调控细胞膜钙通道介导的Ca2+内流和胞内钙库释放的Ca2+，改变细胞内Ca2+水平，调整血管平滑肌的收缩状态，使血管内径和血流阻力改变，以适应组织活动的需要。在这一过程中，细胞膜上的各种离子通道起着重要作用。由于SMC的肌质网不发达，平滑肌的收缩主要依赖于经由细胞膜电压门控性钙通道进入细胞内的Ca2+，而作为负反馈调节器的SMC上的钾通道则在平滑肌舒张调节中发挥着重要作用。血管SMC膜上钾通道开放，K+外流增加，将导致细胞膜电位超极化，关闭电压门控性钙通道，降低Ca2+内流，使血管舒张；反之，钾通道关闭将导致细胞膜去极化，使血管收缩，因此钾通道对血管SMC膜电位的负反馈调控，在决定血管内径及血管张力中扮演重要角色。许多重要的心血管疾病，如高血压、冠状动脉痉挛、动脉粥样硬化、脑卒中等，血管舒缩障碍都可能与血管平滑肌上钾通道结构与功能缺陷有关。血管SMC上分布有多种类型的钾通道，其中大电导钙激活钾通道（large conductance Ca2+-activated K+channel，BK_Ca）至关重要。

一、血管平滑肌钙激活钾通道基本功能及其分子组成

（一）血管平滑肌钙激活钾通道的分布与基本功能

钙激活钾通道（Ca2+-activated K+channel，K_Ca）自1981年发现以来，已知普遍存在于各类细胞膜上，并依电导的不同分为大电导（BK_Ca）、中电导（IK_Ca）、小电导（SK_Ca）三种类型，行使着不同的功能。BK_Ca是K_Ca家族的主要通道，由于它携带了70%~80%的外向电流，因此在血管的舒张机制中起着举足轻重的作用，它的活动的减弱可加重如像血管痉挛和缺血的病理生理状态，活动的加强又可导致血管舒张，痉挛解除。BK_Ca在血管SMC上大量分布（10 000个/细胞），因而其电导值也大（~200ps），相对少的通道激活即可对细胞膜电位发挥较大的影响，因此在对抗血管内压升高或对血管活性物质起反应时，BK_Ca是重要的缓冲机制，它被视为平滑肌上主要的调节血管张力膜蛋白。BK_Ca的基本特征：①有很高的单位电导值（~200ps）；②表现出明显的电压依赖性；③通道的开放概率明显依赖于细胞膜电位和胞质中的游离Ca2+浓度；④通道活动能被BK_Ca特异性阻断剂（如IbTX）所阻断。特别值得注意的是BK_Ca在很大程度上受Ca2+的调节，由于Ca2+参与了细胞内许多代谢过程，凡影响Ca2+代谢的，都影响BK_Ca的活动，这就决定了BK_Ca调控机制的复杂性和重要性。

（二）血管平滑肌BK_Ca分子组成及胞内功能域的调控作用

BK_Ca由孔道部分α亚单位和辅助部分β₁亚单位构成。孔道组成部分由4个同源α亚单位聚集构成，聚集体可独自发挥通道的功能，是通道的功能亚单位。影响Ca2+与胞内Ca2+结合部位的作用或影响细胞膜跨膜区的电压感受器都可激活BK_Ca，因此BK_Ca被胞内Ca2+激活，也被膜电位去极化激活。β₁亚单位对通道活性有两种不同的却又协同的调控效应，一是使通道对Ca2+敏感性大大增高而增加通道的开放时程和开放概率，二是提高通道对电压的敏感性，是通道的调节亚单位。目前认为BK_Ca拥有多个胞内Ca2+调控位点，使得Ca2+对BK_Ca可以在一个大的浓度范围内实现准确调控，通道得以在不同的胞内Ca2+浓度时发挥不同的作用。BK_Ca在胞内有3个不同的Ca2+结合位点。一个是毫摩尔级解离常数的低亲和力位点，另有两个微摩尔级解离常数的高亲和力位点。第一个被确定的高亲和力位点就是胞内C端富含天冬氨酸的一个区域，被称作Ca2+bowl。对BK_Ca肽链进行突变（D897-901N或D898A/D900A），可以获得Ca2+bowl的突变体，突变体Ca2+敏感性消失。第二个高亲和力位点被称作RCK1位点，它的功能域中的氨基酸残基与细菌钾通道和转运体的配体连接RCK功能域有相似的结构。对肽链进行突变产生的D367A突变体，可以取消通道Ca2+敏感性。低亲和力位点（RCK2）也位于RCK1功能域，通过E399N突变可以取消通道Ca2+敏感性。另外，RCK功能域含有多种调控配体的结合位点，包括核苷酸和阳离子。

（三）血管平滑肌细胞的Ca2+火花与BK_Ca的偶联

在SMC Ca2+可以通过从细胞膜上电压门控性钙通道（voltage dependent calcium channel，VDCC）流入细胞或通过胞内钙库释放而传递到Ca2+敏感效应分子。近年来，人们发现了一种新的BK_Ca动力学调控方式。即膜去极化引起细胞膜VDCC开放，胞外Ca2+内流，胞质一过性Ca2+浓度升高，会触发肌质网（SR）释放Ca2+（rynanodine敏感的Ca2+释放，Ca2+火花），但与膜去极化胞外内流产生的Ca2+浓度增高不同，由SR上rynanodine敏感的通道（RyRs）产生的Ca2+火花，导致的局部Ca2+浓度增加并不改变全胞性Ca2+浓度，不引起平滑肌收缩，相反，Ca2+火花可通过激活与之邻近的BK_Ca，产生自发性瞬时外向钾电流（spontaneous transient outward current，STOC，或称瞬时BK_Ca）而对抗膜电位的增加。这一发现使得传统认为的Ca2+信号会在空间上均一升高的概念被根本改变。Ca2+火花和STOC相关的直接证据来自膜片钳电生理与激光共聚焦扫描实验的同步研究结果。因此，目前认为Ca2+火花对BK_Ca活性的动力学调节是动脉张力和血压调控最重要的决定因素之一。

血管平滑肌BK_Ca与非选择性阳离子通道的偶联调控近来受到重视。有研究表明，激活一些非选择性阳离子通道，包括TRPV4、TRPC1、ORAI等，内流Ca2+引起附近的RyRs激活，导致其释放Ca2+而形成Ca2+火花，局部Ca2+火花则激活临近的BK_Ca从而引起血管舒张，这种Ca2+火花对BK_Ca活性的动力学调节也是动脉张力和血压调控的最重要途径。

二、BK_Ca在高血压时的功能异常

（一）BK_Ca的β₁亚单位与血管张力调控

BK_Ca调节亚单位β₁与功能亚单位α（孔道组成部分）共同影响BK_Ca的功能，包括影响BK_Ca的Ca2+敏感性。近年来，β₁亚单位在Ca2+火花与BK_Ca偶联中的生理学作用受到密切关注，该作用通过β₁亚单位缺损小鼠（β₁敲除小鼠）的实验而得到揭示。与正常对照相比，当将血管SMC置于一定Ca2+浓度环境（3~10μmol/L）中产生Ca2+火花，β₁敲除动物的BK_Ca开放概率仅为原来的1%。表明Ca2+火花增加BK_Ca活性和调节血管内径的能力在β₁敲除小鼠降低。同样在β₁敲除小鼠，Ca2+火花诱导的STOC电流幅值是正常动物的1/6，在对照组动物，每一次Ca2+火花都可以引起一次STOC电流，而在β₁敲除小鼠1/3以上的Ca2+火花不能引起STOC。另外，Ca2+火花与BK_Ca的偶联降低也反映在β₁敲除动物的整体血压调节功能下降上，β₁敲除动物的平均动脉压升高，并伴血压缓慢增高，且这些动物有左室压升高。

（二）钙激活钾通道在高血压发病中的改变

病理状态下，血管出现收缩或舒张的反应能力下降都可能因为血管上BK_Ca功能缺陷、通道数量、电导和/或开放概率的变化或通道亚单位间的时空调控发生变化而引起；还可能是SMC的Ca2+火花/STOC的偶联失调导致。在血管平滑肌钾通道功能与疾病相关性的研究中，高血压是最广泛研究的一种疾病。研究发现，与正常动物相比，来自高血压动物的血管平滑肌的静息膜电位有更大的去极化，说明高血压动物的肌张力更高。在这种血管出现收缩或舒张的缓冲能力下降的可能原因中，对作为维持血管张力的BK_Ca变化已进行了许多研究。由于α亚单位是BK_Ca的孔道组成，对α亚单位的研究通常从BK_Ca电流及通道密度变化上反映。Yangping LIU等用全细胞膜片钳实验证实在生理膜电位下，自发性高血压大鼠（SHR）脑动脉BK_Ca电流密度要比正常血压的大鼠高4.7倍，然而单通道分析显示两组BK_Ca的电导、电压及钙敏感性相似。用抗体进行Western分析，α亚单位在脑血管SMC膜相应的125-KD的免疫活性信号，SHR比正常大鼠（WSK）增加4.1倍，提示在体血压增高诱发脑动脉血管膜上BK_Ca表达增强。他们认为高血压BK_Ca的上调可能作为一种适应性机制缓冲血管兴奋性，以便灵敏地调节脑动脉的静息张力。Asano M的实验也表明SHR大鼠在出现高血压症状前，股动脉上的L型钙通道和BK_Ca静息状态时的功能增强。还有证据表明，高血压中血管SMC的BK_Ca功能增强，而当使用抗高血压药治疗后，这些改变又可以反转，因此可以认为血管平滑肌上BK_Ca功能的增强是作为一种对抗血压进行性增加的保护机制，这样的负反馈机制可以帮助限制血压的升高和血管张力的过大，由此阻止血压升高诱导的血管收缩，并保证局部血流量。有关β₁亚单位在高血压发病中重要性的研究结果一致表明，β₁亚单位功能正常与否直接关系到血管张力的调控程度。研究表明阻止编码β₁亚单位的基因表达，将功能性地使Ca2+火花/STOC脱偶联，导致膜去极化、血管收缩、血压升高、左心室肥大等。对高血压大鼠模型，包括自发性高血压大鼠，或通过用血管紧张素Ⅱ长时间灌注引起高血压的大鼠进行研究，表明都有β₁亚单位的下调，而没有α亚单位的变化，并且在这些模型中，对BK_Ca阻断只产生较小的血管收缩反应，说明β₁亚单位表达下调与表现出来的功能变化有关联，并认为高血压时β₁亚单位下调是引起血管功能失调的原因。已有实验证实β₁亚单位基因表达的差异明显地影响心血管系统活动。Gollasch等研究人类β₁亚单位基因（KCNMβ1）编码差异与不同的血压反射功能，结果表明人体在表达KCNMβ1时表型有差异，这在高血压的形成中有重要作用。由Fernández等进行的基因流行病学研究，也给出了确定的结果。在人类已知BK_Ca的β₁亚单位基因图谱定位于染色体5q34。研究表明人类野生型β₁亚单位基因变异，即第三个外显子上的单一核苷酸被替代后形成的产物G352A，其翻译后的突变蛋白质为β₁E65K，这是一种β₁亚单位65位点上的谷氨酸替换为赖氨酸的产物，此种β₁亚单位变异体在独自或与野生型β₁亚单位混合与α亚单位共同表达时能进一步增加α亚单位的钙和电压敏感性，并且证明变异体β₁E65K若与野生型β₁亚单位一起表达时，β₁E65K有优势作用。而人体高血压流行病学研究结果表明有β₁E65K的人群发生舒张压高的情况要少些，这表明β₁E65K使人类有了在获得这样的变异体后高血压发病率和危害性降低的可能，即变异体β₁E65K使BK_Ca有了获得性功能，使血管平滑肌舒缩活动有了更有效的负反馈调节，从而更有效地对抗动脉阻力血管收缩。Yang Y等采用全细胞、单通道膜片及巨膜片等膜片钳技术，以中国汉族人高血压和正常血压患者为研究对象，研究人体肠系膜动脉平滑肌上BK_Ca的电流改变，同时采用RT-PCR和Western blot技术检测BK_Ca的α和β₁亚单位基因和蛋白表达的改变情况，首次证实在人体高血压时血管平滑肌细胞BK_Ca活性有降低，并与通道β₁亚单位基因和蛋白表达下调相关，这些改变至少是中国汉族人高血压动脉血管功能改变的部分原因。是否BK_Ca与其他相关通道的偶联，如与TRPV4、TRPC1、ORAI等的偶联在高血压时有所改变有待于进一步研究。

心脏离子通道病是一类基因型和表型多样化的疾病，可由单基因单个突变或多个基因突变引起。表型和基因型并非一一对应，一部分突变基因携带者心电图可表现正常，同样的表型可由多种基因突变引起，而同一种基因的不同突变或同一突变又可导致不同的临床表型。此外，修饰基因、环境因素、心脏结构改变均参与基因型与表型间关系，而离子通道表达自身稳定性调节（正、负反馈机制）在生长过程、病理环境及药物作用下维持心肌细胞稳定电生理表型中起重要作用。随着离子通道病致病基因越来越多地被发现，一因多病、一病多因、离子通道结构-功能关系、复合离子通道的生物物理学特性、离子通道模式生物学、离子通道分子药理学等的研究正在成为新的研究生长点。

对于离子通道病的研究为揭示一些疾病的发病机制和开展早期诊断与治疗提供了基础。研究发现隐性遗传多导致离子通道功能削弱，而显性遗传既可导致离子通道功能削弱又可导致离子通道功能增强。因此，通过基因干预等方法，将合成的通道蛋白质分子接种入机体以替换有缺陷和异常的通道而达到治疗的目的，可成为离子通道病极具潜力的治疗方法。对于离子通道病的研究还有助于对某些离子通道功能的进一步认识和了解。离子通道病在某种意义上正是某一种或一类离子通道的天然病理模型，通过对其功能缺失的研究，不仅能进一步验证通道已知的功能，还能帮助发现一些尚不为人知的功能，从而更好地深入了解离子通道的功能。

人是一个复杂整体，离子通道病的研究涉及分子、细胞、整体等多个层次，上一层次是以下一层次结构为单元所组成的系统，下一层次又是上一层次的基础。只有整合所有层次的特点才能更全面具体了解系统的特点，因此整合不同层次、多学科交叉并进的思路已成为离子通道病研究的方向。

自1995年Keating研究组确定了长QT综合征与心脏离子通道基因突变有关以来，离子通道异常与心血管疾病的关系无论是在深度还是广度都取得了令人鼓舞的进展，不仅阐明了离子通道的分子结构突变可导致某种疾病，而且还明确了某些疾病可影响某种离子通道的功能与结构。进一步加强分子生物学、生物物理学、遗传学、药理学等多学科交叉深入研究离子通道的结构和功能，探讨离子通道病的基因结构和功能，加强特异性离子通道协同或拮抗药物开发和特异性离子通道亚基基因干预治疗研究，将对探讨离子通道病及与离子通道调节缺陷有关疾病的病理生理机制、早期诊断及发现特异性治疗药物或措施具有十分重要的理论和实际意义，可从根本上阐明包括离子通道在内的心律失常的发生机制，为临床药物防治提供新的理念和靶点，促进向临床医学转化，实现心律失常治疗策略的转变，大大提高预防和诊疗水平。

（曾晓荣）