血管药理学。作者手稿;PMC 2016年6月22日提供。
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血管钙通道与高血压:病理生理学和治疗意义
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菲利普·帕拉德
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詹姆斯·马什
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阿列克桑德拉·佩西奇
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南希·鲁施
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摘要
长链Ca2+(钙L(左))钙通道v(v)1.2基因家族是由形成孔的α最小组成的异多聚体结构1摄氏度亚单位与调节性β和α2血管平滑肌细胞δ亚单位。加利福尼亚州L(左)通道是电压门控钙的主要途径2+在小阻力容器中触发激发-收缩耦合的流入。值得注意的是,高血压大鼠的血管平滑肌细胞显示钙的表达增加L(左)通道α1摄氏度亚基,与升高的Ca有关2+流入和异常动脉张力的发展。事实上,血压本身似乎促进钙L(左)小动脉中的通道表达,甚至短期压力升高都可能改变通道表达。膜去极化已被证明是一种与血压升高相关的刺激,可促进钙L(左)质膜上的通道表达。定义调节钙的分子过程的未来研究L(左)血管平滑肌细胞中的通道表达将为设计降压疗法以使钙正常化提供合理依据L(左)通道表达与高血压病理中异常血管张力的发展。
关键词:钙通道、高血压、血压、离子通道表达、血管平滑肌、微循环
1.简介
慢性高血压是美国最致命的疾病之一,使4500万人易患心室肥厚、心力衰竭、中风和终末期肾损害。在除罕见病例外的所有病例中,病因尚不清楚,该疾病被认为是由多个基因与环境因素的相互作用演变而来。事实上,许多涉及内分泌因素、神经反射和血管异常的途径被认为与原发性高血压有关。然而,不管这些不同的起源,所有形式的高血压的一个标志性发现是由钙介导的异常血管张力2+通过电压门控“L型”Ca流入2+(钙L(左))频道。在最佳条件下,Ca的低开态概率L(左)血管平滑肌细胞(VSMC)中的通道被设计用来紧密调节钙2+内流、血管张力和血压。然而,这一过程在高血压发病过程中可能会出错,其中钙升高2+内流可能会导致血管张力异常和外周血管阻力升高。
值得注意的是,我们对心血管钙的了解L(左)由于分子生物学、蛋白质晶体学和斑贴技术的可用性,通道在过去二十年中发生了革命性的变化。这些知识为理解钙的结构和功能之间的关系奠定了基础L(左)血管系统中的通道和血压的调节。在这方面,许多实验室的研究表明,高血压与钙的上调有关L(左)血管床中的通道参与调节血压和关键器官的血流。事实上,这个CaL(左)通道异常延伸到几种高血压动物模型,推测其可能代表了不同形式疾病发病机制中的一个常见事件。提供与Ca相关的最新证据概要L(左)这篇简要综述将初步讨论钙的结构、分布和功能L(左)血管系统中的通道。随后,它将总结表明CaL(左)经络可能参与高血压的发病机制。最后一节将确定新出现的机会,以设计针对血管钙的特定启动子或亚单位的新型抗高血压药物L(左)频道。
2.结构和分类
电压依赖性钙2+在心脏、骨骼肌和包括血管平滑肌细胞(VSMC)在内的各种类型的平滑肌中,通道是正常兴奋-收缩耦合所必需的。使用骨骼肌进行的初步纯化研究表明,电压门控钙2+通道是多亚基复合物,由形成中心孔的α组成1亚单位和附加β,α2δ和γ亚基() (柯蒂斯和卡特尔,1984年,1985;Hosey等人,1987年;Ice等人,1987年;Leung等人,1987年;Vaghy等人,1987年). 现在已知大(≈190–240 kDa)α1亚基赋予钙的功能特性最多L(左)通道,包括电压传感,Ca2+渗透率,Ca2+-依赖性失活和钙的抑制2+通道阻滞剂。α的结构1亚单位包括四个重复结构域(I、II、III、IV),每个重复结构域由6个跨膜片段组成(卡特尔,2000年;Jurkat-Rott和Lehmann-Horn,2004年). 磷酸化对通道行为的调节是通过包括蛋白激酶A(PKA)和蛋白激酶C(PKC)在内的信号分子的细胞内结合结构域实现的。此外,氨基(N)和羧基(C)末端在调节通道表型和表达中发挥特殊作用。例如,C末端与钙有关2+-依赖性信号转导,包括钙调素与钙的构成性结合2+-依赖性通道失活(Kobrinsky等人,2005年;Lee等人,1999年;Liang等人,2003年;Peterson等人,1999年;秦等,1999;Zuhlke等人,1999年).
(A) L型钙的拟议膜拓扑2+(钙L(左))频道。中心α1亚单位是由4个重复结构域(I–IV)组成的单个大多肽。α的细胞内连接子和N端和C端1亚单位与β亚单位和细胞内信号分子相互作用。四个β亚基(β1, β2, β三, β4)已被鉴定,α的四个剪接变异体2δ亚单位存在。在骨骼肌和大脑中检测到γ亚单位。缩写:AID,alpha交互域;BID,beta交互域;钙调素;蛋白激酶A;PKC,蛋白激酶C。(B)β亚基结构域中氨基酸的线性模型。β亚单位具有一个鸟苷酸激酶(GK)区域,该区域包含β相互作用域(BID)和一个Src同源性3(SH3)域,该域可能与GK区域相互作用,以允许α1β亚单位。
尽管α1亚单位决定钙的特征性质L(左)通道,细胞内β亚基调节生物物理和生理反应。β亚基属于支架蛋白的膜相关鸟苷酸激酶(MAGUK)家族,具有鸟苷酸酶(GK)和Src同源性3(SH3)结构域() (Cohen等人,2005年). β亚单位的GK区域包含一个β相互作用域(BID),它与其他亚单位位点一起,是与α1亚单位(Berjukow等人,2001年;Birnbaumer等人,1998年;卡特尔,2000年;Chen等人,2004年;海豚,2003;Geib等人,2002年). 破坏β亚单位内SH3–GK相互作用的突变抑制其与α的结合1亚单位和防止正常通道门控(Harry等人,2004年;McGee等人,2004年). 作为支架蛋白,β亚基可能定位并整合细胞内信号以影响钙L(左)通道选通(Balijepalli等人,2003年). 例如,PKA对β亚基的磷酸化被认为是PKA诱导的克隆Ca刺激的原因2+α共转染HEK细胞中的通道1摄氏度和β2a个亚单位(Bunemann等人,1999年).
值得注意的是,β亚单位的异质性阻碍了定义其功能的努力。四种不同的基因(β1, β2, β三, β4)每个基因都存在广泛的剪接变异体(Foell等人,2004年;Harry等人,2004年;Kamada等人,2004年)明显改变活化和失活动力学(Berjukow等人,2001年;Berrou等人,2001年;Berrow等人,1995年;Chen等人,2004年;Geib等人,2002年),电压选通(Berrow等人,1995年;Birnbaumer等人,1998年;卡特尔,2000年)和药物敏感性(Berrow等人,1995年;海豚,2003;Wei等人,1995年). 例如,尽管α1亚单位包含电压依赖性失活的内在决定因素(Cens等人,1999年;Herlitze等人,1997年;Spaetgens和Zamponi,1999年;Zhang等人,1994年)与不同的β亚单位亚型结合可能增加或减少其总失活率(Meir和Dolphin,2002年;Olcese等人,1994年). 重要的是,所有四个β亚基都产生了一个分子信号,用于正确靶向功能性钙的质膜2+通道复合体,从而可以深刻影响钙的水平2+细胞去极化过程中的内流(Birnbaumer等人,1998年;Bogdanov等人,2000年;Brice等人,1997年;Canti等人,2000年;Chien等人,1996年,1998;海豚,2003;Kobrinsky等人,2004年).
α的表达和功能1亚单位也依赖于与α的结合2δ亚单位。四个不同的α2δ亚单位(α2δ1, α2δ2, α2δ三, α2δ4)源于单个基因的选择性剪接(Klugbauer等人,2003年;Marais等人,2001年)翻译后的二硫键导致了膜描绘的二聚体(De Jongh等人,1990年;Jay等人,1991年). 虽然δ亚单位是固定在膜上的蛋白质部分,但细胞外α2亚单位也与α相互作用1亚单位(Gurnett等人,1997年). α的共表达2克隆α的δ亚基1亚单位导致加速通道门控、电压激活的超极化偏移和增强通道表达(Klugbauer等人,2003年). 尽管没有直接证据表明这些辅助亚单位之间的相互作用,但后一种效应可能至少部分依赖于β亚单位的存在(Gerster等人,1999年;Klugbauer等人,2003年;Sipos等人,2000年).
α1骨骼肌和神经元中表达的亚单位也与γ亚单位共纯化,γ亚单位是具有4个跨膜段的膜描绘糖蛋白(Arikkath和Campbell,2003年;海豚,2003). 尽管γ亚基显示出广泛的组织分布,但它们是否与α1其他细胞类型中的亚单位仍有争议(Kang等人,2001年;Klugbauer等人,2000年;Moss等人,2002年). 到目前为止,α1γ亚基已在心血管组织中被描述。
3.钙L(左)血管平滑肌通道
初步研究表明,血管钙的亚基组成L(左)经络是动脉张力和血压水平的决定因素。在功能上,这些CaL(左)通道显示出20-30pS之间的单一电导,并且对硝苯地平和其他1,4-二氢吡啶拮抗剂的阻断高度敏感。钙的建模研究L(左)VSMC中的电流表明,至少有数千个成孔钙2+通道亚单位在单个细胞中表达(Nelson等人,1990年). 这些通道在持续去极化期间缓慢失活,因此电压依赖性钙离子2+这些通道中的一小部分允许的内流足以介导压力诱导的小动脉收缩,并有助于冠状、脑和肾血管床的动态自动调节(Gauthier-Rein和Rusch,1998年;Goligorsky等人,1995年;Inscho等人,1998年;Narayanan等人,1994年;Nelson等人,1990年). 因此,持续电压依赖性Ca2+通过Ca流入L(左)通道维持血管收缩的紧张水平,并提供兴奋性模板,内源性血管活性物质可在此基础上进一步调节动脉直径。
令人惊讶的是,尽管它们在调节VSMC的兴奋-收缩耦合中起着关键作用,但血管钙的确切亚单位组成L(左)通道复合体仍然相对模糊。在这方面,似乎CaL(左)VSMC中的信道最少由α组成1、β和α2δ亚基。在多种动脉组织中检测到一些相应的转录物和蛋白质(). 此外,小鼠的基因缺失研究对α1摄氏度和β亚单位对动脉张力和血压水平的影响(). 毫不奇怪,α1摄氏度亚单位在介导血管反应性中起着关键作用。例如,去极化诱导的收缩和肌源性张力在小鼠动脉中消失,表现为α1摄氏度(钙V(V)1.2)基因。在这些动物中,血压水平降低了约30毫米汞柱(Moosmang等人,2003年). 重要的是,α1摄氏度VSMCs中的亚单位代表平滑肌剪接变异体(α1C-b型)与剪接变体(α1C-a型)由心肌细胞表达(廖等,2004;Welling等人,1997年). 最值得注意的是,外显子8的选择性剪接导致跨膜片段IS6的氨基酸差异,这赋予了1,4-二氢吡啶药物对血管变体的敏感性增加(廖等,2004;Welling等人,1997年). 此外,外显子1的选择性剪接导致α的N末端更短1摄氏度VSMC亚单位与心肌细胞的比较(Saada等人,2003年). 这种安排可能允许一个单独的启动子选择性地调节血管钙的可用性L(左)受相同刺激影响的其他组织中不改变表达水平的通道(Pang等人,2003年;Saada等人,2003年).
表1
L-型钙的转录和蛋白表达2+(钙L(左))血管系统中检测到的通道亚单位
子单位 | 人类染色体定位 | 血管表达
|
---|
信使核糖核酸 | 蛋白质 | 准备 |
---|
α1摄氏度(钙V(V)1.2) | 第12页13.3 | 是的 | | 人主动脉一,b条 |
| | 是的 | 是的 | 小鼠主动脉c(c),d日 |
| | 是的 | 是的 | 大鼠主动脉e(电子),(f) |
| | 是的 | 是的 | 大鼠肠系膜动脉克 |
| | 是的 | 是的 | 大鼠股动脉克 |
| | 是的 | 是的 | 大鼠肾动脉小时,我 |
| | 是的 | 是的 | 猪冠状动脉j个 |
| | | 是的 | 猪肺动脉k个 |
| | | | *不包括所有研究 |
β1 | 17季度21–22季度 | 是的 | | 大鼠肾动脉我 |
β2 | 第12页 | 是的 | 是的 | 小鼠主动脉c(c) |
| | 是的 | | 大鼠肾动脉我 |
| | 是的 | 是的 | 猪肺动脉k个 |
β三 | 2013年第12季度 | 是的 | 是的 | 小鼠主动脉c(c) |
| | 是的 | 是的 | 兔主动脉我 |
| | 是的 | | 大鼠肾动脉我 |
β4 | 22至23季度第2季度 | 是的 | | 大鼠肾动脉我 |
α2δ-1 | 21至22季度第7季度 | 是的 | 是的 | 人体主动脉米,n个 |
α2δ-2 | 第21.3页 | 是的 | 是的 | 人主动脉米 |
α2δ-3 | 第11.1页 | | | ??? |
α2δ-4 | 第12页13.3 | | | ??? |
表2
子单元删除 | 生存 | 心血管效应 |
---|
α1摄氏度(平滑肌肉特异性、诱导性敲除) | 是的一 | 胫动脉显示钙丢失L(左)VSMC电流、肌原性张力丧失和去极化诱导的收缩;血压低 |
β1(常规淘汰赛) | 出生时死于窒息b条 | ????? |
β2(常规淘汰赛) | 胚胎致死c(c) | ????? |
β2(保留内心的表情) | 是的c(c) | ????? |
β三(常规淘汰赛) | 是的d日 | 还原钙L(左)主动脉VSMC电流,血压正常 |
基于Ca的多个辅助亚单位的初始检测L(左)动脉组织中的通道,异源多聚钙的不同群体2+预计会有个通道。编码所有四个β亚单位(β1, β2, β三, β4)尽管只有β2和β三亚单位已被报道(). 事实上,β1和β4亚单位主要表达于血管系统外的组织,包括骨骼肌和神经元(Gregg等人,1996年;Pichler等人,1997年). 因此,缺乏β1亚单位在出生时死于窒息(Gregg等人,1996年),反映了β的必要作用1骨骼肌兴奋-收缩耦合中的亚单位(). 相反,编码β的基因的传统敲除2小鼠体内的亚单位导致胚胎死亡,可能是由于β-2亚单位允许存活(Ball等人,2002年). 在后一种动物中,关于β2亚单位缺失可能为研究β2血管钙的亚基L(左)通道表达和动脉张力的产生。值得注意的是,β三β2亚单位被维持,推测了血管β的双重功能作用2和β三亚单位(村上等人,2003年;Muth等人,2001年). 在这些动物中,主动脉VSMC缺乏β三亚单位显示电压门控钙减少30%2+电流,表示β三亚单位参与功能性α的表达1摄氏度质膜中的亚单位。在相同的动物中,残余钙的存在L(左)β缺失后VSMC中的电流三基因被解释为推断β的冗余作用2α中的亚基1摄氏度钙的贩运和维持L(左)通道表达式(村上等人,2003年).
6.钙的上调L(左)通道对高血压的反应
增强型电压门控钙2+可归因于Ca数量增加的电流L(左)据报道,SHR的脑、肠系膜和肾血管平滑肌细胞中存在高血压遗传形式的通道。升高的CaL(左)电流在高血压发展的早期就被检测到了,并且似乎与通道的电压敏感性变化无关(Lozinskaya和Cox,1997年;Ohya等人,1993年). 相反,单通道记录检测到钙的数量增加L(左)没有改变单通道电导或开放时间分布的通道开口(Ohya等人,1998年). 所有这些发现都与假设一致,即功能性钙的数量增加L(左)通道蛋白而不是通道特性的改变可能是Ca升高的原因L(左)SHR VSMC中的电流。
在这方面,蛋白质印迹证实了成孔α的表达增加1摄氏度钙的亚基L(左)成年SHR大鼠与血压正常的WKY大鼠动脉通道的比较(Pratt等人,2002年). 事实上,来自两种大鼠品系的一组动脉表明α1摄氏度SHR肠系膜、股骨和肾脏循环中的亚单位,表明这种异常至少延伸到几个血管床(). 值得注意的是,在肾脏、肠系膜和骨骼肌循环中,α1摄氏度亚单位对应较高的钙密度L(左)异常血管张力的电流与发展(Cox和Lozinskaya,1995年;Lozinskaya和Cox,1997年;Ohya等人,1993年,1998;Pesic等人,2004年;Pratt等人,2002年). 例如,在成年SHR的肾动脉中,α1摄氏度亚单位与钙增强有关2+电流和强化钙2+-用硝苯地平(Ca)治疗可逆转依赖性自发性张力L(左)通道阻断剂().
免疫印迹显示α1摄氏度与WKY大鼠相比,SHR的肠系膜、股动脉和肾动脉中的亚单位(200-240kDa)表达更高。双谱带代表亚单位的长短形式。α-肌动蛋白被用作负荷控制,呈45-kDa带。
SHR肾动脉Ca的表达和功能增加L(左)通道α1摄氏度亚单位。(A) α1摄氏度与WKY大鼠相比,SHR肾动脉中的亚单位表达更高。(B) 全细胞钙2+与WKY大鼠相比,SHR大鼠肾VSMCs中8-mV从−70 mV到+20 mV步进诱发的电流更高。(C) WKY和SHR离体肾动脉在无药生理盐水(PSS)中保持张力记录痕迹。SHR的动脉发育出更多的钙2+-依赖性音调,1μmol/L硝苯地平可逆转。经允许改编Pratt等人(2002年).
有趣的是,钙的膜密度L(左)来自SHR或WKY大鼠品系的VSMC中的电流似乎与血压水平成正比,这表明Ca不需要SHR的遗传背景L(左)通道过度表达。例如,收缩压和Ca之间存在密切的线性相关性2+WKY大鼠和SHR大鼠肠系膜小动脉分离的VSMC在自然发育过程中的电流密度(Lozinskaya和Cox,1997年). 此外,用血管紧张素转换酶抑制剂雷米普利治疗SHR,可降低收缩压和钙2+肠系膜血管平滑肌细胞的电流密度(Cox等人,2002年). 这些数据表明,血压和功能性钙的数量之间存在着强有力的正相关关系L(左)体内血管系统中的通道,并增加了高血压本身可能促进α1摄氏度动脉循环中的亚单位。
最近,高血压导致血管钙的假说L(左)直接检测主动脉支大鼠肾循环中通道的表达。在这种高血压模型中,主动脉在右肾动脉(RR)和左肾动脉(RR)之间通过手术结扎,导致结扎部位附近的右肾循环中的血压选择性升高([插图])。虽然这些动物的左右肾循环受到相同的遗传和神经内分泌影响,但α1摄氏度血压升高4周后,右肾血管组织中的亚单位明显升高(). 在同样的动物身上,打补丁灯的记录证实了α1摄氏度亚单位与钙增加有关L(左)右肾循环血管平滑肌细胞和相应小动脉中的电流自发形成血管张力,硝苯地平可逆转这种张力(). 有趣的是,右肾循环暴露于高血压水平(约150 mm Hg)下2天,可导致α1摄氏度受累动脉中的亚单位(Pesic等人,2004年). 这些最新发现提供了强有力的证据,证明α1摄氏度体内高血压亚单位增加功能性钙的可用性L(左)肾血管平滑肌细胞的通道,甚至血压的短期升高都可能迅速增加钙L(左)通道表达式。
将Sprague-Dawley大鼠的主动脉捆绑在肾动脉之间,以在捆绑部位(插图)附近的右肾循环中建立高血压。四周后,从同一动物的左右肾显微解剖肾动脉进行分析。(A) α1摄氏度亚单位在高血压暴露的右肾(RR)动脉中的表达高于左肾(LR)动脉。(B) 全细胞钙2+与LR动脉相比,RR肾VSMC中8-mV阶跃从−70 mV到+50 mV诱发的电流更高。(C) 右后动脉生成更多钙2+-在无药物生理盐溶液(PSS)中,依赖性张力大于左后动脉,而1μmol/L硝苯地平可逆转这种依赖性张力。经允许改编Pesic等人(2004).
8.降压治疗的意义
最近的证据表明,高血压期间动脉张力异常的发展与血管钙的表达增加有关L(左)最小由α组成的通道1摄氏度、β和α2δ亚单位。重要的是1摄氏度亚基是有机钙的所有三类(二氢吡啶类、苯基烷基胺类和苯并噻嗪类)的结合位点2+用于治疗人类原发性高血压的通道阻滞剂(CCB)。这些药物与α的相互作用1摄氏度亚基降低了钙的开放态概率L(左)从而衰减电压门控Ca2+血管激活所需的内流。幸运的是,血管α的丰度增加1摄氏度高血压期间的亚单位可能为CCB提供更多的结合位点,从而放大与血压升高成比例的血管扩张作用。这可能有助于解释为什么CCB能有效降低高血压动物和人类的血压,但只能轻度降低血压正常个体的血压水平(Godfraind等人,1991年;Miyamori等人,1987年;成田等人,1983年;高田和哈钦森,1983年).
然而,由于费用、副作用、药物相互作用和医生监测固有的实际困难,依从性差,估计只有20%至30%的高血压患者的血压完全正常(杜斯坦,1996年;Mancia和Grassi,2002年;Waeber,2002年). 因此,对长期抗高血压治疗的需求尚未得到满足,以避免依从性差,并将慢性高血压对患者健康的影响降至最低。在这方面,针对血管特异性钙的新疗法L(左)通道表达可能具有更持久的效果。存在多份抄本(Pang等人,2003年;Saada等人,2003年)和α的血管剪接变异体1摄氏度亚单位(廖等,2004;Welling等人,1997年)可能提供诱人的机会来差异性下调钙L(左)血管系统中的通道,以降低血压,同时保持心脏中依赖钙的表达L(左)心脏收缩通道。此外,作为β和α的类型2VSMC中的δ调节亚单位已为人所知,这是一系列减少Ca的新范例L(左)通道表达或门控可能会出现,这将促进新抗高血压药物的设计。首先,与β或α结合的独特CCB2减少Ca的δ亚基L(左)通道表达或门控可能导致VSMC的有效松弛。其次,设计了突变的β亚基与α1摄氏度内质网中的亚单位,但阻止其易位到质膜。在心肌细胞中,这些药物减少了依赖钙的兴奋-收缩耦合2+通过Ca进入L(左)通道,但不要破坏收缩或松弛的动力学(Fan等人,2003年). 这些令人兴奋的发现表明,新型抗高血压药物的开发将依赖于确定钙的亚单位基础L(左)血管系统中的通道,并设计药物来减少其表达或活性。
9.概述
许多实验室的报告一致认为电压门控钙2+通过钙的流入L(左)几种高血压大鼠模型的VSMC中的通道升高。在相同的大鼠品系中,钙过多L(左)通道α1摄氏度在参与血压调节的几个血管床中观察到了亚单位。有趣的是,高血压本身似乎促进了钙的表达L(左)血管平滑肌细胞膜中的通道,即使体内血压短期升高也能增加钙的数量L(左)小阻力动脉中的通道。最近的一项研究表明,在高血压发展过程中发生的压力诱导的VSMC去极化可能提供一种电生理信号,触发血管钙的上调L(左)频道。因此,血压似乎代表钙的内源性启动子L(左)动脉循环中的通道表达,新的研究重点是确定介导这一事件的分子过程。这些未来的研究,结合钙的详细知识L(左)血管平滑肌细胞的通道结构将为开发新的降压药物奠定基础,这些药物可以降低钙的表达或活性L(左)减弱异常血管张力的通道,这是高血压疾病的标志性发现。
致谢
作者感谢Miodrag Pesic先生在手稿和图形准备方面的协助。
作者实验室的研究部分得到了美国国立卫生研究院USPHS R01 HL-59238(NJR)、R01 HL-68406(NJR)、R01-HL63903(PTP)和R01 HL073097(PTP和JDM)的支持。