nav17在疼痛信號傳導(dǎo)和調(diào)控中的功能

nav17在疼痛信號傳導(dǎo)和調(diào)控中的功能

當(dāng)身體感受到疼痛和刺激時(shí)，從外周初神經(jīng)末梢源的損傷感受器中激活和協(xié)調(diào)合作，將各種損傷的機(jī)械和化學(xué)信號轉(zhuǎn)化為相互連接的電脈沖，并通過將有害征象轉(zhuǎn)移到脊柱背面神經(jīng)節(jié)（drg）和行信號通道將疼痛信號傳遞給大腦中心。急性快痛作為機(jī)體適應(yīng)性保護(hù)機(jī)制無需醫(yī)療介入。然而,由神經(jīng)損傷引起的慢性痛如神經(jīng)病理性痛(neuropathicpain)以及它本身所引起的相關(guān)神經(jīng)精神癥狀嚴(yán)重危及人們的健康、生活和工作,是迫切需要解決的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)難題。最近,英國的Cox等在Nature上首次報(bào)道了編碼電壓門控NaV1.7通道的SCN9A基因突變導(dǎo)致遺傳個(gè)體無痛癥的出人意料研究結(jié)果。該遺傳突變的個(gè)體先天失去痛覺,但機(jī)體的其它功能完全正常,提示NaV1.7通道可能會成為選擇性治療疼痛并無副作用的藥物靶點(diǎn)。本文概述了電壓門控NaV1.7通道參與疼痛的近期研究報(bào)道,并希望為進(jìn)一步探索疼痛的分子機(jī)制和藥物研發(fā)提供思路。最近韓濟(jì)生院士綜述了NaV1.7通道的研究進(jìn)展,并指出作為新鎮(zhèn)痛藥的靶點(diǎn),我們離最終消除疼痛的理想正越走越近。本文在此基礎(chǔ)上作進(jìn)一步的說明和補(bǔ)充。一、y的電壓鉗研究細(xì)胞膜離子通道是鑲嵌在細(xì)胞脂質(zhì)雙分子層中的糖蛋白和充滿水分子的孔道。通道開放時(shí),能以超高的效率順電化學(xué)梯度選擇性地轉(zhuǎn)運(yùn)離子跨膜?！半x子通道”這一概念起源于20世紀(jì)50年代初,英國科學(xué)家AlanHodgkin和AndrewHuxley利用電壓鉗(voltageclamp)技術(shù)研究槍烏賊神經(jīng)元細(xì)胞膜電導(dǎo)和興奮性時(shí)提出。他們發(fā)現(xiàn)去極化早期Na+內(nèi)流和復(fù)極化時(shí)K+外流形成的動作電位傳遞神經(jīng)電信號,并建立了Hodgkin-Huxley方程以闡明電壓依賴性鈉離子通道的三個(gè)關(guān)鍵特性,即電壓依賴性激活、迅速失活和選擇性離子傳導(dǎo)。當(dāng)膜去極化到達(dá)一定水平(閾值),鈉通道在1ms內(nèi)被迅速激活,形成內(nèi)向鈉電流,后經(jīng)0.5至數(shù)百ms后達(dá)最大效應(yīng),通道逐漸失活,鈉離子傳導(dǎo)性迅速下降。在心臟、神經(jīng)、和肌肉細(xì)胞,動作電位始于快鈉通道的激活,內(nèi)向鈉電流形成了動作電位陡峭的上升支,引發(fā)了后續(xù)K+、Ca2+離子流的正?；顒?。短時(shí)間內(nèi)鈉的大量流入,引起肌肉收縮和神經(jīng)沖動傳導(dǎo)等一連串電活動。因此鈉通道在維持細(xì)胞興奮性和電傳導(dǎo)中發(fā)揮了重要作用。(一)na+通道亞基在各種離子通道中,Na+通道(本文主要指電壓門控型鈉通道VGSC)最早被發(fā)現(xiàn)并研究,但其在進(jìn)化上卻是最晚,是由與其結(jié)構(gòu)類似的含有四個(gè)同源結(jié)構(gòu)域的鈣通道進(jìn)化而來。國際藥理學(xué)家協(xié)會根據(jù)Na+通道α亞單位基因?qū)ζ浞诸惡兔?。目前已確認(rèn),Na+通道α亞基至少有九種:NaV1.1～NaV1.9,第十種亞基NaX/NaG亦可能行使鈉通道功能(圖1)。命名規(guī)定:NaV分別表示通透離子的化學(xué)符號和主要生理調(diào)節(jié)因素——電壓,其后的數(shù)字由小數(shù)點(diǎn)分開依次表示通道亞科和同型異構(gòu)體。鈉通道蛋白氨基酸序列同源性較高(均超過50%),所有鈉通道(α亞基)結(jié)構(gòu)相(二)跨膜螺旋s1s1細(xì)胞內(nèi)存在的電壓依賴性鈉通道包含兩種亞單位:α亞單位及β亞單位。目前已克隆了10種α亞單位和4種β亞單位。通道通常由一個(gè)α亞單位和1～2個(gè)β1或β2亞單位共同組成,尤其是哺乳動物腦神經(jīng)細(xì)胞上的鈉通道,需由一個(gè)α亞單位(260kD)與一個(gè)或更多β亞單位(33～36kD)構(gòu)成。鈉通道家族各α亞基雖然氨基酸序列不同,但空間核心結(jié)構(gòu)基本相同。如圖2所示,通道蛋白折疊成四組相似的同源結(jié)構(gòu)域,每個(gè)結(jié)構(gòu)域均為一條連續(xù)的多肽,并含有六個(gè)跨膜α螺旋(S1～S6)。S4跨膜段含有每隔三個(gè)氨基酸的帶正電荷氨基酸殘基,作為電壓感受器感受膜電位的變化,并與通道電壓依賴的激活門形成偶聯(lián)。當(dāng)膜去極化達(dá)閾值時(shí),激活門打開,通道開放。通道失活機(jī)制則可被形象地稱作具有“擺動蓋機(jī)制”(hinged-lidmechanism)的動力學(xué)特征。在結(jié)構(gòu)上,通道失活門主要由III功能區(qū)的S6和IV功能區(qū)的S1之間的細(xì)胞內(nèi)環(huán)形成肽段組成,該肽段中包含高度保守的帶正電的疏水氨基酸殘基。通道失活時(shí)肽鏈旋轉(zhuǎn),其中某些關(guān)鍵的氨基酸位點(diǎn)能與通道內(nèi)口作用并閉塞離子傳導(dǎo)通路,例如位于該肽鏈環(huán)靠頂端的異亮氨酸、苯丙氨酸和蛋氨酸位點(diǎn)(Ile-Phe-Met,IFMmotif)能隨著肽鏈移動并與通道內(nèi)口結(jié)合,使該肽段像蓋子一樣封住通道內(nèi)口并使之失活。另外,四個(gè)跨膜螺旋S5和S6間的肽鏈盤旋成凹環(huán)(reentrantloop)插入通道的跨膜區(qū),形成近孔道外端的離子選擇過濾器?？椎缹挻蟮膬?nèi)端則由4個(gè)S6片段組成。因此α亞基本身即可實(shí)現(xiàn)鈉通道的三個(gè)基本功能即電壓依賴、離子選擇和迅速激活開放和失活關(guān)閉的門控過程。但研究顯示,在某些情況下β亞單位為維持通道功能所必須,當(dāng)只有α亞單位時(shí),電壓依賴性向正電位偏移,使激活閾值增大,失活變慢。β亞單位具有穩(wěn)定α亞單位,增加峰電流,加速激活與失活,改變失活的電壓依賴性等生物物理和藥理學(xué)特征。有趣的是,β1和β2亞單位均含有免疫球蛋白樣構(gòu)型,預(yù)示其可能與某些細(xì)胞外蛋白配體發(fā)生相互作用,與某些神經(jīng)黏附功能有關(guān)。二、nav1。7，疼痛(一)慢性痛的臨床表現(xiàn)根據(jù)國際疼痛學(xué)會定義,疼痛是一種“不愉快的主觀感覺和情緒體驗(yàn)”疼痛發(fā)生時(shí),機(jī)體可以像判斷一般軀體感覺一樣,覺察痛刺激的類型、部位和強(qiáng)度。疼痛亦是人類進(jìn)化保留下來的一種機(jī)體對外環(huán)境的適應(yīng)方式。當(dāng)受到某些刺激時(shí),急性痛作為一種警示保護(hù)機(jī)體,回避傷害。與急性痛不同,慢性痛伴隨著強(qiáng)烈而不愉快的情緒反應(yīng),包括厭惡、焦慮、恐懼,以及迫切要求終止或除去致痛刺激的愿望。慢性痛如神經(jīng)病理痛,由于其病因的多樣性和發(fā)病的復(fù)雜性給臨床治療帶來很大困難。因此,在分子和細(xì)胞水平研究疼痛發(fā)生的機(jī)制,尋找特異和更精確有效的治療靶點(diǎn),已成為近年來神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域倍受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。(二)nav1.7在疼痛中的作用河豚毒素(TTX)敏感的NaV1.7選擇性高表達(dá)于外周痛覺神經(jīng)末梢和交感神經(jīng)節(jié)。編碼hNaV1.7的α亞基基因——SCN9A,位于2號染色體長臂。早期對炎癥痛動物模型的觀察發(fā)現(xiàn),炎癥痛大鼠DRG神經(jīng)元中NaV1.7表達(dá)增加。條件敲除DRG神經(jīng)元傷害性感受器上NaV1.7基因的大鼠,對炎癥痛的反應(yīng)大大降低。提示該通道可能在疼痛中發(fā)揮重要作用。NaV1.7分布于感覺沖動誘發(fā)周圍區(qū)域,在DRG神經(jīng)元電活動生成的早期,末梢興奮(如斜坡電壓刺激rampstimulus)可誘發(fā)膜電位微小去極化。由于NaV1.7具有緩慢關(guān)閉態(tài)失活和緩慢去失活的特點(diǎn),使其在低幅閾下刺激時(shí)不太可能失活。因此NaV1.7能在約-65mV的低電壓下產(chǎn)生對TTX敏感的持續(xù)內(nèi)向電流,這種閾下鈉電流能提高神經(jīng)元對外來刺激的去極化水平,使沖動擴(kuò)大繼而激活傷害性感受器上的NaV1.8通道,NaV1.8所介導(dǎo)的內(nèi)向電流占DRG神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢簧仙Х鹊?0%～90%。可見NaV1.7可將最初的疼痛電信號擴(kuò)大并促進(jìn)神經(jīng)持續(xù)興奮,這種“放大器效應(yīng)”是NaV1.7區(qū)別于其它鈉通道的特殊功能。近年來研究發(fā)現(xiàn),NaV1.7的突變與疼痛的遺傳機(jī)制密切相關(guān)。已有多篇文獻(xiàn)報(bào)道,該通道突變可導(dǎo)致一種罕見的常染色體顯性遺傳病——紅斑性肢痛病。因此深入研究該通道功能對認(rèn)清和診治某些罕見的遺傳性疼痛癥起到積極作用,同時(shí)也有望開發(fā)治療慢性痛和偶發(fā)性疼痛的靶點(diǎn)特異性藥物。(三)突變基因的發(fā)現(xiàn)和分類原發(fā)性紅斑性肢痛癥(Primaryerythermalgia,PE)為常染色體顯性遺傳病。一般起病于青春期,多呈家族性遺傳,其癥狀為肢端間歇性燒灼樣疼痛、紅腫和溫度升高,通常由輕微熱刺激或運(yùn)動產(chǎn)熱引起。某些鎮(zhèn)痛藥,如阿司匹林、非甾體類抗炎藥、血管收縮藥等治療只能部分控制病情,一般抬高肢體或?qū)⒒贾肜渌锌删徑獍Y狀,但后者易導(dǎo)致壞疽,嚴(yán)重者甚至被截肢,病情惡劣給患者身心帶來極大傷害。紅斑性肢痛癥研究取得的突破性進(jìn)展始于其遺傳基因的定位。最初由美國的研究組對患病基因連鎖分析顯示,突變基因位于2號染色體(2q31～32)。在2004年,我國的楊勇等對兩個(gè)患病的中國家系進(jìn)行了研究,將易感位點(diǎn)縮小到5.98cM的區(qū)域,并首次報(bào)道了紅斑性肢痛癥病人在SCN9A高保守序列上的兩個(gè)遺傳錯(cuò)義突變位點(diǎn)(I848T、L858H)。隨后Dib-hajj等還報(bào)道了NaV1.7保守序列上的另一個(gè)錯(cuò)義突變F1449V。將患病突變型NaV1.7轉(zhuǎn)染HEK293細(xì)胞,研究發(fā)現(xiàn)突變的NaV1.7通道的激活向超極化左移,激活閾值降低,同時(shí)通道失活減慢。突變通道易激活、電流幅值增大、開放時(shí)間延長等特點(diǎn)導(dǎo)致神經(jīng)元能感應(yīng)微小刺激并持續(xù)興奮。Gardiner等在對陣發(fā)性劇痛癥(paroxysmalextremepaindisorder)研究中發(fā)現(xiàn),病人的SCN9A基因發(fā)生了突變可以導(dǎo)致其它疼痛異常。陣發(fā)性劇痛癥是一種罕見的常染色體顯性遺傳性疼痛癥,癥狀為無征兆性突發(fā)性燒灼痛,疼痛部位一般位于直腸、眼睛和顎部。研究者對11例家族遺傳性病例和2例散發(fā)病例進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)8處位于SCN9A基因上的錯(cuò)義突變。體外對其中三種突變的電生理研究顯示,突變集中在鈉通道控制失活的區(qū)域,妨礙了電壓門控性鈉通道的快速失活,使開放時(shí)間延長。因此,由于在SCN9A上的突變位點(diǎn)不同,使這兩種疼痛中鈉通道功能改變各異,以致它們從患病機(jī)理到臨床治療都存在差異,類似情況在其它鈉離子通道病中也有出現(xiàn)。(四)日性特征:12亞基+scn9a12a紅斑性肢痛病是鈉通道的“功能增強(qiáng)性”突變所致。對紅斑性肢痛病機(jī)制的研究使人類開始從分子遺傳學(xué)角度認(rèn)識疼痛,并開始尋找與疼痛相關(guān)的基因突變。令人驚奇的是,最近英國的Cox等在Nature雜志上首次報(bào)道了由SCN9A突變引起的罕見的先天性無痛癥。有趣的特點(diǎn)是,患者先天對疼痛感覺完全消失,但身體其它功能完全正常。研究報(bào)道的患病男孩來自巴基斯坦北部的庫里什·伯達(dá)里部落,他從生下來就感覺不到任何疼痛。對自殘行為如將刀子刺入自己的手臂,或者在灼熱的煤炭上行走毫無疼痛感覺。Cox等還對其家系中來自三個(gè)家庭的六名無痛覺兒童(年齡為4至14歲)進(jìn)行了全面研究,發(fā)現(xiàn)他們沒有其它任何外周或中樞神經(jīng)系統(tǒng)異常,智力和健康狀況正常?；蚍治鲲@示,SCN9A基因在三個(gè)不同位點(diǎn)發(fā)生了無意義突變,分別為第15外顯子W897X單堿基替換、第13外顯子單堿基缺失導(dǎo)致移碼突變,以及第10外顯子S459X單堿基替換。這些突變使多肽鏈提前停止合成,蛋白失去功能。體外將突變的SCN9A與β1、β2亞基共表達(dá)在HEK294細(xì)胞,全細(xì)胞膜片鉗結(jié)果顯示,對比正常通道,突變體的電壓門控內(nèi)向鈉電流峰值大大減少,電壓依賴性激活與失活特性消失,其電生理特性幾乎與只表達(dá)β1、β2亞基的細(xì)胞毫無區(qū)別(圖3)。盡管先天性無痛癥與NaV1.7通道“功能完全缺失”的結(jié)果可能是巧合,但根據(jù)NaV1.7在DRG神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢划a(chǎn)生的重要作用而言,人們有理由推測,缺乏NaV1.7的傷害性感受神經(jīng)元的動作電位的產(chǎn)生和發(fā)放均受到了影響。雖然NaV1.7在DRG的表達(dá)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于腦,但人們?nèi)圆荒芘懦忍煨詿o痛癥是由于NaV1.7通道功能缺失介導(dǎo)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能異常的可能性。三、nav1.7阻斷劑對慢性痛覺的保護(hù)作用電壓門控鈉通道的激活開放并通過協(xié)調(diào)