【www.zhangdahai.com--演说演讲稿】
【摘要】 目的 介绍电压依赖性Ca2+通道(Cav)的亚单位之一α2δ的结构和功能以及与疾病的关系。方法 对近期文献进行综述。结果 电压依赖性Ca2+通道由5个亚单位组成。α2δ亚基由α2与δ亚基联接，共同对组成通道孔道的α1亚基进行辅助，以调解外钙内流。介绍了α2δ亚基的结构和在体内的分布，以及与疾病的关系(尤其是癫痫、偏头痛和神经源性疼痛)。gabapentin类药物是α2δ1和α2δ2亚基的小分子配体，通过α2δ亚基起治疗作用。结论 α2δ亚基与疾病有关联，也是电压依赖性钙通道的分子靶点，值得进一步研究。
【关键词】电压依赖性钙通道;α2δ亚基;药物分子靶点
The functional biology of α2δ subunits of voltage-gated calcium channels and the link to diseases
XUE Quan-fu,WANG Zhen-gang.Institute of Basic Medical Sciences,Chinese Acdemy of Medical Sciences and Peking Union Medical College,Beijing 100005,China
【Abstract】 Objective To review the functional biology of α2δ subunits of voltage-gated calcium channels and the link to diseases.Methods The literatures update,were summliged.Results The genes encoding votage-gated calcium channels and the structure and distribation of α2δ subunit caere described.The link between α2δ and diseases(epilepsy，migraine and neuropathic pain)are exited.Mechanism of gobapentionid drugs-small molecute ligands of the α2δ1 and α2δ2subunit was discussed.Conclusion α2δ1 subunits of voltage-gated caleium channel links to diseases and belongs to motecule target of Ca2+ antagonist.
【Key words】
Voltage-gated calcium channels；α2δ subunits；Molcule tanget of drugs
细胞游离钙(Ca2+)为胞内第二信使参与细胞各种生理功能(如运动、分泌、代谢、增殖、凋亡、神经元兴奋等)，正常情况下，细胞膜形成屏障，尽管胞内外Ca2+浓度相差10万倍，但胞外Ca2+不能自由进入胞内，胞膜Ca2+通道开放是胞外Ca2+内流的主要途径，也是引起胞内Ca2+持续升高的关键。胞浆内Ca2+浓度［Ca2+］�i升高能起生物放大效应，触发生理功能，但持续大量升高，会引起细胞各种障碍甚至致病，一般认为［Ca2+］I在细胞静息时为107~108 mol/L,启动生理活动时为106 mol/L,超过此浓度表明失稳态形成钙超载(overload),由生理转入病理状态，是引起细胞死亡的共同机制。有人指出胞浆钙超载使磷酸根沉淀(而磷酸根是细胞能量和代谢所必需的)也是细胞损伤的原因之一。钙通道阻滞剂能选择性的阻滞胞外Ca2+经钙通道进入胞内，从而减少［Ca2+］�i；已广泛应用于临床防治疾病，如治疗高血压、心绞痛、心率失常等有效[1，2]。对脑缺血、卒中、心肌梗死、哮喘、输尿管痉挛、前列腺炎、胰腺炎、Algheime氏病[4]、雷诺现象、弥漫性食管痉挛等均有程度不等的疗效。随着对该通道研究的深入，原有的钙阻断剂会挖掘出新的用途，并为新一代钙阻断剂的开发和应用提供新思路[5]。
生理和病理生理学系(薛全福); 药理学系(王振纲)
1 电压依赖性钙通道的分型，结构与功能
电压依赖性钙通道(voltage operated calcium channels vocc)是钙通道之一，有3个特征：电压依赖性激活(activation)，很高的离子选择性(selectivity)，开启后自发性失活(inactivation)，其开放时间约1 μs，允许约3 000个Ca2+通过。VOCC研究有两点突破性进展。其一是用膜片钳草离子通道技术，发现有不同亚型：①低电压就激活(激活电压2+电流故称R型。P型分布在小脑蒲肯野细胞内参与神经递质释放,故被称为Purkin je type。P、Q、R型均为高电压才激活的通道[5，6]。其二是认清VOCC是跨膜蛋白，并分清其亚单位及所起作用，从而阐明VOCC的基本结构与功能。对L型通道分子结构研究最深入，利用此通道与其拮抗剂双氢吡啶(DHP)能特异结合的特点，用核素标记DHP与同道蛋白结合将通道蛋白纯化、结晶、克隆进行分子结构分析表明此通道是由α1、α2、β、γ和δ 5个亚单位(或称亚基)肽链合成，通过激光切割技术把各亚单位分开，并将各自CDNA转染到爪蟾卵细胞稳定表达后，用膜片钳技术记录内向Ca2+电流发现α1亚单位有功能，能引起电位依赖性Ca2+内流。α1亚单位也被克隆，含1 873个氨基酸，由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4个跨膜区段组成，围成一亲水性孔道，从4个跨膜区段展开的图形中可见，每一区段含6个α螺旋跨膜结构S1~S6，在S5~S6有1个P段(pore-forming segment，又称成孔节段)由膜外进入膜内但不穿膜中途返折；故实际上是由4个区段的P段聚集在蛋白质中心形成亲水性孔道，由于有带负电荷的氨基酸残基，对Ca2+有高度亲和性，可容其选择性通过。S4区段带正电荷氨基酸残基，是电压敏感区，当膜电位变化时构象发生变化开放钙通道，钙阻断剂双氢吡啶和
苯烷基胺和苯并噻氮草类（benzothiazepine）分别在外口和内口阻断钙通道[7]。现已发现有6种不同α1亚基，组成不同通道，α1A亚基组成P/Q型，α1 B亚基新各称为Cav2．2组成N型，α1c�，α1D,α1F,α1S新各称为Cav1．2,Cav1．3,Cav1．4,Cav1．1亚基组成L型，α1E亚基组成R型，
α1G，α1H，α1S新各称为Cav3．1,Cav3．2,Cav3．3亚基组成T型，β亚基是辅助亚基，能调节α1亚基的功能，改变Ca2+内流的数量。γ亚基功能未明。α2亚基时高度糖基化蛋白质，在非还原状态下与δ亚基通过二硫键在膜外相连形成二聚体，α2δ与α1基因作用后使双氢吡啶解离和活性丧失。经分析α2和δ亚型由同一基因编码，在心肌、骨骼肌、脑、主动脉中只有α2δ基因。在非洲爪蟾卵细胞中α2δ1与α1亚基共同表达使钙电流幅度明显加大[6]。
2 α2δ亚基在体内分布及其结构
钙通道α2δ亚基已有4种基因被克隆。从骨骼肌中克隆出α2δ1，发现广泛分布于体内。从脑中克隆出α2δ2及α2δ3，最近又克隆出α2δ4。所有α2δ基因结构类似，并各有变种。α2δ1的mRNA及蛋白在骨骼肌中高表达，在其他组织也广泛表达，在啮齿动物脑中的小脑、海马和大脑皮层有高表达。α2δ2在脑中表达不均匀，主要集中于小脑蒲肯野细胞中，在脑其他部位也包括髓质、海马、纹状体也有中等量的表达，并称与GABA介导的神经元在一起。大多数研究结果都发现α2δ2 mRNA在人肺中有高表达。但很少测到α2δ2蛋白，而且在小鼠肺中也测不到α2δ2 mRNA。α3δ3 mRNA及蛋白在人脑、心、及骨骼肌中有表达，但仅在小鼠脑中有表达。而啮齿动物脑中在脑皮质，尾豆状核，海马中有高表达。
现已发现α2δ亚基中含有功能域(domain)；A型vWF(A型血管性假血友病因子，von Willedrand factor type A)域和Cache域，前者含有金属离子吸附位点(metal ion adhesion site MIDAS)，α2δ1及α2δ2均含此位点，是α2δ交连功能的基础，一旦发生变异，α2δ2就不能与二价阳离子结合，不能增加Ca2+流。Cache域能与小分子配体(包括氨基酸)结合，故α2δ1和α2δ2亚基能与gahapentin(GAP)类药物结合[8]。
实验还表明，在一些细胞株中α2δ1、α2δ2使Ca电流峰值增高3倍。
3 α2δ亚基与疾病
3．1 α2δ亚基与电线和共济失调 癫痫的发生和发展的机制尚未能充分阐明，近年来发现Ca2+信号转导与之有关。有报道癫痫神经元胞膜对Ca2+的通透性增加，使Ca2+内流增加形成Ca2+超载，引发癫痫。有人认为引起癫痫发作的因素和活性物质，都会引起［Ca2+］�i；升高，故认为Ca2+超载是关键环节，而大多数抗癫痫药物均有抑制胞外Ca2+信号转导的作用。如苯妥英钠可阻断电压依赖性Ca2+通道，及抑制Ca2+钙调素依赖性蛋白激酶活性。而钙通道阻滞剂尼莫地平(nimodipin)对实验性癫痫样放电有明显抑制作用。[9]现已有人发现自发性变异小鼠株ducky(du)有3种ducky等位基因。这种小鼠表现出小脑共济失调、癫痫、后脑和脊髓脱髓鞘，小脑体积缩小。所有的du等位基因的变异均发生在CACNA2D2基因，而这一基因在小脑蒲肯野细胞中有强表达。变异的结果是α2δα2δ2全长消失。还发现6~8 d du/du小鼠的浦金野细胞中Ca2+电流密度减少，内在激发率下降，由此可见α2δ2亚基的敲除(knockout)导致癫痫和共济失调[8]。而作用于α2δ2亚基的Gabpentin有抗癫痫的作用。
3．2 α2δ亚基与偏头痛 偏头痛的特点是阵发性、搏动性单侧头痛，可为剧痛。癫痫则包括不同症候，但最主要的特点是反复的无激发起因的癫痫(搐搦为大发作)。二者临床表现不同，但近年来有人提出癫痫是偏头痛的共病状态(Comorbid condition)。因为偏头痛患者发生癫痫远较一般人群为多，而癫痫患者中偏头痛的流行也较对照人群高。此外：二者都属于慢性的神经系统功能紊乱；并均有阵发性，在反复发作之间均可恢复原状。认为二者神经元兴奋性的改变，由相同的基因变化引起，二者有共同的发病机制，故不少抗癫痫药物能有效预防偏头痛的发作。提出脑内兴奋性氨基酸(谷氨基酸等)的增多和抑制性氨基酸(γ氨基丁酸等)的减少引起的失衡，电压依赖性Ca2+，Na+通道功能失调引起的Ca2+和Na+超载是其共同发病机制，一旦在脑干或皮层特殊区域发生上述变化，视皮层扩散性抑制(cortical Spreading depression）,一种扩散性神经胶质细胞去极化波)的阈值也降低
并使诱发长时间神经元兴奋的阈值也降低
则偏头痛和癫痫即会发作。Ca2+通道变化是其重要环节。已发现家族性偏瘫型偏头痛(famial hemiglegic migraine，FHM)患者，有P/Q型Ca2+通道α1A亚基的基因变异。在FHM1小鼠P/Q型Ca2+通道功能障碍。有报道P/Q型Ca2+通道如接受导水管周围灰质中三叉神经伤害性刺激使其功能失调也会引起偏头痛。近年来用双盲随机临床试验证明galapentin(GPT)治疗使偏头痛发作频率和强度都减轻，而且不良反应轻微。应用16周以上中心循证治疗也肯定其疗效。
研究表明GPT的主要分子靶点是Ca2+通道的α2δ亚基，由于几乎所有电压依赖性Ca2+通道均含有α2δ亚基，故GPT的作用不限于某一Ca2+通道。在突触前水平GPT可减少谷氨酸的释放，主要是与P/Q型其次是与N型Ca2+通道作用的结果[10]。循证医学验证钙通道阻滞剂西比林治疗偏头痛也有效(Sibelium)。
3．3 α2δ亚基与慢性神经性疼痛 研究表明侧脑室注入EGTA络合脑外Ca2+后，可明显提高痛阈，相反在侧脑室注入Ca2+通道开放剂Bayk 8644,可明显降低痛阈，提示胞外Ca2+内流与疼痛有关，临床上采用Ca2+通道阻滞剂除对偏头痛有肯定疗效，大剂量时对痛经及一些原因不明的疼痛也有缓解作用[9]。现已明确神经病性疼痛与α2δ亚基有关。背根神经节的神经元中(DRGS)有α2δ1及α2δ2亚基，当神经压伤实验时发现同侧DRGS及脊髓中α2δ1亚基蛋白和mRNA上调，同时发生痛觉超敏(allodynia),感觉一般触觉即引起疼痛及相关联的行为，随着这些亚基的下调痛觉超敏也逐渐消失。鞘内注射α2δ1 mRNA的反义寡核苷酸，仅上述的α2δ1蛋白上调及疼痛相关的行为减少。还发现即使没有神经损伤，α2δ1过度表达的小鼠会发生痛觉超敏，现知GPT作用于α2δ亚基。脊髓腔内注射GPT可抑制实验性痛觉超敏[8，10，11]。
4 α2δ亚基与galapentin类药物
目前gabapentin已用于治疗偏头痛、癫痫发作、带状疱疹痛、癔症及艾滋病疼痛，还作为抗焦虑药物用以术前减少焦虑，术后减少疼痛，商品名为nourotin，中文商品名译为卡巴香定。其衍生物pregabapentin商品名为lyrica.galapentin，效果不显的患者可能用它有效。
近期的研究表明galapentin在脑中与α2δ1亚基成高亲和力结合。细胞受α2δ1转染后能增加galapentin结合位点。进而发现它与α2δ1及α2δ2亚基结合但不与α2δ3和α2δ4结合。故galapentin是α2δ1和α2δ2亚基的小分子配体。与α2δ2结合亲和力为α2δ2的2．5倍。而此两种α2δ亚基必须具有VWA功能域及完全的MIDAS位点才能与galapentin结合。Galapentin是抗感受伤害的药物(anti-nocieeptire drug)，并有抗焦虑作用，其分子靶点为α2δ1亚基，至于其抗晕厥作用的分子靶点为α2δ1及α2δ2亚基。在α2δ1亚基有变异的小鼠与galapentin及其衍生物Pregabapentin结合的亲和力远低于野生型小鼠，故造成神经病性疼痛时，对上两种药物的效应降低，表明α2δ1亚基其是止痛的分子靶点。因为此时用吗啡和阿米替林(amitriptylne)仍有止痛作用[8，12，13]。可见α2δ2及α2δ1亚基是多种慢性神经系统功能失调药物的分子作用靶点，随着对其研究的深入将会对老药新用和新药开发起推动作用。还有文献报道α2δ2亚基存在于CACNA2D2基因中，而在人染色体3p21．3的人肿瘤抑制基因区存在CACNA2D2基因。而且在人的肺、乳腺及其他肿瘤发生时，常有缺失。提示与α2δ2亚基肿瘤抑制基因有关，值得作深入研究[8]。
a.钙通道的拓扑结构α2与δ以双硫键结合共同发挥作用;b.钙通道结构示意图，α1亚基Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、 Ⅳ 4个区段;c.α1亚基4区段展开图，没个区段含6个螺旋跨膜结构S1-S6;d.以Ⅲ Ⅳ两个区段为代表放大后可见S4电压敏感结构，S5及S6之间有1个P节段，4个P节段在蛋白质中心聚成亲水性孔道。该通道阻断剂双氢吡啶(DHP)及
benzothiazepines及苯烷基胺（phenyl alky lamine）(Domains:区域,Segments:节段，ss：双硫键，Activation:活化，Inactivation:失活，Selectivity:选择性，Voltage sensor:电压敏感器)（引自Richard S,Drugs 2006,65 supple p5-p6）分别在通道外口和内口有结合部位(引或仿自参考文献6，7)。
钙通道由α1、α2、β、γ和δ 5种蛋白质亚单位构成，α1形成孔道结构，β及α2δ亚型在细胞内侧调节α亚基的活动。
参考文献
1 王振纲.对补钙有关问题的初步探讨.药物不良反应杂志，2006,8(5):326-329.
2 刘英，崔翔，廖玉华.钙通道阻滞剂与心血管免疫炎症的关系.中华药理学通报，2007,23(2):141-143.
3 王振纲，薛全福.Ca2+信号通道与胰腺炎.中华药理学通报，2007,23(3):281-285.
4 Lorella M.T.Cangonieoo and B.Joy Snider,Calcium in Algheimer’s disease pathogeneiss:too much,too little on in the wrong place.J Algheimer’s Dis,2005,(8):147-154.
5 张志国，张庆祥.T型钙通道及其作用.药物研究进展，2007，23(2):143-147.
6 赵桂岭.钙通道及钙释放通道.休克的细胞和分子基础.科学出版社，2002,100-107.
7 王晓良，郑永芳.细胞膜钙通道.细胞信息与调控(第二版)，中国协和医科大学出版社，128-151.
8 Qavies A，Hendrich J，TranVanMinh.A,et al.Functional biology of the voltage-gated Calciam Channels.Trends in Pharmaco.Sci,28(5):220-226.
9 关永源.细胞Ca2+信号转导与疾病，高级病理生理学.科学出版社，1998:24-37.
10 Calabresi P，Galletti F，Rossi C,et al.Antiepiliptic drugs in migranine:from clinieal aspects to cellular mechanisms，Trends in pharmco，sci,2007,28(4)188-195.
11 Li CY，Zhang XL，Matthews EA ,et al.Colcium channel α2δ1 subumit mediates spinal hyrerexcitablity in pain modu/ation pain,2006,125:20-34.
12 Donato R，Page KM，Koch D ,et al.The duckyzj mutation in Caona 2 d2 results in reduced Spontoneous Parkinje cell actirity and altered gene expression.J Neuro Sci，2006,125,20-34.
13 Cheng JK,Chioa LC.Mechnism of the anti-nociceptive action of gabapentin.J Pharmacol Sci,2006,100：471-486.
