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關(guān)鍵詞： 鈣通道 基因 遺傳病
離子通道是鑲嵌在細(xì)胞膜脂質(zhì)雙層上的特殊蛋白質(zhì)大分子，構(gòu)成具有高度選擇性的親水性通道，允許適當(dāng)大小和適當(dāng)電荷的離子通過。大多數(shù)離子通道大部分時間是關(guān)閉的，在特殊刺激下通道蛋白構(gòu)象發(fā)生變化，打開的機(jī)率大大增加。體內(nèi)所有細(xì)胞均有細(xì)胞均具有使細(xì)胞完成特殊的離子通道，鈣通道就是其中一種。
1 鈣通道
鈣通道不僅調(diào)節(jié)Ca2+跨膜運動的速度和量，而且參與一系列Ca2+依賴生理活動，包括肌肉收縮，激素和神經(jīng)遞質(zhì)的釋放以及細(xì)胞內(nèi)的信號傳導(dǎo)等。鈣通道分為鈣進(jìn)入通道和鈣釋放通道兩大類。鈣進(jìn)入通道使Ca2+從細(xì)胞外進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，包括由膜去極化開放的電壓門控鈣通道（voltage-gated calcium channel,VGC)，由化學(xué)信息如谷氨酸開放的配體門控鈣通道（ligand-gated calcium channel，LGC)和由細(xì)胞內(nèi)鈣儲存耗盡而激活的容量鈣進(jìn)入細(xì)胞漿中，包括ryanodine受體（RYR）和1，4，5-三磷酸肌醇受體[1]。鈣通道中VGC和RYR的基因突變均與人類遺傳性疾病有關(guān)。
1.1電壓門控鈣通道
VGC是由30～615kD的α1、α2б、β和γ中3個以上亞單位共同構(gòu)成的復(fù)合體[1]。其中α1亞單位最重要，它是大多數(shù)藥物的結(jié)合位點并形成跨膜的親水通道，其N末端和C末端都在胞漿內(nèi)。α1分為4個亞區(qū)，以近似對稱的方式排列，中間為親水孔道，4個亞區(qū)具有高度同源性，每一個亞區(qū)又由5個疏水性螺旋片段（S1-S3，S5-S6）及一親水性螺旋片段S4組成，S4橫穿于膜的兩側(cè)，有電壓感受裝置，膜電位的變化影響帶正電荷的氨基酸殘基，引起相應(yīng)位置的改變，從而使通道構(gòu)型發(fā)生相應(yīng)變化，結(jié)果使通道開放。輔助亞單位包括跨膜α2-б復(fù)合物，可增加鈣電流強度和結(jié)合抗原厥藥物gabapentin,細(xì)胞漿β亞單位可調(diào)整通道的電流強度、電壓依賴性、激活與失活特性，γ亞單位可調(diào)節(jié)α1亞單位的活性。目前已確定的人VGC亞單位基因見表。
表 人VGC不同亞單位基因
亞單位 分型 簡稱 OMIM編號 定位
α1 α1A CACNL1A4 601011 19p13
α1B CACNL1A5 601012 9q34
α1C CACNL1A1 114205 12p13.4
α1D CACNL1A2 114206 3p14
α1E CACNL1A6 601013 1q25-31
α1S CACNL1A3 114208 1q31-32
α1F CACNA1F 300110 Xp11.23
α2/б α2/б CACNA2 114204 7q21-22
β β1 CACNB1 114207 17q21-22
β2 CACNB2 600003 10p12
β3 CACNB3 601958 12q13
β4 CACNB4 601949 2q22-23
γ γ1 CACNG1 114209 17q24
γ2 CACNG2 602911 22q12-13
根據(jù)其對膜電位變化的敏感性不同，VGC可分為L（long-lasting），N(no-long lasting,non-transient)，T(transient)和P/Q四種亞型，這主要與α1亞單位結(jié)構(gòu)不同有關(guān)[2]。L型通道電導(dǎo)較大，失活慢，持續(xù)時間長，需要強的去極化才能激活，它在心血管、內(nèi)分泌和神經(jīng)等多種組織中表達(dá)，參與電-收縮偶聯(lián)和調(diào)控代謝。L型通道能與雙氫吡啶化合物（DHP）特異性結(jié)合，也叫DHP受體，它含α1S、α1C和α1D亞型單位，α1S亞單位僅在骨骼肌上表達(dá)，α1C和α1D亞單位則在神經(jīng)元上表達(dá)。T型通道電導(dǎo)小，失活快，弱的去極化電流即可激活，它主要分布在心臟及血管平滑肌，觸發(fā)起搏電活動，其分子結(jié)構(gòu)尚未查清。N型通道也需要強的去極化而激活，但失活較快，目前僅在神經(jīng)組織中發(fā)現(xiàn)，主要是觸發(fā)交感神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，N型含α1β亞型單位。P型分布在腦的蒲氏很慢，主要調(diào)控神經(jīng)遞質(zhì)的翻譯，P型與Q型均含α1A亞單位[3]。
1.2 ryanodine受體
RYR可與植物生物堿 ryanodine相互作用并被其阻斷，它由4個完全相同的蛋白亞單位組成，每個亞單位分子量約550kD[4]。在人類已發(fā)現(xiàn)3類RYR，RYR1主要見于骨骼肌，RYR2見于心肌，RYR3見于腦。肌纖維膜去極化時，骨骼肌和心肌的肌漿網(wǎng)中RYR釋放Ca2+進(jìn)入細(xì)胞漿中，產(chǎn)生興奮-收縮偶聯(lián)，這一過程由肌膜動作電位通過橫小管系統(tǒng)傳遞來完成，橫小管的L型鈣通過與肌漿網(wǎng)的RYR相互作用，以促進(jìn)Ca2+的釋放。L型鈣通過與RYR的偶聯(lián)在神經(jīng)元中也可見到[5]。
2 鈣通道與人類遺傳病
迄今已發(fā)現(xiàn)7種人類遺傳病與鈣通道基因突變有關(guān)。
2.1 CACNL1A4基因
1995年，Diriong 等[６]通過FISH將P/Q型電壓門控鈣通道α1A亞單位（CACNL1A4，也稱CACNA1A）定位于19p13。1996年，Ophoff[7]等克隆了該基因。CACNL1A4基因約300kb，含47個外顯子，編碼2261個氨基酸殘基，該基因不同類型的突變可導(dǎo)致以下三種疾病：
2.1.1家族性偏癱型偏頭痛（familial hemiplegic migraine,FHM)
該病呈常染色體顯性遺傳，發(fā)作常于兒童期或青年期，典型者頭痛伴有偏癱先兆，為短暫性偏癱，持續(xù)數(shù)小時至數(shù)天，可伴發(fā)眼顫，共濟(jì)失調(diào)和小腦萎縮等。目前已發(fā)現(xiàn)了4種CACNL1A4的錯義突變，即Arg192Gln、Thr666Met、Val714Ala和Hel811Leu[7],這些突變可能通過改變電壓敏感性、離子選擇性或滲透性、通道失活等影響鈣通道功能，從而引起臨床癥狀。對應(yīng)的小鼠Cchl1a4基因發(fā)生錯義突變后，小鼠可表現(xiàn)為失神發(fā)作，運動性癲癇發(fā)作和共濟(jì)失調(diào)[8]。約50%的FHM與19p13連鎖，提示該病有遺傳異質(zhì)性[9]。
2.1.2發(fā)作性共濟(jì)失調(diào)Ⅱ型（episodic ataxia typeⅡ,EA-Ⅱ)
此病是常染色體顯性遺傳病，表現(xiàn)為共濟(jì)失調(diào)、眼顫、構(gòu)音不清和眩暈，可呈進(jìn)行性，發(fā)作性眼顫和小腦萎縮常見，兒童后期或青年期發(fā)病，常因應(yīng)激、運動或疲勞誘發(fā)，持續(xù)數(shù)小時至數(shù)天，約50%患者有偏頭痛癥狀，包括基底動脈型偏頭痛，臨床上嚴(yán)重者可表現(xiàn)失神發(fā)作、嚴(yán)重的共濟(jì)失調(diào)和早亡，與發(fā)作性共濟(jì)失調(diào)Ⅰ型比較，無肌纖維顫搐。該病用醋氮酰胺治療有效。本病已發(fā)現(xiàn)CACNL1A基因的一種缺失突變4073delC和一個影響到第24位內(nèi)含子5’拼接位點的G→A改變[7]，這兩種病變均導(dǎo)致翻譯提前終止，產(chǎn)生截短蛋白。1997年Jodice[10]在一個臨床診斷為發(fā)作性濟(jì)失調(diào)Ⅱ型的家系中發(fā)現(xiàn)一個23次CAG三核苷重復(fù)與疾病共分離，提示CAG三核苷酸重復(fù)可能在EA-2發(fā)病中也有一定的作用。
2.1.3 脊髓小腦共濟(jì)失調(diào)Ⅵ型（spinocerebellar ataxiaⅥ,SCAⅥ)
SCA為常染色體顯性遺傳性疾病，共8型，臨床表現(xiàn)為慢性進(jìn)行全小腦功能障礙，多于成年發(fā)病，可伴或不伴認(rèn)知功能、眼、錐體外系和周圍神經(jīng)受累。該病病理機(jī)制是由于基因編碼區(qū)內(nèi)編碼多聚谷氨酰胺的CAG三核苷酸重復(fù)序列異常擴(kuò)增所致。在SCAⅥ家系中CACNL1A4基因編碼區(qū)內(nèi) cAG三核苷酸重復(fù)從正常的4～6個增加至21～27個[11]，臨床上于40～50歲發(fā)病，表現(xiàn)為眼顫、構(gòu)音困難、肢體和步態(tài)共濟(jì)失調(diào)、振動覺和位置覺損害等，晚期可出現(xiàn)吞咽困難，影像學(xué)顯示小腦萎縮。
2.2 CACNL1A3基因
1993年，Drouet[12]等通過原位雜交，將L型電壓門控鈣通道α1S亞單位（CACNL1A3，也稱CACNA1S）定位于1q32。1996年，Hogna[13]等確定了CACNL1A3基因的結(jié)構(gòu)，該基因長90kb，含44個外顯子，編碼1873個氨基酸殘基，該基因的突變與低鉀性周期性麻痹(hypokalemic periodic paralysis,HPP）相關(guān)。HPP呈常染色體顯性遺傳，兒童或成年早期發(fā)病，為發(fā)作性軀干和肢體無力，持續(xù)數(shù)小時或數(shù)天，延髓肌、呼吸肌和通常不受累，發(fā)作時常伴血清鉀降低，補鉀和醋氮酰胺治療有效。1994年，Ptacek[14]和Jurkat rott[15]等在HPP家系發(fā)現(xiàn)3個CACNL1A3的錯義突變，即Arg1239His,ARG1239Gly和Arg528His,這些突變可通過干擾去極化信號傳遞給肌漿網(wǎng)中RYR而損傷興奮——收縮耦聯(lián)，但該病的發(fā)作性和低鉀現(xiàn)象不好解釋。對應(yīng)的小鼠Cchl1a3基因發(fā)生突變后，純合子小鼠完全失去了興奮——收縮耦聯(lián)而表現(xiàn)為致死性[16，17]。某些HPP病例不與1q32連鎖，提示該病有遺傳異質(zhì)性[18]。
2.3 CACNAIF
1998年，Bech-Hansen[19]和Strom[20]等同時在位于Xp11.23的鈣通道α1亞單位F型（CACNAIF）中找到導(dǎo)致不完全X-連鎖先天性夜盲的致病突變。CACNAIF基因長28kb，含48個外顯子，編碼1903個氨基酸殘基，已發(fā)現(xiàn)的致病突變有：Gly369Asp、Arg508Gln、Arg958X、3133insC、Arg1049Trp、del3658-3669、Gln1348X、Leu1364His、Lys1591X、Asp341delC、Arg830X、Leu99linsC、Ile159delC、Arg1234X、Typ1386X[19,20]。
2.4 RYR1
1993年，Trask[21]等通過FISH將RYR1定位于19q13.1。1996年，Phillips[22]等鑒定了該基因的基因組結(jié)構(gòu)，該基因長160kb，含106個外顯子，編碼5038個氨其酸殘基，其不同類型突變導(dǎo)致以下兩種遺傳病。
2.4.1 中央軸空癥（central core disease,CCD)
該病是一種先天性非進(jìn)行常色體顯性遺傳性肌病，臨床特點是嬰兒或兒童期出現(xiàn)肌張力低下和近端肌無力，腱反射減弱或消失，骨骼肌和心肌異常，易出現(xiàn)惡性高熱，目前發(fā)現(xiàn)的致病病變有Arg248Gly、Ile403Met和Arg2163His[23、24]。
2.4.2 惡性高熱（malignant hyperthermia,MH）
該病為常染色體顯性遺傳，表現(xiàn)為惡性高溫，伴自主肌肉張力增高，乳酸酸中毒，血清中CPK增高，血清磷酸鹽和鉀升高，麻醉、酒精、感染等可誘導(dǎo)嚴(yán)重的橫紋肌溶解。該病中已發(fā)現(xiàn)RYR1的基因突變有Arg163Cys、Arg2248Gly、Arg163His、Arg163Cys、Gly341Arg、Gly2433Arg、Arg2458Cys、Arg2458His和Arg2163Cys[25～30]。
離子通道功能改變導(dǎo)致的“通道病”（channelopathies)已被確立的為一大類疾病。小鼠鈣通道β4亞單位Cchb4基因的移碼突變可導(dǎo)致常染色體隱性遺傳淡漠表型（1h）[31]，小鼠鈣通道α1A亞單位Cchla4基因的點突變可導(dǎo)致常染色體顯性遺傳性蹣跚（tg）表型[8]，小鼠鈣通道γ亞單位Cacng2基因的插入突變可導(dǎo)致常染色體顯性遺傳性引起的失神經(jīng)性癲癇（stg）表型[32]，對小鼠鈣通道的研究提示通道孔形成或輔助性通道亞單位受累均可產(chǎn)生鈣通道病。
顯性突變引起鈣通道病通常有3種機(jī)制[31]：①功能增強，因改變的通道蛋白質(zhì)活性異常增加，如低鉀型周期性麻痹和家族性偏癱性偏頭痛的錯義突變均屬于此種；②功能喪失，功能性通道蛋白質(zhì)的量不足以維持正常細(xì)胞功能，如發(fā)作性共濟(jì)失調(diào)Ⅱ型由于多肽鏈過早終止，不能產(chǎn)生功能性蛋白質(zhì)；③顯性負(fù)效應(yīng)（dominant negative effect),突變的蛋白質(zhì)干擾正常蛋白質(zhì)活性，常發(fā)生在多聚體蛋白質(zhì)，如SCA6異常的α1A亞單位可能干擾了P/Q通道的裝配
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