藥理調(diào)節(jié)劑及細(xì)胞體積調(diào)節(jié)氯通道的作用特征及機制研究.pdf

1、鈣激活氯通道（calcium-activated chloride channels,CaCCs）是一類陰離子通道，具有鈣離子和電壓依賴性。其組織分布廣泛，參與了眾多生理過程，包括調(diào)節(jié)上皮細(xì)胞的分泌，參與嗅覺、視覺的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)節(jié)平滑肌、心肌、神經(jīng)元的興奮性，還與腫瘤的發(fā)生發(fā)展存在密切的聯(lián)系。其生理病理學(xué)意義十分重要，是重要的藥物的研究靶點。CaCCs的分子基礎(chǔ)一直備受爭議，直到近些年大家才逐漸公認(rèn)兩大家族蛋白，八跨膜蛋白ANO1和四跨

2、膜蛋白Bestrophin1可能是CaCCs的分子基礎(chǔ)。當(dāng)兩者表達(dá)于表達(dá)系統(tǒng)時都呈現(xiàn)CaCCs特性，如對鈣離子和電壓的敏感性。因為缺乏選擇性藥理學(xué)調(diào)節(jié)劑，對特定組織所觀察到的CaCCs究竟是由ANO1或是Bestrophin1構(gòu)成難以判斷。
　　氯通道調(diào)節(jié)劑眾多，但缺乏選擇性，且研究使用較為混亂。本研究第一部分就針對此現(xiàn)狀，在建立穩(wěn)定表達(dá)鈣激活氯通道ANO1及Bestrophin1的中國倉鼠卵母（CHO）細(xì)胞系的基礎(chǔ)上觀察比較7種

3、氯通道調(diào)節(jié)劑對ANO1及Bestrophin1通道的效能、效價及動力學(xué)特征，為進(jìn)一步深入研究內(nèi)源性CaCCs以及設(shè)計研發(fā)特異性通道調(diào)節(jié)劑提供強有力的支持。
　　容積調(diào)節(jié)氯通道（volume regulated chloride channel,VRCC）是一類組織分布廣泛，對維持細(xì)胞容積穩(wěn)定具有重要生理學(xué)意義的陰離子通道。VRCC還與細(xì)胞增殖、細(xì)胞周期和細(xì)胞凋亡等生理過程密切相關(guān)，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在心律失常、心肌缺血再灌注損傷以及充血

4、性心力衰竭等病理狀態(tài)中發(fā)揮重要作用。VRCC的分子基礎(chǔ)研究一直進(jìn)展緩慢，研究者曾認(rèn)為P-糖蛋白、核酸敏感性氯通道蛋白、電壓依賴性氯通道ClC-2和ClC-3以及鈣激活氯通道ANO1和Bestrophin等可能是參與構(gòu)成VRCC的分子基礎(chǔ)。2014年，兩個研究小組幾乎同時發(fā)現(xiàn)LRRC8蛋白家族參與構(gòu)成了VRCC。本研究第二部分主要利用人胚腎上皮（HEK）以及中國倉鼠卵母（CHO）細(xì)胞觀察 VRCC的分子基礎(chǔ)及藥理學(xué)特征，重點集中在ANO1

5、和LRRC8A上。
　　VRCC受細(xì)胞腫脹激活的機制尚不清楚，且其激活機制和調(diào)節(jié)因素在不同的細(xì)胞中有所不同。有研究報道稱細(xì)胞內(nèi)鈣、酪氨酸介導(dǎo)的蛋白磷酸化、絲裂原激酶和酪氨酸激酶、小G蛋白RhoA以及活性氧（ROS）均可能都參與了VRCC的激活過程。本研究第三部分主要研究HEK293A細(xì)胞內(nèi)源性VRCC的激活機制，重點研究細(xì)胞內(nèi)鈣離子在VRCC激活中的作用。論文具體內(nèi)容如下：
　　第一部分：氯通道調(diào)節(jié)劑對鈣激活氯通道ANO1和

6、Bestrophin1作用的研究
　　目的：
　　研究比較幾種常見氯通道調(diào)節(jié)劑對鈣激活氯通道ANO1和Bestrophin1的作用。
　　方法：
　　1.建立穩(wěn)定表達(dá)ANO1和Bestrophin1的CHO細(xì)胞系；
　　2.利用膜片鉗技術(shù)觀察比較不同氯通道調(diào)節(jié)劑對ANO1及Bestrophin1通道的藥理學(xué)作用及對通道動力學(xué)影響的特征。
　　結(jié)果：
　　1.western blot實驗結(jié)果顯示穩(wěn)

7、定轉(zhuǎn)染ANO1的CHO細(xì)胞系（CHO-ANO1）和穩(wěn)定轉(zhuǎn)染Bestrophin1的CHO細(xì)胞系（CHO-Best1）細(xì)胞膜上目的蛋白表達(dá)都明顯增加。膜片鉗實驗結(jié)果顯示，在CHO-ANO1以及CHO-Best1細(xì)胞系均能成功記錄到明顯的鈣離子依賴性的外向整流電流。
　　2.膜片鉗研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)7種常用氯通道阻斷劑中，對于+80 mV下的外向電流，DIDS對Bestrophin1（IC50 of3.93±0.73μM）的選擇性遠(yuǎn)高于AN

8、O1（IC50 of548.86±25.57μM）；而NFA對ANO1(IC50 of7.40±0.95μM)的選擇性遠(yuǎn)高于Bestrophin1(IC50 of102.19±15.05μM)。CaCCinh-A01對ANO1和Bestrophin1通道的作用都比較強且效價相近，IC50分別是7.84±0.62μM和7.15±0.65μM。T16Ainh-A01可抑制部分ANO1電流，而對Bestrophin1電流幾乎無作用。鞣酸（ta

9、nnic acid）、NPPB和FFA對兩者的抑制作用接近。
　　3.NFA、FFA以及NPPB對-80 mV下記錄的ANO1內(nèi)向電流有雙向作用，低濃度（<100μM）可增大內(nèi)向電流，而高濃度（>100μM）呈現(xiàn)抑制作用。NFA，F(xiàn)FA及NPPB可明顯改變ANO1的通道動力學(xué)特征，使其去活變慢。
　　結(jié)論：
　　1.成功建立了穩(wěn)定表達(dá)ANO1和Bestrophin1的CHO細(xì)胞系；
　　2.七種常用氯通道阻斷劑中

10、，DIDS對Bestrophin1的選擇性遠(yuǎn)高于ANO1；而NFA對ANO1的選擇性遠(yuǎn)高于Bestrophin1。CaCCinh-A01對兩者的作用都比較強且效價相近。
　　3.NFA，F(xiàn)FA及NPPB對ANO1內(nèi)向電流具有雙向作用;且可明顯改變ANO1的通道動力學(xué)特征，使其去活變慢。
　　第二部分：鈣激活氯通道ANO1參與構(gòu)成容積調(diào)節(jié)氯通道分子基礎(chǔ)的研究
　　目的：
　　記錄穩(wěn)定轉(zhuǎn)染ANO1的HEK293或 C

11、HO細(xì)胞及基因敲除LRRC8A或ANO1的HEK293細(xì)胞中容積調(diào)節(jié)的氯電流并分析ANO1是否參與構(gòu)成VRCC的分子基礎(chǔ)。
　　方法：
　　1.使用420 mOsm的CsCl電極內(nèi)液與320 mOsm的NaCl細(xì)胞外液，利用全細(xì)胞膜片鉗技術(shù)記錄CHO或HEK細(xì)胞以及穩(wěn)定轉(zhuǎn)染ANO1的CHO或HEK細(xì)胞中VRCC電流；
　　2.利用藥理學(xué)抑制劑觀察藥物對VRCC電流的作用；
　　3.利用CRISPR/Cas9技術(shù)構(gòu)

12、建LRRC8A基因以及ANO1基因敲除的HEK293A細(xì)胞系，觀察敲除細(xì)胞中VRCC電流；
　　4.在LRRC8A敲除細(xì)胞中外源轉(zhuǎn)染ANO1后，觀察記錄VRCC。
　　結(jié)果：
　　1.當(dāng)電極內(nèi)液為420 mOsm CsCl，細(xì)胞外液為320 mOsm NaCl時，隨著細(xì)胞容積的增大，可記錄到明顯的VRCC電流。當(dāng)HEK(CHO)細(xì)胞膜電位鉗制在-60 mV時，平均電流密度約為64 pA/pF（CHO約為48 pA/pF

13、）。給予-100 mV到+100 mV的ramp電壓鉗制程序時，VRCC呈現(xiàn)明顯的外向整流特性。而穩(wěn)定轉(zhuǎn)染 ANO1的細(xì)胞（HEK-mANO1）電流密度在-60 mV時約為113 pA/pF（CHO-mANO1約為63 pA/pF），明顯大于未轉(zhuǎn)染ANO1細(xì)胞的電流。另外，當(dāng)使用躍階（step）去極化電壓刺激模式時，HEK或CHO細(xì)胞的VRCC電流呈現(xiàn)快速激活且快速去活的特征，當(dāng)膜電位高于+60 mV時出現(xiàn)失活現(xiàn)象。而穩(wěn)定轉(zhuǎn)染 ANO1

14、的細(xì)胞的VRCC電流則呈現(xiàn)慢激活無失活的電流特征。
　　2.第一部分研究發(fā)現(xiàn)NFA作為ANO1電流的強效抑制劑，100μM NFA可抑制約90％的ANO1電流。此部分實驗中發(fā)現(xiàn)100μM NFA對穩(wěn)定表達(dá)ANO1的細(xì)胞的VRCC電流呈現(xiàn)部分抑制作用，所抑制的電流表現(xiàn)為慢激活非失活的CaCC樣電流；10μM DCPIB是VRCC電流的相對特異性阻斷劑，對穩(wěn)定表達(dá)ANO1細(xì)胞的VRCC電流呈現(xiàn)部分抑制作用，所抑制的電流呈現(xiàn)快激活且失活

15、的LRCC8A樣電流。
　　3.基因敲除HEK細(xì)胞內(nèi)源性ANO1基因后，VRCC電流明顯減小。而敲除內(nèi)源性LRRC8A基因后，VRCC電流基本消失。然而在敲除LRRC8A的細(xì)胞中外源轉(zhuǎn)染ANO1后，高滲內(nèi)液和等滲條件下的GTPγs可部分恢復(fù)VRCC電流，呈現(xiàn)ANO1電流特征，表現(xiàn)為慢激活非失活，以及明顯外向整流特征。
　　結(jié)論：
　　1.穩(wěn)定轉(zhuǎn)染ANO1后的細(xì)胞VRCC電流明顯增加；敲除內(nèi)源性ANO1基因后的細(xì)胞VRC

16、C電流明顯降低。
　　2.敲除LRRC8A基因后，VRCC電流基本消失，再外源表達(dá)ANO1可部分恢復(fù)，說明ANO1可被細(xì)胞腫脹激活，可能是參與構(gòu)成VRCC的分子基礎(chǔ)。
　　第三部分：容積調(diào)節(jié)氯通道VRCC的激活機制
　　目的：
　　研究HEK293A細(xì)胞內(nèi)源性VRCC的激活機制。
　　方法：
　　1.利用全細(xì)胞膜片鉗技術(shù)記錄HEK293A細(xì)胞中的VRCC電流；
　　2.利用激光掃描共聚焦顯微鏡觀

17、察細(xì)胞內(nèi)鈣信號的變化；
　　3.利用PLC通路中相關(guān)分子的阻斷劑，以及經(jīng)siRNA沉降PLC后，觀察對VRCC電流的影響；
　　4.利用激光掃描共聚焦顯微鏡觀察細(xì)胞膜PIP2的水解情況。
　　結(jié)果：
　　1.使用高滲（420 mOsm CsCl）的電極內(nèi)液，在HEK293A細(xì)胞記錄到的VRCC電流有震蕩的現(xiàn)象；VRCC電流的失活與電流幅度有關(guān)，表現(xiàn)為電流越小失活特征越明顯。使用等滲內(nèi)液，低滲（220 mOsm）外

18、液記錄到的VRCC電流有與上述描述相似特征。
　　2.低滲外液可誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)震蕩性鈣升高，且不被細(xì)胞外液中加入EGTA（2 mM，降低游離鈣）或CdCl2（100μM，阻斷鈣內(nèi)流）所影響。
　　3.高滲電極內(nèi)液中加入20 mM EGTA可抑制VRCC電流的震蕩現(xiàn)象，但不影響最大電流幅度；而加入20 mM BAPTA，可明顯抑制VRCC電流；同樣使用thapasigagin預(yù)處理細(xì)胞使細(xì)胞內(nèi)鈣耗竭后，VRCC電流基本消失。

19、>　　4.3‰的血清可誘發(fā)一過性氯電流，此電流可被DCPIB或CaCCinh-A01基本完全抑制，同時血清還可引起一過性的細(xì)胞內(nèi)鈣濃度升高。
　　5.使用PLC阻斷劑 U73122（5μM）處理細(xì)胞，VRCC的電流會顯著減??；而U73122的無效結(jié)構(gòu)類似物U73343（5μM）對VRCC電流無明顯作用。
　　6.HEK293A細(xì)胞轉(zhuǎn)染PIP2特異性熒光探針tubby-YFP，進(jìn)行激光共聚焦實驗，結(jié)果顯示低滲細(xì)胞外液使熒光強度

20、明顯減弱。
　　7.IP3阻斷劑Xe-C（1μM）可明顯抑制VRCC電流，PKC抑制劑Bis-1（200 nM）則對VRCC電流無明顯作用。高滲內(nèi)液中加入GDP-βs（500μM）不會影響VRCC電流。
　　8.使用siRNA干擾技術(shù)，使PLCβ4、PLCγ1以及PLCδ3表達(dá)降低之后，VRCC電流明顯減小；PLCβ3和PLCε1表達(dá)降低對VRCC電流無明顯作用。
　　結(jié)論：
　　1.HEK293A細(xì)胞的容積調(diào)節(jié)