神经系统兴奋性活动(即神经元动作电位的传导)以及形成神经环路(即神经元间突触信号的传递)的核心构件，任何离子通道的基因突变都有可能异化通道蛋白的正常功能，造成中枢神经系统电活动的失衡，最终诱发异常同步化放电。运用定位，克隆，和建立体外表达系统等分子生物学以及电生理记录等现代技术已发现一些先天性癫痫的发病机制与中枢神经系统离子通道的突变密切相关[1]。

1 电压门控离子通道的结构和特征

   电压门控钠通道是生物体电信号产生和传播的主要基础,具有组织分布特异性,并由多基因家族编码。神经系统的电压门控钠通道是由α、β1 和β2 三个亚基组成的复合体。α亚基具备有通道的完整生物功能活性,包括通道的通透性、电压依赖性以及对离子的选择性等。β亚基是辅助亚基,在通道的亚基定位以及功能的表达过程中起着重要的构架支撑调节作用。

   背根神经节(DRG) 是躯体感觉初级传入神经元细胞体的聚集处。尽管DRG神经元起源于神经嵴,但由于它们之间在形态结构,生理特性以及表面受体分布等方面存在着许多的差异,使得整个DRG神经元构成了一个异源的细胞群。DRG神经元的异源性与不同性质的躯体感觉传入除了体现在解剖学上不同的投射途径外,更重要地体现在DRG神经元电生理性质上的差异。换言之,不同性质躯体感觉(特别是伤害性感觉) 的传入与电压门控钠通道在DRG神经元中的差异性表达和分布紧密相关。

一、DRG神经元中的钠电流和动作电位

   DRG中的钠电流和动作电位可依据不同的标准被划分为不同的类型:如依据电流或动作电位的持续时间可分为快或慢两种电流(或电位);根据对河豚毒素(TTX)的敏感性可分为TTX敏感型(TTX-S)和不敏感型(TTX-R);依照动作电位的形状可分为偏折型(inflected)和非偏折型(non-inflected)等。尽管存在着上述不同的类型,但它们之间往往有着一定的内在互连关系。例如,实验记录到的TTX-R电流通常是慢电流,且其被激活的电压较高,失活较慢, 一些钙通道抑制剂对其有较大的阻遏影响等[1]。

   DRG神经元钠电流的表达与分布会随着生物体的不同发育阶段而变化。相当多的研究资料已表明,在大鼠发育的早期阶段,小直径神经元(16～26μm)主要表达TTX-R 的慢电流,随着动物发育的不断成熟,该电流的表达会逐渐减少。此外,在大直径神经元(30～46μm)中表达的TTX2S 快电流会随着大鼠的不同发育期有一个先减少后恢复的曲线过程,而在中等直径神经元(23～36μm)中不但发现可同时表达上述两种不同的电流,且它们会随着大鼠的发育渐熟期呈现出不断递增的表达势头[2 ,3]。

   Caffrey和Rizzo等曾分别利用电压钳和膜片钳技术观察了成年大鼠DRG神经元中钠电流的表达与分布[4 ,5]。他们均记录到了三种不同机制的钠电流。其中两种被发现在小直径神经元中: TTX-R慢电流和由阳极断电产生的TTX-S快电流。第三种被发现在大直径神经元中, 它也是一种TTX-S快电流, 但其失活的状态介于小直径神经元中两种电流的之间。在中等直径神经元中记录到的钠电流则分为两类, 一类与小直径神经元中的两种钠电流相似, 另一类与大直径神经元的钠电流形式相同。此外, Elliott等还发现另存在着仅表达TTX-S电流的小直径神经元, 其表达数目甚至可达到小直径神经元的55%。

显然, 对于DRG神经元钠电流,即使同一物种在同一发育阶段也存在着许多差异。这些差异或许主要来自两个方面:一是当DRG神经元受损和被去除了轴突后,原定位于轴突的钠通道可能会发生异位表达, 并失去靶组织和其它相邻组织相互作用的适宜表达环境与条件;二是DRG神经元在体外培养的时程不同,也会导致钠电流的表达与分布呈现明显的差异。

   尽管对DRG神经元钠电流的表达性质与分布仍存在着众多学术质疑,包括采用不同的研究方法所得到的不同实验数据,但一些研究结果已得到了充分的肯定。如无论在新生大鼠出生前后或大鼠的发育期以及成熟期的DRG神经元中均能够检测到三种不同机制的钠电流,且它们的分布也极具规律[3～5]。由此说明, 在正常生理情况下, DRG神经元至少可表达三种不同性质的钠通道, 并特异性地分布在不同直径大小的神经元中, 发挥着不同的生理功能。

   除上述在DRG神经元细胞体中测得的钠电流外,事实上,在与胞体相连的神经纤维上和纤维末端(突触处)也都有特异的钠通道分布。然而,或许受到技术所限,目前对于后者的研究资料远远不如对前者的积累。

二、DRG中钠通道的克隆及其特性

   1.PN3(peripheralnerves type 3) 或SNS ( small-diameter sensory neurons) 　Rabert和Akopian 等曾分别克隆了人和大鼠DRG中的PN3和SNS钠通道[6 ,7]。两者的cDNA 编码均给出了完全相同的1956个氨基酸残基序列,表明两者为同一蛋白。比较人和大鼠的PN3氨基酸编码序列,发现两者高度同源,并与大鼠心肌的钠通道间有着65%的序列同源性。

   PN3主要表达在DRG和三叉神经节的小直径感觉神经元。它在新生和成年大鼠的相关神经元中均有显著的表达。随神经元的直径由小变大,PN3的表达程度会由高趋向低。这类神经元绝大多数被认为属伤害性传入神经元。

   将PN3的mRNA注射到爪蟾卵母细胞中进行表达,再经电生理记录发现: PN3为一特殊的对TTX的不敏感的电压门控钠通道。相对于其它钠通道,PN3似乎具有更高的稳态失活电压和激活电压。当将PN3与β1亚基共表达时,通道仍显示了慢失活机制,而其它的钠通道仅在单独表达时会表现为慢失活过程,当它们与β1亚基共表达时则会被记录到快失活的特征,由此推断,PN3 在体内应表现为慢失活的生理调控机制,并被认为它可介导动作电位较大,持续时间较长的电信号。

2.PN1(peripheralnerve type1) Toledo-Aral和Sangameswaran 等分别从NGF 诱导分化的PC12瘤细胞和DRG的大神经元中克隆得到了PN1钠通道[8 ,9]。它的cDNA序列共编码1984个氨基酸,并与人神经内分泌细胞的hNE-Na和兔的Nas电压门控钠通道的序列结构同源性达90%。PN1不仅广泛地分布于PNS的神经元包括外周神经元的内膜系统和轴突末梢,也分布在脊髓和脑神经组织中,但在CNS及神经胶质中检测不到PN1的表达。

   PN1的mRNA 被注入爪蟾卵母细胞中,经电生理记录,表明了它的电压依赖性均接近于rNaH1和rNaⅡA ,但其失活机制为双相的慢失活。PN1被认为适于介导动作电位较小,同样持续时间较长的电信号。

3.rNaBⅠ(rat sodium channel, brain type-1) 　Noda 等曾最早在大鼠脑神经组织中克隆获得了rNaBⅠ钠通道, 它的cDNA编码为2009个氨基酸残基, 属典型的TTX敏感型。

   rNaBⅠ主要分布于PNS, 它在CNS的分布呈现由尾部向头部的梯度下降。它也特异性分布在小脑、海马和脊髓等神经元的胞体中,而rNaBⅡ钠通道则相应分布在轴突。与PN3截然不同的是,随着神经元的直径由小变大, rNaBⅠ的表达程度会由低趋高。          

电生理的记录观察到了在小脑浦肯野细胞中的rNaBⅠ和Nach6钠通道可分别介导短暂和持续的内向电流。

电生理记录了在爪蟾卵母细胞表达的rNaBⅠ钠通道的功能特性,表明了它应属TTX-S的电压门控钠通道,介导动作电位较大,持续时间较短,频率较大的电信号。

   4.Nach6  它的cDNA编码为1976个氨基酸残基。其蛋白序列结构与脑型电压门控钠通道高度同源。它广泛地分布于神经系统包括CNS和DRG神经元中。

   5.NaG　 它的cDNA仅得到了部分的克隆。其部分编码蛋白序列也与脑型电压门控钠通道高度同源。研究表明,NaG钠通道不仅在DRG的不同直径神经元、脊髓神经细胞、星形胶质细胞和雪旺氏细胞中均有着相当高水平的表达,也存在于肠、子宫和肝等一些非神经组织细胞中。

三、电压门控钠通道与伤害性初级传入

   伤害性的初级传入意味着伤害性刺激换能, 指信号经C纤维和Aδ纤维传至DRG伤害性神经元, 最后传到脊髓背角相应神经元的过程。由于伤害性感觉的感受器部位通常为纤维的游离末梢, 故伤害性的初级传入可以看作相应电信号在整个DRG神经元系统中的传递过程。

   PN3被认为是与伤害性传入最密切的钠通道之一。无论是从它的表达分布或从它的电生理学和药理学特性分析,它都显示了与TTX-R钠电流和伤害性传入神经元间广泛的一致性[1 ,6 ,7]。PN3作为DRG神经元中唯一一种TTX-R的钠通道, 不仅存在于DRG神经元的胞体, 也存在于C纤维和部分有髓纤维的郎飞氏节中。经对人腓肠神经的研究发现, TTX可使复合动作电位的A波消失,C波则下降了约三分之一[10]。由此说明,至少三分之二的C纤维具有TTX-R的传导能力,并在伤害性传入中起主要作用。此外,在TTX的作用下,可使得大鼠和青蛙的有髓神经郎飞氏节的复合电流下降至原来的30% , 这一结果提示,标本中的TTX-R传导成分可能为Aδ纤维所为[11]。

   PN3的激活电压较高,在同样换能效率的前提下, PN3介导的传入需要更高的阈刺激。这与伤害性感觉的高阈刺激相符,进而也可引申解释有关伤害性Aδ纤维和其余Aδ纤维以及Aα、Aβ纤维分别介导不同机械强度刺激所引起的不同感觉传入的分子机制。

   PN3 不仅分布于DRG神经元的胞体和周围突起,也存在于中枢突起[12]。有趣的是,脊髓组织培养切片观察到,500nmol/L 的TTX便可将伤害性传入完全封闭[13]。由此可断定:在DRG伤害性神经元向心传入的末端及突触处,还存在一种介导或参与调节神经递质释放的TTX-S钠通道。那么,这便提示,不但TTX-R的PN3钠通道,而且某些特异性的TTX-S钠通道,比如前面曾提及的分布于DRG神经元突起末梢的PN1钠通道可能也参与了伤害性信息的传导或突触传递。

四、电压门控钠通道与伤害性感觉的敏感性调节

   敏感性(sensitivity)是伤害性感觉不同于其它感觉的一个重要特征。敏感性对于机体进行自我保护具有重要作用, 但长期的伤害性敏感又会给机体组织带来后果明显的损伤。

   电压门控钠通道对伤害性感觉敏感性的调节主要表现在两个方面。一是通道的电压门控调节功能的改变,二是通道表达数量及分布的自主调控。

   Jeftinija等用高钾处理DRG神经元的胞体和突起后[12],发现可选择性地激活神经元细胞的TTX2R钠电流。这种钠电流被认为是与高强度电刺激密切相关的属伤害性感觉慢传导神经元(C和Aδ)。高钾除了选择性地激活或易化伤害性传入,同时还抑制了其它的感觉传入。由此,便会导致痛觉过敏。

   伤害性传入的敏感性调制也涉及到电压门控钠通道的胞内调节性质。如电压门控钠通道的胞内磷酸化调节主要是通过蛋白激酶A和C(PKA和PKC)两个途径。在PKA的调节系统中,cAMP的浓度起着关键的作用。当伤害性信号传入时,高浓度cAMP不但可直接激活一个单价离子通道, 还可通过PKA作用于TTX-R钠通道的S4门控区域, 进而降低通道的激活电压,增加伤害性传导的能力[14]。前列腺素E2( PGE2)、腺苷和5-羟色胺等内源性物质均可通过该途径发挥作用。阿片肽(如DAMGO化合物) 的周边镇痛效应可能也是通过该途径抑制了PGE2的敏感化作用所致[15]。同样,缓激肽除了可通过B2受体直接激活钠通道,介导伤害性传递外, 还可通过PKC系统作用于电压门控钠通道, 进而增加伤害性传入的敏感性[16]。

   钠通道的表达分布特征也是对伤害性感觉传入敏感性,尤其长期敏感性的调制方式之一。不同形式的损伤模式可产生不同形式的敏感性调制。如轴突横断(axotomy)可引起DRG小神经元PN3的表达下降,rNaBⅢ的表达上升;神经瘤引起了无髓纤维(C纤维) 和部分有髓纤维的去髓部分发生节段性的钠通道聚集;由角叉菜胶(carrageenan)引起的炎症痛模型则表现为PN3表达量的明显上升。Carrageenan和其它一些试剂也能引起局部组织NGF水平的上升。而NGF 自身不但可引起痛觉过敏(痛觉阀值降低) , 也可诱导PN1和PN3表达量的上升以及rNaB Ⅲ表达量的下降[17]。

五、结语

   众所周知,电压门控钠通道在细胞动作电位的产生和传播过程中起着重要的作用。同时,它也是众多外源性天然生物神经毒素的靶受体[18]。自80年代早中期首次解析了电鳗电器官中电压门控钠通道的基因图谱结构,从而为探讨其分子调控机制奠定了基础。进入90年代,有关对电压门控钠通道的亚型分类、它们的突变体所导致的机体疾患、相关毒素配体的选择作用结合专一性,以及它们的结构与功能关系等的研究已取得了极其惊人的资料积累和知识更新[19,20]。本文着眼于电压门控钠通道与DRG神经元伤害性传入作一粗浅的轮廓素描,用意在于拓展对电压门控钠通道多重重要生理功能的认识,并力求结合国际学术前沿动态,尽可能地从配体与受体的整体框架视角,探讨相关毒素配体在基础理论研究中的价值,并加深对它们在实际开发应用中的理论依据和可能的途径的认识。

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本文已见刊《生理科学进展1999 年第30 卷第3 期》