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The role of TRPC1 and Ca2+ in the endoplasmic reticulum stress of Parkinson′s disease

TRPC1和Ca2+在帕金森病内质网应激中的作用


帕金森病是一种常见的神经系统退行性疾病,内质网应激在帕金森病发病过程中具有重要的作用。瞬时受体电位阳离子通道1(transient receptor potential channel 1, TRPC1)是非选择性的阳离子通道,主要位于细胞膜上,可以调节Ca2+的内流和抑制内质网应激所致的神经元凋亡。Ca2+是细胞内重要的第二信使,其浓度的稳定对维持细胞的功能起着重要作用。内质网是细胞内Ca2+储存的重要细胞器。因此,TRPC1和Ca2+在帕金森病中起着重要作用。综述了TRPC1和Ca2+与帕金森病内质网应激的相关进展。


    

关键词:TRPC1; Ca2+;帕金森病;内质网应激


    

中图分类号:R742.5;Q73  文献标志码:A


    

 

Parkinson′s disease is a common neurodegenerative disease. Endoplasmic reticulum stress plays an important role in the pathogenesis of Parkinson′s disease. Transient receptor potential channel 1 (TRPC1) is a non-selective cation channel which locates in the cell membrane, and regulates Ca2+ influx and plays roles in inhibiting apoptosis by endoplasmic reticulum stress. Ca2+ is an important intracellular second messenger, and the balance of Ca2+ level plays important roles in sustaining cellular functions. Endoplasmic reticulum is an important organelle of storing Ca2+. Therefore, TRPC1 and Ca2+ play an important role in Parkinson′s disease. This paper reviews the progress in relationship between the TRPC1, Ca2+ and endoplasmic reticulum stress in Parkinson′s disease.


    

Key words: TRPC1; Ca2+; Parkinson′s disease; endoplasmic reticulum stress


    

收稿日期:2012-04-20; 修回日期:2012-05-21


    

基金项目:国家自然科学基金项目(81160162)


    

*通信作者:E-mail: jiebai662001@yahoo.com.cn


全 文 :第24卷 第10期
2012年10月
Vol. 24, No. 10
Oct., 2012
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号:1004-0374(2012)10-1169-05
TRPC1和Ca2+在帕金森病内质网应激中的作用
邓 娟,白 洁*
(昆明理工大学医学院,昆明650500)
摘 要:帕金森病是一种常见的神经系统退行性疾病,内质网应激在帕金森病发病过程中具有重要的作用。
瞬时受体电位阳离子通道 1(transient receptor potential channel 1, TRPC1)是非选择性的阳离子通道,主要位
于细胞膜上,可以调节 Ca2+的内流和抑制内质网应激所致的神经元凋亡。Ca2+是细胞内重要的第二信使,
其浓度的稳定对维持细胞的功能起着重要作用。内质网是细胞内 Ca2+储存的重要细胞器。因此,TRPC1和
Ca2+在帕金森病中起着重要作用。综述了 TRPC1和 Ca2+与帕金森病内质网应激的相关进展。
关键词:TRPC1; Ca2+;帕金森病;内质网应激
中图分类号:R742.5;Q73  文献标志码:A
The role of TRPC1 and Ca2+ in the endoplasmic reticulum
stress of Parkinson′s disease
DENG Juan, BAI Jie*
(Medical Faculty, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)
Abstract: Parkinson′s disease is a common neurodegenerative disease. Endoplasmic reticulum stress plays an
important role in the pathogenesis of Parkinson′s disease. Transient receptor potential channel 1 (TRPC1) is a non-
selective cation channel which locates in the cell membrane, and regulates Ca2+ influx and plays roles in inhibiting
apoptosis by endoplasmic reticulum stress. Ca2+ is an important intracellular second messenger, and the balance of
Ca2+ level plays important roles in sustaining cellular functions. Endoplasmic reticulum is an important organelle of
storing Ca2+. Therefore, TRPC1 and Ca2+ play an important role in Parkinson′s disease. This paper reviews the
progress in relationship between the TRPC1, Ca2+ and endoplasmic reticulum stress in Parkinson′s disease.
Key words: TRPC1; Ca2+; Parkinson′s disease; endoplasmic reticulum stress
收稿日期:2012-04-20; 修回日期:2012-05-21
基金项目:国家自然科学基金项目(81160162)
*通信作者:E-mail: jiebai662001@yahoo.com.cn
帕金森病 (Parkinson′s disease, PD)是中老年常
见的神经系统退行性疾病之一,主要的临床特征为
静止性震颤、僵直、运动迟缓和体位不稳等,其病
理改变主要是中脑黑质多巴胺神经元进行性变性坏
死以及残存神经元胞浆中路易小体的堆积。帕金森
病主要的发病机制有线粒体功能障碍和自由基损伤
学说,除此之外,内质网应激也与帕金森病密切相
关。内质网在维持细胞内 Ca2+的平衡上起着重要的
作用。瞬时受体电位阳离子通道 1(transient receptor
potential channel 1, TRPC1)位于细胞膜上,是一类
非选择性的阳离子通道,主要通透 Na+和 Ca2+,对
胞质内 Ca2+的稳态起着重要作用。
1 TRPC1与Ca2+
1.1 TRPC1
瞬时受体电位通道 (transient receptor potential cha-
nnels, TRP channels)普遍存在于器官和各种细胞 [1]。
哺乳动物中,TRP超家族分为 TRPA、TRPC、TRPM、
TRPML、TRPN、TRPP和 TRPV。TRP超家族参与
细胞众多生理功能,不同亚族功能不同;TRPC主
要参与神经系统的各种功能。TRPC亚家族包括 7
个亚型 (TRPC1~TRPC7),但 TRPC2只表达于小鼠
生命科学 第24卷1170
和大鼠,在人类中是假基因。TRPC蛋白家族成员
都包含 6个跨膜区,在第 5和第 6两个跨膜区之间
含有孔环结构,每 4个家族蛋白可形成同源或异源
四聚体,四聚体组成非选择性阳离子通道,Na+和
Ca2+均可经此通道进入细胞内 [2]。TRPC通道主要
与一些神经系统疾病相关,如帕金森病和神经源性
炎症 [3-5]。另外,TRPC通道还与高血压、糖尿病和
癌症等疾病相关 [6]。
自 2005年以来,有关 TRPC1的研究越来越多。
TRPC1为 TRPC家族的成员之一,是一个非选择性
阳离子通道,主要通透 Na+、Ca2+和Mg2+等阳离子 ,
并且其对这些离子的调节是顺电位差,它是第一个
在哺乳动物细胞上发现的 TRP类似物。TRPC1广
泛存在于大脑、心脏、平滑肌、内皮、肝脏、睾丸、
卵巢和唾液腺组织中 [7]。TRPC1可以和其他 TRPC亚
型或者钙释放激活的钙通道 1(calcium release-activated
calcium channel protein 1, Orai1)形成异源多聚体,
单独或联合形成更加复杂的钙库操纵性钙内流 (store-
operated calcium entry, SOCE)。
1.2 TRPC1对细胞内Ca2+浓度的调节
内质网 (endoplasmic reticulum, ER)是真核生物
的重要细胞器,具有储存细胞内 Ca2+,帮助蛋白质
折叠和运输等功能,可以对细胞应激做出未折叠蛋
白应答以维持细胞的正常功能,内质网在维持细胞
内 Ca2+的平衡上起着重要的作用。内质网 Ca2+的
稳态主要受到两方面的影响:Ca2+诱发性钙释放
(calcium-induced calcium release, CICR)和 SOCE。CICR
是一个正反馈的过程,Ca2+通过离子通道进入胞内
后,诱导 Ca2+从钙库释放以增加胞浆 Ca2+的浓度。
而当配体与细胞表面受体结合后,磷酸酯酶 C被激
活,产生肌醇三磷酸 (inositol 1,4,5-trisphosphate,
IP3),使得内质网内 Ca
2+快速释放至胞质,导致内
质网钙储量消耗;内质网膜上的间质相互作用分子
1(stromal interaction molecule 1, STIM1)感应内质网
内 Ca2+的浓度变化 [8],从内质网膜易位到细胞膜上,
将内质网内钙储量消耗的信号传达到细胞膜上的钙
库操纵性钙通道 (store-operated Ca2+ channels, SOCC),
从而激活 SOCC[9],产生 Ca2+内流至胞质。这种钙
储量消耗引起的由 STIM1参与,经由 SOCC的
Ca2+内流就是 SOCE。
SOCC是一类非电压依赖性钙通道,广泛存在
于平滑肌细胞和神经元上,参与细胞功能,如平滑
肌收缩和突触可塑性调节,其开放与关闭受内质网
中 Ca2+储量的调控,在维持细胞内钙平衡上发挥重
要作用。在钙离子活化受体的作用下,SOCC被激活,
并调节 Ca2+内流至胞质,同时,SOCC在内质网 Ca2+
耗损时激活,因此,对内质网 Ca2+的存储起作用 [10]。
SOCE主要由三种方式激活:内质网上的 Ca2+感受
器 (STIM1和 STIM2)、质膜上的渗透通道 (Orai1和
TRPC)和调节 Ca2+敏感的细胞溶质蛋白 [11]。
TRPC1在 SOCE中起重要作用 [10],因此,TRPC1
对胞质 Ca2+浓度的调节具有重要的作用,TRPC1
的活化、过表达或者缺失都可以引起胞质 Ca2+浓度
的变化,进而影响细胞的生理功能,甚至存活。在
收缩平滑肌细胞中 TRPC1与 TRPC5形成异源二聚
体,应答细胞内钙库的耗损,Ca2+内流至胞质,维
持细胞内的 Ca2+平衡 [12]。干扰 TRPC1、Orai1或
Stim1的表达,SOCE调节的 Ca2+内流降低 [13],从
而影响了纤维细胞的生长和转型。由此可见,
TRPC1通过参与构成 SOCC,在 SOCE中起重要作
用 [10], 在维持细胞内 Ca2+的稳态及 Ca2+的信号转
导中起着重要作用。
2 TRPC1、Ca2+与帕金森病内质网应激
神经元中对胞内 Ca2+浓度的调节主要有:内
质网;膜上离子通道,如电压依赖性 Ca2+通道、离
子型谷氨酸受体以及非选择性离子通道;胞内 Ca2+
清除机制,如 ATP依赖的 Ca2+泵、Na+/Ca2+交换体、
线粒体和胞内的一些 Ca2+结合蛋白。质膜上 Ca2+
通道的活化不仅可以充盈内质网的钙库,还在与
Ca2+相关的生物功能中起着重要的作用,如神经分
泌、感觉、长时程增强、突触可塑性、细胞的增殖
和分化 [14]。而 TRPC1在中枢神经系统中的主要功
能是:影响神经细胞增殖和分化 [15],控制神经胶质
细胞分泌神经递质 [16],抗神经毒素作用 [4-5, 17]。
2.1 帕金森病模型与内质网应激
建立帕金森病模型是研究其发病机理和寻找药
物作用靶点的一个重要方法。常见的是利用神经毒
性药物来构建帕金森病的细胞或者动物模型,常用
的有百草枯、鱼藤酮、6-羟基多巴胺和 1-甲基 -4-
苯基 -1,2,3,6-四氢吡啶 (1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-
tetrhydropyridine, MPTP)等。MPTP在单胺氧化酶
的作用下产生MPP+,再由多巴胺转运体摄入多巴
胺能神经元内,通过抑制线粒体呼吸链复合物 I的
活性,使得神经元的 ATP和谷胱甘肽减少,破坏
Ca2+的稳态,自由基增多,引起神经元死亡。
帕金森病的发病与多巴胺、乙酰胆碱等神经递
质的失衡、线粒体功能障碍、氧化应激、谷氨酸的
邓 娟,等:TRPC1和Ca2+在帕金森病内质网应激中的作用第10期 1171
毒性以及免疫炎性有关。而这些变化均与帕金森病
发病过程中的内质网应激密切相关 [18]。
内质网是蛋白质合成、修饰及折叠的场所,当
蛋白质折叠错误,大量未折叠或者错误折叠的蛋白
就会堆积在内质网内使得内质网功能紊乱,引起内
质网应激。内质网应激初期会出现未折叠蛋白应答
(unfolded protein response, UPR),在哺乳动物中,
UPR主要由三个跨膜效应蛋白执行:双链 RNA依
赖的蛋白激酶样内质网激酶 (RNA-activated protein
kinase-like ER resident kinase, PERK)、肌醇需求激
酶 (inositol-requiring kinase, IRE1)以及活化转录因
子 6 (activating transcription factor 6, ATF6)[19]。UPR
的激活可以帮助机体抵抗内质网应激,但是如果内
质网应激过于持久,就会触发特殊的细胞死亡程
序 [20]。Kaufman[21]研究报道,内质网 Ca2+稳态的
失调会激活 UPR。而具有神经保护作用的药物可通
过调节内质网 Ca2+的稳态,保护细胞免于凋亡。例
如:大脑皮层星形胶质细胞在缺氧条件下,二十二
碳六烯酸预处理后,可以缓解缺氧导致的内质网
Ca2+的释放,以及磷酸化真核起始因子 2α (phos-
phorylated eukaryotic initiation factor 2α, p-eIF2α) 和
活化转录因子 4(activating transcription factor-4, ATF-
4)的表达,阻止内质网应激,从而减少细胞凋亡 [22],
这说明内质网 Ca2+稳态的恢复有利于阻止内质网应
激诱导的细胞凋亡。
在帕金森病的病例中,内质网 /微粒体 α-共核
蛋白的水平明显比正常人群高,α-共核蛋白与内质
网分子伴侣相关联,并且 α-共核蛋白的过表达会
使得神经元对内质网应激诱导的毒性敏化,α-共核
蛋白对内质网的功能有直接影响 [23]。内质网应激蛋
白 ATF4可以在转录水平上调 Parkin[24]。此外,在
线粒体缺失的细胞中,MPP+仍然能够产生神经毒
性作用,并且内质网特异性蛋白 caspase-12被活
化 [25]。在 PC12细胞中,MPP+通过活化糖原合酶
激酶 3β(glycogen synthase kinase 3β, GSK-3β) 诱导
了内质网应激 [26]。内质网应激抑制剂、凋亡信号调
节激酶 1(apoptosis signal-regulating kinase 1, ASK1)
抑制剂以及 c-Jun N末端激酶 (c-Jun N-terminal kinases,
JNK)抑制剂都可以减轻百草枯诱导的多巴胺能神
经元的损伤 [27]。内质网应激蛋白 Herp是与内质网
膜结合的泛素样蛋白,在 PD模型中,它可以通过
调节内质网上钙离子释放通道蛋白的稳态来抵消突
变体 α-共核蛋白诱导的内质网应激 [28]。在鱼藤酮
诱导的 PD模型中,UPR的活化可以恢复胞质中蛋
白质的稳态以及 ER的损伤 [29]。有趣的是内质网应
激诱导剂毒胡萝卜素内酯通过激活真核起始因子 2α
(eukaryotic initiation factor 2α, elF2α)的磷酸化和抗
氧化应答元件 (antioxidant response element, ARE),
抑制了6-羟基多巴胺诱导的细胞毒性 [30]。由此可见,
内质网应激确实与帕金森病密切相关。
2.2 TRPC1和Ca2+在帕金森病内质网应激中的作

神经元中 Ca2+平衡的紊乱可以诱发内质网应
激,Ca2+的稳态与帕金森病的发病紧密相关,黑质
多巴胺能神经元内 Ca2+浓度的增加会刺激多巴胺的
释放 [31],这表明 Ca2+稳态在帕金森病中的重要性;
而 TRPC1可以促进神经元突触的生长,对神经元
有保护作用 [15]。此外,TPRC1与代谢型谷氨酸受体
1 (metabotropic glutamate receptor 1, mGluR1) 在 黑
质区的多巴胺能神经元突触中共表达,从而调节胞
质内的 Ca2+稳态 [32]。由此可见,TRPC1和 Ca2+的
稳态在神经元的存活中起着至关重要的作用。
SH-SY5Y细胞经神经毒素 Salsolinol或 MPP+
刺激后,TRPC1从膜易位至胞质而失去作用,并且
经 MPP+处理的细胞 TRPC1表达也降低,由此导
致 TRPC1与 STIM1相互作用减少,Ca2+内流减少;
而过表达 TRPC1,促进 SOCE,维持内质网 Ca2+水
平,则可以减少 Salsolinol或 MPP+诱导的细胞凋
亡 [3-5]。MPTP诱导的小鼠 PD模型中,多巴胺能神
经元质膜上 TRPC1降低,Ca2+内流减少,引发了
内质网应激应答。在细胞实验中,高表达 TRPC1
同样会恢复细胞质内的 Ca2+水平,从而减轻MPP+
诱导的 PC12细胞凋亡 [17]。此外,TRPC1过表达,
可以增加胞质的 Ca2+水平,并且经由 TRPC1内流
至胞质的 Ca2+主要进入内质网,补充内质网钙库,
之后激活 AKT/mTOR通路,促进神经元存活 [3, 33]。
Ca2+介导的信号通路与代谢、氧化应激和神经营养
相关应答有关 [33]。硫氧还蛋白是抗氧化系统中的一
个重要分子,胞外硫氧还蛋白可以增加 TRPC1的
活性 [34],而重组硫氧还蛋白的添加及硫氧还蛋白的
高表达保护 PC12细胞免于 MPP+的神经毒性 [35]。
硫氧还蛋白可能通过调节 TRPC1的活性缓解内质
网应激来抵抗MPP+的神经毒性。MPP+通过活化
GSK-3β诱导了内质网应激 [26],而 TRPC1对 AKT
通路具有激活作用,AKT对 GSK-3β具有抑制作用,
因此,TRPC1可能通过激活 AKT从而抑制 GSK-
3β的活性来抵抗帕金森病的内质网应激。以上结果
表明 TRPC1和 Ca2+对帕金森病内质网应激有调节
生命科学 第24卷1172
作用,并且 TRPC1对帕金森病病理损伤的保护作
用主要是通过 TRPC1介导的钙内流来实现。
2.3 TRPC1的其他作用
脑源性神经营养因子 (brain derived neurophic
factor, BDNF)与中枢神经系统的发育密切相关,它
们可以激活 TRPC通道,介导 Ca2+浓度的升高,影
响神经元的存活,TRPC1还在 BDNF诱导的突触
功能和 BNDF介导的神经肌肉连接中起重要的作
用 [36]。然而,不同的细胞 TRPC1作用不同,在肠
上皮细胞中,TRPC1介导的 Ca2+内流通过增加蛋
白磷脂酶 2A来抑制 NF-κB的激活,促进细胞凋亡
[37]。代谢型谷氨酸受体的激活是神经元兴奋性死亡
的主要原因,该过程受到异源 TRPC通道 (TRPC1/
TRPC4)的调节,在代谢型谷氨酸受体激活导致的
外侧隔神经元和海马神经元的损害中,敲除 TRPC1
则阻滞神经元凋亡 [38]。 这些都说明,TRPC1可以通
过调节 Ca2+的浓度来影响细胞的存活,而 TRPC1、
细胞内 Ca2+的稳态与内质网应激是紧密相关的。
3 小结
综上所述,在细胞内 Ca2+的浓度发生变化时,
尤其是内质网内 Ca2+的浓度下降时,STIM1被激活,
之后激活的 STIM1易位到质膜,并与 TRPC1结合激
活了 SOCC,从而产生 SOCE,进而上调内质网内
Ca2+的浓度。 Ca2+浓度的失调与帕金森病内质网应
激密切相关。TRPC1在帕金森病内质网应激中起保
护作用。因此,活化或过表达 TRPC1,维持内质网
Ca2+的稳态,从而抑制多巴胺能神经元变性坏死,
为帕金森病的治疗提供了新的靶点。
[参 考 文 献]
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