缝隙连接与勃起功能的关系

【摘要】  由连接蛋白43构成的缝隙连接，是阴茎海绵体平滑肌细胞网络同步兴奋并快速协调一致舒缩的解剖生理基础，是维持正常勃起功能的重要条件，是治疗勃起功能障碍的重要分子靶标，缝隙连接的异常将会导致勃起功能的异常。本文就这方面的研究现状作一综述。

【关键词】  缝隙连接 连接蛋白43 阴茎 勃起

     在阴茎勃起的外周生理机制中，海绵体平滑肌舒张是重要因素。人类阴茎海绵体平滑肌细胞网络，之所以能同步兴奋并快速协调一致的舒缩，是因为存在缝隙连接(gap junction, GJ)。由于它主要由连接蛋白43(connexin43, Cx43)构成，故又称Cx43型GJ(connexin43 gap junction)。GJ广泛分布于各脏器组织，在平滑肌协调性舒缩、内环境稳定、胚胎发生及细胞生长调控中发挥重要的作用，是目前国际研究最热门的课题之一。Cx43型GJ是维持正常勃起功能的重要条件，其表达异常与勃起功能障碍(erectile dysfunction, ED)的发生密切相关。本文就这方面的现状作一综述。

    1  GJ的解剖生理

    一般而言，兴奋不可能由一个细胞直接传导至另一个细胞，这是由于细胞间电阻很大，无法形成有效的局部电流。GJ存在于大多数组织，是细胞间一种特殊的连接方式，使兴奋可以实现在细胞间的直接传导。在GJ所在部位，相互偶联的两个细胞的膜靠的很近(＜3nm)。冰冻断裂扫描电镜图像显示，每侧细胞膜上都规则排列着一些蛋白颗粒，称为连接体(connexon)或半通道(hemichannel)，是由6个连接蛋白单体构成的六聚体，中央围成一个亲水性孔道。连接体在内质网高尔基体合成后，通过出胞作用到达细胞膜[1]，与偶联细胞膜上的连接体端端对接，使二者的亲水性孔道对接形成连接通道(gap junctional channel)，连接通道的胞外部分镶嵌在脂质双层中。对接前的半通道通常是关闭的，仅在特定的电化学环境中开放，参与旁分泌细胞间信号传递和诱导细胞凋亡[2]。连接通道通常是开放的，允许分子量小于1kD的物质，如代谢产物前体、营养素和包括Ca2+、K+、IP3、cAMP、cGMP在内的离子和第二信使分子等通过[3]，为溶质扩散提供了细胞间水相通道。这种分子信号交换的过程，也称作GJ介导的细胞间信息交流。一个细胞产生的兴奋信号，可通过GJ直接传播到另一个细胞。因此，激发一次快速的合胞体式的舒缩反应，不须所有平滑肌细胞都受到直接刺激，因阴茎海绵体平滑肌细胞可作为一个细胞网络起作用[4]。GJ给相互偶联的细胞提供胞质连续性[5]。GJ可在细胞内Ca2+浓度过高或酸中毒、低氧、低血糖情况下关闭，导致海绵体平滑肌张力降低，从而诱发阴茎低流量异常勃起[6]。GJ在海绵体组织信号传导中起着关键作用[7]。

    作为GJ的构成元素Cx，实质上是一种膜蛋白，目前在人类基因组已克隆出21种[8]。依据cDNA测序所得的分子量，Cx家族依次命名为Cx26、Cx30、Cx31、Cx32、Cx37、Cx43等[9]。一个Cx分子包括四个跨膜片断、一个胞内环和两个胞外环，羧基末端和氨基末端位于胞内，羧基末端具有活性，其磷酸化/去磷酸化水平对GJ的功能状态有重要影响。多种Cx可共存于同一组织，一个GJ亦可由两种以上Cx构成。从冠状动脉旁路移植获得的乳房内动脉和隐静脉标本中，采用双重全细胞膜片钳(dual whole cell patchclamp，DWCP)技术，研究培养的血管平滑肌细胞GJ时，发现有一种非典型通道，其电导类似Cx40而电压门控行为类似Cx43，通过免疫印迹Norther blot分析证实有Cx40及Cx43mRNA联合表达[10]。系列研究已证实阴茎海绵体平滑肌细胞GJ主要由Cx43构成[1112]，它定位于人类6号染色体(q21-q23.2)[8],有一个相对大的导电性(≈100-120ps)，一个相对长的平均开放时间(0.5-5s),一个极短的平均关闭时间，因此有一个相对高的平均开放概率(≈90%)[13]。

    2  GJ与勃起的整体协同性

    虽然调节生理勃起过程的多种因子(如Ca2+、K+、环核苷酸等)已得到证实，同时也提出了一些问题。例如，为何处于低灌流状态下的海绵体，仅局部注射微克级的VIP和PGE1就可诱发快速坚硬的阴茎勃起？一个包埋在大量细胞外基质中的平滑肌束构成的器官，为何能出现如此快速协调的反应？有限的自主神经分布能提供快速协调一致的阴茎勃起吗？现有的人和动物模型显示海绵体平滑肌神经末稍分布相对稀少，与平滑肌细胞远远小于一一对应关系[14]，并非骨骼肌那样神经肌接头的对应关系。单用药物的扩散理论难以完整解释这些现象。研究发现由Cx43构成的GJ，为海绵体细胞与细胞之间协调一致的反应提供了解剖学基础。Cx43在功能上联络相偶联的平滑肌细胞浆，任何肌细胞离子通道的活性改变都将影响邻近细胞的状态。事实上阴茎小范围任何形式的电化学改变均可迅速传遍整个器官，这种合胞体细胞网络的存在对于勃起功能至关重要，保证海绵体和动脉平滑肌在受到神经或药理学刺激时能作出协调一致的反应[11]。

    现已清楚非结合性离子通道(nonjunctional ion channels)调节单个肌细胞反应，而缝隙连接通道使海绵体整体反应协调一致。但是这两种通道如何与勃起的中枢控制及外周神经控制相协调，还有另一层复杂性。Christ[5]提出“合胞体组织三联(syncytial tissue triad)”理论，即阴茎海绵体平滑肌细胞网络的收缩和舒张，类似心肌细胞的“全或无”特性。该理论将神经系统的功能活动并入勃起生理学，认为勃起过程取决于信号(反映神经分布密度和初速率等)、信号转换(反映细胞内Ca2+、K+、IP3、cAMP、cGMP的系列变化)、信号传播(反映GJ细胞间信息交流的绝对重要性)三个密不可分的有机组合。

    3  GJ的异常与ED的发生

    目前已证实GJ的异常与人类生殖系统疾病(精子活力缺乏、睾丸癌、前列腺癌等)密切相关[3]。同样，越来越多的证据表明Cx43型GJ受损与ED的发生也存在种种联系。Brink等[12]通过对STZ糖尿病大鼠ED模型短期培养的海绵体平滑肌细胞进行荧光染料转移试验，结果显示Cx43型GJ渗透性增加，导致Ca2+、IP3等信使发生更有效的转移，从而增加海绵体平滑肌张力，促使ED发生。Jiang等[15]通过对自发性高血压大鼠模型的阴茎海绵体超微结构研究发现，不规则条状胶原质在海绵窦的贮积明显增加，改变了GJ介导的细胞间信息交流，降低了海绵体平滑肌的顺应性和弹性，促使ED发生，提示在海绵体纤维化相关ED患者，Cx43型GJ可能受损。Bellinghieri等[16]通过对慢性肾功衰ED患者的阴茎海绵体超微结构研究发现，平滑肌细胞变性萎缩、数量减少，间质胶原纤维增加，结果GJ数量显著下降。Pitre等[17]通过对糖尿病外周神经元变性大鼠的阴茎背神经束膜免疫组化研究，结果显示与控制组相比，Cx26和Cx32显著降低，而Cx43在两组均未检测到。

    4  基于GJ治疗ED的现状及展望

    由于阴茎海绵体组织中有GJ的存在，保证信号在平滑肌细胞网络同步化传播，因此只要少量细胞转染目的基因即可取得疗效。利用GJ的这种特性，将舒张性生物活性因子的DNA片段作为目的基因，通过转基因技术导入ED动物体内，达到治疗ED的目的[1819]。Melman等[20]利用hMaxiK基因进行人体试验并取得初步成果，是基因治疗人类ED的里程碑。

    已发现某些ED患者的病因与海绵体平滑肌张力增高和(或)平滑肌舒张受损有关。从阴茎勃起的周围神经生理学角度，改变阴茎对肾上腺素能、胆碱能或非肾上腺素能非胆碱能(NANC)神经递质的反应性，有助于增强组织张力和削弱平滑肌舒张，而这些正是ED患者的基本特征。将GJ作为新的药物作用靶点进行研究，采用GJ阻断剂(如1庚醇、甘草次酸)抑制局部细胞内增强的Ca2+、IP3信号通过GJ通道在平滑肌细胞网络同步传播，降低平滑肌张力，有利于平滑肌舒张[21]，这可能对治疗ED有重要启示。

    从Cx43基因表达到降解的各个环节(包括Cx43的翻译和翻译后修饰)，蛋白磷酸化已被用来调节GJ介导的细胞间信息交流[22]。但Cx43在PKC依赖性过度磷酸化时，GJ将会受到抑制。具体可从Cx43的转录、翻译、组装、插入细胞膜以及与偶联细胞的Cx43相对接等多个环节来调控GJ。利用Cx43基因(或联合NO基因、hMaxiK基因)治疗ED的设想[8]，可能开辟ED的后“三线疗法”新时代。

    综上所述，Cx43型GJ是阴茎海绵体平滑肌合胞体细胞网络快速协调一致舒缩的解剖生理基础，是维持正常勃起功能的重要条件，也是治疗ED的重要分子靶标，调控GJ将为治疗ED提供新的思路。

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作者单位：泸州医学院附属医院泌尿外科，四川泸州 64600