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离子通道在细胞膜兴奋过程中起着重大的作用,自1955年Hodgkin和Keens提出“通道”的概念以来，人们已利用各种技术尤其是膜片钳技术对其进行研究。果蝇这一良好的实验材料使我们能将遗传学、分子生物学和电生理学等各种方法有机地结合起来，为无脊椎动物乃至脊椎动物神经元的信号转导、神经网络的信息加工及中枢神经系统活动规律等提供了另一条重要途径。自20世纪果蝇的基因测序基本完成后，随着后基因组时代的到来，分析其基因产物（如细胞膜离子通道）的结构、特性和功能已成为目前的研究重点。本文将对果蝇中枢神经元离子通道的编码基因和电生理学的研究进展综述如下。
1 钠通道
1.1 钠通道的编码基因 钠通道在神经元电活动中起着极其重要的作用。在果蝇中枢神经元中，钠通道主要由两个基因编码：一是从果蝇para突变体中克隆的para基因，编码钠通道的α亚基，另一个是以大鼠神经元钠通道cDNA为探针克隆的DSC(Drosophila sodium channel)基因。Para基因编码的钠通道存在于整个中枢和外周神经系统且在果蝇的全部生活周期中均有表达，而DSC只在果蝇蛹和成虫期表达（Hong等，1994）。另外，有生理和生化证据表明［1］：nap、 seizure或tip-E基因的突变均可影响电压依赖的钠通道。Nap基因可能编码para基因翻译过程中的双链RNA解螺旋酶,但napts基因突变后,并未引起电流密度和电压依赖钠电流的明显变化。Seits1基因突变可使电压膜片钳下记录到的电流密度降低40%～60％,而seits2基因突变则未显示明显的变化。Para、 sei基因对温度敏感，分别在29℃、39℃时失效。tip-E突变也可使电流密度在-10和+40mV之间时降低40%～60％，Diane K等分析其原因可能与seits1、tip-E基因突变的原因相同，即：改变了通道的数目或单通道电导。同时，tip-E还表现出动态学方面的变化，在0和40mV电压之间，内向钠电流达峰值的速率（～300μsec）稍慢于野生型果蝇。而Dersk C等人［3］在2005年则发现果蝇中TEH1～4基因均为tip-E的同系物，且为Para钠通道的辅助基因。THE和Para的共同表达可不同程度的增加钠电流，此外神经元的稳态失活及从快速失活中恢复亦被这两组基因的功能表达所改变。
1.2 钠电流 钠通道电流是可兴奋细胞开始兴奋的前提，如果减小钾电流能够延长许多神经元的兴奋时程。在果蝇中枢神经元中，钠通道所承载的电流为内向电压依赖性电流。产卵后17h在可记录到电流的神经元上可记录到小但清楚的不失活的钠电流成分，但钠电流可能主要分布于轴突和树突上，电压难以很好的钳位，所以能记录到钠电流的神经元大约仅有30％。其激活电位在-60mV和-45mV之间，在-15mV时达最大电流，随后电流翻转变小。Saito and Wu［5］研究得出钠电流包括两种成分：瞬时电流和持久电流。从细胞外液中剔除Na+或加入10-8mol的河豚毒素可使这两种成分完全消失，而500ms-20mv的预处理只能使80％瞬时成分失活，对持久电流成分则无明显影响。
2 钙通道
2.1 钙通道的编码基因 电压门控的钙通道与突触传递、细胞兴奋性和神经发育等许多生理过程相关。然而，由于钙通道突变的果蝇难以获得，对果蝇神经元钙通道的研究一直较为困难。现在已知的编码果蝇电压门控通道α亚基的基因是cac基因，它因不同的转录翻译过程可形成Dmcal A、Dmcal D等不同类型的α亚基。有研究发现Dmcal A的编码基因cac的其他功能：影响了雄果蝇在求偶时的歌鸣；Ray VM等人［7］通过基因内杂交的方法又发现cac对心跳能够产生异常的作用。Cac的突变基因cac（S）和cac(TS2)k可使心跳更快速并且更规律，且对于此表型为显性基因，而对于求偶歌鸣的表型则为隐性基因。
2.2 钙电流 在果蝇产卵15～16h后，在大多数神经元上即可记录到钙电流。随着幼虫的生长钙电流也不断增加，当19～21h时钙电流也达到最大值（-34±5PA）。它通常在-30mV时激活，0mV时达最大值，其翻转电位为-45mV。经过一系列的研究，发现钙电流也包括慢失活和快失活两种成分，用钡代替浴液中的钙后，只显示了慢失活电流，所以有人推测钙离子可能诱导了钙电流的失活［8］。它们对阻断剂HoTX和amiloride有着不同的敏感性，其中amiloride能阻滞去极化可以失活的电流即快失活电流。另外用蜘蛛毒素（spider toxin）也可以分离这两种成分［9］。
3 钾通道
钾通道是最复杂的离子通道家族之一，在维持可兴奋细胞的静息膜电位、控制动作电位的时程等方面起着非常重要的作用。
3.1 果蝇中枢神经元钾通道的编码基因 钾通道的α亚基主要由sh家族、slo家族、eag家族编码。β亚基主要由hyperkinetic基因编码，它对钾通道的电压敏感性及失活动力学起着关键的调节作用。
sh家族是果蝇中最大、分布最广的钾通道基因家族，第一个被确认的果蝇钾通道编码基因是shaker,接着又陆续确认了shal、 shab和shaw等基因，后又被命名为Kv2、 Kv3、 Kv4［9］。这些基因所编码的电压门控钾通道在中枢神经元、肌细胞及许多感觉神经元中都有丰富的表达。对野生型果蝇中枢神经元电压门控钾电流的分析表明，它含有三种电流成分：瞬时外向的快失活钾电流(A-type current, IA)、缓慢失活的钾电流（delayed rectifier current, IK）和不失活的钾电流。结合遗传学方法，人们发现shaker, shal主要编码IA, shab主要编码IK，shaw、shaw1主要编码慢激活不失活钾电流。而中枢神经元中IA通道主要由shal编码，shaker仅编码中枢神经元中的某些亚细胞群上的IA通道，它主要表达肌细胞上的IA通道。Shaker不仅编码钾通道，控制膜去极化和递质释放，并且调节果蝇的睡眠需要或睡眠效率［10］。果蝇中枢神经元和肌细胞上的慢失活及不失活的IK通道均由shab、 shaw、shaw1基因表达。Shaw、shaw1不重叠表达。Shaw主要在胚胎晚期的中枢神经系统和副交感神经系统中表达；shaw1在许多不可兴奋的细胞中表达，且胚胎期几乎无处不在，而胚胎后期则仅限于中枢神经系统。Shaw、shaw1此两个基因家族编码的通道电流有助于静息电位的形成。值得一提的是，近来的很多研究表明［12］，胞内的cAMP含量可调节果蝇中枢神经元的电压门控电流，而果蝇学习记忆缺陷的dnc突变体神经元钾电流的改变与其胞内cAMP信号通路缺陷也具有很好的相关性，说明离子通道特别是钾通道可能对学习记忆过程中的神经信息调制发挥着重要的作用。
在果蝇slo家族中slowpoke(slo), slack and SK基因编码果蝇中枢神经元、肌细胞等很多细胞类型中钙激活钾通道,他们分别编码高电导、中等电导、低电导的钙激活钾通道。Komatsu A等人［14］发现slo是快失活钙激活钾电流（ICF）一定条件下的结构基因，slo的选择效应可能反映了ICF通道蛋白调节机制的缺陷。该通道与脊椎动物中的高电导钙激活钾通道BK同源，其胞内C-末端有一个Ca2+结合的类似于EF手的结构。Zeng H等人发现：slo表现出可调的蛋白激酶活性，此活性可通过slo内丝氨酸部位（Serine, S54）的磷酸化而被增强。
果蝇的eag家族包括eag、 elk和erg(seizure)基因三个成员，其表达产物可能在果蝇肌细胞及某些感觉神经元如嗅觉神经元中含量更为丰富。近几年有人研究表明［16］eag基因上的苏氨酸 787部位是钙调蛋白激酶Ⅱ（CaMKⅡ）的结合部位，这也说明了CaMKⅡ通过eag对钾电流的调节作用。Broughton SJ等人［17］研究表明eag基因同时还与果蝇求爱期的求爱行为有关。
Doring F等人［18］在2002年报道果蝇的另一个2次跨膜蛋白组成的内向整流K+通道。它由三个Kir基因编码，其成员包括Irk1、 Irk2、 Irk3。这些通道缺乏一个电压敏感的感受区域，但在控制静息电位及K+电流的动态平衡方面起着重要作用。在两个跨膜片断之间有一与Kv, Eag and Slo家族基因相似的极性序列。Evans JM等人［19］在2005年又通过微点阵分析法在果蝇肾小管发现了此三种基因Irk1、 Irk2、 Irk3，编码三种内向整流通道，在肾小管的早期分泌和重吸收过程中发挥重要作用。
3.2 果蝇中枢神经元的钾电流 用全细胞电压钳制技术在果蝇中枢神经元中记录到的电流最主要的部分为钾电流，钾电流又包括 IA、奎宁丁敏感的延迟整流钾电流I(KS)、奎宁丁耐受的延迟整流钾电流I(KF)、Na+激活的钾通道及Ca2+激活的钾通道。
3.2.1 电压门控钾通道电流 电压门控钾通道是目前钾通道中研究最多的果蝇中枢神经元通道。在细胞外液中加入10-8mM TTX和 Cd2+阻断钠、钙电流及钠钙激活的钾电流，用全细胞电压钳技术可于果蝇产卵后的14h和17h在分离的单个果蝇中枢神经元上分别记录到两种明显不同的电流：IK和 IA。Susan Tsunoda等人发现在100％的野生果蝇神经元表现出IA，78％表现出IA+IK，这两种电流成分各有其不同的激活、失活特性。结合电生理学和药理学方法的研究，揭示了这两种电流在动作电位形成过程中的作用：IA控制重复电流激活的频率及动作电位的延迟。单纯阻滞IA通常是使膜电位时程延长并不能在“全或无”的神经元上诱导产生平台电位。之后又有人发现［20］：Shab K(+) 通道的基因Shab(3)突变并不能使内向IK完全失活，经研究发现IK可以分为两种成分：I(KS)和I(KF)，前者为Shab-编码的通道电流，慢激活不失活电流；后者可能为seizure(sei)或ether-a-go-go(eag)-编码的通道电流，其快激活慢失活电流。
但钳制电位由-60mV阶跃至+40mV时，可获得最大的IA、IK，分别为150、250pA。IA、IKF和IKS的激活电位分别为-40mV、-30mV和-10mV。IA的50％激活电位为0mV，50％失活电位在-75～-45mV之间，并且当电位钳制在-20mV时，可使之失活而对IK并无明显影响，两者的半失活电位分别为-75mV、-29mV，翻转电位为-50mV、-30mV。可以用药理学方法将这三种成分分离，因为50μM的4-amynopyeidine( 4-AP)几乎可以完全阻断IA,而此浓度对IK则没有影响；100μM的奎宁丁可以阻断I(KS)，而对I(KF)则无影响，shab基因突变亦只对I(KS)有影响而对I(KF)则无影响。有研究表明镧可使瞬时电流减少80%左右［21］。IK对tetraethhyl ammonium (TEA)敏感，20mM TEA可使多数神经元的此种电流至少减少50％。Xu TX［23］等人用全细胞膜片钳技术发现Cd2+、Zn2+、Ca2+、Mg2+这些二价阳离子均可增加IA的峰电流而不影响IK，shaker突变可以部分抑制此二架阳离子的部分效应。所以如果要阻断其他电流而研究钾电流最好不用Cd2+。
3.2.2 阳离子（Na+和Ca2+）激活的钾电流
3.2.2.1 Na+激活的外向钾电流 此电流因其TTX敏感性和依赖内向Na+电流的激活特性而确定。细胞内的Cs+可阻滞此外向电流，且其翻转电位为-80mV。单通道和全细胞的研究进一步说明在其他种属中Li并不能激活此电流。在果蝇Ⅲ型中枢神经元中，Li取代细胞外液中的Na+对内向电流影响很小，但却可以明显的降低Na+激活的外向钾电流，并可诱导产生蓄积的去极化和不规则的动作电位。这说明Na+激活的钾电流在动作电位形成过程中发挥一定作用。
3.2.2.2 Ca2+激活的外向钾电流 在电压钳条件下此为对Cd2+或Co2+敏感的外向电流。细胞之间的总Ca2+依赖的电流时程各不相同，说明可能存在多种不同的Ca2+激活的外向钾电流亚型。许多细胞仅仅显示了瞬时或持久电流，所以Ca2+激活的外向钾电流可能分为快失活和慢失活或不失活成分。用Cd2+阻滞内向的电流及外向的，总效应是复极化过程减弱，导致了动作电位增宽并降低了后超极化［25］。
目前，关于阳离子（Na+和Ca2+）激活的钾电流的详细分子机制还不清楚，还有待应用单通道膜片钳技术进一步研究。各种电流的分离还未能完全完成，如shal编码的IA及slo家族编码的Ca2+激活的钾电流，对于研究各种电流特性及药物作用等工作造成不便，同时各通道的许多编码基因还未确定，所以还需继续研究。
4 氯通道
氯通道的编码基因及其电流几年前即已识别并确认了［26］编码配体门控氯通道亚基的两个基因：hclA和ort。Schnizler K等人通过对果蝇基因组的系统分析确定了pHCL的存在。pHCL是一种配体门控离子通道亚基，在果蝇胚胎、幼虫、蛹、成虫期均有表达，此通道为γ-氨基丁酸、谷氨酸、甘氨酸、组氨酸门控的离子通道。在他们的研究中确认了三个产生pHCLmRNA转录产物的部位。并且在非洲蟾蜍的卵母细胞的pHCL通道中记录到呈线性电流-电压关系的电流，此电流可被细胞外质子抑制，被阿凡曼菌激活，此外温度升高亦可诱导产生pHCL电流。
5 果蝇中枢神经元上的其他通道和受体
5.1 KCNQ通道（dKCNQ） Wen H等人［29］以哺乳动物的基因序列为基础编码了果蝇的KCNQ通道（dKCNQ），与哺乳动物此种通道有相同的特性：与CaM结合并引发了慢激活和慢灭活的电流。经原位杂交分析在果蝇大脑皮层神经元、心脏中均有dKCNQ mRNA的表达。dKCNQ mRNA或蛋白对于果蝇早期的胚胎发展意义重大。
5.2 GABA-门控阳离子通道 早在20世纪就有人发现 (gamma-aminob-utyric, GABA）的亚基LCCH3和受体亚基编码基因Rdl,此基因可能与GABA激活的氯离子通道有关［30］。Gisselmann G等人在21世纪又发现GABA门控的离子通道有亚基GRD和LCCH3组成，且此通道介导了阳离子电流，亦显示了GABA调节兴奋性的作用。
5.3 一类细胞外膜孔道蛋白 又名电压依赖阴离子通道。此类生孔蛋白主要位于线粒体外膜，构成了大的亲水通道，并且是电压依赖的阳离子选择性通道。其编码基因porin已被克隆、排序并定位于第二染色体的32B3-4位。对果蝇基因组序列的分析显示了三个基因CG17137、CG31722-A和CG31722-B与此类通道同源。［32］
5.4 乙酰胆碱受体（acetylcholine receptor, AChR） 在昆虫的中枢神经系统中ACh是主要的兴奋性神经递质，免疫组织化学研究表明，在果蝇CNS中存在大量胆碱能神经元，而且有高密度N-型乙酰胆碱受体（nAChR）表达。随着基因组序列的完成，不管是脊椎动物还是无脊椎动物的整个nAChR基因家族已经被描述出来了。目前为止果蝇中的nAChR基因家族最小，只有十个成员：d alpha1-10。同时也在果蝇中首次发现了A-I mRNA前编辑。十个亚基间任四个的不同粘结方式，构成了不同的nAChR，这也是为什么nAChR能表现出多种亲和力，递质传递，离子选择性，脱敏作用及药理作用等特性。其中果蝇CNS中的d alpha6异构体最多，而最近Wu P等［34］发现d alpha5又是α-金蛇毒素的结合部位。
当然，在果蝇中枢神经系统中除了上述已基本确定的受体和离子通道外，一定还存在着许多我们未曾发现或确定的受体或通道。此外，在果蝇外周肌细胞、感觉神经元上存在着许多与中枢神经元上功能特性相似或迥异的受体或通道，这些都有待我们发现和确定。
6 结论
果蝇Ⅲ型神经元（直径5～8μm）为离子通道的基因分析和膜兴奋性的研究提供了一个良好的模型。在药理学和基因突变的基础上，已确认了各种离子电流及它们的部分特性和作用，基因突变分析不仅阐明了电流变化和电压反应之间的关系同时还揭示了那些由不同基因编码但生理、药理学特性相同的通道亚型。突变神经元的电生理学学习还进一步拓展了我们对不同细胞型上表达的离子通道的理解。
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作者单位：610041 四川成都，四川大学华西医院麻醉科
(编辑：悦 铭)