《The Journal of Physiology》：Matching sodium channel availability to resting membrane potential: Biophysical logic across excitable cell types
编辑推荐：
本文探讨了电压门控钠通道（Nav）的生物物理特性（特别是稳态失活曲线中点V1/2）与不同细胞静息膜电位（RMP）之间的协同关系，提出了一个理解可兴奋组织（中枢/外周神经元、骨骼/心肌细胞）中电信号发生与调节的统一框架。文章核心在于阐明Nav通道的可用性“调谐”是一种进化设计的策略，旨在满足特定细胞的生理需求（如精细调控、开关模式或梯度模式），并解释了其如何影响兴奋性、疾病（如疼痛、癫痫、心律失常）及药物研发（如状态依赖性阻滞剂）。
可兴奋组织，如大脑、外周神经、骨骼肌和心脏，尽管功能迥异，但其动作电位的产生和传播都共同依赖于电压门控钠（Nav）通道。这些Nav通道表现出独特的生物物理特性，以适应其特定的细胞环境。本文的核心视角，是探索Nav通道可用性与静息膜电位（RMP）在不同细胞类型（包括抑制性GABA能神经元、兴奋性谷氨酸能神经元、骨骼肌细胞、心肌细胞和背根神经节神经元）之间的相互作用。我们强调这些相互作用如何通过翻译后修饰和空间定位的调节，对维持生理功能至关重要，以及通道特性的微小变化如何产生显著的病理生理学后果。
定义钠通道的生物物理学描述符
通过膜片钳研究，Nav通道的稳态失活电压依赖性（可用性曲线）是其关键描述符之一。其曲线中点（V1/2）在不同Nav亚型中范围很广（约-90 mV至-30 mV），而不同细胞类型的RMP也差异显著（约-55 mV至-90 mV）。因此，在特定细胞的RMP下，Nav通道群体可能几乎完全可用、半失活或大部分失活。我们提出的问题是：这种多样性为何存在？答案可能在于特定细胞类型的生理角色，以及从进化角度看，这些角色是否需要通过内源性/环境调节器进行精细调控，以适应细胞行为。
RMP，自然的电压钳，设定了钠通道可用性的范式
为具体阐述上述观点，我们聚焦于五种主要表达特定Nav亚型的细胞，对比其RMP与通道失活V1/2的关系。
- •
在中枢抑制性GABA能神经元中，主要表达Nav1.1和Nav1.3，其失活V1/2分别约为-70 mV和-65 mV，而RMP约为-65 mV。这意味着约一半的通道在静息时处于失活状态。
- •
在兴奋性谷氨酸能神经元中，主要表达Nav1.2和Nav1.6，其失活V1/2均约为-65 mV，RMP约为-67 mV。同样，约半数的通道在静息时失活。
- •
在骨骼肌中，主要表达Nav1.4，其失活V1/2约为-67 mV，而RMP极负，约为-90 mV。因此，几乎整个Nav1.4通道群体在静息时完全可用。
- •
在心肌细胞中，主要表达Nav1.5，其失活V1/2约为-87 mV，心室肌RMP约为-90 mV。与中枢神经元类似，约一半的Nav1.5在静息时失活。
- •
在背根神经节神经元中，表达多种Nav亚型（如Nav1.6、Nav1.7、Nav1.8、Nav1.9），RMP约为-60 mV。其中，Nav1.7（V1/2≈ -80 mV）在静息时大部分失活；Nav1.8（V1/2≈ -30 mV）则几乎完全可用，类似骨骼肌的Nav1.4。
这些关系可直观地通过图表对比来展示。重要的是，这些数值应视为近似值，并受到实验条件、辅助亚基（如β1）等因素的影响。
生理功能的特化：外周神经系统
以背根神经节中的Nav1.7为例，其大部分通道在RMP下失活，这引发了一个问题：细胞为何要合成这个代谢成本高昂的通道？答案在于Nav1.7是伤害性信号增益的“设定者”。即使大部分失活，剩余可用部分仍足以响应去极化，将膜电位推向阈值。Nav1.9放大阈下去极化并有助于设定RMP，Nav1.7进一步放大并将膜电位带到发放阈值，而Nav1.8则接管并产生动作电位的上升支，支持重复放电。这种功能耦合使得Nav1.7成为神经元兴奋性的主要启动者。由于其在痛觉中的重要性，Nav1.7的活动需要根据情况进行精细调节。大多数Nav1.7通道在静息时处于失活状态，这使得细胞能够通过（例如磷酸化）调节电压依赖性，以响应如损伤等状况。激活曲线和失活曲线的重叠定义了“窗口电流”区域。Nav1.7窗口电流的峰值接近DRG的RMP，Nav1.9的窗口电流最大，而Nav1.8的窗口电流区域更去极化但面积更大。窗口电流区域的位置和大小是决定Nav通道在DRG神经元中生理作用的关键。
外周神经系统中钠通道的调节
多种生理因素可调节PNS中Nav通道的功能。例如，MAPK1/3磷酸化Nav1.7，使其激活曲线超极化偏移；蛋白激酶C激活则使Nav1.7和Nav1.8的激活曲线去极化。成纤维细胞生长因子2能将Nav1.7的可用性曲线向去极化方向移动。内部pH平衡也至关重要，酸中毒会导致Nav1.7激活发生去极化偏移，这为pH诱导的疼痛提供了机制。这些例子表明，通过改变PNS中剩余可用Nav通道的可用性曲线或激活曲线，局部环境在决定正常或应激条件下需要多少活跃的Nav通道方面起着关键作用。
实现RMP与钠通道之间的功能平衡：中枢神经系统
GABA能和谷氨酸能神经元通过平衡CNS回路中的抑制和兴奋来发挥关键作用。Nav1.1的功能缺失突变会导致Dravet综合征等严重癫痫，这被认为是因为抑制性神经元中Nav1.1活性降低，导致兴奋/抑制失衡。同样，Nav1.6的功能获得性突变可导致癫痫，而Nav1.2的功能缺失突变则与自闭症有关。维持抑制性和兴奋性神经元之间的兴奋性平衡对CNS功能至关重要。在这两种细胞类型中，RMP与Nav通道失活V1/2大致匹配（约半数通道失活），这使得整体兴奋性能够通过相对较小的Nav通道电压依赖性变化进行微调。这是因为RMP大致位于玻尔兹曼可用性曲线的最大斜率（“最大增益”）点附近，此区域电压或门控参数的微小变化会产生不成比例的通道可用性和兴奋性变化。与PNS中的Nav通道类似，CNS Nav通道也可发生翻译后修饰，如AKT1激酶磷酸化Nav1.1会使该通道的可用性曲线超极化。酸中毒会使Nav1.1-3的激活电压依赖性去极化。此外，Nav通道在神经元网络中的空间定位也影响其功能。在谷氨酸能神经元中，Nav1.2主要在发育早期表达于非髓鞘轴突和树突，而Nav1.6在成熟后成为有髓轴突郎飞结中的主要Nav通道。在GABA能神经元中，Nav1.1定位于胞体、近端树突和轴突起始段。这些生物物理特性、表达模式和可调性需要在其神经元内的空间定位背景下考虑。
快速可调——适应永恒运动的组织：心肌细胞
心脏需要根据环境、生理和情绪触发因素调整其节律。Nav1.5电流的复杂分子细胞生物学满足了这种适应性需求。Nav1.5的C末端与钙-钙调蛋白的相互作用在调节通道功能中起着至关重要的作用。Nav1.5的可用性V1/2（约-87 mV）接近这些细胞的RMP（约-90 mV），这种失活与RMP的匹配使通道处于一个调节可产生较大效应的电压域。与CNS Nav通道相比，RMP与Nav1.5激活V1/2之间的?差稍大，意味着心肌细胞中在RMP下被激活的可用Nav1.5比例要小得多。增加Nav1.5非失活部分电流的突变与长QT综合征有关。在测试的Nav通道中，Nav1.5对pH水平的变化最敏感。因此，RMP与Nav1.5可用性之间的相互作用允许对心脏兴奋性进行微调。失活V1/2与RMP的匹配也使心肌细胞容易受到病理影响，这也使Nav1.5成为治疗靶点。
RMP下的完全可用性——适应强健收缩的进化：骨骼肌
骨骼肌的作用是根据需要产生肢体运动。与神经元和心脏组织不同，骨骼肌必须在需要时随时准备产生兴奋事件。通过将这些细胞的RMP维持在约-90 mV，Nav1.4的可用性V1/2约为-67 mV，激活V1/2约为-20 mV，骨骼肌中的V1/2-RMP关系被调谐以确保静息时的静止状态，和按需发放动作电位的能力。Nav1.4已进化出保护性生物物理特征。例如，与Nav1.5相比，Nav1.4的慢失活启动更快、电压依赖性更陡，并且其从慢失活中恢复更慢。这些特性共同作用，防止在高血清钾水平期间骨骼肌收缩。确实，破坏慢失活的Nav1.4突变会导致高钾性周期性瘫痪。Nav1.4在RMP下需要几乎完全可用，否则肌肉收缩会受损。另一个重要组成部分涉及通过CLC-1通道的氯离子电导。该氯离子通道的突变可导致先天性肌强直。在健康肌肉中，静息氯离子电导非常高，这有助于稳定RMP并防止自发放电。与肌无力病例（Nav1.4突变使窗口电流区域远离骨骼肌RMP）相反，此处氯离子电导降低使RMP不稳定，使其更接近Nav1.4激活阈值，从而促进后去极化，这是肌强直爆发的标志。最后，Nav1.4在pH调节方面表现出相对不敏感性，这是鉴于骨骼肌在战斗或逃跑反应中的重要性。总之，骨骼肌RMP与Nav1.4可用性之间的相互作用是该组织生理学的基础。
在通道病研究和药物发现中的意义
我们对离子通道生理和病理生理的理解主要来自膜片钳实验。虽然标准电压钳方案在表征通道的生物物理特征方面非常有用，但必须牢记这些特性必须在适当的生理背景下考虑。实验使用的电压通常是人为的，可能不代表真实的生理条件。如果一个假定的Nav通道突变在其生理相关的膜电位范围之外发挥作用，那么该突变诱发病理表型的可能性较低，除非该缺陷被特定细胞类型中常见的翻译后修饰所揭示。例如，如果Nav1.4的一个假设突变仅使可用性曲线发生微小偏移，而骨骼肌RMP保持在约-90 mV，那么这种偏移可能太小，无法改变静息时可发放的通道比例（假设激活曲线不受影响）。然而，如果其他变化导致膜电位发生显著偏移，突变效应可能会显现出来。相比之下，在谷氨酸能神经元中，失活V1/2和RMP几乎匹配，Nav1.2的类似突变可能产生更明显的影响。在这个概念框架中，一个潜在的注意事项是，虽然心脏和CNS组织中局部RMP与Nav通道可用性V1/2的匹配可以用此框架解释，但研究表明Nav1.7曲线的微小变化仍可导致超兴奋性。我们提出两种解释：首先，激活的电压依赖性必须被考虑。窗口电流区域的总面积和相对于RMP的位置至关重要。该区域对这些概率曲线的偏移高度敏感。因此，即使是一个在RMP-V1/2不匹配的通道中引起微小效应、改变可用性曲线的突变，也可能增加窗口电流，导致超兴奋性。其次，如上面章节所述，似乎有两种范式控制Nav通道与RMP的关系：开关范式和梯度范式。这些范式要么单独作用，要么协同作用，具体取决于所考虑的细胞类型。开关范式最好地体现在骨骼肌中的Nav1.4上。保持可靠随意收缩的进化压力驱动Nav1.4在RMP下完全可用，确保肌肉在需要时能被快速“开启”。相比之下，梯度范式支配谷氨酸能和GABA能神经元以及心肌细胞的行为。在这里，持续微调兴奋性的进化需求选择了一个系统，其中Nav通道可用性与RMP之间关系的微小偏移（主要通过窗口电流的变化）可以调节兴奋性。最后，混合开关-梯度范式出现在DRG神经元中。在这个系统中，既需要基于梯度的伤害性兴奋性调节，也需要一个主要由Nav1.8介导的开关机制，以便在达到阈值时实现强健的、全或无的伤害性信号前向传播。从药物发现的角度来看，大多数靶向Nav通道的药物是中度到高度的状态依赖性化合物，随着Nav通道采用更多失活状态，其表观效力增加。由于电压控制Nav通道在不同门控构象之间的转换，因此考虑一种化合物在其原生环境中会调节多少特定Nav通道（相对于相同或不同环境中的其他Nav通道）变得越来越重要。例如，对于一种状态依赖性但结构非选择性的化合物，在其局部环境中失活最多的Nav通道将受到最深远的影响。将Nav1.7和Nav1.8都纳入模拟DRG神经元的模型进行的模拟表明，Nav1.7表达增加会在更负的电位降低电流阈值，增强阈下振荡并增加重复放电频率。相比之下，Nav1.8表达独立于Nav1.7地改变动作电位阈值、支持阈下振荡并降低电流阈值的电压依赖性。这强调了Nav1.7在生理相关范围内比Nav1.8对RMP表现出更大的敏感性。
基于Hodgkin-Huxley模型的计算评估
为了进一步说明和测试这些观点，我们实施了单室、修改的Hodgkin-Huxley模型，以计算研究RMP、稳态可用性曲线和激活曲线的偏移如何独立和共同地塑造兴奋性。模拟表明，兴奋性并非由RMP或门控参数的绝对值决定，而是由它们的相对对齐决定。改变RPM同时保持通道门控参数不变，会改变兴奋性。将膜超极化至-90 mV会使RMP远离激活和失活曲线的重叠区域，导致放电次数减少。相比之下，将RMP去极化至-55 mV会使其位于窗口电流区域峰值之前，从而诱发超兴奋性。将RMP进一步去极化（-50 mV）会使其位于窗口区域峰值之后，此时未观察到完整幅度的动作电位，而是检测到阈下振荡活动。这些模拟表明，适度的RMP去极化诱发超兴奋性，而更极端的去极化诱发低兴奋性。接下来，我们移动了稳态快速失活曲线，同时保持所有其他参数不变。可用性曲线左移会减少放电次数和幅度，而右移则保持放电次数但增加动作电位幅度和延长时程。对激活曲线进行类似模拟显示，激活向左移动会产生功能获得性表型，而向右移动则显著减少放电。这些结果强化了一个原则，即兴奋性是由RMP相对于激活和可用性曲线的相对位置决定的，而不是由任何单一参数孤立决定的。为了进一步显示RMP与钠通道可用性之间严重错配的影响，我们将快速失活曲线移动了±20 mV。左移-20 mV有效地消除了RMP下的可用钠电流，完全停止了放电。相比之下，右移+20 mV显著增加了可用性，并产生了在复极期间具有明显去极化肩或“驼峰”的动作电位，让人想起DRG神经元中Nav1.8的行为。这些模拟突显了失活的大幅偏移如何能定性重塑动作电位波形，即使放电启动得以保留。我们还引入了慢失活动力学来模拟兴奋性的“记忆”。包含慢失活的模型显示出对刺激历史的高度敏感性。在初始去极化脉冲后，模型进入一个兴奋性降低的时期，对应于慢失活的积累。随着慢失活的恢复，兴奋性逐渐恢复。这模拟了Nav通道如何编码先前激发事件的分子记忆，这是可兴奋细胞的一个关键特征。
