【doc】第二信使对呼吸道纤毛上皮细胞调控

【doc】第二信使对呼吸道纤毛上皮细胞调控 第二信使对呼吸道纤毛上皮细胞调控 158Forei~mMedicalSciences.March2005,vo1.29.No.3医 第二信使对呼吸道纤毛上皮细胞调控 ? 综述:最新研究进展? 宋晓红张罗韩德民 摘要呼吸道纤毛运输系统在呼吸道免疫防御中起着非常重要的作用,纤毛运输能力主要是 由纤毛摆动频率决定的,目前研究第二信使对纤毛摆动频率的调节机制已成为热点,本文对钙离 子(ca),环腺苷酸(cAMP),环鸟苷酸(cGMP),三磷酸肌醇(IP3)对纤毛摆动的调控作用 综述如下. 关键词第二信使系统(SecondMessengerSystems);呼吸道黏膜(RespiratoryMucosa); 纤毛 运动障碍(CiliaryMotilityDisorders) 除鼻前庭,部分鼻咽部,咽部和喉部被覆鳞状 上皮以及嗅区黏膜以外,整个上呼吸道的面都覆 盖着纤毛上皮细胞,每个纤毛上皮细胞的顶部有大 约200根纤毛.每根纤毛都具有典型的9+2轴丝 结构,即由9个外周二联微管和两个中心微管组 成,纤毛的摆动是由外周的二联微管之间的滑动引 起的,其动力来自于达因蛋白即ATP酶J.呼吸 道表面有一层黏液毯,为呼吸道防御系统的第一道 防线,可将进入呼吸道的灰尘等异物排出体外,而 黏液纤毛运输系统的运输能力主要由纤毛的摆动频 率及其协同运动决定.第二信使是细胞内传递信息 的信号分子,目前公认的第二信使有:钙离子 (Ca"),环腺苷酸(adenosine3',5'一cyclic monophosphate,cAMP),环鸟苷酸(cyclic guanosine35"-monophosphate,cGMP),一氧化氮 (nitricoxide,NO),三磷酸肌醇(inositol1,4,5一 trisphosphate,IP3)和二酰甘油(DG)等J,研 究第二信使如何传递细胞外信息引起纤毛摆动频率 (ciliarybeatfrequency,CBF)的改变,从而影响黏 液纤毛运输系统的功能,目前已被学者们普遍观 注.对于哺乳动物而言,可能至少存在三种调控途 径.?ca的直接作用;?依赖ca2的NO/cGMP 磷酸化途径;?依赖cAMP的磷酸化途径.不同物 种对第二信使的调节,CBF的反应可能不同'4]. 【Ca"对呼吸道纤毛上皮细胞的调控】多项 研究结果表明,细胞内Ca浓度(intracellular Ca"eoneentration,[Ca"];)对于呼吸道纤毛上皮 基金项目:北京市科技新星基金资助项目(2003-B-15) 作者单位:100005北京,首都医科大学2003级博士研究生 (宋晓红);首都医科大学附属北京同仁医院耳鼻咽喉头颈外科 (张罗,韩德民) 通信作者:宋晓红(Email:daisysong1122@163.corn) CBF的调节起了关键作用,[Ca].的浓度的增加 可提高CBF.机械刺激可使细胞膜变形,激活 Ca张力通道,使细胞外Ca内流,但细胞外 Ca内流并不是细胞内信号转导所必需,当细胞 外没有Ca时,刺激细胞依然可检测到[Ca]i 的升高,这是细胞内钙库(线粒体/内质网)释放 Ca?,是Ca对CBF调控的重要环节.ATP, Ach,B肾上腺素能受体激动剂等作用于细胞,可 引起IP的升高mj,其作用于细胞内钙库释放 Ca?,使[Ca];升高,进而引起CBF加 快'1惶].但在分子水平,[Ca]i的变化是如何 影响CBF的变化的,其具体机制仍不是很清楚, [Ca];对CBF的调控目前存在两种观点,一种认 为Ca对CBF存在直接调控作用,即Ca对纤毛 轴丝存在直接作用,[Ca]i是在一个较低浓度范 围内,对CBF进行直接调控.当[Ca]i在 250nmol/L一300nmol/L变化时,可使频率达最 大川.多项实验观察到CBF的变化与[Ca]; 的变化是紧密结合的,并无滞后现象,且应用钙调 蛋白或磷酸酶抑制剂并不能影响CBF升高的变 化一'".另一种是间接调控作用,乙酰胆碱 (Ach)可刺激毒蕈碱性受体,激活磷酯酶C (PLC),使细胞内钙库释放Ca?,形成Ca?一钙调 蛋白(calmodulin,CaM),进一步激活腺苷酸环化 酶(adenylatecyclase,AC)和鸟苷酸环化酶 (guanylatecyclase,GC),使细胞内cAMP和cGMP 水平升高,激活相应的蛋白激酶,使纤毛轴丝上特 定靶点发生磷酸化反应,CBF升高,而cAMP和 cGMP反过来又可提高和延长细胞内钙库对Ca的 释放,具体机制不清楚.CaM是普遍存在于各种 细胞的ca?结合蛋白,是一种细胞内ca受体, Foreia'nMedicalSciences.March2005,vo1.29.No.3医 参与大多数ca信号的调节过程,它可激活一氧 化氮合酶(nitricoxidesynthase,NOS),使细胞内 NO,cGMP,cAMP,AC,GC合成增加,进而调节 纤毛的摆动.为深入研究can的作用,通过反 复诱导[ca]i的升高,发现了一项重要的生理现 象——Ca振荡,即周期性地出现Ca?峰.尽管 对Ca2振荡的了解还有许多未解之迷,但多数学 者认为ca振荡可能代表了一种频率信息编码方 式,它可能对起始和保持CBF的上升起着重要的 作用.也有人认为,目前Ca对CBF的调节可能 存在两种形式,调幅形式和调频形式.调幅形式即 CBF随着一定范围(200nmoL/L,300nmol/L)的 [ca]i升高而加快,如果[ca];超过300nmoL/ L,则对CBF不存在影响,.调频形式则是指以 Ca振荡的形式对CBF进行调控,研究表明,细 胞外加入ATP可诱导出[Ca].升高和CBF加快, 随后出现[ca?]i振荡和CBF持续上升.在每个 Ca振荡周期后,[Ca]恢复到基准值,但CBF 仍持续上升.在ca振荡期间,CBF的加快是紧 随[Ca]i的上升相而发生的,但CBF的减慢要 滞后于的[ca]i下降.较高频率的ca振荡减 少了CBF的变化,使CBF持续稳定上升.对于离 体细胞而言,调幅形式的调节主要发生于外界因素 刺激细胞使[Ca?]i上升的初始阶段,而随后则调 频形式起作用.对在体细胞而言,由于上皮细胞的 自分泌及周围的旁分泌作用,ATP等物质可始终刺 激细胞,[ca?]不存在初始浓度的突然增加,因 而始终是调频形式的调节.Ca对CBF的调控 是由纤毛根部浓度的变化引起的,但Ca信号是 如何转导引起纤毛运动的并不清楚,随着高速数字 化显微成像技术及显微荧光技术的联合应用,同步 测量[ca]和CBF,对CBF的ca调控机制会 越来越了解. 【cAMP对呼吸道纤毛上皮细胞的调控】普 遍认为cAMP对呼吸道纤毛也是一种非常重要的调 节因子.对于哺乳动物而言,B受体激动剂等 可使呼吸道纤毛上皮细胞内cAMP水平升高,B肾 上腺素受体激动剂forskolin可激活细胞膜上的腺苷 酸环化酶,在腺苷酸环化酶的催化下,ATP脱去一 个焦磷酸形成第二信使cAMP,cAMP通过激活依 赖cAMP的蛋白激酶(cAMP.dependentproteinki. nase,PKa)使轴丝外动力蛋白臂轻链上特定靶蛋 159 白磷酸化,加快微管滑动速度,使纤毛摆动加速. 有研究表明,PKA可通过两种机制激活纤毛摆动, 一 是依赖Ca的调节途径,发生在刺激初始阶段, 目前存在两种观点,?左移依赖IP介导的细胞内 的位点,使较低浓度的II)3即可引起细胞内ca?库 大量释放ca,使CBF大幅度加快;?PKA可激 活一种Ca活动受体,其与腺苷酸环化酶结合引 起Ca"释放.二是通过不依赖Ca"的调节机制, 可使CBF持久稳定温和的升高"j.但其具体的 调节机制尚不清楚. 【cGMP对呼吸道纤毛上皮细胞的调控】 cGMP在细胞内的浓度较低,但它与cAMP类似, 可使CBF加快,尽管有些学者认为cGMP可抑制 某些物种的纤毛细胞的摆动,但随着实验技术的改 进,越来越多的实验证明cGMP对CBF的调控主 要是上调作用.细胞外信号分子作用于细胞膜上受 体,激活膜上鸟苷酸环化酶(guanylylcyclase, GC)或透过细胞膜激活胞浆中GC,催化GTP形 成cGMP,磷酸化轴丝相应位点靶蛋白,产生一系 列反应.近年来的研究发现,cGMP对CBF的调控 可通过两种方式进行,一是通过激活PKG,对 CBF调节,即不依赖Ca途径;二是通过改变细 胞内[Ca2]i浓度影响CBF,即依赖Ca的调节 途径.当[Ca"]升高时,激活了CaM,CaM可 进一步激活细胞内NOS,使细胞内NO合成增加, 进而激活GC,使细胞内cGMP增多,调 节CBF[4,14,18,19]. 【NO对呼吸道纤毛上皮细胞的调控】NO是 一 种可自由弥散的气体分子,是由NOS催化L.精 氨酸产生,是一种非常重要的细胞信号分子,对细 胞的许多功能起着重要的作用,人呼出的气体中就 含有NO,已知呼吸道上皮细胞中至少存在三种 NOS,即神经型NOS,诱导型的NOS和内皮型 NOS,可催化合成NO.生理状态下,NO对呼吸道 纤毛细胞的调节主要是上调作用,NO对CBF的调 节主要是通过NO.cGMP途径进行的,当P物质, 肾上腺素,酒精等作用于纤毛上皮细胞,引起 [Ca"]i升高,这种变化会激活NOS,使NO合成 增加,NO又可激活GC,引起细胞内cGMP浓度升 高,再激活PKG,在[ca]升高的条件下,引起 CBF快速,大幅升高,但PKG是如何引起 [Ca]持续升高的,仍不清楚,这种调控方式主 要是通过上皮细胞的自分泌或旁分泌途径进行的. 160国外医学耳鼻咽喉科学分册2005年5月第29卷第3期Otolaryngology理!dj! 塑!!.. 在某些病理情况下,如Kartagener综合征,囊性纤 维化,急性鼻窦炎,NO的水平则较低,降低了呼 吸道的防御功能''. 【IP对呼吸道纤毛上皮细胞的调控】细胞外刺 激ATP或UTP可通过G蛋白结合到P2Y受体上, 激活磷脂酶C—B(phospholipaseC,PLC),PLC又 可催化磷脂酰肌醇4,5一二磷酸(PIP)水解,产 生I和DG,IP可在胞浆中移动扩散,当遇到线 (IR)时,与之 粒体或内质网上特异的IP受体 相结合并使构相发生改变,通道开放,细胞内钙库 大量释放ca".尽管IPR通道的开放必需I 的参与,但其活性受胞浆ca浓度的调节,当 ca"浓度在一定范围升高(0.5txmoL/L,1ixmoL/ L),可使通道开放增加,而如果ca浓度> 1txmol/L时,则抑制通道的开放.IP对CBF的调 节是通过调节ca.浓度变化来实现的?.P总之, 第二信使信号转导系统对呼吸道纤毛运动的调控不 是相对独立或平行的,而是相互交错成繁杂的网络 状,cah在其中起了中心调节的作用,但仅有 ca的调节是不够的,而[ca]的升高激活的 PKG/PKA途径也是必需的,Ca"对CBF的调控是 强大的,环核苷酸的调控则是温和的一.由于其 中许多具体机制尚不清楚,还需要大量深入的 研究 参考文献 1.SleighMA.BlakeJR.LironN.111epropulsionofmucusbycilia.Am RevRespirDis,1988,137f3):726.741. uen. 2.SalatheM,BookmanRJ.ModeofCa"actiononciliarybeatfre?.yinsingleovineairwayepithelialcellsJPhysiol,1999,520(Pt3): 851-865. 3.LansleyAB,SandersonMJ.Regulationofairwayciliaryactivityby Ca":simuhateousmeasurementofbeatfrequencyandintraceIIular Ca".BiophysJ,1999,77(1):629-638. 4 5 UzlanerN,PrielZ.InterplaybetweentheNOpathwayandelevated [Ca]1enhancesciliaryactivityinrabbittrachea.JPhysiol,1999, 516(Pt1):179-190. LiebT,FreiCW,FrohockJI,eta1.Prolongedincreaseinciliarybeat ~equeneyaftershort-termpurinergicstimulationinhumanairwayepi. thelialcells.JPhysiol,2002,538(Pt2):633-646. 6.SandersonMJ,LansleyAB,DirksenER.Regulationofciliarybeatfre— quencyinrespiratorytractcells.Chest.1992,101fSuppl3):69s一71s. 7.ZagooryO,BralmanA.PrielZ.Themechanismofciliarystimulation byacetylcholine:rolesofcalcium,PKAandPKG.JGenPhysiol, 2002,l19(4):329-339. 8.BerridgeMJ.Inositoltrisphosphateandcalciumsignalling.Nature, 1993,361(6410):315-325. 9.SalatheM,BookmanRJ.Couplingof[Ca"]andciliarybeatingin culturedtrachealepithelialcells.JCellSci.1995.108fPt2): 431-440. 10.BootmanMD,CollinsTJ,PeppiattCM,eta1.Calciumsignalling—an overview.SeminCellDevBiol,2001,12(1):3-10. 11.KomgreenA,PrielZ.Purinergicstimulationofrabbitciliatedairway epithelia:controlbymultiplecalciumsources.JPhysiol,1996,497fPt 11:53-66. 12.EvansJH.SandersonMJ.Intracellularcalciumoscillationsregulate ciliarybeatfrequencyofairwayepithelialcellsCellCalcium,1999, 26f3-41:103—110. 13.ZhangL,SandersonMJ.Oscillationsinciliarybeat~equencyandin. tracellularcalciumconcentrationinrabbittrachealepithelialcellsin. ducedbyATP.JPhysio1.2003.546fPt3):733.749. 14.YangB,SchlosserR,McCaffreyTV.Signaltransductionpathwaysin modulationofciliarybeat~equencybymethaeholine.AnnOtolRhinol Laryngol,1997,106(3):230-236. 15.TamaokiJ,KondoM,TakizawaT.EffeetofcAMPonciliaryfunction inrabbittrachealepithelialcells.JApplPhysiol,1989,66(3):1035. 1039. 16.BraimanA,ZagooryO,PrielZ.PKAinducesCa"releaseanden— hancesciliarybeat~equencyinaCadependentandindependent manner.AmJPhysiol,1998,275(3Pt1):C790.C797. 17.SalatheM.Effectof13-agonistsonairwayepithelialcellsJAllergy ChinInmmnol,2002,110(6Supp1):s272一s281. 18.ZhangL,SandersonMJTheroleofcGMPintheregulationofrabbit airwayciliarybeatfrequency.JPhysiol,2003,551(9):765-776. 19.LiDC,ShirakamiG,ZhanXH.eta1.Regulationofciliarybeatfre— quencybythenitricoxidoxide-cyclicguanosinemonophosphatesig- nalingpathwayinratairwayepithelialcells.AmJRespirCellMolBi. ol,2000,23(3):175.181. 20.RunerT,CervinA,LindbergS,eta1.Nitricoxideisaregulatorofmu. cociliaryactivityintheupperrespiratorytractOtolaryngolHeadNeck Surg,1998,119f3):278-287. 21.MaW,SilberbergSD,PrielZ.Distinctaxonemalprocessesunderlie spontaneousairwayciliaryactivity.JGenPhysiol,2002,120f6): 875-885. (收稿日期:2004.12-03)