离子通道调控成肌细胞分化的研究进展

李雯茜，闫百仪，丁恺志，龚妍春，姚丽华

（江西科技师范大学 生命科学学院，江西南昌 330013）

骨骼肌发育是一个受严格调控的过程，主要包括成肌细胞经过增殖、分化和融合，形成多核肌管。成肌细胞（Myoblast）是由卫星细胞（Satellite Cells，SCs）大量增殖而来的一组特定的成体干细胞，具有自我更新、增殖、分化、融合及形成肌纤维的能力[1]。成肌细胞分化为骨骼肌细胞的过程除了受生肌调节因子调节之外，还受到不同离子通道的调控。目前，随着细胞生物学和电生理技术的不断发展，离子通道对成肌细胞的调控研究逐渐被人们所关注。因此，本文简单对离子通道调控成肌细胞的相关机制进行总结。

1 成肌细胞的分化

骨骼肌成肌细胞的分化是一个依赖于钙离子的多步骤过程，伴随着退出细胞周期与细胞增殖相关的基因、肌肉特异基因的转录激活。

肌肉特异性表达主要由成肌调节因子家族（MRFs）调控，该家族成员主要包括成肌决定蛋白（MyoD）、肌肉生成素（MyoG）、成肌因子5（Myf5）和成肌因子4（MRF4）[2]。成肌细胞增殖期，首先，MRFs的远端增强子和近端启动子启动Myf5及MyoD，上调其转录活性，从而调控成肌细胞增殖为具有分化能力的肌源性细胞群，开始分化[3]；其次，在配对盒转录因子7（Pax7）及其同系物配对盒转录因子3（Pax3）的调控下，成肌细胞以不可逆的形式退出细胞周期，经增殖、分化形成多核肌管；再次，MyoG与MRF4相互作用，同时在肌球蛋白重链（MyHC）的参与下，促使末端分化，使细胞融合为肌管；最后，肌管成熟为肌纤维，完成骨骼肌发育过程或是损伤肌肉的修复和再生过程[4]。在成肌细胞分化过程中，除了必需的生肌调节因子调控之外，各离子通道的调控作用也非常重要，研究离子通道对成肌细胞分化的调控机制有助于发现骨骼肌相关疾病的治疗靶点，为后续对于骨骼肌疾病的研究提供重要思路。

2 离子通道对成肌细胞分化的调控

2.1 钠离子通道对成肌细胞分化的调控

钠离子通道是细胞膜上选择性允许Na+顺电化学梯度进入细胞的内向离子通道，主要分为电压门控型和配体门控型两种，其功能是维持细胞膜兴奋性及其传导，主要存在于神经组织、内分泌组织和肌肉组织等兴奋性细胞中[5]。其中，电压门控型钠离子通道（Voltage Gated Sodium Channels，VGSCs）对于神经和肌肉中动作电位的启动和传播是必需的。目前已经在哺乳动物中鉴定出9种亚型VGSCs，根据9个基因编码哺乳动物的α亚单位，蛋白质命名为NaV1.1～NaV1.9，其中NaV1.4主要在骨骼肌中表达[6]。

电压门控钠通道NaV1.4主要负责形成动作电位，是骨骼肌纤维兴奋性的主要因素。目前，国内外对NaV1.4调控成肌细胞分化的机制知之甚少。HEBERT S L等[7]发现MyoG表达上调，启动Na+通道，接着由MRF4维持在最高水平。MyoG与MRF4调控成肌细胞分化的中后期，肌纤维逐渐形成，这个阶段NaV1.4的突变会改变骨骼肌的兴奋性，导致骨骼肌相关疾病的产生。截至目前，针对钠离子通道对成肌细胞的直接调控研究还寥寥无几，而研究人员已经知道成肌细胞分化的一个先决条件是需要Ca2+浓度的增加。在对钙离子调控的研究中发现，VGSCs会干扰胞外Ca2+信号，通过Na+内流使膜去极化，激活细胞膜上的电压门控钙离子通道，启动Na+/Ca2+交换器（NCX），使细胞内Ga2+的浓度增加[8]。Na+释放到细胞质中后，通过NCX交换进入线粒体，缓冲细胞质中的Na+含量变化，导致Ca2+从线粒体中释放出来[9]，从而增加细胞内Ca2+浓度。因此推测，VGSCs通过使膜去极化激活钙通道，启动NCX，促使钙离子浓度增肌而调控成肌细胞分化。

2.2 钾离子通道对成肌细胞分化的调控

钾离子通道是选择性允许K+跨膜通过的外向离子通道，其最大特点是特异性允许钾离子通过质膜而阻碍其他离子特别是钠离子通过[10]。在成肌细胞分化中，钾离子通道的激活和随后的超极化对于肌源性分化是必不可少的，成肌细胞在诱导分化前必须超极化[11]。超极化是细胞膜电位的一种生理状态，即静息膜电位的数值向膜内负值加大的方向变化。在成肌细胞中，Kir2.1通道受到P38MAPK信号通路去磷酸化调控被激活，导致K+外流、Ca2+内流，静息电位从约-10 mV超极化到约-70 mV[12-13]。Kir2.1通道的激活是生肌程序的早期必需步骤，由此导致的成肌细胞静息膜电位的超极化触发了MyoG和肌细胞增强因子-2（MEF2）的表达和活性，增加了Ca2+的驱动力，同时Kir2.1介导的超极化激活了钙依赖的钙调神经磷酸酶途径，使T型电压门控钙离子通道被激活，导致Ca2+经由瞬时受体电位（TRPC）和T型Ca2+通道流入，促进了肌源性分化，这是分化过程的重要早期步骤[14]。

2.3 钙离子通道对成肌细胞分化的调控

钙离子作为第二信使之一，在细胞增殖、分化和细胞凋亡中发挥着重要作用。机体细胞中存在多种钙离子通道，它们是调节细胞内钙离子浓度的主要途径，维持细胞外的钙离子浓度远大于细胞内的钙离子浓度。在骨骼肌的发育中，成肌细胞的融合与分化是一个严格依赖于钙离子的过程，并且钙离子内流是成肌细胞肌管形成的先决条件[15]。

电压依赖性钙通道（Voltage Dependent Calcium Channels，VDCCs）存在于骨骼肌中，它可随着膜电位的改变而进行通道的开放、关闭和激活[16]。VDCCs根据钙通道传导性和电压敏感性的不同又分为L、T、N 3种亚型，在骨骼肌中表达的亚基类型为L型和T型：（1）L型VDCCs由CaV1.1/A1S亚基产生，在兴奋-收缩耦合中发挥关键作用；（2）T型VDCCs由CaV3.2/a1H亚基产生，存在于发育中的肌肉[17]。在肌肉发生的早期阶段，成肌细胞主要表达T型钙通道，为具有融合能力的成肌细胞提供超极化。T型VDCCs在分化成肌细胞的静息膜电位范围内存在稳定的内向钙电流，被证明有助于成肌分化的过程[18]。电压门控T通道由3种类型的钙通道组成，分别命名为CaV3.1、CaV3.2和CaV3.3[19]。AVILA T等[19]研究发现，CaV3.1在未分化或融合能力强的C2C12成肌细胞中存在，但不存在CaV3.2和CaV3.3mRNA的转录，而在随后的细胞分化后发现了CaV3.2的mRNA。此研究表明，CaV3.1通道在成肌细胞增殖阶段表达，进入分化阶段启动CaV3.2通道，CaV3.2通道是成肌细胞分化中的主要钙通道。因此，T型钙通道并不是分化的先决条件，而是在分化过程中表达。

在骨骼肌细胞分化过程中，随着肌浆网Ca2+释放响应肌膜去极化，细胞超极化时膜电位的下降反过来触发T型VDCC的激活，导致成肌细胞分化为肌管所需的细胞内Ca2+浓度增加[20]，Ca2+参与成肌细胞的融合和分化，此结论已经在多个实验室得到证实。

3 结语

成肌细胞分化是胚胎、胎儿和出生后骨骼肌生长所必需的，它为骨骼肌的发育和修复提供了基础，深入解析离子通道对成肌细胞分化的调控，有助于为骨骼肌疾病提供新的思路。相信随着电生理技术及细胞生物学等多种技术与学科的发展，在未来对离子通道调控成肌分化的机制研究得到更充分的认识，以便更好地在临床与运动生理上对骨骼肌疾病和骨骼肌质量改变上有不同的治疗方案。