戴琼艳(综述)，段满林(审校)

(南京军区南京总医院麻醉科，南京210002)



电压依赖性阴离子通道的研究进展

戴琼艳△(综述)，段满林※(审校)

(南京军区南京总医院麻醉科，南京210002)

摘要：电压依赖性阴离子通道(VDAC)位于线粒体外膜，形成了线粒体和代谢产物之间的分界，作为“守门员”控制着代谢产物的进出以及线粒体与其他细胞器的对话，同时，VDAC也是线粒体介导凋亡的关键成员。除了调节线粒体的代谢和产能功能，VDAC通过与不同配体和蛋白相互作用，作为细胞生存和死亡信号的汇聚点，这些功能可能使VDAC成为合理的新治疗发展的靶点。现就哺乳动物VDAC蛋白(尤其是VDAC1)的结构、功能、与相关蛋白的关系以及VDAC参与的疾病作一综述。

关键词：电压依赖性阴离子通道；线粒体；凋亡

随着对线粒体功能研究的深入，发现其除了生物供能以外，在细胞信号转导、胞内细胞器之间的联系、老化，细胞增殖、疾病和凋亡调节中也有重要作用。Schein等于1976年首次在人工构建的线粒体脂质双分子膜中发现并纯化了具有电压依赖性和阴离子选择性的嵌入蛋白，并将其命名为电压依赖性阴离子通道(voltage-dependent anion channel，VDAC)，它是相对分子质量为31 000的孔道蛋白，存在于所有真核生物线粒体外膜上[1]。研究表明，VDAC不仅参与能量代谢，还是细胞凋亡的关键成员[2],特别是在线粒体通透性转换孔中的作用[3]，虽然线粒体通透性转换孔复合体至今仍未成功分离，但有证据表明VDAC很可能是其组分之一。VDAC通过与Ca2+、ATP、谷氨酸、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸以及不同蛋白质相互作用，调节线粒体外膜的通透性，在维持线粒体内稳态及细胞生存方面发挥重要功能。现就VDAC的研究进展进行综述。

1VDAC的生物学特征

1.1VDAC亚型VDAC有3种亚型，被3种不同的基因编码：VDAC1、VDAC2和VDAC3，这3种蛋白共享着高度类似的序列，有65%～70%的同一性。所有VDAC亚型在大部分组织中均能找到，只是数量不同，其中VDAC1是最丰富的亚型，实时定量聚合酶链反应实验显示在HeLa 细胞中，mRNA水平上VDAC1是VDAC2的10倍，比VDAC3多100倍[4]。

3种亚型各有不同的生理功能。如敲除小鼠的VDAC1导致心肌和骨骼肌中呼吸链复合物活性产生缺陷，而敲除VDAC3，这种缺陷只出现于心脏[5]；VDAC1和VDAC2基因敲除的小鼠，呼吸容量减少[6]；而敲除VDAC3可导致雄性不育，VDAC1和VDAC3均敲除会引起生长抑制[7]。

蛋白组学调查和其他研究表明，所有VDAC亚型均是翻译后修饰。VDAC1的氨基酸序列分析显示第1个蛋氨酸被删除了，而第2个氨基酸即丙氨酸被乙酰化[8]。其他报道的翻译后修饰为VDAC的丝氨酸，苏氨酸和酪氨酸残基发生了磷酸化，赖氨酸乙酰化[9]，但这些修饰对VDAC蛋白活性的影响仍不清楚。

1.2VDAC结构1985年，Mihara和Sato[10]首次确定了VDAC的一级结构。通过VDAC结构中的亲水性和疏水性残基以及细菌膜孔蛋白的晶体学研究，推测VDAC会形成一个β桶状结构。2008年三个研究小组[11-13]分别用不同的方法确定了VDAC1的三维结构，是由19个β折叠链形成的一个β桶状结构，每条β折叠链平均由10个氨基酸残基组成，其N末端结构域有25个氨基酸长度的残基，以α螺旋形式分布于VDAC孔内，该α螺旋片段对VDAC的门控作用很关键，可能是作为电压感受器，也可能调节通道对离子和代谢产物的传导。此外，VDAC1-N末端参与凋亡的诱导，它可作为结合位点与己糖激酶(hexokinase,HK)Ⅰ和Bcl-2家族蛋白相互作用。

1.3VDAC通道活性在低电压(10 mV)时，VDAC通道稳定的处于开放状态(持续2 h)，表现为阴离子选择性和对多价阴离子代谢产物通透，包括磷酸肌酸、磷酸盐、琥珀酸盐和ATP[14]；在高电压(>40 mV)时，VDAC由开放转为关闭，表现为对阳离子通透的低传导状态[15]。

另外，不同的物质，如Ca2+、ATP、谷氨酸盐、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸等被认为与VDAC相互作用，调节VDAC的通道活性[16]。

1.4VDAC过表达与细胞生存VDAC1参与多种刺激诱导的凋亡。用小分子干扰RNA技术沉默VDAC1 表达可有效阻止顺氯氨铂诱导的凋亡和促凋亡蛋白Bax的激活，也可减少内皮抑素诱导的凋亡[17]和抑制亚硒酸盐诱导的线粒体通透性转换[18]。

VDAC1过表达可使线粒体内膜去极化并触发线粒体通透性转换，导致细胞凋亡；U-937细胞过表达鼠(m)VDAC或兔(r)VDAC导致细胞死亡70%～85%[19]。Godbole等[20]也报道，过表达水稻VDAC诱导了凋亡(约70%)；而将牙鲆VDAC转染到鱼细胞中也得到了相似的结果。

此外，化疗或放疗后，肿瘤生长得到有效抑制，而肿瘤细胞上的VDAC表达也增加。如凋亡敏感细胞经紫外线或者暴露于抗癌药熊果酚苷或顺氯氨铂后，VDAC表达上调。

2VDAC与线粒体依赖性凋亡相关因子的相互作用

VDAC位于线粒体外膜，是线粒体与外界发生关系的第一道门，线粒体依赖性凋亡相关因子首先和它接触，进而启动后续的凋亡程序，因此它是凋亡调节的关键蛋白。

2.1HK离体和在体的研究表明，HK-Ⅰ和HK-Ⅱ可保护细胞避免发生线粒体介导的凋亡。HK通过与VDAC结合，抑制线粒体通透性转换孔开放，阻止凋亡的启动。

此外，无论在离体线粒体还是在重组的双分子层中，当VDAC1残基突变时，HK-Ⅰ和VDAC1的结合均被抑制，同时HK-Ⅰ的抗凋亡活性也减弱，表明HK-Ⅰ通过和VDAC1相互作用进行凋亡的调节。

2.2VDAC与Bcl-2家族蛋白Bcl-2家族是凋亡调节的关键蛋白，控制线粒体外膜对细胞色素C和其他凋亡因子的通透性，主要包括促凋亡蛋白和抗凋亡蛋白，抗凋亡蛋白包括Bcl-2、Bcl-xl等,而促凋亡蛋白包括Bax、Bak或促凋亡的BH-3 only蛋白(如Bim、Puma、Bid)，可刺激凋亡因子释放。研究表明，Bcl-2家族蛋白对凋亡的调节是通过与VDAC相互作用进行的。VDAC1敲除的细胞中，顺氯氨铂诱导的Bax激活被抑制，却不影响Bak激活，说明凋亡通路中，VDAC1在Bak的下游，Bax的上游。而 Bax-VDAC相互作用参与了姜黄素诱导的Bax线粒体转位，这可被VDAC抑制剂4，4′-二异硫氰基芪-2，2′-基二磺酸阻断，而抗VDAC抗体可抑制Bax和Bim诱导的细胞色素C释放。同时也有学者报道，与VDAC1 N末端结构域一致的VDAC1基肽，以浓度和时间依赖的方法，与Bcl-2相互作用，抑制了它的抗凋亡活性[2]。

2.3VDAC与细胞内Ca2+信号Ca2+是线粒体通透性改变的基础，Ca2+超载导致线粒体外膜肿胀破裂，接着细胞色素C和其他的促凋亡蛋白释放。而VDAC对Ca2+高度通透，调节Ca2+进入内膜间隙参与线粒体通透性改变，Keinan等[21]研究发现，在VDAC上存在Ca2+结合位点，当VDAC开放时，Ca2+经VDAC流入线粒体，导致线粒体肿胀、线粒体通透性转换孔开放，凋亡发生，而钌红、镧离子(La3+)也可结合该位点，抑制Ca2+内流产生凋亡抑制效应。Huang等[22]认为，VDAC和Bcl-xL相互作用促进线粒体Ca2+的吸收。因此，VDAC作为Ca2+进出线粒体的通道，在钙稳态维持和细胞活性调节中起关键作用。

2.4VDAC和活性氧类介导的凋亡活性氧类可激动细胞色素C从线粒体中释放[23]，但活性氧类通过线粒体外膜转运的机制及其激动细胞色素C释放的分子机制仍不清楚。超氧阴离子(O2-)诱导的凋亡可被4，4′-二异硫氰基芪-2，2′-二磺酸和抗VDAC抗体抑制，表明O2-是通过VDAC诱导细胞色素C释放的，此外，在VDAC重组的脂质体中也获得的相似的结果。研究还发现，O2-可诱导VDAC表达上调，而活性氧类螯合剂没食子儿茶素可抑制这种效应。

3VDAC和中枢神经系统疾病

VDAC参与了阿尔茨海默病的病理形成过程，但它的准确机制却不清楚，有可能参与了β淀粉样蛋白诱导的毒性。在阿尔茨海默病患者的脑中，VDAC在穴样内陷的细胞膜中很丰富，因此认为VDAC可能与阿尔茨海默病神经病理性膜功能紊乱有关[24]。而对唐氏综合征患者的尸检发现，VDAC1表达增加。在癫痫老鼠的海马中，VDAC1水平增加了3倍，而VDAC2降低到原来的1/4[25]。在家族性肌萎缩侧索硬化症的形成过程中，VDAC2发生了翻译后修饰的改变[26]，且在一些患者中，过氧化物歧化酶1发生了突变，与VDAC结合后，降低了它的通道传导性。Premkumar和Simantov[27]发现，多巴胺能降低NMB细胞中VDAC的表达，而转染细胞表达VDAC后可减少多巴胺产生的神经毒性。在11血管阻断的大鼠全脑缺血模型中，胞外谷氨酸盐释放增加，VDAC1表达显著上调，促进凋亡[28]。

4VDAC和癌症

癌症细胞可通过不同的方法对抗凋亡，包括通过过度表达抗凋亡蛋白Bcl-2家族和HK来抑制线粒体凋亡通路。事实上，许多化疗药发挥化疗作用就是通过诱导线粒体凋亡实现的。研究发现，人癌细胞比正常细胞表达高水平VDAC1[29]，且恶性肿瘤的线粒体可更好地结合HK，增加其抗凋亡作用，因此选择性靶作用小分子VDAC或利用VDAC与抗凋亡蛋白相互作用来促进凋亡对抗癌药的发展有很大的潜力。

在多种癌症中HK和抗凋亡Bcl-2家族蛋白过表达，Bcl-2家族蛋白成员是通过与VDAC相互作用来介导它们的抗凋亡效应，靶向VDAC-Bcl-2相关也可作为抗癌药的方法。

5VDAC和骨骼肌、心肌疾病

在营养不良的mdx小鼠的骨骼肌中，能量代谢发生了障碍，VDAC3的mRNA显著下调，表明VDAC3可能参与了小鼠肌肉营养不良的早期病理形成。在兔心肌缺血/再灌注模型中发现，p38丝裂原活化蛋白激酶抑制剂PD169316能显著减少p38介导的VDAC1磷酸化，意味着VDAC1参与了心肌缺血/再灌注[30]。

VDAC参与多种疾病的病理生理发展主要源于VDAC调节能量代谢，介导胞质和线粒体的对话以及对凋亡调节。

6小结

VDAC作为线粒体与胞质的分界，是线粒体与胞质之间物质交换的屏障以及细胞内化学或电生理信号的作用位点，在调节线粒体代谢及与细胞的其他部分联系中起关键作用，通过与多种因子相互作用，调节细胞凋亡，参与多种疾病的发生发展，因此VDAC有可能成为药物作用的新靶点。尽管已经能检测VDAC1重组体的高分辨率结构，但仍然有许多问题未知，如调质结合位点的定位、各种VDAC亚型的具体功能及参与的疾病等，需要更深入的研究。

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Research Progress in Voltage-dependent Anion ChannelDAIQiong-yan，DUANMan-lin.(DepartmentofAnesthesia，NanjingGeneralHospitalofNanjingMilitaryCommand，Nanjing210002，China)

Abstract:Found at the outer mitochondrial membrane,the voltage-dependent anion channel(VDAC) forms the main interface between the mitochondria and cellular metabolisms,thus functions as a gatekeeper,controlling cross-talk between mitochondria and the rest of the cell.Meanwhile,VDAC has also been recognized as a key protein in mitochondria-mediated apoptosis.In addition to regulating the metabolic and energetic functions of mitochondria,VDAC appears to be a convergence point for cell survival and cell death signals via its association with various ligands and proteins,making it to be a rational target for new therapeutics.Here is to make a review of mammalian VDAC,especially VDAC1,addressing its structure,functions,the relationship between associated proteins and its involvement in several diseases.

Key words：Voltage-dependent anion channel; Mitochondria; Apoptosis

收稿日期：2014-09-28修回日期：2014-12-23编辑：伊姗

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.13.011

中图分类号：R966

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)13-2332-03