电压门控钙离子通道
3.1 简介
19 世纪 80 年代，Sydney Ringer 的开创性工作探索了沐浴介质中的离子组成对青蛙心脏收缩的重要性，从而发现了钙离子 (Ca2+) 在生理过程中的必要作用。现在已知，Ca2+ 流入细胞除了控制肌肉收缩外，还控制许多生理过程，包括神经传递、基因转录、炎症、细胞运动、细胞生长和细胞死亡。电压门控 Ca2+ 通道 (VGCC) 是一类离子通道蛋白，主要作为 Ca2+ 流入可兴奋细胞的导管，以调节其兴奋性并将电信号转换为生理反应。VGCC 在非兴奋性细胞（如骨细胞和免疫细胞）中也发挥重要作用。为了发挥其广泛的生理作用，VGCC 具有分子多样性，在不同组织和细胞中表达不同，并组装成离散的大分子复合物。它们的活性和功能表达受细胞内信号分子调节，以调节生理，它们的失调是严重疾病的根本原因，它们是治疗疾病的重要药理学靶点。本章讨论了 VGCC 的各个方面，包括其生理作用、结构、功能机制、调节、药理学、生物发生和疾病。
3.2 VGCC 多样性、命名和结构组织
根据激活 VGCC 的膜电位阈值，VGCC 通常分为低压门控 (LVGCC) 或高压门控 (HVGCC)（图 3.1A）。 HVGCC 是异多聚体蛋白质复合物，含有成孔 α 1 亚基，由辅助的 β、α 2 δ 和（在某些情况下）γ 亚基组装而成。
有七种不同的 HVGCC α 1 亚基，分为 L 型（CaV 1.1–CaV 1.4）或非 L 型（CaV 2.1–CaV 2.3）。从历史上看，L 型 Ca2+ 通道 (LTCC) 之所以如此命名，是因为它们会产生较大且相对持久的离子电流。非 L 型通道也被称为 P/Q 型 (CaV2.1)、N 型 (CaV2.2) 和 R 型 (CaV2.3)。
与 HVGCC 相比，LVGCC (CaV3.1–CaV3.3) 仅需要成孔 α 1 亚基即可形成功能通道。LVGCC 历史上被称为 T 型，因为它们会产生具有微小单通道电导的瞬态电流 。
VGCC α1亚基具有四个同源结构域 (DI–DIV)，每个结构域具有六个跨膜片段 (S1-S6)（图 3.1B）。DI–DIV 中的 S1–S4 区域形成四个不同的电压传感器结构域 (VSD)，而每个结构域中的 S5–S6 组合形成离子传导孔并包含选择性过滤器。DI–DIV 由三个不同长度的细胞内环连接（I–II、II–III 和 III–IV 环）。细胞内环和末端含有各种调节蛋白的结合位点，这些调节蛋白控制通道运输、门控或亚细胞定位。 CaV1.1 的低温电子显微镜 (cryo-EM) 结构（图 3.1C、D）显示 DI–DIV采用顺时针排列，四个 VSD 分布在中央传导孔的外部（Wu 等人，2016 年）。
HVGCC 的辅助 β 亚基是胞质蛋白，与 I–II 环中的保守区域（α 1 相互作用域：AID）结合。有四种不同的 β 同工型，β 1–β 4，每种都有多种剪接变体。
从结构上讲，CaVβ 亚基有两个保守结构域 - src 同源性 3 (SH3) 和鸟苷酸激酶 (GK) 结构域 - 由 HOOK 区域连接，并具有可变的 N 和C 末端。串联SH3-GK 模块是膜相关鸟苷酸激酶 (MAGUK)家族支架蛋白的特征。CaVβs 使用位于GK 域中的α 1 结合口袋与 AID 结合。与 CaVβ 的结合调节成孔α 1亚基的运输和门控运输 (Buraei 和 Yang 2010)。
有四种不同的α 2δ 亚基异构体 (α 2-δ–α 2-4)，每种异构体都是作为前体蛋白产生的，在内质网中翻译后裂解，产生单独的 α 2δ 和肽。α 2蛋白含有一个von Willebrand factor-A (VWA) 结构域以及四个与细菌趋化因子同源的串联缓存结构域。VWA 结构域内包含一个金属离子依赖性粘附位点 (MIDAS)，可协调二价阳离子。α 2蛋白通过二硫键附着在肽上，肽通过糖基磷脂酰肌醇 (GPI) 锚固定在细胞外侧的膜上。α 2亚基与 α 1亚基的 DI、DII 和 DIII 中的细胞外环相互作用 (Wu et al. 2016)。功能上，α 2 亚基与 β 亚基协同增加 α 1 亚基的运输，并调节通道门控 (Dolphin 2013；Zamponi 等人 2015)。
γ 亚基最初在生化上被鉴定为生化纯化的骨骼肌 CaV 1.1 复合物的组成部分 (Takahashi 等人 1987)。有八个不同的 γ 亚基 (γ 1–γ 8)，其中 γ 1 和 γ 6 与 HVGCC 相关 (Chen 等人 2007)。这些 γ 亚基中的几个 (γ2、γ3、γ4 和 γ8) 调节 AMPA 受体运输，统称为跨膜 AMPA 受体调节蛋白 (TARP)。从拓扑学上看，γ 亚基具有四个跨膜区域和胞质 N 端和 C 端。CaV 1.1 低温电子显微镜结构显示 γ1 与 CaV 1.1 DIV VSD 相互作用 (Wu 等人 2016)。从功能上看，γ1 可稳定 CaV 1.1 的失活状态 (Singer 等人 1991)。3.3 VGCC 的生理作用 VGCC 广泛分布于全身，不同亚型在特定器官、组织和细胞类型中存在差异表达 (图 3.2)。VGCC 具有广泛的生理作用，这些作用是根据敲除/敲减方法、药物阻断剂和致病突变表型的组合确定的 (Zamponi 等人 2015)。在电压门控离子通道家族中，VGCC 的一个独特特征是，它们的活性不仅调节膜电位，从而调节兴奋性，而且它们的渗透性离子 Ca2+ 是一种重要的第二信使，可控制细胞中许多 Ca2+ 依赖性蛋白质的活性。体内细胞被间质液体包围，其游离 Ca2+ 浓度为 1.1-1.4 mM，而静息细胞溶质 Ca2+ 浓度严格控制在 100 nM 范围内，导致细胞外到细胞质 Ca2+ 浓度梯度 >10,000。在可兴奋细胞（如神经元、心肌细胞和
内分泌细胞）中，动作电位通过
细胞内 Ca2+ 浓度增加转化为下游生理反应，而这种增加是通过 VGCC 中的 Ca2+ 流入、
细胞内库中的释放或两种 Ca2+ 源的组合介导的。
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图 3.2
电压门控 Ca2+ 通道 α 1-亚基异构体在不同器官、组织和细胞类型中的差异表达决定了它们的不同生理作用。
在神经元中，通过突触前 HVGCC（主要是 CaV
2.1–CaV
2.3）
的 Ca2+ 流入控制神经递质释放，使神经细胞能够进行通信并调节
效应器官（Dolphin 和 Lee 2020；Catterall 和 Few 2008）。神经元中的兴奋转录
也是由 Ca2+ 通过 HVGCC 流入启动的，CaV
1 通道具有
进入该通路的特权（Ma 等人，2012 年）。此外，通过 HVGCC 流入的 Ca2+
可以通过与 Ca2+ 依赖性 K+ 通道耦合来控制神经元兴奋性（Marrion
和 Tavalin，1998 年）。CaV
1.3 对突触传递和内毛细胞的正常发育至关重要，并且对听觉必不可少（Platzer 等人，2000 年）。CaV
1.4 主要在感光细胞中表达，它介导带状突触处的神经传递，因此对正常视觉功能非常重要（Mansergh 等人，2005 年）。
在心脏中，心室心肌细胞中的 CaV
1.2 通道位于二元连接处，它们靠近细胞内 Ca2+ 释放通道，即 2 型瑞安诺丁受体 (RyR2)，后者控制着 Ca2+ 库从肌浆网 (SR) 的释放。在心室动作电位的平台期，Ca2+ 通过 CaV
1.2 流入，并通过 RyR2 触发 SR 释放更多的 Ca2+，产生 Ca2+ 诱导的 Ca2+ 释放 (CICR)，这是心脏兴奋-收缩 (EC) 偶联的基础 (Bers 2002)。CaV
1.3 在窦房结细胞中表达，并有助于心脏起搏电流调节心率 (Platzer 等人，2000)。在骨骼肌中，表面 CaV
1.1 通道与细胞内 RyR1 通道物理连接。膜的去极化导致 CaV
1.1 发生构象变化，这种变化以机械方式传递以打开 RyR1 通道并从细胞内储存中释放 Ca2+ 以启动肌肉收缩 (Bannister and Beam 2013)。Ca2+ 通过 CaV
1 流入。1
对于骨骼肌 EC 耦合不是必需的。
内分泌细胞表达各种 VGCC 来控制激素分泌 (Zamponi 等人
2015)。在胰腺 β 细胞中，血浆葡萄糖水平升高导致葡萄糖摄取和
代谢产生 ATP。增加的细胞质 ATP 结合并关闭 ATP 敏感的
电压门控钙通道
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K+ 通道，导致膜去极化，从而打开 VGCC (CaV
1.2 和 CaV
2.3)
以驱动囊泡融合和胰岛素释放。通过 CaV
1.2 和 CaV
1.3 的 Ca2+ 流入介导肾上腺髓质嗜铬细胞释放儿茶酚胺 (Marcantoni
等人 2010)。
LVGCC（CaV 3.1–CaV 3.3）在体内许多不同的组织和细胞类型中表达，包括神经元、心脏、内分泌、肾脏、平滑肌和精子（Perez Reyes 2003）。LVGCC 的生物物理特性导致不同细胞类型的静息电位附近出现窗口电流。CaV 3.1 通道是神经元中低阈值 Ca2+ 尖峰的基础，并且是深度睡眠中丘脑皮质神经元振荡爆发所必需的。在心脏中，CaV 3.1 和 CaV 3.2 通道有助于心脏起搏器电流。3.4 VGCC 的门控与其他电压门控离子通道类似，VGCC 的开启和关闭受膜电位变化的调节。在超极化电位下，通道处于关闭状态，在低（~-70 mV；CaV 3.1-CaV 3.3）、中（~-55 mV；CaV 1.3、CaV 2.3）和高（~-40 mV；CaV 1.1/1.2/1.4；CaV 2.1/2.2）阈值下，响应膜去极化激活至开放状态（Dolphin 和 Lee 2020）。在维持去极化期间，VGCC 以不同的速率进入失活状态，具体取决于亚型。与 HVGCC 相比，CaV 3 通道表现出快速的电压依赖性失活。一些通道（CaV 1.2/1.3；CaV 2.1–2.3）在响应 Ca2+ 流入时显示门控反馈变化，表现为 Ca2+ 依赖性失活 (CDI) 或 Ca2+ 依赖性促进 (CDF)，这通常通过使用 Ca2+ 或 Ba2+ 作为电荷载体比较电流波形来研究（Liang 等人，2003 年；Ben-Johny 和 Yue，2014 年）。膜复极化后，VGCC 恢复到闭合状态，失活动力学不同。与 HVGCC 相比，LVGCC 的失活动力学特征较慢。VGCC 的电压敏感性由 VSD 赋予。 CaV
1.1 的低温电子显微镜结构显示，S4 电压传感器采用 310 螺旋结构，带正电的氨基酸、精氨酸或赖氨酸占据每第三或第四个位置 (Wu 等人，2016)。细胞中发现的负静息膜电位使 S4 电压传感器处于“向下”状态，其中带正电的残基位于由负或极性残基组成的电荷转移中心 (CTC) 下方，包括 S3 上的保守天冬氨酸和 S2 上的疏水性阻断残基。由于在低温电子显微镜条件下缺乏电压梯度，CaV
1.1 结构显示 S4 电压传感器处于“向上”状态，尽管不同域之间的水平不同 - 来自 DI 的四个精氨酸残基和来自 DII 的三个精氨酸残基处于“向上”状态，而 DIII 中的精氨酸残基尚未解决。 CaV 2.2 的低温电子显微镜结构同样显示来自 DI、DIII 和 DIV 的 S4 电压传感器处于上升状态，而 DII S4 通过与磷脂酰肌醇 4,5-二磷酸 (PIP2) 结合而被困在下降状态 (Gao, Yao, and Yan 2021)。对 CaV 1.2 的电压钳荧光实验表明，四个电压传感器表现出不同的电压依赖性和动力学，变构活化模型表明 DII S4 和 DIII S4 对稳定通道开放状态最为负责，DI S4 的贡献较小 (Pantazis 等人，2014)。然而，S4 精氨酸和赖氨酸残基的电荷中和表明 DI S4 和 DIII S4 是 CaV 1.2 活化的限速因素 (Hering 等人，2018)。电荷中和实验同样表明 DI S4 在 CaV 3.1 的激活门控中起主导作用，DII S4 和 DIII S4 的贡献较小。
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VGCC 的激活门存在于通道孔内。在关闭状态下，DI–DIV
S6 片段在细胞内末端相交，形成疏水密封，防止离子渗透（Wu 等人，2016 年）。VSD 通过与膜平行的螺旋 S4–S5 接头连接到孔门。随着去极化，电场中电压传感器的向上位移与 S4–S5 接头的横向运动相结合，导致细胞内门处的 S5–S6 螺旋脱离，从而打开通道。总体而言，VGCC 中失活门控的决定因素分布比 NaV 或 KV 通道中更广泛。细胞内环与胞浆蛋白（例如辅助 β 亚基、突触素和 CaM）的结合调节 HVGCC 的失活门控。
Se改变 VGCC 失活门控的多种致病突变已被定位到细胞内域以及 S6 节段。心脏 CaV
1.2 通道中的单通道记录表明 CDI 涉及 Ca2+ 诱导的低开放概率门控模式切换（Imredy 和 Yue 1994）。CaM 被确立为 HVGCC 的 CDI（Peterson 等人 1999；Zuhlke 等人 1999）和 CDF（DeMaria 等人 2001）的 Ca2+ 传感器。CaV
1.2 选择性过滤器中保守的天冬氨酸残基的突变选择性地消除了 CDI，表明选择性过滤器是这种失活机制的终点（Abderemane-Ali 等人 2019）。 CaV
2.2 通道显示优先闭合状态失活 (CSI)。CaV
2.2 低温电子显微镜结构显示，在 DII–DIII 环中由 A764 至 S783 残基形成的细胞内门下方有一个 α 螺旋（称为 W 螺旋），其中包含残基 W768，该残基与 S6 残基形成疏水相互作用，使细胞内门稳定在闭合状态。删除 W 螺旋或 W768Q 点突变会选择性地消除 CaV
2.2 CSI，证实了这种独特的 W 螺旋在这种现象中的必要作用（Dong 等人，2021 年）。 3.5 VGCC 的离子渗透性
Na+ 和 Ca2+ 离子具有相似的离子半径，细胞外 Na+ 的数量是 Ca2+ 的 100 倍，但 VGCC 选择性地通过 Ca2+ 而不是 Na+，比例为 1000:1。这是通过 VGCC 的选择性过滤器实现的，其中每个域贡献一个谷氨酸以在孔内形成 EEEE 位点，以微摩尔亲和力结合 Ca2+（Yang 等人，1993 年）。在没有 Ca2+ 离子的情况下，Na+ 和 Li+ 离子很容易渗透到孔中，但被微摩尔浓度的细胞外 Ca2+ 阻断（Hess 和 Tsien，1984 年）。 Ca2+ 阻断通过 CaV
1.2 通道的单价阳离子电流的浓度依赖性表明，Ca2+ 与孔内的高亲和力位点结合，表观 Kd
约为 1 M。EEEE 基因座中任何 E 残基的 E 到 Q 突变都会降低 Ca2+ 与 CaV
1.2 孔结合的亲和力，双重突变会导致亲和力降低高达一千倍 (Yang 等人，1993 年)。
假设 Ca2+ 与 VGCC 孔结合是一个扩散限制过程，如果孔中只有一个结合位点，则 Ca2+ 的最大脱离速率 koff
将由 Kd
/kon
= 10–6 M/10–9 M • s = 每秒 103 个离子给出。然而，单通道记录显示皮安级电流，表明 VGCC 每秒通过 106 个离子。预期和观察到的离子通量之间的千倍差异可以通过假设单行多离子占据孔隙和静电排斥迫使离子离开孔隙的模型来弥合（Sather 和 McCleskey 2003）。CaV 1.1 低温电子显微镜结构确定了孔隙内两种密度，模拟为 Ca2+ 离子，包括在 EEEE 基因座。分子动力学建模表明 EEEE 基因座足够灵活，可以容纳多个 Ca2+ 离子，并预测过滤器中可以同时存在三个 Ca2+ 离子，其中一个离子与高亲和力位点结合，两个离子与低亲和力位点结合。一项将突变分析与 VGCC 建模相结合的研究确定了 EEEE 基因座上方的一圈非保守带负电荷残基，该残基形成二价阳离子选择性位点 (DCS)，负责区分不同 VGCC 类型之间的二价阳离子选择性 (Cens 等人，2007 年)。在 CaV 1.1 中，DCS 中的 N617D 突变产生了一个既不传导单价阳离子也不传导二价阳离子的通道，这是因为该孔对 Ca2+ 的亲和力增加了 4.2 倍 (Dayal 等人，2021 年)。
3.6 VGCC 的药理学
VGCC 是各种小分子和/或毒素的靶点，它们可用作治疗剂或研究工具 (Zamponi 等人，2015 年；Hockerman 等人，1997 年)（表 3.1）。三种不同类别的药物可阻断 L 型 Ca2+ 通道 (CaV
1.1–CaV
1.4)：二氢吡啶 (例如尼索地平)、苯烷基胺 (例如维拉帕米) 和苯并硫氮卓 (例如地尔硫卓)。苯烷基胺和苯并硫氮卓可阻断通道孔，而二氢吡啶则通过变构机制抑制传导。阻断的亲和力因 LTCC 类型而异 (例如，伊拉地平抑制 CaV
1.2 的 IC50 比抑制 CaV
1.3 的 IC50 低五倍)，并且也可能因给定类型的不同剪接变体而有所不同。所有
三类药物均表现出电压和状态依赖性结合，在去极化电位和通道处于失活状态时更易发生结合，并且还表现出使用依赖性阻滞，其中阻滞量随着刺激频率的增加而增加，尽管程度不同（Zamponi 等人，2015 年）。所有三类药物在临床上均用作抗高血压药物和治疗心绞痛。在这些临床适应症的治疗剂量下，平滑肌 LTCC 的阻滞更受青睐由于平滑肌的相对去极化静息膜电位和对阻断敏感度不同的 CaV
1.2 剪接变体的表达，其在心脏 LTCC 中的作用优于其他药物。维拉帕米和地尔硫卓也用于治疗室上性心动过速，这是由于它们对心脏房室结中 CaV
1.2 通道的使用依赖性阻断所致。光亲和标记和诱变实验首先绘制了 LTCC 阻断剂与 DIIIS6、DIVS6 和 DIIIS5-S6 连接子结合的重要决定因素（Hockerman 等人，1997 年）。通过 CaV 1.1 与三种不同类别的 LTCC 阻滞剂的复合体的低温电子显微镜结构确认并进一步阐述了结合位点：硝苯地平位于 DIII 和 DIV 之间的开孔中，而维拉帕米和地尔硫卓则穿过孔的中央腔 (Zhao 等，2019)。除了阻滞剂之外，还有 DHP 激动剂（例如 BAY K 8644），它们通过稳定通道的开放状态来强烈增强 LTCC 电流。DHP 激动剂 BAYK 8644 的结合位点与 DHP 拮抗剂硝苯地平的结合位点重叠 (Zhao 等，2019)。目前尚无 DHP 激动剂的临床指征。人们一直对开发能够区分 LTCC 类型（尤其是 CaV
1.2 和 CaV
1.3）的阻断剂感兴趣。研究表明，CaV
1.3 活性是导致大量黑质多巴胺能神经元易受细胞死亡（导致帕金森病）的原因（Chan 等人，2007 年）。然而，尚未成功开发出能够选择性阻断 CaV
1.3 而不影响 CaV
1.2 的阻断剂。与 LTCC 相比，针对神经元 VGCC（CaV
2.1-CaV
3）的小分子抑制剂相对缺乏。 CaV
2.2 通道是治疗疼痛的重要靶点，这在很大程度上是由于它们在痛觉神经元突触传递中的重要作用
40
背角。来自鱼猎蜗的肽毒素可有效阻断 CaV
2.2，包括来自锥形蜗牛 Conus geographus 的 ω-芋螺毒素 GVIA 和来自 Conus magus 的 ω-芋螺毒素 MVIIA（Olivera 等人，1994 年）。这些肽是孔阻滞剂，通过物理阻断离子进入选择性和通道孔发挥作用（Gao、Yao 和 Yan，2021 年）。
齐考诺肽 (Prialt) 是一种合成的 ω-芋螺毒素 MVIIA，临床上用作对一线治疗无效的严重慢性疼痛的二线治疗。该药物通过鞘内途径给药，由于可能产生中枢效应，因此限制了治疗窗口 (Schmidtko 等人，2010 年)。研究发现，感觉神经元中 CaV
2.2 的表面密度受塌陷反应介导蛋白 2 (CRMP2) 的调节 (Chi 等人，2009 年)。研究发现，干扰 CaV
2.2/CRMP-2 关联的 TAT 融合肽可降低 CaV
2.2 表面密度并介导啮齿动物疼痛模型中的镇痛作用 (Brittain 等人，2011 年)。 CaV
2.1 通道受到 ω-agatoxin
IVA（一种从漏斗网蜘蛛 Agenelopsis aperta 的毒液中分离出的肽）的强烈抑制，而
CaV
2.3 则受到蜘蛛毒素 SNX-482 的抑制。阻断野生型 CaV
2.1 通道没有明显的医学指征。相比之下，抑制 CaV
2.3 可能适用于治疗癫痫和疼痛（Zamponi 等人，2015 年）。
除了成孔 α 1
亚基外，靶向 HVGCC 辅助蛋白的分子也具有临床用途。加巴喷丁类药物加巴喷丁和普瑞巴林在临床上用于治疗慢性疼痛和癫痫，它们通过结合 α 2-1 和 α 2-2 亚基发挥治疗作用 (Gee 等人 1996 年，Field 等人 2006 年)。据报道，加巴喷丁与 α 2-1 结合可减少 CaV 2 通道的表面运输，但也有人提出了不涉及 HVGCC 的其他机制作为缓解疼痛的潜在机制 (Dolphin 2018)。抑制 HVGCC α1-β 亚基相互作用的小分子已被开发出来，并被证明可以抑制 CaV 2.2 通道运输并在啮齿动物疼痛模型中表现出镇痛作用 (Chen 等人 2018 年；Khanna 等人 2019 年)。通过将纳米抗体与 E3 泛素连接酶 Nedd4L 的催化 HECT 结构域结合，生成了一种遗传编码的 HVGCC 抑制剂。这种分子称为 CaV-aβlator，通过靶向 β 亚基并促进通道复合物的泛素化，有效抑制 HVGCC，从而导致通道从细胞表面去除 (Morgenstern 等人，2019)。
T 型 Ca2+ 通道被几种无机小分子阻断，
尽管在大多数情况下它们不是这些通道的选择性抑制剂 (Zamponi 等人
2015)。抗癫痫药物乙琥胺、三甲双酮和唑尼沙胺阻断 CaV
3.1
CaV
3.3 通道，也具有神经保护作用。几种用作抗高血压药物的 DHP 和两亲性聚（烯丙胺） (PAA) LTCC 阻断剂，如氨氯地平
和维拉帕米，也会阻断 T 型 Ca2+ 通道。米贝拉地尔是一种 PAA 药物，是一种强效的
T 型通道阻滞剂，用于治疗高血压，但由于它
抑制细胞色素 P450 3A4 (CYP3A4)，导致不良的药物相互作用，因此不得不停用。Z944
是一种泛 T 型通道阻滞剂，已显示出作为抗癫痫药的功效，并且
在疼痛模型中也产生镇痛作用 (Tringham 等人，2012 年)。
3.7 VGCC 的调节
VGCC 的活性受多种机制调节，包括翻译后修饰、与 G 蛋白偶联受体 (GPCR) 激活释放的 G 蛋白亚基的相互作用、Ca2+ 传感蛋白和其他细胞机制（图 3.3）。
42
图 3.3
电压门控 Ca2+ 通道的调节。 (A) 调节电压门控 Ca2+ 通道 CaV 1.1 (5GJV)、PKA 催化亚基 (4XW5)、PKA 调节亚基 (6FLO)、蛋白激酶 C (6UWA)、Gβγ (3SN6)、Rad (2DPX)、钙调蛋白 (2DFS)、钙调磷酸酶 (2P6B)、瑞诺丁受体 (3J8H) 和 SNARE (3RK2) 的各种类别的典型蛋白质的结构。(B) 各种电压门控 Ca2+ 通道调节剂如何影响 Ca2+ 电流波形的示意图。这些机制代表了调节细胞功能和整个生物体生理的有力手段，也是治疗药物的靶点。在运动或遇到危险时，去甲肾上腺素作用于心脏中的 β-肾上腺素受体，启动信号级联，导致 cAMP 产生增加和蛋白激酶 A (PKA) 激活，从而导致心率和收缩力增强。心脏功能的增强对于生理上的战斗或逃跑反应至关重要。激活的 PKA 会强烈增加心脏中的 CaV
1.2 电流幅度，这种效应对于 β-肾上腺素受体激动剂的正性肌力作用是必要的 (Bean、Nowycky 和
Tsien 1984)（图 3.3B）。令人惊讶的是，主要机制并不涉及 PKA 对 CaV
1.2 亚基的直接磷酸化。相反，在基础条件下，心脏 CaV
1.2 通道亚群由小单体 G 蛋白 Rad 保持在低 Po 门控模式，该蛋白与辅助 CaV
β 亚基结合。Rad 的 PKA 磷酸化降低了其对 CaV
β 的亲和力并减轻了对 CaV
1.2 的抑制，从而增加了全细胞 L 型 Ca2+ 电流 (Liu 等人，2020)。Rad 属于 Ras 样单体 G 蛋白的四成员亚家族，统称为 RGK（Rad、Rem、Rem2、Gem/Kir）蛋白，所有这些蛋白都通过结合 β 亚基有效抑制 HVGCC（Beguin 等人，2001 年；Finlin 等人，2003 年）。抑制机制多种多样，可能涉及通道表面密度降低以及细胞表面通道 Po 降低（具体取决于所涉及的 RGK 蛋白和 HVGCC）（Yang 和 Colecraft 2013）。
神经元 CaV
2.1–CaV
2.3 通道受激活的 GPCR 调节（Zamponi 和 Currie 2013）。一种突出的机制涉及释放的 Gβγ 亚基与
电压门控钙通道
43
成孔 α1
亚基结合并引起电压依赖性电流抑制，其特征是活化动力学减慢（图 3.3B）（Ikeda 1996；Herlitze 等人 1996）。这种抑制最显著地发生在 CaV
2.2 通道中，涉及 Gβ γ 与 α 1B 的 N 端和 I-II 环的结合，并将通道门控从愿意模式转变为不愿意模式，其特征是首次开放的潜伏期增加（Agler 等人，2005 年；Bean，1989 年；Patil 等人，1996 年；Colecraft、Brody 和 Yue，2001 年）。这种抑制可以通过单个强去极化预脉冲或动作电位 (AP) 波形爆发来缓解，可能有助于突触可塑性。作用于 -阿片类受体的阿片类药物通过该途径抑制背角突触前 CaV
2.2 通道，作为镇痛的一种机制（Raingo、Castiglioni 和 Lipscombe，2007 年）。 HVGCC 的另一种重要调节形式是由 Ca2+ 结合蛋白介导的，其中最突出的是 CaM，它是这些通道事实上的亚基。CaM 结合为 HVGCC 的 Ca2+ 反馈调节提供了一种机制，但调节方式可能因各个通道的不同而有质的差异。对于 CaV
1.3，apoCaM 结合本质上会增加通道 Po
并为 CDI 提供传感器通道
（Adams 等人，2014 年）。在心脏中，CaV
1.2 的 CDI 对于维持正常的心室动作电位持续时间 (APD) 至关重要。消除 CDI 会导致超长的 APD，这会产生病理性（Alseikhan 等人，2002 年）。CDI 减少会导致人类钙调蛋白病中发现的 CaM 突变的心脏病理学（Limpitikul 等人，2014 年）。在需要通过 CaV
1 通道持续流入才能进行信号传导的组织中，例如内耳中的 CaV
1.3 和视网膜中的 CaV
1.4，CDI 要么被与 CaM (CaV
1.3) 竞争的 Ca2+ 结合蛋白 (CaBP) 拮抗，要么被远端 C 末端编码的模块拮抗，该模块称为 CaV
1.4 (Dolphin 和 Lee 2020；Singh 等人 2006；Wahl-Schott 等人 2006)。在 CaV
2.1 中，CaM 介导 CDI 和 CDF (DeMaria 等人 2001；Lee、Scheuer 和 Catterall 2000)。 HVGCC 的其他显著调节形式包括骨骼肌中 RyR1 对
CaV
1.1 的逆向上调 (Nakai 等人，1996) 和突触素通过稳定这些通道的失活状态降低
CaV
2.2 和 CaV
2.1 的可用性 (Bezprozvanny、
Scheller 和 Tsien，1995)。
3.8 VGCC 的生物发生、运输和周转
与其他表面膜蛋白一样，VGCC 的生命周期始于内质网膜中的合成，在高尔基体中进行翻译后修饰，被运输到
细胞表面并在那里发挥作用，通过内吞作用从细胞表面移除，并被回收或运输到溶酶体或蛋白酶体进行降解。尽管这些过程是已知的或大致假定的。详细机制和决定因素的许多方面仍需进一步研究。
异源表达研究确定，HVGCC α 1 亚基从 ER 向前运输需要与辅助 CaV β 亚基结合 (Buraei and Yang 2010)。
嵌合通道分析研究将 CaV 1.2 α 1C 的细胞内环和末端系统地交换到 CaV 3.1 (α 1G) 中，结果表明 α 1C I–II 环包含位于 AID 下游的 ER 输出信号，而所有其他细胞内域都包含 ER 保留信号。提出了一种变构模型，其中 β 与 AID 的结合导致 α 1C 细胞内域发生构象变化，从而改变 ER 保留和输出基序之间的平衡，有利于向前运输 (Fang 和 Colecraft 2011)。研究还表明，与 β 结合可保护 CaV
1.2 和 CaV
2.2 免受泛素化和蛋白酶体降解 (Waithe 等人，2011 年；Altier 等人，2011 年)。
44
这两种机制可能协同作用，促进 β 依赖性 HVGCC 向细胞表面的正向运输。在成年心肌细胞中，诱导敲低 β 2 或表达突变体 α 1C （突变的 AID 不能结合 β），并不能阻止有效的 CaV
1.2 运输到细胞表面，从而违反了 β 结合始终是 HVGCC 运输到质膜所必需的教条 (Yang 等人，2019 年；Meissner 等人，2011 年)。因此，可能存在细胞类型特异性因子，它们可以替代 β 来促进 HVGCC α 1 亚基正向运输，或者提供一种使 β 结合变得不必要的环境。HVGCC α 1 亚基的表面密度通过与 α 2 亚基结合而进一步显着增加。该机制被认为涉及增加内吞的 α 1 亚基的循环以及稳定细胞表面的通道（Zamponi 等人，2015 年）。除了核心辅助亚基之外，还有其他几种蛋白质已被证明可以调节特定 HVGCC 的表面密度，包括 SH3 和富含半胱氨酸结构域的蛋白 3（Stac3；CaV 1.1）；钙调蛋白（CaV 1.2）；CRMP2（CaV 2.2）；脆性X智力低下蛋白（FMRP；CaV 2.2）；和RGK GTPases（CaV 1.2）。
与HVGCC不同，LVGCC的正向运输不依赖于与辅助亚基的结合。然而，LVGCC的表面密度也受蛋白质-蛋白质相互作用的调节。肌动蛋白结合蛋白Kelch-like 1（KLHL1）通过增强通道向细胞表面的循环来增加LVGCC的表面密度（Weiss和Zamponi 2017）。
翻译后修饰是调节VGCC表面密度的重要机制。LVGCC通过天冬酰胺连接的糖基化（N-糖基化）进行修饰； CaV
3.2 中的这种修饰通过突变消除，通过提高其内化率来降低通道表面密度（Weiss 和 Zamponi 2017）。α2亚基被大量糖基化，这种修饰对于这种辅助亚基调节 HVGCC 运输的能力很重要。VGCC 的表面密度也受泛素化调节，泛素化是一种依赖于泛素写入器（E3 泛素连接酶）和擦除器（去泛素酶）系统的翻译后修饰。表面的功能调节ACE 密度和 VGCC 运输由特定 E3 连接酶进行，包括 Nedd 4-1 (CaV
1.2)、Parkin (CaV
2.2)、RNF138 (CaV
2.1)、RFP2 (CaV
1.2) 和
WWP1 (CaV
3.2)。对反对 E3 泛素连接酶对 VGCC 作用的去泛素化酶的研究相对有限，其中 USP5 被证明可以调节 CaV
3.2 功能性表达 (Weiss 和 Zamponi 2017；Zamponi 等人 2015)。总体而言，关于所涉及的分子参与者和泛素化调节 VGCC 的机制的许多关键问题仍未得到解决。 3.9 VGCC 通道病和疾病
由于突变或细胞状况改变其功能表达而导致的 VGCC 失调与各种疾病有关（表 3.2）。CaV
1.1 中的不同突变与各种骨骼肌疾病有关（Flucher 2020）。低钾性周期性麻痹 (HypoPP) 是一种常染色体显性遗传疾病，其特征是肌肉松弛无力，同时伴有低血清钾水平。CaV
1.1 中的突变会导致 1 型 HypoPP (HypoPP1)，占 HypoPP 病例的 60%。大多数 HypoPP1 突变会中和 CaV
1.1 VSD（例如 R528G/H 和 R897S）中的 S4 门控电荷，并破坏相应 VSD 中疏水密封的完整性。这会导致
“欧米茄电流”，这是由受影响的 VSD 中的质子或钠离子泄漏引起的。
欧米茄电流的存在与低血清钾相结合，促进了电压门控钙通道 45 表 3.2 与电压门控 Ca2+ 通道亚基突变相关的不同通道病和通道生物物理特性的改变 VGCC 亚基疾病对 CaV 的生物物理影响 CaV 1.1 CaV 1.2 CaV 1.3 CaV 1.4 CaV 2.1 CaV 3.2 β2 β4 α2 δ1 低钾性周期性麻痹 I 型 (HypoPPI) 恶性高热 易感性 5 型 (MHS5) 长 QT 综合征 (LQTS) 儿茶酚胺能 多形性室性心动过速 (CPVT)短 QT 综合征 (SQTS)
布鲁格达综合征 (BS)
提摩西综合征 (TS)
自闭症谱系障碍
(ASDs)
X 连锁先天性
静止性夜盲症
2 型
家族性偏瘫性偏头痛
I 型 (FHM1)
发作性共济失调
2 型
(EA2)
脊髓小脑共济失调
6 型 (SCA6)
癫痫/失神发作
特发性全身性癫痫 (IGE)
自闭症谱系障碍
(ASDs)
短 QT 综合征 (SQTS)
布鲁格达综合征 (BS)
癫痫/共济失调
短 QT 综合征 (SQTS)
布鲁格达综合征 (BS)
功能丧失；电流密度降低；激活率降低；通过电压感应域的 omega 电流
通道功能丧失，但导致 RyR1 对 Ca2+ 释放的敏感性增加
功能获得；电流密度增加；电流失活减少；通道表达增加；通常导致活化曲线左移
功能丧失；电流密度降低；通道运输减少；单通道电导率降低
功能获得；电压依赖性失活丧失
功能获得；电流密度增加；活化曲线左移；电压依赖性失活增加
功能丧失；活化曲线左移；通道失活率降低；通道活性降低（例如，电流密度、通道运输、通道开放）
功能获得；活化曲线左移；开放概率增加，失活率增加
功能丧失；电流密度/通道活性降低；通道运输减少
功能获得；活化曲线左移；通道密度增加/核周聚集体增加
混合通道效应取决于通道突变（例如，门控移位、电流密度）
混合通道效应取决于通道突变（例如，门控移位、电流密度）
功能丧失；电流密度降低；激活曲线右移
功能丧失；电流密度降低；晚期电流增加
功能获得；电流密度增加；失活率增加
功能丧失；电流密度降低
骨骼肌长期去极化导致 NaV
1.4 失活和随之而来的肌肉无力。CaV
1.1 突变也会导致恶性低温易感性 5 型 (MHS5)，这是一种常染色体显性遗传疾病，其特征是挥发性麻醉剂和去极化肌肉松弛剂导致过量 Ca2+ 释放，如果不及时治疗可能会致命。大多数 MHS 病例是由 RyR1 突变引起的。MHS5 突变改变了 CaV
1.1 和 RyR1 之间的耦合，导致生理和药理激活后 Ca2+ 释放过度敏感 (Flucher 2020)。
人类 α 1C
亚基突变与各种心律失常综合征有关，反映了心脏中 CaV
1.2 的主要表达 (Zhang et al. 2018)。
α 1C
中假定的功能丧失 (LoF) 突变与短 QT (SQTS)、
Brugada (BrS) 和早期重复有关极化综合征 (ERS)。Timothy 综合征 (TS) 是一种罕见的常染色体显性综合征，由 CaV
1.2 的功能获得 (GoF) 突变引起，是一种多系统疾病，其特征是 QT 间期延长（长 QT 综合征 46
离子通道教科书第 II 卷
8 型，LQT8）、自闭症谱系障碍、并指和面部畸形 (Bauer 等人，2009)。对 TS 分子病因的最初表征确定了 CaV
1.2 的可变剪接外显子 (外显子 8 和 8A) 中的 G406R 突变，该突变破坏了 α 1C 的 DI 中的 S6 螺旋并导致 CaV
1.2 的失活减慢 (Splawski 等人，2004)。 TS 患者表现出的症状的严重程度和特征可能变化很大，并且取决于 CaV
1.2 可变剪接、遗传背景和嵌合性等因素。全基因组关联研究 (GWAS) 一致地将 CACNA1C 中的单核苷酸多态性 (SNP) 与各种神经精神疾病联系起来，包括躁郁症、精神分裂症、重度抑郁症和自闭症 (Bhat 等人，2012 年)。
CACNA1D 纯合突变导致 CaV
1.3 通道不传导的人表现出先天性耳聋和由窦房结功能障碍 (SANDD 综合征) 引起的心动过缓 (Striessnig、Bolz 和 Koschak，2010 年)。相比之下，导致 CaV
1.3 中 GoF 的错义突变会导致神经发育（智力障碍、自闭症谱系障碍、癫痫）和内分泌（高醛固酮血症和高胰岛素血症）障碍。与 CaV
1.4 在介导感光细胞带状突触持续神经传递中的作用相符，CACNA1F 突变会导致 X 连锁先天性静止性夜盲症 2 型 (CSNB2) 和 X 连锁视锥细胞营养不良症 3 型。电生理学研究表明，导致 CaV
1.4 中 LoF 或 GoF 的突变与疾病有关（Striessnig、Bolz 和 Koschak 2010）。 CaV
2.1 中的突变会导致一系列神经系统疾病，包括癫痫性脑病 (EE)、家族性偏瘫性偏头痛 1 型 (FHM1)、发作性共济失调 2 型 (EA2)、脊髓小脑共济失调 6 型 (SCA6) 和智力障碍 (ID)。FHM1 与 CaV
2.1 中的 GoF 错义突变有关，而 EA2 则源于 LoF 突变，其中许多是无义突变，导致过早终止密码子。SCA6 源于 CaV
2.1 C 端的多聚谷氨酰胺重复序列 (>21 CAG) (Pietrobon 2010)。
除了成孔亚基之外，HVGCC 辅助亚基中的突变也与疾病有关 (Zamponi 等人 2015)。所有四种 α 2 亚基异构体的突变都与神经和/或心血管疾病有关：α 2-1 – 癫痫性脑病、布鲁格达综合征、短 QT 综合征；α 2-2 – 癫痫性脑病、小脑性共济失调、精神分裂症；α 2-3 – 自闭症谱系障碍；α 2-4 – 夜盲症和视锥细胞营养不良症。此外，CACNB2 和 CACNB4 的突变分别与布鲁格达综合征和癫痫有关。CaV 3.1 中的 LoF 和 GoF 突变分别与小脑性共济失调和儿童期小脑萎缩有关。CaV 3.2 中的突变与特发性全身性癫痫、自闭症谱系障碍和醛固酮增多症有关。此外，CaV 3.2 功能性表达的增加与翻译后修饰（包括去泛素化和糖基化）的变化有关，与慢性疼痛有关（Weiss 和 Zamponi 2020）。
3.10 结论
在过去的四十年里，我们在理解 VGCC 家族的生理作用、门控和渗透的生物物理机制、药理学、结构功能和与疾病的关系方面取得了巨大进展。
这些发现是由关键的使能技术和研究工具的应用推动的。这些包括膜片钳技术、电压门控钙通道 47 克隆、异源表达、基因敲除小鼠和结构生物学方法（X 射线晶体学和低温电子显微镜）。然而，我们对 VGCC 的了解仍然存在重大差距。 VGCC 的细胞内环和末端是通道功能和调节的关键决定因素，但由于其移动性，在低温电子显微镜结构中大多未得到解决。VGCC 在其天然生理环境中的生物发生、运输和降解背后的机制和决定因素研究不足，尚未得到很好的理解。VGCC 突变如何导致疾病的机制研究，以及将基本见解与开发新疗法联系起来，也仍然是一个重要的研究前沿。