综述：颈动脉体氧传感器

本文聚焦颈动脉体（CB）化学感受器球细胞，详细阐述其感知缺氧的机制。研究发现，该过程依赖 HIF2α 相关的特殊线粒体，而非单一氧传感器。此机制为呼吸和心血管药理学提供新靶点，对理解相关生理病理意义重大。

　　

引言

颈动脉体（CB）是哺乳动物重要的急性氧（O₂）感应器官，能在低氧张力（缺氧）时启动快速的心肺适应性反射，像过度换气和心输出量增加等。CB 中神经嵴来源的化学感受器球细胞具有氧感应特性，它与毛细血管联系紧密，并受神经支配。

球细胞含 O₂敏感的 K⁺通道，缺氧时这些通道受抑制，引发细胞去极化、Ca²⁺内流和神经递质释放，其中 ATP 是主要的兴奋性递质。然而，长期以来，氧感应的分子机制以及 O₂对膜离子通道的调节机制一直不明确。虽有多种氧传感器候选分子，但基因敲除小鼠实验表明，它们并非 CB 急性氧感应所必需。近年来，借助基因修饰小鼠、基因表达分析和单细胞监测技术，人们发现 CB 急性氧感应依赖基因特化的线粒体，而非单一分子氧传感器。

线粒体复合物 I 依赖的缺氧信号生成及对离子通道功能的调节

很早就有研究发现，线粒体抑制剂可强烈激活 CB，而且球细胞的某些线粒体参数会受 O₂张力调节。实验表明，线粒体抑制剂激活 CB 球细胞的过程和缺氧类似，都需要细胞外 Ca²⁺内流。比如，鱼藤酮作为线粒体复合物 I（MCI）的选择性抑制剂，不仅能模拟缺氧状态，还会使细胞在其存在时对缺氧不敏感，这暗示线粒体可能调节球细胞膜电活动，急性氧感应或许依赖 MCI 功能。

研究人员利用敲除 Ndufs2 基因（编码 MCI 催化核心亚基，对辅酶 Q 结合和鱼藤酮阻断至关重要）构建的 MCI 条件性基因敲除小鼠模型展开研究。Ndufs2 缺陷小鼠的球细胞虽缺乏 MCI 活性，但能存活数月，且细胞形态、电特性和神经分泌活动正常，不过缺氧诱导的儿茶酚胺分泌释放完全消失，而对高碳酸血症等其他刺激的分泌反应不受影响。同时，缺氧诱导的膜离子电流调节和胞质 Ca²⁺增加也消失了。

基于这些发现，研究人员提出急性氧感应的动态线粒体 - 膜信号传导（MMS）模型。在该模型中，缺氧时 O₂张力下降，会使线粒体电子传递链（ETC）中底物堆积，生成超氧阴离子（经超氧化物歧化酶转化为 H₂O₂），CoQH₂增加导致 MCI 活性减慢和 NADH 积累。NADH 和 H₂O₂与膜离子通道相互作用，触发细胞去极化和递质释放。

对单个球细胞的微荧光分析为 MMS 模型提供了支持，实验显示缺氧时 NADH 和 H₂O₂水平会升高，而 MCI 缺陷的球细胞中这些信号消失。NADH 和 H₂O₂能模拟和减弱缺氧对背景和电压依赖性 K⁺电流的影响，但缺氧诱导的球细胞膜去极化似乎不依赖某一类 O₂调节的 K⁺通道，而是多种通道与 NADH 和 H₂O₂相互作用的结果。例如，TASK1 和 TASK3 K⁺通道虽在球细胞中高表达，但敲除相关基因的小鼠球细胞对缺氧仍有正常分泌反应，说明其他受 NADH 和 / 或 H₂O₂调节的离子通道可补偿其缺失。

此外，转基因表达酵母 NDI1（一种与哺乳动物 MCI 结构无关的单分子 NADH / CoQ 氧化还原酶）能完全恢复 MCI 缺陷球细胞的氧感应功能，恢复缺氧诱导的 NADH 和 H₂O₂信号及球细胞对缺氧的分泌反应，还能使小鼠恢复缺氧通气反应（HVR）。这表明缺氧时 MCI 活性的动态变化对 CB 球细胞急性氧感应通路至关重要。基因敲除球细胞线粒体复合物 III（MCIII）的小鼠实验也进一步支持了 MMS 模型，MCIII 缺陷小鼠 HVR 完全消失，球细胞对缺氧和氰化物（MCIV 阻断剂）不敏感，但对高碳酸血症等其他刺激分泌反应正常。

用于生理性急性氧感应的基因特化线粒体

CB 球细胞对缺氧极为敏感，能检测到周围环境中 O₂张力略低于 80 - 90 mmHg 时的变化。而在所有研究过的组织中，细胞色素 c 氧化酶（CCO，线粒体复合物 IV（MCIV）的组成部分）对 O₂的 Km 值约为 1 mmHg 或更低，这意味着激活球细胞的 O₂水平远高于 MCIV 的饱和水平，说明球细胞拥有能响应高 O₂张力波动的非典型线粒体 ETC。

转录组学研究发现了 O₂敏感的 CB 细胞特有的 “特征基因谱”，使其区别于其他神经嵴来源的 O₂不敏感细胞。CB 细胞中高表达的转录本包括编码丙酮酸羧化酶（维持线粒体 ETC 底物供应的线粒体回补酶）、两种 MCIV 核心亚基异构体（COX4I2 和 COX8B）以及另外两种与 MCIV 相关的 ETC 亚基（NDUFA4L2 和 HIGD1C）的基因。其中，Cox4i2、Cox8b 和 Ndufa4l2 的表达依赖于缺氧诱导因子 2α（HIF2α）的组成型转录活性，HIF2α 在正常（常氧）条件下的 CB 球细胞中高表达。而且，Higd1c 启动子区域含多个缺氧反应元件，其在 CB 中的表达也似乎依赖 HIF2α。Epas1（编码 HIF2α 的基因）对 CB 胚胎发育至关重要，成年后破坏 Epas1 会强烈抑制球细胞对缺氧的反应和 HVR。敲除 Cox4i2 基因或 Higd1c 基因（敲除 Higd1c 基因影响相对较小）也会得到类似结果，但 Ndufa4l2 缺陷不影响球细胞对缺氧的敏感性和 HVR，这表明球细胞 MCIV 的氧感应功能很大程度上依赖 HIF2α 调节的 COX4I2 和 HIGD1C 表达。

COX4 是构成 CCO 催化核心的 13 个亚基之一，有 COX4I1 和 COX4I2 两种异构体，COX4I2 主要在肺、血管平滑肌和 CB 中特异性表达。缺氧可通过上调 HIFs 等转录因子诱导 Cox4i2 mRNA 的组织特异性表达。COX4I2 可加速 CCO 活性，可能是其受 ATP 变构负调节作用较小。在通透化的 HEK 细胞中，表达 COX4I2 会降低 CCO 对 O₂的亲和力，但这些 Km 值仍远低于调节球细胞功能的 O₂张力水平。HIGD1C 在 HEK 细胞中的表达也有类似效果，这说明除了 COX4I2 和 HIGD1C 对 CCO 与 O₂结合亲和力的影响外，电子传递速率以及它们与 NDUFA4L2 和 / 或 COX8B 的相互作用等其他因素，也会影响球细胞线粒体 CCO 的 O₂敏感性。球细胞特异性 MCIV 亚基异构体的存在可能阻碍 O₂到达催化中心，降低酶的表观亲和力。在 ETC 加速且 CCO 周转快的线粒体中，缺氧时 O₂供应减少会导致底物失衡，使 ETC 中还原中间体积累，产生缺氧诱导的线粒体信号。

球细胞急性氧感应通路依赖 HIF2α 相关的基因特化线粒体，这些线粒体代谢活性高，对 O₂张力下降敏感。缺氧时，O₂相对缺乏使 CCO 活性降低，导致还原型细胞色素 c 和 ETC 中还原中间体积累，促进 H₂O₂在膜间隙（IMS）形成和 NADH 在基质中积累。这些线粒体信号与细胞质平衡后，抑制 K⁺通道，引起细胞去极化，Ca²⁺通道开放，释放递质激活传入纤维。电子显微镜研究发现球细胞中线粒体与质膜距离比其他细胞类型短，推测用于急性氧感应的线粒体可能靠近膜和离子通道，形成 “氧感应微区”。

结论

CB 球细胞是机体主要的急性氧感应元件，对触发机体对缺氧的快速适应性反应（如过度换气和心输出量增加）至关重要。近 20 年来，人们对球细胞氧感应机制的理解取得显著进展，发现 CB 氧传感器并非单一分子结构，而是依赖特化线粒体的复杂信号通路，该线粒体很大程度上依赖 HIF2α 的持续高表达。这种氧感应机制在肾上腺髓质细胞、全身和肺血管平滑肌细胞中也存在。基于线粒体 - 膜信号传导的急性氧感应通路不仅在病理生理学上意义重大，还为呼吸和心血管药理学开辟了新方向，比如 NADH 模拟物、线粒体代谢调节剂和 HIF 抑制剂等可能具有潜在治疗应用价值。