综述：哺乳动物中枢神经元功能性电压门控钠（Nav）通道多样性的分子决定机制

《The Journal of Physiology》：Molecular determinants of functional voltage-gated sodium (Nav) channel diversity in mammalian central neurons

　　

电压门控钠（Nav）通道是决定神经元兴奋性的关键分子，可调控动作电位波形、重复放电模式及突触输入反应，同时参与神经环路输出调控，并影响短期与长期可塑性及稳态维持。哺乳动物中枢神经元的放电与反应特性存在显著异质性，这主要源于不同神经元所表达的Nav（及其他）通道差异及其所在环路的突触连接模式。目前已明确区分出瞬时性（INaT）、持续性（INaP）及复燃性（INaR）三类Nav电流组分，研究人员在阐明其在中枢神经元放电特性调控中的作用及产生机制方面已取得显著进展。此外，大量证据表明，天然神经元Nav通道以大分子复合物形式发挥功能，该复合物由成孔α亚基与多种辅助/调节蛋白组装而成，这些蛋白共同调控通道的表达、亚细胞定位及生物物理特性。在成熟中枢神经元中，Nav1.1、Nav1.2及Nav1.6 α亚基呈现差异性表达，并与Navβ1-4、胞内成纤维细胞生长因子（iFGF11–14）、锚蛋白（Ankyrin-B、-G、-R）及其他辅助蛋白共组装，形成具有细胞类型与环路特异性表达模式、亚细胞分布、门控特性及生理功能的Nav通道。编码上述Navα亚基（SCN1A、SCN2A、SCN8A）、Navβ1（SCN1B）、iFGFs（FGF12、FGF13、FGF14）、锚蛋白（ANK1、ANK2、ANK3）及其他Nav通道辅助与互作蛋白的基因变异，已被证实与多种先天性神经系统疾病相关，包括癫痫、共济失调，以及神经发育障碍、神经退行性疾病和精神疾病。

哺乳动物中枢神经元形态、解剖与功能多样性

哺乳动物中枢神经系统内的神经元可根据形态特征、胞体解剖位置、树突与轴突分布、突触连接模式、神经递质表型及固有电生理特性划分为多种类型。以小脑为例，其包含多种γ-氨基丁酸能（GABAergic）抑制性神经元，包括篮状细胞、高尔基细胞、浦肯野细胞、星状细胞及单极刷细胞，各类细胞在形态、解剖定位及功能上各具特征。其中，浦肯野细胞是小脑唯一的输出神经元，投射至深部小脑核并产生紧张性抑制；兴奋性谷氨酸能颗粒神经元则是小脑中数量最丰富的神经元类型。两类细胞的固有电生理特性存在显著差异：浦肯野细胞呈自发性高频放电，而颗粒神经元无自发动作电位，仅在去极化突触输入下表现为规则放电或爆发式活动。大脑皮层同样包含多种GABA能抑制性中间神经元，绝大多数为表达小清蛋白、生长抑素或血管活性肠肽的中间神经元，其胞体分布于皮层所有分层（I–VI），具有多样化的局部轴突投射模式。这些中间神经元主要起源于胚胎期神经节隆起，其中内侧神经节隆起起源的约占皮层中间神经元总数的60%，分化为小清蛋白阳性与生长抑素阳性亚型；血管活性肠肽阳性中间神经元则起源于外侧神经节隆起。皮层主要的输出神经元为谷氨酸能兴奋性锥体神经元，胞体位于II–VI层。与小脑神经元类似，皮层兴奋性与抑制性神经元的固有放电特性也存在明显区别：大多数皮层中间神经元呈快放电表型，在递增的去极化输入下可产生高频重复动作电位；而多数锥体神经元表现为规则放电，放电频率通常低于快放电中间神经元，其中IV层和V层的部分锥体神经元可在去极化输入下产生动作电位爆发。

中枢神经元差异性表达多种Nav电流组分

与其他可兴奋细胞类似，哺乳动物中枢神经元中的Nav通道在膜去极化时快速激活，是动作电位产生与传导的核心分子基础。Nav通道在去极化膜电位下迅速发生失活，因此初始内向Na⁺电流表现为瞬时性（I_NaT）。尽管不同中枢神经元的I_NaT激活与失活的电压依赖性特征在定性层面相似，但不同细胞类型及亚细胞区室（胞体、轴突、树突）的半数激活电压（V_{? act}）、半数失活电压（V_{? inact}）及激活/失活曲线斜率存在显著差异，并具有明确的生理意义。例如，皮层锥体神经元轴突起始段（AIS）的Nav通道比胞体Nav通道在更超极化的电位（约7 mV）下激活，是动作电位起始的关键位点；浦肯野细胞的AIS区Nav通道同样参与动作电位的起始与传导。此外，Nav通道也广泛分布于皮层锥体神经元与中间神经元的树突中，参与树突动作电位的产生与传播。除I_NaT外，绝大多数中枢神经元还存在一种微小且不表现快速失活的内向电流，即持续性Nav电流（I_NaP），在I_NaT完全失活后仍持续存在。I_NaP可能来源于Nav通道在去极化状态下保持开放的小概率事件，或由一类区别于I_NaT产生通道的独特Nav通道群体介导。另一类Nav电流组分——复燃性Nav电流（I_NaR）则在短暂去极化脉冲后的膜超极化过程中被揭示，最早在大鼠小脑浦肯野细胞中被发现，但并非存在于所有中枢神经元类型中。I_NaR的时间与电压依赖性特征显著区别于I_NaT与I_NaP：其激活与衰减时程远慢于I_NaT，峰值电流出现在约?40至?45 mV的相对超极化电位区间。I_NaR的产生被认为涉及一种独特的Nav通道失活机制：去极化激活的Nav通道被内源性阻滞粒子阻断，随后的膜超极化促使阻滞粒子解离，使通道重新开放并产生I_NaR。

天然神经元Nav通道/电流的分子决定机制

目前已鉴定出9种Nav通道成孔α亚基，分别为Nav1.1至Nav1.9，由人类（大写）与小鼠（小写）中对应的SCNxA/Scnxa基因家族编码。其中仅Nav1.1、Nav1.2与Nav1.6三种亚基在成年中枢神经元中呈现高水平稳定表达；Nav1.3在发育期中枢神经元中高表达，但在成年脑内表达水平显著降低，Nav1.7亦仅呈低水平表达。各Navα亚基的前体mRNA可通过受调控的可变剪接产生功能与特性各异的亚型，进一步增加了Nav通道的功能多样性。每个Navα亚基包含四个同源结构域（DI–DIV），每个结构域含6个跨膜区段（S1–S6），其中S1–S4构成电压感受结构域（VSDs），负责感知膜电位变化并触发通道开放；S5与S6区段共同形成Na⁺选择性孔道。Nav通道的快速失活依赖于DIII与DIV间胞内连接区的疏水性异亮氨酸-苯丙氨酸-甲硫氨酸（IFM）基序，近期研究提示该基序通过变构调节机制介导快速失活过程。Nav1.1、Nav1.2与Nav1.6在神经元中呈现差异性表达与亚细胞定位：Nav1.1与Nav1.6在成熟浦肯野细胞及新皮层抑制性中间神经元中共表达，其中Nav1.1选择性定位于胞体与近端AIS，Nav1.6则定位于远端AIS及有髓轴突的郎飞结；在兴奋性小脑颗粒神经元中，Nav1.1不表达，Nav1.2与Nav1.6分别定位于AIS的近端与远端区域；在皮层锥体神经元中，Nav1.6定位于远端AIS与郎飞结，Nav1.2则分布于近端AIS、胞体及树突区。功能研究显示，特异性敲除皮层锥体神经元中的Scn2a基因反而导致细胞兴奋性升高，这是由于Nav1.2缺失削弱了Kv通道介导的动作电位复极与后超极化过程，使细胞更易达到放电阈值，计算建模与动态钳实验进一步证实Nav1.2与Kv通道的相互作用是调控锥体神经元兴奋性的核心机制。后续分子遗传与药理学研究也证实，Nav1.2与Nav1.6在调控皮层锥体神经元放电特性中发挥截然不同且相互独立的作用。

天然神经元Nav通道以大分子复合物形式发挥功能

与多数电压门控离子通道类似，天然神经元Nav通道以大分子蛋白复合物形式存在，由单个α亚基与多个跨膜及胞内辅助/调节蛋白共组装而成。这些Nav1.1、Nav1.2及Nav1.6通道复合物通过锚蛋白-G、锚蛋白-B及βIV-血影蛋白等支架蛋白锚定于AIS与郎飞结，并与神经束蛋白-186等细胞黏附分子相互作用，稳定复合物结构并介导与细胞外基质的连接。四类Navβ亚基（Navβ1–4）由SCN1B–SCN4B基因编码，属于免疫球蛋白结构域蛋白，可与Navα亚基结合并调控通道的生物物理特性与亚细胞分布。每个Navα亚基拥有两个非等价结合界面，可分别结合一个β1或β3亚基（非共价结合）以及一个β2或β4亚基（通过二硫键共价结合），空间位阻效应阻止同一界面结合两种β亚基。早期研究曾推测Navβ4参与浦肯野细胞I_NaR的生成，但异源表达实验显示单独共表达Navβ4与Navα亚基无法产生I_NaR；且Navβ4敲除小鼠的浦肯野细胞中I_NaR仅降低约50%，并未完全消失，提示存在不依赖Navβ4的I_NaR生成机制。后续研究发现，Fgf14基因敲除也会使浦肯野细胞I_NaR显著降低，而同时敲除Scn4b与Fgf14仍可在浦肯野细胞中记录到I_NaR；此外，Scn1b靶向敲除仅使小脑颗粒神经元I_NaR轻度下降。近期实验与建模研究进一步提出了不依赖阻滞粒子的I_NaR产生机制。胞内成纤维细胞生长因子（iFGF11–iFGF14，又称FHF1–4）与经典FGFs具有序列与结构同源性，但缺乏分泌信号肽，可直接结合Navα亚基羧基末端并调控异源表达及天然Nav通道的时间与电压依赖性特性。不同神经元类型中iFGF14功能干预的结果存在异质性，可能源于细胞特异性表达的iFGF及其他辅助蛋白的差异。近期研究还发现iFGF13可通过胆固醇依赖机制调控心肌Nav1.5电流，而不依赖其与Nav1.5羧基末端的直接结合，该机制是否存在于神经元中尚待验证。另一种胞内辅助蛋白钙调蛋白（CaM）也可结合Navα亚基羧基末端邻近iFGF结合位点的区域，调控Nav通道的门控特性。

Nav通道调控异常相关的中枢神经系统疾病

SCN1A基因的致病性变异已被证实与Dravet综合征、多种新生儿癫痫及其他神经系统疾病密切相关。由于SCN1A主要在GABA能抑制性神经元中表达，其功能缺失型变异主要通过降低皮层中间神经元兴奋性引发早发性癫痫与神经发育障碍。SCN2A变异则与多种新生儿癫痫、孤独症谱系障碍、智力障碍及精神分裂症等疾病相关，其效应主要集中于兴奋性锥体神经元，与Nav1.2的细胞特异性表达模式一致。SCN8A变异可导致发育性癫痫性脑病、智力障碍及早发/发作性共济失调等多种神经疾病。值得注意的是，SCN3A虽在成年中枢神经元中表达水平较低，其变异也被发现与早发性婴儿及发育性脑病等表型相关，但其病理机制可能更多源于SCN3A在早期皮层折叠发育过程中的非通道功能，而非经典通道病。此外，ANK2（锚蛋白-B）变异与孤独症谱系障碍相关，SCN1B（Navβ1）变异也与Dravet综合征存在关联。编码iFGF家族成员的基因变异同样与多种神经疾病相关：FGF14的点突变、移码突变及无义突变可导致脊髓小脑共济失调27A（SCA27A），其GAA三核苷酸重复扩增则是晚发性共济失调SCA27B的最常见遗传病因，FGF14变异还可引起早发性发作性共济失调9型（EA9）；FGF12与FGF13变异则与发育性癫痫性脑病相关，其中Fgf13在抑制性神经元中的特异性缺失可导致癫痫发作与早夭，其机制涉及电压门控钾（Kv）通道功能受损而非Nav通道直接异常。钙调蛋白（CALM1/2/3）基因变异可引起钙调蛋白病，其机制与CaM对Nav通道门控的调控异常密切相关。