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DICE电压门控离子通道电生理实验数据库

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DICE:电压门控离子通道电生理实验数据库

郭景康1,梁茜1,王超1,李泽1,张国庆2,李亦学2,孙晓明3,王健13

(1.上海大学生命科学学院,上海200444;2.上海生物信息技术研究中心,上海200233;

3.上海市普陀区食品药品监督所,上海200333)

摘要:针对现有相关文献中离子通道电生理数据繁多且分散的特点,开发了一套电压门控离子通道电生理实验数据库。数据

库中目前主要包括钠离子通道序列数据、调制剂分子结构和序列数据,并收集整理了文献中调制剂和通道相互作用时的电生

理学数据和药理学数据。系统实现了数据的收集、录入、存储和查询,为后期进行数据挖掘奠定了基础。用户可以通过网址

http:ΠΠbiodb.sgst.cnΠDICE对数据库进行访问。

关键词:电压门控离子通道;神经毒素;离子通道调制剂;电生理

中图分类号:TP392 文献标识码:B 文章编号:1672-5565(2009)-01-68-04

收稿日期:2008-03-17;修回日期:2008-06-17.

基金项目:863计划(2006AA02Z334)资助。

作者简介:梁茜,女,贵州人,硕士研究生,研究方向:生物信息学。E-mail:tenwowxz@hotmail.com.

3通讯作者:王健,男,博士,教授,研究方向:生物信息学。E-mail:stormbow@163.com.DICE:DatabaseofIonChannelElectrophysiology

GUOJing2kang1,LIANGQian1,WANGChao1,LIZe1,ZHANGGuo2qing2,LIYi2xue2,SUNXiao2ming3,WANGJian13

(1.SchoolofLifeSciences,ShanghaiUniversity,Shanghai200444,China;2.ShanghaiCenterforBioinformationTechnology,

Shanghai200233,China;3.ShanghaiFoodandDrugAdministrationPutuoDistrictOffice,Shanghai200333,China)

Abstract:DICE(DatabaseofIonChannelElectrophysiology)isadatabasedevelopedtoholdelectrophysiologicalandpharmacologicaldataof

interactionsbetweenionchannelsandtheirmodulators.Thesedatawerehistoricallyscatteredamongliteraturesandhardtomine.DICEcol2

lectedandintegratedtheelectrophysiologicalandpharmacologicaldata,togetherwithsequenceandstructureinformationofindividualionchan2

nelsandmodulators.DICEprovidesdatasubmission,storage,queryanddownloadtofacilitatefurtherdataintegrationanddatamining.DICE

canbeaccessedthroughthefollowingwebsite:http:ΠΠbiodb.sgst.cnΠDICE.

KeyWords:voltage-gatedionchannels;neurotoxins;ionchannelmodulator;electrophysiology

1　前言

离子通道是广泛存在于细胞膜上的一类特殊亲

水性蛋白质孔道,离子通道蛋白是生物体内最复杂

的蛋白质超家族之一。根据其通过的离子不同可分

为钠通道、钾通道、钙通道和氯离子通道等等。离子

通道参与调控细胞内物质信号的传递过程,维持细

胞内外的正常代谢,调节影响细胞的生命和功能[1]。

电压门控离子通道(VoltageGatedIonChannels,

VGIC)是离子通道蛋白超家族中由膜电位控制其开

关状态的一类通道,它们是神经、肌肉和其它组织细

胞膜兴奋性和生物电活动的基础[2]。各种电压门控

离子通道在生物体中枢与周边神经系统以及一些非

兴奋性组织细胞中的分布、表达和突变状况,对于细

胞能否正常行使功能起着决定性作用[3]。

VGIC是细胞内外界物质、能量和信息交换的重

要通路,很多疾病和VGIC的功能异常有着直接的关系[4]。近些年来,离子通道功能和遗传疾病之间

关系的研究已成为生命科学中一个重要的领域,新

兴的“通道病理学”研究方兴未艾。基因突变能够导

致VGIC蛋白结构与功能异常,这是许多遗传疾病

的病因。阐明VGIC分子的功能机理,以及他们如

何保持对离子的选择性、通透的饱和性和开关的可

控制性等重要特性,对于研究这些疾病的发病机理

和治疗手段有着重要的作用,并能为研发有关药物

提供理论指导。

电压门控钠离子通道(VGSC)是离子通道超家

族中第一个从分子水平被人们所认识的离子通道。

VGSC通常由一个α型大亚基和一个或多个β型小

亚基组成[5]。VGSC最重要的生理功能是在动作电

位的形成和传播中介导细胞膜去极化上升相,对神

经细胞的功能和生物电信息传播起着极其重要的作

用。VGSC的功能异常、表达量异常以及特定功能

域的突变都能影响细胞膜上的信号产生和传导,严第7卷第1期

2009年03月 生物信息学ChinaJournalofBioinformatics Vol17No11

March,200重则导致生理性病变[6]。

X射线晶体衍射技术是研究蛋白质结构和功能

强有力的手段。数种离子通道蛋白已经被成功分

离、结晶并解出结构[7]。在这些研究的基础上,

MacKinnon成功解释了电压门控钾离子通道(VGKC)

的作用机理与分子机制[8]。但是由于实验手段等因

素的限制,利用X射线晶体衍射技术对更加复杂的

离子通道蛋白,如VGSC的结构分析工作迄今并未

获得成功。所以,运用膜片钳技术等其他方法对

VGIC的功能机理进行研究仍然是必不可少的。

2　电生理实验数据与药理学数据

膜片钳技术又称单通道电流记录技术,可测量

单个离子通道开放产生的非常微弱的电流,通过观

测单个通道开放和关闭的电流变化,可直接得到各

种离子通道开放的电流幅值分布、开放几率、

开放寿命分布等功能参量[9]。七十年代,Colquhoun等人就

在对大量单通道数据进行分析计算的基础上,建立

了单通道的马尔可夫模型,最早形成通道门控动力

学多状态马尔可夫过程论[10]。其后,更多的科学家

致力于优化单通道的动力学模型、并建立全通道门

控机制的动力学函数[11,12,13]。

测量野生型离子通道在正常生理条件下的电生

理特性只能产生少量的数据,对离子通道体系进行

扰动,如对离子通道蛋白进行突变,测量这些扰动状

态下的电生理数据,能够为进一步的分析提供更加

丰富的信息。另一种重要的扰动手段,是离子通道

调制剂的应用。VGIC作为一种结构保守和功能重

要的膜蛋白分子,在长期的物种进化中,已经成为了

许多动植物和微生物神经毒素等特异性作用的靶受

体。这一类能与离子通道特异性结合的分子称为离

子通道调制剂,包括神经毒素和人工合成的药物等。

离子通道调制剂通过调节VGIC的各种功能活性,

影响电信号的正常发放[14]。在离子通道调制剂与

VGIC相互作用的过程中,还能够测量到半数抑止浓

度(IC50),半数有效浓度(EC50)等药理学数据。通

过实验方式测量得到的VGIC蛋白(包括各种突变

体)与各种离子通道调制剂相互作用时的电生理与药理学数据,是了解VGIC的开关状态、动力学特

性,分子结构、跨膜运输机制及药物作用机理等信息

的基础[15]。

大量的VGIC相关膜片钳电生理与药理学数据

在各实验室中产生,并以不同形式分散于文献之中。

随着这些数据的不断累积,能否把这些分散的数据

进行整体全面的分析,利用数据挖掘和数据建模技

术,从实验数据之中分析得出更多的信息,成为一个令人感兴趣的问题。数据挖掘工作需要建立在数据

集中整合的基础之上,然而迄今并没有一个数据库

能对VGIC的电生理实验与药理学实验数据进行全

面的整合工作。已经有一些专门数据库进行了整合

离子通道相关数据的尝试。NicolasLè建立的Ligand

-GatedIonChannelDatabse(LGICDatabase)现今包含

426个配体门控激活型离子通道亚基的记录,它包

涵的数据涉及离子通道的序列及分子结构[16];LiB

andGallin.W所搭建的钾离子通道数据平台(VKC2

DB)收录了346条VGKC通道的蛋白质序列、跨膜结

构信息以及电生理和药理学的相关数据[17];Collation

ofCorticalDatabase(CoCoDAT)中收录了分布于大脑

皮层细胞中的VGSC蛋白质序列及相关文献,并有

少量的脑部VGSC通道电流数据[18]。但是这些数据

库的数据以野生型通道蛋白质的电生理数据为主,

仍然没有涉及在调制剂作用下的通道蛋白质电生理

数据。

本文从VGSC着手,通过文本挖掘手段,将各种

离子通道调制剂与VGSC相互作用的电生理数据与

药理学数据从相关文献中收集起来,建立了电压门

控离子通道电生理实验数据库(DICE,Databaseof

IonChanel&Electrophysiologicaldata)。

3　数据库设计与开发

3.1　数据内容

通过对收集到的数据进行整理与分析,设计的

DICE中包括的数据有以下内容(图1):

(1)离子通道蛋白的信息;(2)调制剂分子信息;

(3)调制剂和通道相互作用电生理学数据和药理学

数据;(4)测量这些数据时所采用的实验相关参数数

据;

离子通道蛋白的信息包括野生型通道蛋白质序

列和突变型通道蛋白质位点信息,有些电生理实验

的研究对象是含有多种钠离子通道亚型的DRG神

经元,因此数据库中也包括了这些分布于不同肌群

组织中的DRG神经元的数据。

DICE收录的钠离子通道调制剂分为小分子化

合物和多肽两类,均为电生理实验中使用频率较高

的调制剂。对于小分子化合物,数据库中记录其分

子组成与结构;多肽类调制剂则记录其序列数据和

UniProtID,便于用户从UniProt中查找到更详细的数

据。DICE目前收录有203种小分子化合物和191

条多肽调制剂的数据,其中多肽类毒素的蛋白质序

列主要克隆来源为蝎子、芋螺、蜘蛛和蜜蜂等可分泌

天然毒素的生物;而小分子类型的毒素既有天然的

纯净物、也有经过人工合成的混合物。96第1期郭景康,等:DICE:电压门控离子通道电生理实验数据库

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谷氨酸门控氯离子通道

谷氨酸门控氯离子通道

谷氨酸门控氯离子通道

谷氨酸门控氯离子通道

谷氨酸门控氯离子通道又称谷氨酸受体受体门控氯离子通道（GABAARs），是一个重要的离子通道家族，在谷氨酸介导的神经兴奋传递中起着重要作用。其主要功能是以谷氨酸为受体，在脊髓神经细胞和多种其他细胞类型中开启氯离子通道，从而影响细胞的电压和离子流动。谷氨酸门控氯离子通道是一类具有非常复杂的结构的离子通道，由两个α（α1-6），两个β（β1-3）及三个γ（γ1-3）亚基组成，通过排列组合产生了许多个不同的结构型。它们通常是由α和β亚基组成的复合体，但也可以包括γ亚基。

谷氨酸门控氯离子通道在神经兴奋传递当中具有重要作用，它们在谷氨酸介导的神经兴奋传递中起着调控作用。当谷氨酸结合到谷氨酸受体上时，通道会开启，允许氯离子流入细胞，从而减小细胞的内电位，从而减小神经兴奋传递的强度。谷氨酸门控氯离子通道还可以参与神经元的稳态调节，从而调节神经元的活动。

此外，谷氨酸门控氯离子通道还可以用于神经细胞活动的调节，可以在神经细胞群激活状态的调节、神经元活动的调节、突触可塑性的调节、神经可塑性的调节等方面发挥作用。此外，谷氨酸门控氯离子通道还可以用于突发性疾病的治疗，如帕金森病和阿尔兹海默病等。

总之，谷氨酸门控氯离子通道是一种重要的离子通道家族，参与着神经兴奋传递以及神经元活动和突触可塑性的调节，也可以用于某些突发性疾病的治疗。因此，谷氨酸门控氯离子通道在神经科学中有着重要的意义，成为研究的热点。

电生理学常用中英文名词及缩写对照

电生理学常用中英文名词及缩写对照

电生理学常用中英文名词及缩写对照

电生理学是研究生物电活动的学科，涉及到许多专业名词和缩写。下面是一些电生理学常用的中英文名词及其缩写对照：

1. Action Potential（AP）：动作电位

2. Resting Membrane Potential（RMP）：静息膜电位

3. Depolarization：去极化

4. Repolarization：复极化

5. Hyperpolarization：超极化

6. Excitable Membrane：可兴奋膜

7. Ion Channel：离子通道

8. Voltage-gated Channel：电压门控通道

9. Ligand-gated Channel：配体门控通道

10. Patch Clamp Technique：膜片钳技术

11. Excitability：兴奋性

12. Threshold：阈值

13. Refractory Period：绝对不应期

14. Repetitive Firing：重复放电

15. Conductance：传导率

16. Voltage Clamp Technique：电压钳技术

17. Current Clamp Technique：电流钳技术

18. Electrocardiogram（ECG）：心电图 19. Electromyogram（EMG）：肌电图

20. Electroencephalogram（EEG）：脑电图

这些术语和缩写在电生理学的研究中经常被使用。研究者通过对动作电位、膜电位的变化以及离子通道的功能进行测量和分析，可以了解细胞和组织的电活动特征，从而深入研究生物体的生理和病理过程。例如，心电图（ECG）可以用来检测心脏的电活动，肌电图（EMG）可以用来研究肌肉的电活动，脑电图（EEG）可以用来观察大脑的电活动。

膜片钳技术和电压钳技术是常用的电生理实验技术。膜片钳技术通过将玻璃微电极贴附在细胞膜上来测量膜电位的变化，从而观察细胞的电活动。电压钳技术使用特殊电路来精确控制细胞膜的电压，从而研究离子通道的开闭和离子流动。

离子通道分类

离子通道分类

Na+通道：电压门控离子通道 内流

Ca2+通道： 内流

1、电压门控钙通道：L、N、T、P、Q、R6型， [Ca2+]o→[Ca2+]i

2、受体调控性钙通道：

①Ryanodine受体（RyRs）钙释放通道：RY1、RY2、RY3

②IP3受体（IP3Rs）通道：IP3R1、IP3R2、IP3R3

K+通道：

1、电压依赖性钾通道

①外向延迟整流钾通道（IK）：复极化 外流

快速激活整流钾电流IKr

缓慢激活整流钾电流IKs

超快速延迟整流钾电流IKur（心房肌）

②瞬间外向钾通道（Ito）：1期复极化 外流

4-AP敏感钾电流Ito1

Ca2+敏感钾电流Ito2

③起搏电流（If）：超极化激活的时间依赖性内向整流电流

2、Ca2+依赖性钾通道：KCa 电流：IKCa

3、内向整流钾通道：

内向整流钾通道：KIR（Kir2.1）电流：IK1

ATP敏感钾通道：KATP（Kir6.2）电流：IK（ATP）

Ach激活钾通道：KACh（Kir3.X）电流：IK（ACh）

Cl—通道：

1、电压敏感氯通道：

1-型通道ClC-1：骨骼肌

2-型通道ClC-2

3-型通道ClC-3：肾脏

2、囊性纤维跨膜电导调节体：CFTR cAMP调节氯通道：ICl（cAMP）

3、γ-氨基丁酸（GABA）受体氯通道：配体门控Cl—通道 Cl—内流（超极化）

电压门控性钠离子通道Nav1.7与疼痛的研究进展

电压门控性钠离子通道Nav1.7与疼痛的研究进展

电压门控性钠离子通道Nav1.7与疼痛的研究进展

摘要：电压门控性钠通道（VGSC）参与疼痛的产生和维持。其中，Nav1.7亚型具有独特的缓慢失活的特性，使得它在疼痛的产生和维持中起到独特的作用。编码Nav1.7的基因SCN9A发生不同的突变，可能造成原发性红斑肢痛症、阵发性剧痛症、先天性无痛症等痛觉异常的神经病理性疾病。对Nav1.7的深入研究将有助于我们进一步理解疼痛的本质和研发高效的镇痛药物。

关键词：VGSC；Nav1.7；SCN9A；疼痛

传统上，医学通常按所属器官或系统对疾病进行分类，例如肾脏疾病、肝脏疾病等。分子医学时代的到来给我们打开了一扇新的大门，使我们能够从分子结构与功能的角度从本质上认识、研究和治疗疾病。在分子医学领域，关注的是某一种分子或基因，以及其异常状态与疾病的关系，例如本文中讨论的电压门控性钠离子通道（voltage-gated sodium channel，VGSC）Nav1.7及其异常所引起的疾病，如原发性红斑肢痛症（primary erythermalgia，PE）、阵发性剧痛症（paroxysmal

extreme pain disorder，PEPD）、先天性无痛症（channelopathy-associated

insensitivity to pain，CIP）等。

VGSC的功能是神经元兴奋性的基础。VGSC广泛分布在中枢和外周的神经元，其内向电流是神经冲动产生和传导的关键步骤。热刺激、机械刺激和化学刺激等伤害性刺激作用于外周伤害性感受器时，初级感觉神经元的VGSC被激活，神经冲动产生并向中枢神经系统传递伤害性信号，引起痛觉。因此，VGSC的结构和功能异常引起感觉神经元的兴奋性改变是神经病理性痛觉异常的重要机制之一。

痛觉异常包括痛觉过敏（hyperalgesia）、痛觉超敏（allodynia）、自发性疼痛（spontanous pain）和无痛症（analgesia）。痛觉过敏指的是机体对普通伤害性刺激产生超过正常强度的痛觉。痛觉超敏指的是机体对于非伤害性刺激也产生痛觉。自发性疼痛指的是机体在不接受刺激时自发性地产生痛觉。无痛症则是指机体对于伤害性刺激不产生痛觉。