第 94 章：通过缝隙连接的细胞间通讯（Cell Cell Communication Through Gap Junctions）

作者：Cor de Wit（Department of Physiology, University of Lübeck, Lübeck, Germany）

器官功能的协调（Coordination of Organ Function）

本章以"器官功能需要许多细胞在时间和空间上协调激活"作为开篇命题。心脏是最直观的例子：心肌细胞必须在精确确定的模式下收缩才能产生压力并射出血液；这种协调一方面由特殊化的传导细胞将动作电位从起搏细胞传向收缩性心肌细胞，另一方面也依赖于心肌细胞之间的功能性耦联——相邻细胞通过低电阻的细胞间通道沿电位梯度传递离子电流，从而产生去极化并触发动作电位。骨骼肌在这一点上不同：骨骼肌细胞只有在运动神经元激活时才会收缩，肌力主要取决于被激活的运动单位数量；因此紧密的细胞间耦联对骨骼肌而言是多余的，骨骼肌细胞之间不存在此类通道连接。大部分平滑肌细胞在这一点上反而接近心肌，即它们并非各自独立被神经支配，而是通过细胞耦联形成合胞体以实现器官功能。另一类需要细胞间通讯的例子是分泌腺：组成腺体的众多细胞必须协同激活，因为单一细胞的分泌量远不足以满足分泌需要；因此对于那些向循环（内分泌）或向体外（外分泌）释放产物的腺体来说，通过通道进行的细胞间通讯同样是必需的条件。

在血管系统这一具体语境中，协调的必要性体现得尤为清楚。血管系统的功能是向组织输送氧与营养物质并清除二氧化碳及代谢产物；这要求对器官进行持续灌注。然而器官血流量并非恒定，而是不断调整以匹配组织需求——既避免灌注不足，也避免过度灌注。组织的氧需求随其活动水平变化，而氧的供给主要由灌注量决定，因此灌注量必须通过血管口径的相应变化加以调整，而血管口径正是决定阻力并最终决定通过组织的血流的因素。供应具体器官的动脉树由器官外部的小动脉与器官内部的微动脉共同组成；血流阻力沿该树产生，因为供应动脉与微动脉的直径都很小。阻力大小可由沿特定血管段的压力降估算——结果显示不仅微动脉（亦称阻力血管）产生显著阻力，小动脉也已表现出可观的阻力。因此，显著的流量增加要求沿所有这些血管的口径同时增大（阻力同时下降）。如果口径变化仅限于紧靠毛细血管床的上游微动脉，那么尽管该处的代谢刺激会引起局部扩张，扩张所导致的流量增加却会被上游阻力所限制。这一考量凸显了沿整条血管建立通讯路径的必要性。沿血管彼此互联而以同步方式——或作为一个单元——行动的细胞群被称为功能性合胞体（functional syncytium，syn：共同，citium：胞质溶胶）；其细胞间连接的生物学基础即为缝隙连接（gap junction），下一节将作更详细阐述。

超微结构发现（Ultrastructural Findings）

多细胞器官中的细胞彼此之间能够相互作用并与紧邻细胞通讯这一事实早已为人们所认识——只有这样，众多细胞的协同活动才能产生器官功能。被交换的分子包括离子，因此也包括电荷。后来人们又发现细胞能够交换更大的分子与染料。这种行为需要相邻细胞之间紧密接触以及一条分子交换的通路。最初，Dewey 和 Barr 在犬肠道平滑肌细胞中借助电子显微镜观察到相邻细胞质膜看似融合的区域，他们将这种结构命名为"nexus（融合膜）"，并将其定义为可兴奋细胞之间质膜融合的区域；他们推测这些区域可允许电流从一个细胞电紧张地扩布到相邻细胞，但并未证明其中存在允许离子与电流通过的孔道或通道。然而后来的证据表明，细胞膜实际上并未真正融合，而是相邻细胞之间存在一个小的"gap（间隙）"——这正是"gap junction（缝隙连接）"一词取代 nexus 的原因。在这些紧密并列的细胞接触区中，细胞间通道成簇分布，跨越该间隙并连接相邻细胞。细胞间缝隙连接通道由两个独立的半通道（connexon）面对面对接而成，使中央孔道无阻碍地连通；正因为这些区域中数百个通道簇集，缝隙连接就在相邻细胞之间形成低电阻连接。电荷通过电紧张性电流扩布而传递，其驱动力为相邻细胞之间的膜电位差。缝隙连接的电阻决定了电耦联程度，并进而决定了源自合胞体某处的膜电位变化在传导过程中的衰减程度。此外，小的代谢物与分子也能通过这些通道，包括像环磷酸腺苷（cAMP）这样的第二信使，其传递提供了另一种使细胞行为同步的重要机制。需要强调的是，缝隙连接是允许相邻细胞之间直接交换分子的唯一结构（除罕见的真正胞质桥之外）。

连接蛋白作为细胞间通道的结构亚基（Connexins as the Structural Subunits of Intercellular Channels）

缝隙连接由一族名为连接蛋白（connexin）的蛋白质组成，这些蛋白被整合到质膜之中。连接蛋白具有四个跨膜结构域，命名为 M1 至 M4；其 N 端与 C 端均位于胞质内，跨膜结构域之间的连接形成一段胞质环和两段细胞外环（E1、E2，图 94.1 内插图）。在每个细胞外环内，三个由两个单一氨基酸隔开的半胱氨酸残基高度保守，这些半胱氨酸残基可能通过形成二硫键对细胞间连接的稳定性作出贡献。利用短同源肽（连接蛋白模拟肽，connexin mimetic peptides）干扰这些细胞外环已被用作一种特异性阻断缝隙连接的策略。跨膜的半通道由六个连接蛋白寡聚而成；这种六聚对称的环状结构也称为 connexon。在模型系统中有人提出中央孔道由连接蛋白的 M3 与 M1 跨膜结构域排列而成。半通道是否本身能作为一个纯膜通道连接胞质与细胞外空间并允许信号分子从细胞中释放，这在学界尚有争议；然而由密切相关的蛋白（pannexin）形成的通道可能确实承担此功能。相比之下，相邻细胞的 connexon 彼此对接，从而形成一个由 12 个蛋白亚基装配而成的通道，这一点已得到很好的确立。对细胞外环境的屏蔽墙由 E1 与 E2 细胞外环构成，它们通过单个连接蛋白分子内保守的半胱氨酸残基形成的二硫键而相互作用；E1 与 E2 环也参与不同连接蛋白分子间的相互作用，但这种精确的相互作用方式尚不清楚。两个半通道相互错开（或旋转）从而紧密对接。通道中央的水性孔道通过这种旋转与互插被有效地封闭于细胞外环境之外——这是细胞间通讯得以实现的前提，否则被交换的信号分子会被稀释，离子（及电荷）会泄漏到细胞外间隙。孔道的大小允许离子以及水和其它极性分子通过，其上限约为 1 千道尔顿（kDa）。因此，这些通道不仅形成了电连续性，也使 cAMP、肌醇三磷酸（IP3）或 Ca²⁺ 等重要分子能够扩散。

连接蛋白的多样性（Diversity of Connexin Proteins）

连接蛋白基因家族在人体中由约 20 个成员构成（人 21 个、小鼠 20 个），各蛋白按其理论分子量命名；例如连接蛋白 40（Cx40）的预测分子量约为 40 kDa。不同的预测分子量、进而连接蛋白的多样性，主要源自胞质环的差异以及 C 端胞质域长度的差异。连接蛋白所来源的物种以一个前置小写字母标识，如 mCx40 表示小鼠连接蛋白 40，hCX40 表示人连接蛋白 40；在本例中蛋白在小鼠与人之间为直系同源（orthologous），心血管系统和平滑肌中表达的其他连接蛋白（Cx37、Cx40、Cx43、Cx45）也具有直系同源关系。然而也有例外（如 mCx57 与 hCX62 互为直系同源），并且某些人连接蛋白缺乏小鼠直系同源物。与连接蛋白基因相关的另一套命名法被常常使用：根据序列同一性及胞质环的长度，连接蛋白被分为若干组（α、β 等），然后按发现顺序编号。在这种命名法中，前缀 Gj（gap junction）之后跟随亚组（小写字母表示小鼠，大写表示人）及相应的数字，例如 Gja1 是 α 组中第一个被鉴定的小鼠连接蛋白（mCx43），其人直系同源物分别称为 GJA1 或 hCX43。连接蛋白的命名因此有些混乱，当考虑到其他物种时更为复杂，目前正在开发新的命名法。

如上所述，细胞间信号传递在多种细胞类型与组织中具有功能上的重要性。连接蛋白基因家族的多样性可以部分地与细胞类型多样性联系起来：特定的连接蛋白成员在特定组织中承担耦联作用。因此，连接蛋白家族的大部分成员在特定组织中表达（也有一些例外）。然而即便在同一个器官内的同一类型细胞中，也已发现多种连接蛋白共存，例如在平滑肌与心血管组织中已发现 Cx37、Cx40、Cx43 与 Cx45。这种多样性由于其模块化设计而理论上可产生多种不同的半通道，并且由于一个完整通道由 12 个蛋白亚基装配而成，完整细胞间通道的多样性更大。这些理论上的相互作用根据构成通道的连接蛋白可被划分为四组（图 94.1）。由六个相同连接蛋白组成的半通道称为同聚型（homomeric），由不同连接蛋白组成的半通道称为异聚型（heteromeric）。类似地，由相同的两个半通道对接构成的完整通道称为同型（homotypic），由不相同的两个半通道构成的通道称为异型（heterotypic）。这种命名产生了四组通道：同聚-同型（所有 12 个亚基均相同）、同聚-异型（两个半通道各自由 6 个相同亚基组成，但彼此不同）、异聚-同型（两个相同的半通道各自由多于一种连接蛋白组成）、异聚-异型（两个不同的半通道各自由多于一种连接蛋白组成）。这种多样性是否确实存在？在缺乏生理性连接蛋白的爪蟾卵母细胞或细胞系中表达连接蛋白并对表达不同连接蛋白的细胞之间耦联进行电生理分析，使得人们能够验证这些理论上的相互作用。在前文提到的对心血管和平滑肌有重要意义的连接蛋白（Cx37、Cx40、Cx43、Cx45）中，除一个例外——同聚型 Cx40 半通道不与同聚型 Cx43 半通道形成功能性通道——以外，其它所有同聚-同型和同聚-异型功能性通道均已被验证。然而这一观点最近受到挑战，因为在表达 Cx40 与 Cx43 的细胞中，除同聚-同型之外，也存在异聚-异型通道。

从功能上看，这种多样性至关重要，因为细胞间通道的电导、通透性以及门控（开放/关闭）特性随构成它的连接蛋白而变化。例如，某些连接蛋白通道偏好阳离子，另一些偏好阴离子。此外，单个通道的电导、进而其传递电脉冲的能力，可由 10 pS 到 300 pS 以上不等，取决于构成该通道的连接蛋白。如前所述，连接蛋白的多样性主要源自胞质环的差异以及 C 端胞质域的不同；因此这些结构域可能也赋予了由不同连接蛋白构成的缝隙连接通道以独特的功能特性，尤其是在调控特性方面，因为这些位点是磷酸化的作用位点。作为可能变异性的一个例子，考虑一个表达两种连接蛋白的细胞：若其装配过程是随机的，那么将产生 14 种不同的半通道（其中两种为同聚型、12 种为异聚型）。如果此类细胞通过细胞间通道配对，则可能产生 196（14×14）种不同的细胞间通道，这足以说明理论上可能存在的巨大多样性。

连接蛋白通道的调控：合成、降解与门控（Regulation of Connexin Channels: Synthesis, Degradation, and Gating）

细胞耦联的调控可能涉及两种层面：其一为连接相邻细胞的细胞间通道数量的改变（长期调控），其二为既有通道的电导或开放状态的修饰（短期调控）。前者涉及连接蛋白的合成及其装配到质膜以及降解，后者需要对膜上连接蛋白分子本身作出改变以修饰通道孔道或其入口。后者可能由阻塞通道入口的离子实现（如同某些 K⁺ 通道中 Mg²⁺ 所起的作用），但这种调控机制尚未在连接蛋白半通道上得到确切证实。相比之下，通道孔道本身对电压、化学物质或磷酸化作出响应的改变是连接蛋白上为人们熟知的调控过程。然而，这些调控过程在器官功能意义上的生理相关性大多仍不清楚。因此下文将仅讨论主要的调控原则。

处于膜上的连接蛋白通道会经历两种不同的电压：其一是它们所连接的两个细胞的胞质之间的电压，称为 junctional voltage（Vj），其二是胞质与细胞外空间之间的电压，与插入其中的膜两侧电压（VM）相似。蛋白质的电压敏感性涉及在电场中移动的带电残基。由于 Vj 差所产生的电场在连接蛋白通道的胞质端最强，电压感受器（带电残基）很可能位于该位置。细胞间同型缝隙连接通道的电导确实依赖于 Vj：在 Vj 为零时电导最大，并随 Vj 差增大（无论其极性如何）而减小。因此连接蛋白通道的电导-电压关系呈钟形曲线，在 Vj 为零处达最大，并向两侧极端——即较大的负 Vj 与较大的正 Vj——电导均下降。这一行为可由位于孔道胞质入口处的电荷来解释：假设一个负电荷会在 Vj 差为负的一侧被电场"挤"入孔道而部分阻塞孔道（图 94.2A 左），因此电导下降。当 Vj 反向时，通道另一侧会发生同样的事情（图 94.2A 右），最终形成同型缝隙连接通道的钟形曲线。如果阻塞孔道的电荷为正电荷而不是负电荷，整体通道将表现出类似的电导行为——阻塞将发生在 Vj 正极侧的通道入口处，仍形成钟形曲线（图 94.2B）。通道对 Vj 的敏感性在连接蛋白 N 端某些氨基酸被突变后会丧失，这表明分子的这一部分参与了电压门控。同型连接蛋白通道对膜电压（VM）的门控依赖性反映在钟形曲线偏离对称性。

然而，若我们现在考虑一个由具有不同带电残基的半通道构成的异型通道，以致残基可在任一侧阻塞孔道，那么在某一极性的 Vj 下通道两端都会被关闭（例如左侧负电压关闭含负电荷的左入口，右侧正电压关闭含正电荷的右入口；图 94.2C 左）。如果将 Vj 的极性反转，则任一入口都不被阻塞，电导即便在 Vj 很高时也很大（图 94.2C 右）。最终的结果是这种异型通道表现出强烈的整流作用——电导依赖于 Vj 的极性。在考虑起搏细胞时这一特征可能具有重要意义：起搏细胞产生的动作电位能够传递给相邻细胞。然而如果起搏细胞的动作电位时程较短且已开始复极化，那么即便相邻细胞仍维持持续去极化并形成大 Vj，起搏细胞本身也不会受到影响。

化学门控可能具有重要功能，即排除合胞体中那些已经受到威胁、丧失静息电位的细胞（比如因缺氧而受损的细胞）继续参与细胞间通讯。这会导致胞内酸化，而胞内酸化本身即是关闭缝隙连接的信号。这在 Cx43 中研究得最为深入——胞内酸化会引起 C 端胞质域上的某些位点与胞质环之间发生相互作用。有人据此提出通道关闭是通过"颗粒-受体"式相互作用实现的——即 C 端的一部分移动到通道口的某一特定位点。

胃肠道系统（Gastrointestinal System）

在胃肠道系统中，从功能和解剖上可分辨出两层平滑肌：外层纵行肌和内层环行肌，二者之间被肠肌丛隔开。在小肠中，内层环行肌又由深肌丛——一种非神经节性神经丛——进一步分为内侧（较小，靠近黏膜下层）和外侧（较大）两部分。这两个神经丛中均分布有神经元和 Cajal 间质细胞（ICC）。ICC 是一种梭形细胞，具有长长的突起并彼此接触；它们缺乏收缩装置，在深肌丛中更为密集，被认为参与肠道的起搏活动。纵行肌与环行肌之间的直接耦联似乎不存在，但二者可能通过夹杂其间的神经层（也含 ICC）而实现间接功能性耦联。

环行肌层中的平滑肌细胞由主要为 Cx43 构成的缝隙连接互相连接。相比之下，纵行肌层中据称不存在缝隙连接或仅有零星发现。在环行肌内，向单个平滑肌细胞内注入可通透染料可见染料向相邻细胞扩散，提示存在功能性细胞耦联。在纵行肌层也可观察到染料扩散，但其速率极慢且模式不均匀。肠道环行肌在功能上也表现为合胞体：如果在某一点局部激活，它会以同心方式收缩，提示存在紧密的电耦联。这种同步行为还以一种自发形式出现，即慢波——膜电位的缓慢振荡，在去极化过程中伴随峰电位并引起自发性收缩。慢波并不局限于肠道平滑肌细胞，也可见于膀胱、输尿管、子宫以及门静脉。据推测引发慢波的电冲动由起搏细胞产生，慢波本身通过缝隙连接沿平滑肌细胞传导。这一点也反映为环行肌中的慢波较纵行肌中的慢波更大、更长，与所检测到的缝隙连接的数量和大小一致。虽然慢波确实对缝隙连接阻断剂敏感，但在非特异性缝隙连接阻断后慢波仍以降低的振幅、持续时间和频率持续存在，这可能反映出阻断不够彻底，或有其它机制参与。内侧环行肌细分层相当薄，在实验中很难与外侧分层分离，且在该部位从未观察到缝隙连接。

ICC 分布于肠肌丛和深肌丛中，其突起之间通过缝隙连接实现形态学耦联。因此，ICC 在这两个神经丛中可被视为细胞网络，而缝隙连接很可能由 Cx43 与 Cx45 构成。更成问题的是 ICC 是否与平滑肌细胞之间形成缝隙连接。位于肠肌丛中的 ICC 与平滑肌细胞之间的缝隙连接即使存在，至多也是罕见，且仅限于朝向环行肌一侧，而未见朝向纵行肌一侧者。另有报道提示一种间杂的"成纤维细胞样细胞"（不表达 ICC 的特异标志物 c-kit，一种酪氨酸激酶）通过缝隙连接与平滑肌细胞接触。关于深肌丛中的 ICC 则呈现不同的图景——它们与外侧较大分区的环行肌平滑肌细胞之间形成大量缝隙连接。与环行肌内侧分区不存在缝隙连接相一致，这些细胞与深肌丛中的相邻 ICC 之间也不存在缝隙连接。综合来看，ICC 彼此之间高度互联，ICC 与平滑肌之间的缝隙连接主要见于深肌丛与环行肌之间。离体的 ICC 通过 T 型 Ca²⁺ 通道、非特异性阳离子通道或（在小鼠中）Ca²⁺ 激活的氯通道产生自发性去极化，与它们作为起搏细胞的功能（可比作心脏中的窦房结细胞）一致。

乍看之下这些结果支持 ICC 控制平滑肌节律性自发收缩（慢波）的概念，但在突变小鼠中敲除 ICC 与形态学观察结果相矛盾。ICC 可通过施加针对 c-kit 酪氨酸激酶的抗体或在该蛋白中引入突变而被去除。这样的小鼠肠肌丛中缺乏 ICC，而深肌丛中的 ICC 仍保留，但这些小鼠不表现慢波。这提示肠肌丛的 ICC 是慢波的关键组分，与该部位 ICC 缺乏缝隙连接的形态学观察形成对照。孤立的 ICC 表现出去极化能力的丧失与其形态学特征一致。由于慢波的传播需要平滑肌细胞中可识别的缝隙连接——而这些 ICC（肠肌丛中的 ICC）之间看不到具功能重要性的缝隙连接——目前尚不清楚肠肌丛中的 ICC 如何将信号传递给环行肌的平滑肌。鉴于 ICC 的突出作用，"肌源性活动"这一术语需要重新审视，因为 ICC 实际上并非平滑肌细胞。

这种大型网络中的细胞耦联有一些重要方面需要考虑。起搏细胞通过其去极化向相邻反应细胞产生电流。然而，一个大而紧密耦联的网络具有很大的电容，因而起搏细胞所产生的电流可能不足以在相邻的耦联细胞中引发显著的去极化。这可以通过再生机制加以克服——部分去极化的细胞会对该初始去极化产生动作电位，正如心肌中所发生的那样。然而一旦发生这种情况，所产生的主动电位可能向起搏细胞施加干扰性电流。后者可通过整流性缝隙连接通道加以预防——这种通道只允许电流朝单一方向扩布（例如从去极化的起搏细胞向相邻未去极化的细胞），正如前述异型缝隙连接通道所设想的那样。

有趣的是，在肠道中还鉴定出另一种连接蛋白——Cx45，定位于分隔环行肌两分层的深肌丛这一独特位置。由于该神经丛也含有 ICC，因此可以推测 Cx45 提供了形成异型、因而可能具有整流特性的缝隙连接的组分。值得注意的是，Cx45 在心脏的起搏细胞窦房结中也呈优先表达。在心脏中 Cx40 也表达于传导系统，但在肠道中 Cx40 仅存在于血管（见下文关于血管缝隙连接的讨论）。

子宫（Uterus）

子宫中的平滑肌细胞必须被同步激活并收缩以娩出胎儿。Garfield 发现子宫肌层在分娩前出现缝隙连接的诱导，而在分娩前并不存在。最主要的连接蛋白是 Cx43，其表达受激素控制。孕酮由黄体和胎盘合成，在妊娠期产生高血浆水平；孕酮有效地抑制子宫肌层中 Cx43 的表达，因而防止子宫肌层平滑肌细胞在妊娠期间被同步激活，从而使子宫保持静止状态以避免早产。临近预产期时，雌激素浓度急剧上升，逆转这两种激素的相对浓度。雌激素诱导子宫肌层中 Cx43 的表达，在啮齿类中雌激素/孕酮比值已被证明能提高子宫肌层的缝隙连接通讯。这种缝隙连接的极大增加使平滑肌细胞能够进行电紧张性通讯并以协调的方式收缩以保证分娩和胎儿娩出。子宫肌层细胞中 Cx43 的细胞特异性诱导性消融（通过他莫昔芬诱导基因删除实现）显著降低了子宫肌层细胞的耦联（通过染料传递评估）并导致分娩延迟，而未改变分娩所涉及的其他过程（如催产素或前列腺素 F 受体的表达），从而验证了 Cx43 在此过程中的重要性。值得注意的是，由于所用策略（他莫昔芬诱导基因删除）未能完全消除 Cx43 的表达，这也许可以解释为何这些动物仍能分娩。

血管系统（Vascular System）

血管壁包含平滑肌细胞与内皮细胞——后者形成与血管中流动血液的接触面。位于这一战略位置的内皮细胞能够监测血流变化，因为流动的血液施加的力（称为剪切应力）依赖于血流速度与血管直径。由于剪切应力通过内皮释放介质作用于平滑肌而引发扩张，并且扩张时剪切应力下降，由此形成反馈系统，能将剪切应力及能量耗散维持在相对恒定水平。这种所谓的"血流诱导扩张"是内皮细胞如何控制平滑肌收缩状态的一个例子。然而本文要阐明的是：血管平滑肌和内皮细胞的协调激活还需进一步说明。血管系统的功能是向组织供应氧和营养物质并清除二氧化碳等代谢产物，这通过对器官的持续灌注来实现。然而血流量并非恒定，而是不断调整以匹配组织需求——既避免灌注不足，也避免过度灌注。组织氧需求随活动水平变化，氧的供给主要由灌注量决定，灌注量又必须通过血管口径的相应变化加以调整。向单个器官供血的动脉树由器官外的小动脉及器官内的微动脉共同组成。沿此血管树产生的血流阻力来自于供应动脉和微动脉的小直径。阻力可通过估算沿特定血管段的压力降来计算，结果显示不仅是微动脉（亦称阻力血管），小动脉也已具有相当大的阻力。因此血流量的实质性增加需要沿所有这些血管的口径增大（阻力下降）。如果口径变化仅限于紧靠毛细血管床——代谢刺激作用部位——的上游微动脉，则血流虽会增加，但会被上游阻力所限制。这一考虑突显出沿整条血管建立通讯通路的必要性。相互连接的细胞同步行动、或作为一个单元发挥作用以实现器官——在本例中即血管——功能，被称为功能性合胞体。其细胞间连接的生物学基础即为缝隙连接，下文将详述。

最近，"升序性扩张（ascending dilation）"这一古老概念被重新提出并复归主流。如本章引言所述，由缝隙连接耦联形成的合胞体确保血管细胞协调行动。靠近组织（如毛细血管）的血管中产生的信号，可通过这种通讯通路沿血流反方向扩布至位于上游的微动脉和小动脉。如果这些信号是血管舒张性的，那么它们可能构成"升序性扩张"的机制。事实上，微循环中存在远程反应，可通过局部刺激血管在实验上引发。所产生的血管反应并不局限于刺激部位，而是沿其长度向上游和下游传播。这样的反应（扩张或收缩）被称为传导反应（conducted response），它表明血管细胞在一定距离内是同步行动的。

在寻找其潜在机制时，神经传递被排除，因为传导反应对阻断电压依赖性 Na⁺ 通道的物质（河豚毒素）不敏感。此外，引发口径变化的信号以相当高的速度沿血管传播，该速度无法仅通过机械反应加以精确分辨，因为平滑肌的收缩或舒张本身是限速步骤。最重要的是，并非所有血管舒张剂都能够引发这种传导反应。例如，内皮源性的血管舒张剂一氧化氮（NO）若外源性施加则无法引发传导反应；而乙酰胆碱、缓激肽或腺苷等物质具有一个共同点——它们都通过膜电位的变化引发扩张，并且都能够引发传导反应，这提示膜电位变化是必需的。事实上，使用微电极对血管细胞膜电位进行直接测量，证实膜电位变化沿血管壁传播。此外，电紧张传导作为传播机制也得到其速度本身的支持。

那么到底是内皮层还是平滑肌层允许电紧张信号的传播？换言之，何者是"电缆"？简单的回答是：两者皆是，但其特性不同。分别破坏每一层均不能阻止传导反应通过被部分破坏的血管段传播，因此任何单层都能够通过被破坏的部位传递信号。这方面的进一步证据来自缺乏某种内皮连接蛋白的动物（见下文）。然而在某些位于组织外部的血管中，沿传导通路某一限定部位对内皮细胞层的单独破坏会使扩张的传导在该部位中断。因此在某些血管中，除内皮之外平滑肌层也由低电阻缝隙连接连接（图 94.3），但显然并非所有血管都如此。这一差异的原因目前尚不清楚，但有人推测这种行为（即平滑肌细胞不耦联）与交感神经支配密度相关——若交感神经支配足够密集，则紧密的缝隙连接通讯就不再必要，因为大部分平滑肌可对神经递质释放作出反应。

血管壁中的缝隙连接由 Cx37、Cx40、Cx43 与 Cx45 构成，这些连接蛋白具有细胞特异性偏好。一般而言，内皮表达 Cx37 与 Cx40，而 Cx43 与 Cx45 在平滑肌细胞中被鉴定。虽然这可被作为初步规律，但也有例外，特别是在肾血管中 Cx43 也定位于内皮细胞。另有报告提示 Cx40 在平滑肌细胞中也有表达，但 Cx37 尚未见报道存在于平滑肌中。Cx45 的情况尚不完全清楚，主要原因是缺乏特异性抗体。

Cx40 的缺失在使用需要内皮的物质（内皮依赖性扩张剂，如乙酰胆碱或缓激肽）引发局部扩张的情况下会导致远端扩张的减弱。尽管这突显了内皮通路在沿血管壁传导舒张信号中的作用，但远程反应并未被完全消除。因此，要么剩余的内皮连接蛋白（Cx37）能够维持效率较低的传导通路，要么由平滑肌通路作为后备维持远端被削弱的扩张。有趣的是，第二种连接蛋白 Cx37 在 Cx40 被删除的情况下也强烈减少甚至在内皮中消失。这提示平滑肌层同样能够传导传导反应，尽管效率较低。有趣的是，直接作用于平滑肌的血管舒张剂（腺苷）也能引发传导反应。然而扩张幅度随距离下降得更为明显，再次提示平滑肌层是互联的并能作为电缆发挥作用，但耦联效率较低（图 94.3）。这些实验数据得到数学建模的支持——后者确定内皮细胞层是主要的传导通路，平滑肌细胞层作为效率较低的后备系统。这可能部分归因于各细胞的解剖学位置——内皮细胞沿血管纵向排列，平滑肌细胞则垂直排列。对于后者，被传导信号（膜电位变化）必须穿越的细胞膜数量要多得多。虽然缝隙连接提供了低电阻通道，但其电阻仍明显高于胞质，因而会显著增加沿血管长度的总体电阻。综合来看，这些数据提示存在两条传导通路——一条为内皮 Cx40 依赖的通路、一条为（效率较差的）平滑肌通路——其中 Cx43 可能具有功能性重要性，但支持这一观点的实验证据目前尚缺乏。

血管壁中另一类引人关注的细胞耦联位点是连接内皮细胞和平滑肌细胞的缝隙连接——肌内皮缝隙连接。这些连接被认为是所谓内皮源性超极化舒张（EDH 型舒张）的分子基础——EDH 型舒张定义为在内皮中引发、且不依赖于一氧化氮与前列腺素的舒张。此外，EDH 型舒张通过平滑肌细胞超极化而引发，继而可能由于电压依赖性 Ca²⁺ 通道关闭而引起舒张。肌内皮缝隙连接可能允许超极化由内皮向平滑肌传递，从而允许电流扩布，因此寻找介导 EDH 型舒张的化学因子也许不再必要。虽然有一些实验验证了肌内皮缝隙连接对引发 EDH 型舒张的必要性，另一些实验则反对这一观点。这一悬而未决的问题有待进一步阐明。无需多言的是，提供这些连接的连接蛋白亚型目前尚未被明确鉴定。

结论（Conclusion）

综上所述，缝隙连接在将单个平滑肌细胞转化为同步收缩或舒张的功能单位方面的关键作用已得到很好的确立。构成缝隙连接的不同连接蛋白具有不同特性，研究人员通过在缺乏特定连接蛋白的小鼠中研究器官功能才刚刚开始揭示这些差异。这一策略的复杂性在于连接蛋白对胚胎发生也至关重要，特定连接蛋白的缺失常常是致命的。揭示缝隙连接通透性调控在器官功能中的作用仍需付出巨大努力。尽管存在这些障碍，缝隙连接生理学仍是一个令人兴奋的领域，并且并不仅限于肌细胞——这使其更具吸引力。

本章个人批注

本章是一篇典型的综述式章节，以"问题→结构基础→分子机制→器官功能证据→小结"的逻辑推进，叙述节奏与一般生理学综述相一致。和第 93 章（肌源性张力与机械转导）相比，Ch94 的写法更"分子化"——几乎每一节都给出生化或电生理的具体证据（Cx43/Cx40 的克隆、电压门控的钟形曲线、ICC 的 c-kit 敲除表型等），而 Ch93 的细胞信号通路部分则大量依赖示意图与机制模型。

作者反复回到"为何耦联"这一基本问题。引言中的心脏/骨骼肌/平滑肌三者对比是后续所有具体组织讨论的预设框架：心肌和大部分平滑肌需要紧密耦联来形成功能性合胞体，骨骼肌反而需要避免耦联以维持"运动单位独立募集"。这一对比本身并不新颖，但作者将其在血管系统的语境中具体化为"上下游口径必须协同变化"，从而把缝隙连接的功能必要性落到血流动力学上——这一点比泛泛而谈"细胞通讯"更为有力。

"电压门控的钟形曲线"是本章最核心的分子机制部分，也是后续讨论"为何需要异型通道来保护起搏细胞"的物理基础。但我注意到作者对半通道是否独立充当膜通道的讨论留了一个明确的争议（"a matter of debate"），并顺势引出 pannexin 作为替代选项——这种把"connexin 缝隙连接"和"pannexin 半通道"放在同一节里讨论的方式，提示两者在功能上的可替代性是当前文献的一个开放问题。我对此并不完全信服：pannexin 序列与 connexin 并不相似，其作为细胞间通道的功能也未被广泛接受，作者似乎更多是把它作为"半通道在生理条件下可能确实打开"的一种间接证据。

关于 ICC 的部分我读起来有些吃力。形态学（缝隙连接稀少或缺失）与功能（c-kit 抗体或突变后慢波消失）之间的矛盾被明确指出，但作者未能给出确定的结论——他只是说"ICC 如何将信号传递给环行肌的平滑肌……目前尚不清楚"。这与 Ch93 形成对比：Ch93 中关于压力感受器的论述虽然有多种候选机制，但每一种都附有比较清晰的实验支撑；而 Ch94 中的 ICC 部分实际上承认了对最关键步骤的一无所知。这或许是肠道平滑肌研究本身的现状，也可能是作者的诚实表述。

Cx40 缺失实验（远端扩张减弱但未完全消失；Cx37 同时减少）以及 Cx43 在子宫肌层中的他莫昔芬诱导消融（分娩延迟但仍能完成）是本章最干净的功能获得/丧失实验。两个实验都体现了"基因消融工具"在连接蛋白领域的特殊困难——许多连接蛋白敲除致死，且存活个体常存在代偿性表达改变，必须配合细胞特异性、时间特异性诱导方案。这与 Ch93 中讨论 caveolin-1 敲除对肌源性反应的削弱相似，但 Ch93 走得远一些，列出了几个敲除模型的具体表型数据。

与上下章的衔接（一段话）

本章位于第四部分（平滑肌）的末尾附近，紧接在 Ch93（肌源性张力与机械转导）之后。Ch93 处理的是单个平滑肌细胞如何将机械刺激转化为收缩反应这一问题，本章则把视野扩大到"细胞之间"——把第 93 章所讨论的细胞作为节点，问这些节点如何彼此连接以协同产生器官层面的功能。Ch93 反复回到"压力→钙→收缩"这一细胞内通路，而本章则反复回到"细胞之间如何通过缝隙连接共享离子和小分子"。两者形成"细胞内信号—细胞间信号"的自然衔接。在这一卷的章节序列中，Ch93/94 共同构成"平滑肌如何在器官水平协调活动"的收束：从单细胞机械转导到多细胞合胞体；下一章（即 Ch95 之后）按这一卷的总顺序应当过渡到血管平滑肌在更具体的病理生理情境（如高血压、动脉粥样硬化）中的角色——作者在 Ch94 的结尾处也提示了这一点（"缝隙连接生理学是一个并不仅限于肌细胞的令人兴奋的领域"）。