Hvcn1-KO 基因敲除小鼠

Hvcn1，也称为电压门控质子通道Hv1，是一种重要的电压门控离子通道。Hv1通道控制酸度排除并调节各种细胞类型的pH稳态。Hv1通道与心脏功能相关。研究发现，Hvcn1基因敲除小鼠的心脏表现出与野生型心脏不同的转录组特征。RNA-seq数据显示，Hvcn1基因敲除小鼠的心脏中NADPH氧化还原酶（NOXs）下调，Cl-/HCO3-交换器表达减少，表明Hvcn1是控制NOX信号和心脏中CO2稳态的基因转录网络的调节因子。此外，Hvcn1基因敲除小鼠的心脏表现出心脏离子通道的差异表达，表明Hvcn1在心脏电生理重塑中发挥潜在作用。这些研究强调了Hvcn1在心脏功能中的重要性，并可能提出了与心脏病相关的潜在新靶点[1]。

Hv1/HVCN1在脑中的小胶质细胞/巨噬细胞中表达，并且在中枢神经系统（CNS）的多种损伤和疾病中表现出上调。Hv1/HVCN1的遗传缺失和小胶质细胞/巨噬细胞中Hv1/HVCN1的抗体中和促进了小胶质细胞/巨噬细胞的迁移。此外，脑内Hv1/HVCN1的抗体中和促进了小胶质细胞/巨噬细胞对髓鞘碎片的清除。这项研究揭示了Hv1/HVCN1在脑中小胶质细胞/巨噬细胞中的新作用，首次将质子通道Hv1/HVCN1与小胶质细胞/巨噬细胞的迁移联系起来[2]。

电压门控质子通道，Hv1，从神秘的领域跃升到了离子通道生物物理学家面临的核心问题之一，即电压依赖性门控的机制。这种转变是由于几个因素。2006年基因的鉴定表明，质子通道是大多数其他电压门控离子通道的电压感应结构域的同源物。质子通道的独特（或至少是古怪的）性质包括二聚体结构，具有双传导途径，完美的质子选择性，单通道电导率大约比大多数离子通道小10(3)倍，电压依赖性门控强烈受pH梯度ΔpH的调节，并由Zn(2+)（在许多物种中）强烈抑制，但没有其他强大的抑制剂。最近在三种单细胞海洋浮游生物物种中鉴定到Hv1，极大地扩展了系统发育家系树。由于在许多细胞中发现了重要的生理作用，对质子通道本身的研究兴趣有所增加。质子通道触发了腰鞭毛虫的冷光闪烁，促进了颗石藻的钙化，调节了受精过程中卵子和精子中的pH依赖性过程，分泌酸以控制气道液体的pH值，促进嗜碱性粒细胞的组胺分泌，并在B细胞受体介导的B-淋巴细胞反应中发挥信号作用。在吞噬细胞中发生的最复杂和最明确的功能是，质子通道优化NADPH氧化酶的活性，NADPH氧化酶是活性氧的重要产生者。Hv1介导的质子外流平衡了通过NADPH氧化酶跨膜转移的电子产生的电荷，最大限度地减少了细胞质和吞噬体的pH值变化，限制了吞噬体的渗透性肿胀，并为H2O2和HOCl的产生提供了底物H(+)，H2O2和HOCl是杀死病原体的关键活性氧[3]。

尽管目前对帕金森病（PD）中神经退化的确切机制尚不清楚，但有证据表明神经炎症是致病过程中的关键因素。研究发现，Hv1（HVCN1）电压门控质子通道在小胶质细胞中表达，并调节NADPH氧化酶，与多巴胺能神经退化相关。研究发现，与正常对照组相比，帕金森病患者的脑中HVCN1基因编码的mRNA表达增加，尤其是在男性帕金森病患者中。在急性1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶（MPTP；4 × 16 mg/kg）小鼠PD模型中，Hvcn1基因表达在纹状体中增加了2倍。向野生型（WT）小鼠给予MPTP导致黑质（SN）中酪氨酸羟化酶阳性神经元（TH+）减少了约65%，而Hv1敲除（KO）小鼠中减少了约39%。在重复剂量的LPS模型中，Hv1缺乏的神经保护作用与促炎症细胞因子水平和促氧化因子的减少相关。这些体内结果在原代小胶质细胞培养中得到证实，LPS处理增加了Hvcn1 mRNA水平，而Hv1 KO小胶质细胞没有表现出LPS介导的炎症反应。用LPS处理的Hv1 KO小胶质细胞的条件培养基导致培养的多巴胺能神经元细胞活力损失减少，与WT小胶质细胞相比。综上所述，这些数据表明，Hv1在帕金森病模型中上调并介导小胶质细胞的促炎症细胞因子产生，因此代表了神经保护的潜在新靶点[4]。

HVCN1基因的鉴定，编码唯一哺乳动物电压门控质子通道，促使许多研究探讨质子通道如何影响细胞功能。由于它们的表达主要局限于免疫细胞，因此质子通道调节免疫反应的不同方面并不奇怪。在这篇综述中，作者将探讨目前关于电压门控质子通道在先天性和适应性反应中的作用的知识，并评估尚未解决的问题[5]。

Crohn's病（CD）的组织中存在异常的免疫细胞浸润。研究发现，CD组织和配对的CD组织以及正常肠道组织在免疫细胞浸润方面存在显著差异。在PPI网络中，AQP9、CD27和HVCN1被确定为三个亚簇的关键基因。AQP9、CD27和HVCN1在CD中具有轻度至中度的诊断价值，其中AQP9的诊断价值优于CD27和HVCN1。AQP9在CD患者接受抗TNFα治疗后表达下调，但在非应答者中未观察到明显变化。AQP9在接受治疗的患者中具有中等的预测价值。IHC检测证实，AQP9、CD27和HVCN1在CD组织中的表达高于正常肠道组织，其中AQP9、CD27与CD的活性相关。免疫相关基因AQP9、CD27和HVCN1可能作为CD的辅助诊断指标，AQP9可能是接受抗TNF治疗的患者中的有希望的预测指标[6]。

癫痫和脑室内出血是早产儿常见的不可逆并发症。炎症会导致细胞内钙增加、酸中毒和氧气消耗增加，最终可能损害脑细胞。HIF-1a和HVCN1的增加可以减少患有脑室内出血（IVH）的婴儿的氧气消耗和酸中毒的并发症。另一方面，S100B的减少可以通过减少脑损伤来保护神经细胞免受凋亡和癫痫的影响。这项研究调查了miR-138-siRNAs-HIF-1a和miR-21-siRNAs-HVCN1如何影响缺氧小鼠中的细胞凋亡。在分娩后的第一天和第三天，比较了两组早产儿中YKL40、HIF-1a、HVCN1和S100b基因的表达，一组有母体炎症，另一组没有。之后，将miRNA转染到细胞系中，以监测YKL40、HIF-1a、HVCN1和S100b基因表达的变化以及神经细胞凋亡。通过将特定的siRNAs注射到小鼠中，改变了S100b、HVCN1和HIF-1a基因的表达。使用实时PCR、Western印迹、流式细胞术（FCM）和免疫荧光，评估了基因表达的变化（IHC）。HVCN1基因表达与两组婴儿中的癫痫呈强负相关（Pβ0.001）。发现癫痫与S100b、YKL40和HIF-1a基因表达水平之间存在显著相关性（Pβ0.001）。根据FCM，在将miRNA-431和miRNA-34a转染到细胞系后，细胞凋亡指数（A.I.）分别为41.6 3.3%和34.5 5.2%，而在转染miRNA-21和miRNA-138后，A.I.分别为9.6 2.7%和7.1 4.2%。将miR-138-siRNAs-HIF-1a和miR-21-siRNAs-HVCN1同时注射到缺氧小鼠中，IHC双重标记显示，与缺氧组相比，这减少了凋亡和癫痫。我们的发现表明，miR-138-siRNAs-HIF-1a和miR-21-siRNAs-HVCN1的注射通过增加HVCN1和HIF-1a并降低S100b，减少了缺氧小鼠中脑缺血引起的脑损伤，从而在缺氧小鼠中减少了凋亡和癫痫[7]。

质子电流对于吞噬细胞中的最佳呼吸爆发是必需的。最近，HVCN1被鉴定为与中性粒细胞呼吸爆发相关的电压门控质子通道活性所必需的分子。尽管嗜酸性粒细胞和中性粒细胞在呼吸爆发的机制方面有相似之处，但质子通道在嗜酸性粒细胞功能中的作用尚未完全了解。本研究首先鉴定了小鼠嗜酸性粒细胞中质子通道HVCN1的表达。此外，使用HVCN1缺乏的嗜酸性粒细胞，作者证明了HVCN1在细胞特异性效应功能中的重要作用。与HVCN1缺乏的中性粒细胞相似，HVCN1缺乏的嗜酸性粒细胞在佛波酯肉豆蔻酸乙酯（PMA）刺激下产生的活性氧（ROS）比野生型（WT）嗜酸性粒细胞显著减少。与HVCN1缺乏的中性粒细胞不同，HVCN1缺乏的嗜酸性粒细胞在PMA刺激下与WT细胞相比没有表现出钙动员或迁移能力的受损。独特的是，与WT嗜酸性粒细胞相比，HVCN1缺乏的嗜酸性粒细胞在PMA刺激下经历了显著增加的细胞死亡。这种增加的细胞死亡依赖于NADPH氧化酶的激活，并与HVCN1缺乏的细胞在激活时无法维持膜极化和细胞内pH值在生理范围内相关。嗜酸性粒细胞需要质子通道HVCN1才能产生最佳的ROS，并防止激活诱导的细胞死亡[8]。

综上所述，Hvcn1基因编码的电压门控质子通道在多种生物学过程中发挥着重要作用。Hvcn1基因的突变与多种疾病的发生和发展相关，包括动脉粥样硬化、偏头痛、心脏疾病、帕金森病、Crohn's病和神经损伤等。此外，Hvcn1基因的表达与免疫细胞的功能密切相关，参与调节免疫反应。Hvcn1基因的研究有助于深入理解质子通道的生物学功能和疾病发生机制，为疾病的治疗和预防提供新的思路和策略。