G蛋白偶聯(lián)受體激酶:心肌肥厚潛在的生物標(biāo)志

向仕釗 綜述 唐其柱 審校

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院心血管內(nèi)科，湖北武漢 430060)

G蛋白偶聯(lián)受體激酶:心肌肥厚潛在的生物標(biāo)志

向仕釗 綜述 唐其柱 審校

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院心血管內(nèi)科，湖北武漢 430060)

心力衰竭因其發(fā)病范圍廣、患病率高、病死率高以及高額的醫(yī)療花費目前已成為全世界十分棘手的一個健康問題，其中在發(fā)展中國家表現(xiàn)得尤為突出，未來20年里有望成為導(dǎo)致死亡的首要原因［1］。心肌肥厚是心力衰竭、心律失常、心源性猝死以及心血管發(fā)病率和病死率的獨立危險因素［2］。生理性心肌肥厚源于對運動條件下的一種代償性適應(yīng)，病理性心肌肥厚則是心臟對病理狀態(tài)下如高血壓、心肌梗死等的一種代償性反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)在病理性條件下心肌細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞通過細(xì)胞肥大或者結(jié)構(gòu)重塑作為病理條件下的應(yīng)急代償機制來緩解或者維持機體其他器官的有效灌注［3］。G蛋白偶聯(lián)受體激酶(G protein-coupled receptor kinases，GRKs)有多個亞型，其中G蛋白偶聯(lián)受體激酶2(GRK2)在壓力負(fù)荷誘導(dǎo)的心肌肥厚的調(diào)控中起重要作用。目前臨床上對心力衰竭監(jiān)測常用的生物標(biāo)志為氨基末端腦鈉肽前體(NT-proBNP)，其監(jiān)測心血管不良事件與GRK2相比相對較晚。GRK2結(jié)構(gòu)特點及在心肌肥厚調(diào)控中的機制使其有望成為監(jiān)測心肌肥厚的潛在生物標(biāo)志，臨床上可通過監(jiān)測患者外周血淋巴細(xì)胞GRK2 mRNA的表達(dá)水平對早期心肌肥厚進(jìn)行有效干預(yù)或者后期GRK2與傳統(tǒng)生物標(biāo)志合用以提高對心力衰竭的診治率。

1 GRK2的結(jié)構(gòu)和功能特點

G蛋白為細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)途徑中起著重要作用的GTP結(jié)合蛋白，由α，β，γ三個不同亞基組成，Gα及Gβγ均參與心血管疾病的發(fā)生發(fā)展，Shen等［4］研究發(fā)現(xiàn)Gβγ還參與調(diào)控先天性靜止性夜盲視網(wǎng)膜雙極細(xì)胞對光信號傳遞機制。GRKs由GRK1～GRK7七個亞型組成［5］，GRK1、GRK4、GRK7在有限的組織內(nèi)表達(dá)，其中 GRK1和 GRK7在視網(wǎng)膜內(nèi)表達(dá)較多［6］，GRK4在睪丸內(nèi)高表達(dá)。而 GRK2、GRK3、GRK5、GRK6則在機體廣泛表達(dá)，Zhang等［7］研究發(fā)現(xiàn)作為Gαq下調(diào)基因轉(zhuǎn)錄修飾亞型的GRK5可能通過與β-腎上腺素受體(β-adrenergic receptor，β-AR)介導(dǎo)的脫敏作用來抑制心力衰竭的失代償。GRK2又稱 β-ARK1，分布廣泛，在血管平滑肌、內(nèi)皮細(xì)胞、淋巴細(xì)胞及心肌細(xì)胞等均有表達(dá)，為絲氨酸/蘇氨酸激酶由高度保守的中心區(qū)催化亞基(～270aa)、N-末端(～185aa)以及含有特異性調(diào)節(jié)位點的C-末端(～105-230aa)構(gòu)成［8］。N-末端參與受體識別及細(xì)胞內(nèi)膜的錨定作用，還含有包括調(diào)節(jié) G蛋白同源位點(～120aa)在內(nèi)的許多調(diào)控模序，G蛋白同源位點可特異地通過類效應(yīng)器方式而非類G蛋白信號調(diào)節(jié)點方式與Gαq家族成員結(jié)合然后抑制該家族成員與效應(yīng)器磷脂酶Cβ的相互作用。C-末端則通過調(diào)節(jié)類脂與膜蛋白的相互作用來調(diào)節(jié)GRK家族成員的亞細(xì)胞位置。GRK2其C-末端還包含一個能與4，5-二磷酸腺肌醇相互作用釋放Gβγ亞基的普列克底物蛋白同源序列，該序列參與激動劑依賴的跨膜轉(zhuǎn)運。GRK2通過與β抑制蛋白結(jié)合調(diào)控G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)的功能，此外GRK2和β抑制蛋白還參與其他膜受體如經(jīng)酪氨酸激酶受體介導(dǎo)的胰島素生長因子1、胰島素、血小板生長因子、表皮生長因子等信號傳導(dǎo)。Penela等［9］研究發(fā)現(xiàn)GRK2可以通過與GRKs相互作用蛋白1及細(xì)胞質(zhì)α-微管蛋白脫乙酰酶組蛋白脫乙酰酶6相互作用來管理肌動蛋白及微管網(wǎng)絡(luò)，其水平的變化及活性涉及炎性疾病及腫瘤演變中細(xì)胞的遷移。Woodall等［10］研究發(fā)現(xiàn)GRK2參與心肌細(xì)胞內(nèi)線粒體調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞存活和凋亡的胰島素信號途徑，由此通過調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞的代謝來調(diào)節(jié)心臟的收縮功能及心力衰竭的發(fā)展。

2 GRK2在心肌肥厚中的作用和機制

2.1 GPCR途徑

心臟在病理性刺激因素持續(xù)存在時兒茶酚胺長時間過量分泌導(dǎo)致β受體與Gs結(jié)合后再與腺苷酸環(huán)化酶結(jié)合，使cAMP聚集在心肌細(xì)胞，通過以下途徑導(dǎo)致心肌肥厚:一方面，活化蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)，活化的PKA可使Ca2+結(jié)合蛋白磷酸化然后分別經(jīng)磷酸酶/NFAT(nuclear factor of activated T cells)及CaMKⅡ(calmodulin-dependent protein kinaseⅡ)/HDAC兩條途徑導(dǎo)致心肌肥厚。另一方面，Epac1 (exchange protein directly activated by cAMP)-Ras-Raf1-MEK-ERK1/2途徑導(dǎo)致心肌肥厚。GRK2通過抑制cAMP活化PKA來改善心肌肥厚，但GRK2過度表達(dá)也會通過非GPCR線粒體途徑導(dǎo)致心肌肥厚［11］。

2.2 非GPCR途徑

GRK2既可通過GPCR途徑使GPCR脫敏來調(diào)控心肌肥厚又可通過非GPCR途徑參與心肌肥厚的調(diào)控［12-13］，這種獨立的信號途徑涉及β-aresstins、GRK2在磷酸化結(jié)合GRCR的β1-AR羧基末端絲氨酸/蘇氨酸位點并使GPCR脫敏的同時會導(dǎo)致β-抑制蛋白的移位并競爭GPCR的結(jié)合位點以抑制GPCR的進(jìn)一步活化。與GRK2相互作用的非GPCR蛋白包括單次跨膜受體、細(xì)胞溶質(zhì)蛋白、核蛋白、微管蛋白、網(wǎng)格蛋白、Akt、熱休克蛋白90、IκBα等［14-15］。GRK2與細(xì)胞內(nèi)非GPCR蛋白的相互作用可通過影響不同的細(xì)胞信號通路來調(diào)控心肌肥厚，如炎癥途徑、細(xì)胞死亡途徑以及細(xì)胞周期等［16-17］。心肌細(xì)胞在受到氧化應(yīng)激或者缺血性損傷時細(xì)胞外信號調(diào)控激酶會通過GRK2的Ser670使其磷酸化，磷酸化的GRK2在Hsp90的協(xié)助下移向線粒體啟動前死亡信號［17］。磷酸化的GRK2對線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔敏感性增加并使其開放導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi) Ca2+負(fù)載，Ca2+與鈣調(diào)蛋白(calmodulin，CaM)形成Ca2+/CaM復(fù)合物然后結(jié)合在CaMKⅡ的C-末端調(diào)節(jié)亞基上使其活化，活化的CaMKⅡδ通過在細(xì)胞電生理水平和分子水平導(dǎo)致病理性心肌肥厚以至最終的心力衰竭。一方面對Ca2+生理活動如興奮-收縮偶聯(lián)、興奮-轉(zhuǎn)移偶聯(lián)以及心率的增加產(chǎn)生影響;另一方面，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡和心律失常。最后，通過CaMKⅡ/HDAC途徑導(dǎo)致心肌肥厚［18］。

3 GRK 2的臨床應(yīng)用及現(xiàn)狀

GRK2是介導(dǎo)GPCR磷酸化、內(nèi)化及功能失調(diào)最重要的調(diào)節(jié)蛋白，可通過多種途徑調(diào)節(jié)病理性心肌肥厚的發(fā)生發(fā)展。Brinks等［19］研究發(fā)現(xiàn)GRK2可作為監(jiān)測急性心肌梗死及早期心肌肥厚潛在生物指標(biāo)，通過監(jiān)測GRK2的表達(dá)水平和活性可有效反映患者心肌肥厚的程度并進(jìn)行早期有效干預(yù)以避免進(jìn)一步惡化為心力衰竭。Woodall等［10］研究發(fā)現(xiàn)GRK2是聯(lián)系心力衰竭患者心肌細(xì)胞收縮功能和代謝活動的節(jié)點，βARKct和帕羅西汀(paroxetine)均可結(jié)合GRK2并抑制其活性增加心肌的收縮功能［20-21］，故GRK2濃度的監(jiān)測可從多方面評估心臟功能。GRK2可作為治療心力衰竭的新的靶基因，有效抑制GRK2過高的表達(dá)水平和活性為治療心力衰竭的有效途徑［22-23］。高文謙等［24］研究發(fā)現(xiàn)通過監(jiān)測患者外周血淋巴細(xì)胞GRK2的mRNA表達(dá)水平可了解其心肌病理狀態(tài)，進(jìn)而判斷β-AR治療心力衰竭的作用。

4 GRK2與NT-proBNP的聯(lián)系

4.1 NT-proBNP

NT-proBNP為一種神經(jīng)內(nèi)分泌激素，具有拮抗腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)、增加腎血流、松弛血管平滑肌、改善血管通透性及抑制心肌細(xì)胞有絲分裂等多種作用。心臟在各種不良應(yīng)激因素如氧化損傷、前后負(fù)荷過大、急性心肌梗死、心肌肥厚等的誘發(fā)下心室肌細(xì)胞分泌NT-proBNP增加。

4.1.1 心臟電生理方面

植入式心臟轉(zhuǎn)復(fù)除顫器(implantable cardioverterdefibrillator，ICD)是預(yù)防心源性猝死的有效手段，但電極導(dǎo)線的不足仍使患者死亡風(fēng)險增加［25］。研究發(fā)現(xiàn)，在缺血性心肌病和糖尿病心肌病心力衰竭患者中NT-proBNP和遲釓增量可作為ICD術(shù)后患者一級預(yù)防及死亡風(fēng)險的評估且NT-proBNP與ICD術(shù)后患者心律失常風(fēng)險的獨立相關(guān)性超過與總的死亡風(fēng)險相關(guān)性［26-27］。

4.1.2 血流動力學(xué)方面

Welsh等［28］在蘇格蘭西部進(jìn)行的歷時15年有關(guān)NT-proBNP預(yù)測主要心血管事件的冠心病干預(yù)研究發(fā)現(xiàn)，NT-proBNP可以預(yù)測沒有臨床證據(jù)的慢性心臟病、心絞痛及腦卒中史患者的心血管不良事件，而且其風(fēng)險評估的穩(wěn)定性超過C反應(yīng)蛋白。此外，尚有研究發(fā)現(xiàn)NT-proBNP和高敏肌鈣蛋白T不僅反映慢性腎臟疾病患者腎素清除率降低，而且是此類患者心血管惡化結(jié)果的預(yù)后指標(biāo)［29］。

4.2 GRK2與NT-proBNP的聯(lián)系

環(huán)核苷酸信號傳導(dǎo)途徑的共同特征是以小分子的環(huán)核苷酸如cAMP、鳥苷酸環(huán)化酶(cGMP)等作為第二信使，通過細(xì)胞內(nèi)環(huán)核苷酸濃度的改變進(jìn)行信號傳導(dǎo)。GRK2既可通過GPCR又可通過非GPCR途徑調(diào)控心肌肥厚。cGMP信號傳導(dǎo)系統(tǒng)是信號分子如NT-proBNP特異地與膜結(jié)合性鳥苷酸環(huán)化酶結(jié)合后并激活其酶活性，鳥苷酸環(huán)化酶催化GTP生成并激活作為第二信使的cGMP，促進(jìn)胞質(zhì)內(nèi)cGMP濃度升高，進(jìn)而激活一系列蛋白激酶，如cGMP-PDE、PKA的調(diào)節(jié)亞基、磷酸化酶、脂肪細(xì)胞激素敏感脂肪酶、受磷蛋白、Ca2+-ATP酶、Ca2+通道蛋白等由此產(chǎn)生一系列生物學(xué)效應(yīng)。由此可見GRK2既可通過GPCR途徑又可通過非GPCR途徑與NT-proBNP共同調(diào)控不良心血管事件條件下病理性心肌肥厚的發(fā)生發(fā)展。GRK2在導(dǎo)致心肌肥厚時，心臟結(jié)構(gòu)發(fā)生重塑進(jìn)而導(dǎo)致血流動力學(xué)的變化引起NT-proBNP濃度的變化，而NT-proBNP又進(jìn)一步加劇了心肌肥厚的進(jìn)展最終導(dǎo)致心力衰竭，所以GRK2比NT-proBNP更能較早反映心肌肥厚的程度。

5 結(jié)語

GRK2通過多種途徑參與諸多疾病的發(fā)生發(fā)展，在心血管疾病的病理調(diào)控中起著舉足輕重的作用，心血管疾病高發(fā)的今天使得大量科研人員不斷探索心血管疾病發(fā)生發(fā)展的新機制以尋找新的治療靶點。心肌肥厚是心力衰竭、心律失常、心源性猝死以及心血管發(fā)病率和病死率的獨立危險因素，對心肌肥厚的早期干預(yù)對改善心力衰竭患者的預(yù)后具有重要作用。GRK2有望成為潛在的監(jiān)測心肌肥厚的生物指標(biāo)，對其作用機制的進(jìn)一步研究以及抑制劑的開發(fā)將成為未來研究的熱點。

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GRK:A Potential Biomarker for Cardiom yopathy

XIANG Shizhao，TANG Qizhu
(Department of Cardiology，Renmin Hospital ofWuhan University，Wuhan 430060，Hubei，China)

G蛋白偶聯(lián)受體激酶有多個亞型，參與多種疾病的發(fā)生發(fā)展，其中G蛋白偶聯(lián)受體激酶2(GRK2)在壓力負(fù)荷誘導(dǎo)的心肌肥厚的調(diào)控中起重要作用。心肌肥厚是心力衰竭的早期病理學(xué)改變，目前臨床上對心力衰竭監(jiān)測常用的生物標(biāo)志為氨基末端腦鈉肽前體，其監(jiān)測心血管不良事件與GRK2相比相對較晚。GRK2結(jié)構(gòu)特點及在心肌肥厚調(diào)控中的機制使其有望成為監(jiān)測心肌肥厚的潛在生物標(biāo)志，臨床上可通過監(jiān)測患者外周血淋巴細(xì)胞GRK2 mRNA的表達(dá)水平對早期心肌肥厚進(jìn)行有效干預(yù)或者后期GRK2與傳統(tǒng)生物標(biāo)志合用以提高對心力衰竭的診治率。

G蛋白偶聯(lián)受體激酶;G蛋白偶聯(lián)受體激酶2;生物標(biāo)志;心肌肥厚;心力衰竭

G protein-coupled receptor kinases(GRK)havemany isoforms，and participate in a variety of development and incidence of diseases.G protein coupled receptor kinase 2 belongs to the GRK families，and takes part in the regulation of cardiomyopathy induced by pressure-overload.Cardiomyopathy is an early pathological change in heart failure(HF).At present，the most commonly used biological marker formonitoring HF in the clinic is amino terminal brain natriuretic peptide precursor(NT-proBNP).It is possible to use NT-proBNP to detect adverse cardiovascular events in late stages of cardiomyopathy whereas it is possible to use GRK2 to identify cardiomyopathy in its early stages.GRK2 may be used as a potential biomarker for its structural characteristics and regulatorymechanisms in cardiomyopathy.It can not only be used to effectively identify cardiomyopathy in the early stages bymonitoring the expression of themRNA of GRK2 in peripheral lymphocyte of patients in clinic，but it can also be used to enhance the efficiency of the diagnosis and treatment of HF.

G protein-coupled receptor kinases;G protein-coupled receptor kinases 2;biomarker;cardiomyopathy;heart failure

1004-3934(2015)01-0034-04

R542.2

A

10.3969/j.issn.1004-3934.2015.01.010

2014-06-16

2014-08-28

教育部博士點基金(優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域)-(2013041130010)

向仕釗(1983—)，主治醫(yī)師，碩士，主要從事心肌重構(gòu)研究。Email:shizhaohx@126.com

唐其柱，主任醫(yī)師，博士生導(dǎo)師，主要從事心肌重構(gòu)研究。Email:qztang@whu.edu.cn