β-arrestin 的研究進(jìn)展及與纖維化的關(guān)系

王艷道 綜述，余 晨 審校

(同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院腎臟科,上海 200065)

·綜 述·

β-arrestin 的研究進(jìn)展及與纖維化的關(guān)系

王艷道 綜述，余 晨 審校

(同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院腎臟科,上海 200065)

β-arrestin；血管緊張素Ⅱ；纖維化

β-arrestin是在20世紀(jì)90年代提純β-腎上腺素受體激酶的過程中發(fā)現(xiàn)的一類多功能抑制蛋白，廣泛分布于身體的各種組織，尤其是在神經(jīng)系統(tǒng)及脾臟中大量表達(dá)[1]。目前哺乳動物中已發(fā)現(xiàn)4種arrestin家族的成員，包括視覺系統(tǒng)中調(diào)節(jié)光受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的Visual arrestin 和 Cone arrestin，另一類是β-arrestin，分為β-arrestin 1和β-arrestin 2，二者之間有78%的氨基酸序列相同[2]。β-arrestin的基本結(jié)構(gòu)由兩個反向平行的β折疊片組成，通過一個鎖鏈區(qū)和背面氨基末端的一個短α螺旋相連。β-arrestin主要有兩個功能區(qū)，N端功能區(qū)和C端功能區(qū)，N端功能區(qū)負(fù)責(zé)識別已被激活的G蛋白耦聯(lián)受體(G protein coupled receptors，GPCRs)，C端功能區(qū)是第二受體識別區(qū)。

1 β-arrestin負(fù)調(diào)控G蛋白信號通路

GPCRs是膜受體最大的家族，含有7個疏水的跨膜區(qū)，它們廣泛分布在機(jī)體的各個部位，通過G蛋白介導(dǎo)重要的生物學(xué)效應(yīng)。

β-arrestin作為GPCRs的負(fù)性調(diào)控因子[3]，通過介導(dǎo)GPCRs脫敏、內(nèi)化致使信號轉(zhuǎn)導(dǎo)減弱或終止的作用最為人熟知。被激動劑激活的GPCRs與G蛋白耦聯(lián)受體激酶(G-protein-coupled receptor kinases，GRK)結(jié)合發(fā)生磷酸化，促使β-arrestin由非活化的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閷κ荏w高親和結(jié)構(gòu)，并由胞質(zhì)快速轉(zhuǎn)移至胞膜，與磷酸化的活化GPCRs結(jié)合，三者形成GPCRs-GRK-β-arrestin復(fù)合三聚體，導(dǎo)致GPCRs無法與G蛋白結(jié)合，從而終止信號通路[4]，這就是所謂的受體脫敏。另一方面，活化的β-arrestin釋放C末端，結(jié)合胞吞蛋白(如籠形蛋白、銜接蛋白2等)，進(jìn)而將受體與胞吞蛋白緊密連接，啟動受體內(nèi)吞。受體被內(nèi)吞后部分脫磷酸化后再循環(huán)至細(xì)胞表面，另一部分被降解，從而導(dǎo)致受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的進(jìn)一步減弱或終止。近幾年研究表明，β-arrestin還可以與GPCR下游信號分子形成復(fù)合物,開啟G蛋白非依賴途徑激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo),從而更進(jìn)一步減弱G蛋白信號通路。

2 AT1R下游G蛋白依賴性信號通路和β-arrestin依賴性信號通路

腎素-血管緊張素系統(tǒng)(renin-angiotensin-system，RAS)的主要功能是調(diào)節(jié)人體血壓、水分、電解質(zhì)和保持人體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性，其中血管緊張素Ⅱ(angiotensin Ⅱ，AngⅡ)主要通過結(jié)合血管緊張素受體(angiotensin receptor，ATR)發(fā)揮最重要作用。ATR分為AT1R、AT2R兩個亞型，都屬于G蛋白耦聯(lián)受體超家族，其中ATlR介導(dǎo)了AngⅡ的主要功能。

人血管緊張素1型受體(angiotensin receptor，AT1R)是GPCRs家族成員之一，由359個氨基酸組成，數(shù)目相對恒定，廣泛分布在人體的多種組織中，AT1R介導(dǎo)血管收縮、增強(qiáng)心肌收縮力、氧化應(yīng)激等。AT2R與AT1R氨基酸序列只有32%～37%的同源性，主要存在于胚胎時期，對脈管系統(tǒng)的發(fā)育起重要作用，出生后表達(dá)水平迅速下降。AT2R的作用是非常復(fù)雜的，目前不是特別清楚，有待深入研究進(jìn)一步明確其具體生物學(xué)效應(yīng)及機(jī)制。

當(dāng)以AngⅡ刺激AT1R時，AngⅡ中的苯丙氨酸8(Phe8)和酪氨酸4(Tyr4)分別與ATIR上的組氨酸256(His256)和天門冬氨酸111(Asn111)結(jié)合。被刺激后，受體可與多種G蛋白耦聯(lián)，如Gq/11、G12/13、Gi蛋白，并導(dǎo)致G蛋白α亞基和β、γ亞基解離，活化的G蛋白亞基激活下游的磷脂酶C、A2和D[5]，產(chǎn)生磷酸肌醇(inositol phosphates，IP)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣離子的釋放，從而放大和傳遞細(xì)胞內(nèi)信號，形成經(jīng)典的Gq/11-PLC-IP3/DAG-Ca2+/PKC信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。

近期發(fā)現(xiàn)，AT1R的C末端還存在β-arrestin特異性結(jié)合域。當(dāng)AT1R被激活后，它可以募集β-arrestin到其特異性結(jié)合域，以非G蛋白依賴的方式，與下游信號分子形成復(fù)合物，形成獨(dú)立信號通路。因此，AT1R下游不僅僅是G蛋白通路，實(shí)際上，它存在兩條下游信號通路，G蛋白依賴性通路以及β-arrestin依賴性信號通路。

目前β-arrestin作為支架蛋白調(diào)節(jié)細(xì)胞外信號調(diào)控激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)信號通路是研究最為廣泛的。ERK 是絲裂原激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPK)家族成員之一，介導(dǎo)細(xì)胞增殖、分化、凋亡等作用。

ATIR激活ERK可由G蛋白和β-arrestin兩條通路介導(dǎo)。G蛋白通過刺激產(chǎn)生第二信使依賴性激酶如蛋白激酶C和蛋白激酶A來介導(dǎo)，研究證實(shí)G蛋白激活ERK較快，同時失活也較快，激活后ERK向核轉(zhuǎn)位，并激活核內(nèi)底物。β-arrestin也可以激活下游ERK信號通路，而β-arrestin依賴ERK停留在胞質(zhì)中激活，其活性在5～10 min達(dá)到頂峰，可持續(xù)90 min，激活的ERK局限于胞質(zhì)中，沒有核轉(zhuǎn)錄活性，有研究發(fā)現(xiàn)此過程對β-arrestin的損耗比較敏感，抑制蛋白激酶A或G蛋白的損耗對它沒有影響，由此推測此過程確實(shí)是由β-arrestin介導(dǎo)。

SⅡ-AngⅡ是AT1R的β-arrestin完全偏向性配體[6],是將AngⅡ的第一位點(diǎn)的Asp，第四位點(diǎn)的Tyr，以及第八位點(diǎn)的Phe分別替換為Sar，Ile，Ile。AngⅡ通過第四位點(diǎn)的Tyr以及第八位點(diǎn)的Phe與AT1R第111位點(diǎn)的Asn，第256位點(diǎn)的His特異性結(jié)合激活G蛋白以及其下游通路，而SⅡ-AngⅡ的第四位點(diǎn)以及第八位點(diǎn)氨基酸替換后，則無法激活G蛋白通路，研究發(fā)現(xiàn)用SⅡ-AngⅡ作為刺激物，G蛋白通路下游產(chǎn)物磷酸肌醇產(chǎn)生量為0，但是并不影響其與AT1R的結(jié)合能力。SⅡ-AngⅡ特異性激活β-arrestin通路后，還可以部分激活ERK活性[7]。可見ERK確實(shí)可由G蛋白和β-arrestin兩條通路介導(dǎo)，而且多名研究者已經(jīng)在原代培養(yǎng)的血管平滑肌細(xì)胞[8]和心肌細(xì)胞[9]以及離體心臟灌流模型[10]上證實(shí)了這兩條通路。

Ahn等[11]發(fā)現(xiàn)β-arrestin2通過AT1R介導(dǎo)抗凋亡的細(xì)胞保護(hù)作用，在大鼠的血管平滑肌細(xì)胞中，二者結(jié)合后激活ERK/p90RSK和PI3K/AKT兩條通路，使下游的促凋亡蛋白BAD磷酸化而失去活性，從而發(fā)揮抗凋亡的作用。研究者用SⅡ-AngⅡ特異性激活β-arrestin通路，證實(shí)了其抗凋亡的作用。

3 β-arrestin與某些疾病關(guān)系的研究

HEK293細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，血管加壓素受體突變體R137H，在沒有激動劑刺激的情況下，仍然可以與β-arrestin結(jié)合，二者相互作用導(dǎo)致脫敏的發(fā)生從而減弱了信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的能力，喪失了對抗利尿激素的敏感性，最終致使腎性尿崩癥的發(fā)生。研究結(jié)果表明非正常狀態(tài)下脫敏反應(yīng)是GPCRs相關(guān)疾病的一個重要病因，暗示通過抑制β-arrestin介導(dǎo)的G蛋白耦聯(lián)受體脫敏，可能發(fā)現(xiàn)一條治療此類疾病的新途徑。

有研究發(fā)現(xiàn)[12]，β-arrestin在2型糖尿病中起到至關(guān)重要的作用。在2型糖尿病模型小鼠肝臟樣品中β-arrestin2的表達(dá)水平顯著下調(diào)，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)β-arrestin2基因敲除可導(dǎo)致嚴(yán)重的胰島素耐受,而過表達(dá)β-arrestin2則能顯著提高胰島素敏感性。β-arrestin作為支架蛋白，將IR與Akt、Src連接起來形成復(fù)合物，這一復(fù)合物對于胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)起到重要的影響作用，它的缺失或缺陷導(dǎo)致胰島素耐受。因此β-arrestin可能成為治療糖尿病的一個新靶點(diǎn)。

為了探討β-arrestin在白血病中的表達(dá)，研究者[13]收集不同類型的白血病患者骨髓和外周血標(biāo)本，采用PCR，Western blotting和免疫熒光法檢測β-arrestin的mRNA和蛋白表達(dá)情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同類型白血病患者的標(biāo)本中β-arrestin1和β-arrestin2的mRNA 和蛋白水平均明顯升高，提示β-arrestin可能與白血病密切相關(guān)。

大量研究表明β-arrestin與多種疾病的發(fā)生密切相關(guān)，卵巢癌中，β-arrestin被招募到細(xì)胞膜，與內(nèi)皮素A受體結(jié)合，進(jìn)一步激活β-catenin信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，引起卵巢癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移[14]。哮喘患者外周血T細(xì)胞中，β-arrestin較對照組表達(dá)上升，提示其在哮喘發(fā)病中起到重要的作用，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)β-arrestin2基因敲除小鼠，用過敏原致敏后，無T細(xì)胞募集，也不出現(xiàn)哮喘的臨床癥狀，這表明哮喘的發(fā)病與β-arrestin也有密不可分的關(guān)系。

在心血管系統(tǒng)疾病、呼吸系統(tǒng)疾病、內(nèi)分泌系統(tǒng)疾病、神經(jīng)精神系統(tǒng)疾病、免疫系統(tǒng)疾病以及腫瘤疾病等的發(fā)生、發(fā)展過程均發(fā)現(xiàn)有β-arrestin的參與，因此人們對β-arrestin的作用機(jī)制研究將繼續(xù)不斷的深入和擴(kuò)展。

4 β-arrestin與纖維化病變的研究

纖維化(fibrosis)可發(fā)生在多種器官，導(dǎo)致器官結(jié)構(gòu)破壞和功能減退乃至器官衰竭，嚴(yán)重威脅人類健康和生命。各種慢性刺激因素，如炎癥、免疫、毒素、缺血及血流動力學(xué)改變等，導(dǎo)致器官實(shí)質(zhì)細(xì)胞發(fā)生壞死，纖維結(jié)締組織，包括細(xì)胞成分和細(xì)胞外間質(zhì)(extracellular matrix，ECM)異常增多和過度沉積[15]，最終導(dǎo)致纖維化病理改變。

特發(fā)性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)是一種原因不明，預(yù)后不良的進(jìn)行性疾病。IPF的標(biāo)志性特點(diǎn)，包括成纖維細(xì)胞灶、膠原蛋白增多和細(xì)胞外基質(zhì)沉積。研究發(fā)現(xiàn)[16]，在博萊霉素誘導(dǎo)的小鼠肺纖維化模型中，β-arrestin1或β-arrestin2的缺失會降低鼠病死率，抑制基質(zhì)沉積，保護(hù)肺功能。數(shù)據(jù)表明β-arrestins通過調(diào)節(jié)成纖維細(xì)胞的活性和膠原蛋白的形成促進(jìn)肺臟纖維化進(jìn)展。研究得出的結(jié)論是β-arrestin1和β-arrestin2參與了博萊霉素誘導(dǎo)的肺間質(zhì)纖維化的發(fā)病機(jī)制，從而作為一個潛在的目標(biāo)，干預(yù)治療特發(fā)性肺纖維化。

Sun等[17]建立豬血清誘導(dǎo)的肝纖維化模型，用免疫組化染色、雙重免疫熒光染色和Western免疫印跡方法，在5個時間點(diǎn)，測量β-arrestin1，β-arrestin2和α-平滑肌肌動蛋白(α-SMA)在大鼠肝組織中的動態(tài)表達(dá)，研究結(jié)果顯示，隨著肝纖維化程度加重，在肝組織中的β-arrestin2的表達(dá)逐漸增加。此研究提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，在肝纖維化的發(fā)病機(jī)制中β-arrestin2起到一定作用。同樣有研究證實(shí)[18]，在四氯化碳誘導(dǎo)的小鼠肝纖維化模型中，肝臟組織中β-arrestin1、β-arrestin2 mRNA和蛋白表達(dá)量均明顯升高，提示了β-arrestin可能促進(jìn)了肝纖維化的發(fā)展，研究發(fā)現(xiàn)肝纖維化小鼠肝組織中β-arrestin1、β-arrestin2 mRNA和蛋白表達(dá)與NF-κB的表達(dá)呈正相關(guān)，研究者推斷β-arrestin可能通過調(diào)節(jié)NF-κB進(jìn)一步對肝纖維化過程起到調(diào)節(jié)作用。另外，為了篩選可能參與慢性肝炎發(fā)展過程的代謝受體相關(guān)基因，研究者[19]從12例慢性肝炎的患者中，通過活檢獲得肝臟標(biāo)本，根據(jù)纖維化METAVIR得分以及其他多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評估分析，結(jié)果顯示，表達(dá)水平最高的代謝型受體相關(guān)編碼基因包括arrestin，從而揭示了arrestin參與慢性肝炎的纖維化分子機(jī)制。

Nakaya等[20]研究發(fā)現(xiàn)在心肌成纖維細(xì)胞中美托洛爾可以誘導(dǎo)心肌纖維化相關(guān)基因表達(dá)增加，而在β-arrestin2或GRK5基因敲除小鼠中，美托洛爾刺激后，心肌纖維化和心功能不全卻沒有發(fā)生。由此推斷β-arrestin2參與誘導(dǎo)心肌纖維化的發(fā)生。

然而，另外有報(bào)道[21]β-arrestin偏向性激動劑在心肌細(xì)胞中具有保護(hù)作用，能降低心臟纖維化。對于這種完全相反的作用，目前爭議較大，還沒有得到權(quán)威的解釋，Ibrahim等[22]稱在不同細(xì)胞類型中，β-arrestin可能發(fā)揮不同的作用，在成纖維細(xì)胞系中β-arrestin一般是促纖維化作用。

由此作者推斷β-arrestin參與了多臟器及細(xì)胞的纖維化發(fā)病機(jī)制，但是具體的作用機(jī)制尚不清楚，有待進(jìn)一步的研究探索。眾所周知，目前臨床上還沒有逆轉(zhuǎn)纖維化病理過程的有效藥物，選擇性靶向β-arrestin的藥物，可能作為一種治療纖維化的新型方法，具有較大的臨床意義。

5 結(jié) 論

眾所周知G蛋白耦聯(lián)受體介導(dǎo)β-arrestin的招募，導(dǎo)致受體脫敏和內(nèi)化，負(fù)調(diào)控GPCRs，減弱或終止信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，成為一個經(jīng)典的細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，同時β-arrestin作為支架蛋白參與多種信號通路轉(zhuǎn)導(dǎo)也逐漸為人熟知。大量研究證實(shí)β-arrestin在多種疾病的發(fā)病過程中都有重要地位，尤其近幾年發(fā)現(xiàn)其與人體多個臟器的纖維化病變有著密不可分的關(guān)系。人們逐漸探索出β-arrestin的越來越多的生物學(xué)功能，為相關(guān)疾病的預(yù)防和治療提供潛在目標(biāo)和新的方向。雖然人們對β-arrestins在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用機(jī)制研究不斷深入和擴(kuò)展，但是仍有很多機(jī)制尚未闡明，有待于大家共同努力，進(jìn)一步深層次的發(fā)現(xiàn)和探討。

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王艷道(1989-)，碩士研究生，主要從事生物醫(yī)學(xué)工程方面的研究。

:10.3969/j.issn.1671-8348.2015.15.044

O629.8

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1671-8348(2015)15-2131-04

2014-10-15

2015-02-25)