鈉氫交換蛋白1的結(jié)構(gòu)、功能、磷酸化及抑制劑的研究進(jìn)展

張歡

【摘要】作為維持體內(nèi)酸堿平衡、保持體內(nèi)電解質(zhì)分布合理的質(zhì)子泵，鈉氫交換蛋白（Na+/H+ exchanger protein，NHE）不僅可以隨著細(xì)胞正常機(jī)能狀態(tài)變化做出相應(yīng)地自身調(diào)節(jié)，也在很多疾癥和腫瘤中參與細(xì)胞的凋亡、分化、增殖和遷移。同時(shí)，鈉氫交換蛋白家族中第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的亞型NHE1，還有著特殊的“管家蛋白”的身份，令人棘手的是很多疾病的病理生理離不開它；但是換種角度考慮，臨床上又可以以它作為突破點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)新的治療思路與藥物。為了更好地認(rèn)識(shí)鈉氫交換蛋白，本文綜述了NHE1的生理功能、致使NHE1磷酸化的因子和信號(hào)途徑以及其特異性抑制劑的最新研究。

【中圖分類號(hào)】R4 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1671-8801（2016）03-0004-02

鈉氫交換蛋白（NHE1）家族是一類存在于所有真核細(xì)胞、定位于胞膜上的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，又有“管家蛋白”之稱。一方面它是NHEs家族中的最早被發(fā)現(xiàn)的。另一方面，是由于它的功能直接關(guān)系到整個(gè)細(xì)胞的生死存亡：它在正常生理狀態(tài)下主要是調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的酸堿度、維持細(xì)胞正常體積；它在異常生理狀態(tài)中如在腫瘤中參與調(diào)節(jié)細(xì)胞的偽足形成、增殖、遷移和侵襲；在心血管疾病中與心肌肥大、心肌缺血再灌注造成的損傷有關(guān)[1]；在近端腎小管中涉及水鈉的重吸收及腎細(xì)胞的凋亡[2]；在腦損傷后神經(jīng)元缺血缺氧的狀態(tài)下抑制NHE1的表達(dá)和活性又可以起到保護(hù)神經(jīng)元的作用，等等。在現(xiàn)有的研究中，NHE1發(fā)揮作用最主要是自身的活化，最主要的活化形式是磷酸化，完成磷酸化形式除了可以與蛋白結(jié)合，它自身還有很多磷酸基團(tuán)結(jié)合位點(diǎn)。當(dāng)它的生理作用和機(jī)制逐一被挖掘出來后，它的特異性抑制劑不斷研發(fā)推進(jìn)，如何讓NHE1揚(yáng)長(zhǎng)避短，變身治療疾癥和腫瘤的利劍，成為臨床醫(yī)師最為關(guān)注的研究熱點(diǎn)。

1、NHE1的結(jié)構(gòu)和生理功能

1.1 NHE1的結(jié)構(gòu)

1996年，Sardet首次闡述鈉氫交換蛋白（鈉氫泵）NHE1是一種糖蛋白，廣泛表達(dá)在細(xì)胞膜上。最新的研究表明，NHE1由815個(gè)氨基酸組成，其中1-500位氨基酸組成N-terminal疏水膜，而501-815位氨基酸組成C-terminal親水膜。N-terminal由12個(gè)α螺旋跨膜結(jié)構(gòu)域構(gòu)成，行使NHE1的主要職責(zé)既通過等比例對(duì)換胞內(nèi)的氫離子和胞外的鈉離子來調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的酸堿度（pHi），該區(qū)域也被認(rèn)為是NHE1抑制劑的結(jié)合區(qū)[21]。從以往的文獻(xiàn)來看，對(duì)N-terminal研究地比較多，也比較明確。研究發(fā)現(xiàn)在N-terminal的氨基酸有突變情況發(fā)生的時(shí)候，可以導(dǎo)致一些TM發(fā)生改變，從而賦予了它抵抗抑制劑的能力，甚至原有功能的喪失。至于C-terminal，它有很多磷酸基團(tuán)和蛋白結(jié)合的結(jié)合位點(diǎn)，通過磷酸化和與其他蛋白的作用來調(diào)節(jié)NHE1的活性。通過剖析它的氨基酸結(jié)構(gòu)我們可以推測(cè)它的生理作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止調(diào)節(jié)pHi，可能還有其他重要的功能，影響著細(xì)胞的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和疾病轉(zhuǎn)歸。

2.1 NHE1的生理功能

2.1.1調(diào)節(jié)細(xì)胞分化和體積

Li等人在 2009闡述了NHE1蛋白的表達(dá)有助于胚胎干細(xì)胞分化為心肌細(xì)胞。這與最近Mark D 闡述的永生化大鼠近端小管細(xì)胞（rat proximal tubule cells，RPTCs）的分化過程中，NHE1的表達(dá)/激活是增加的結(jié)論相一致。但是，還不能肯定NHE1的表達(dá)/激活的增加能促進(jìn)分化。在高滲環(huán)境的刺激下NHE1會(huì)發(fā)揮調(diào)節(jié)細(xì)胞體積的作用來減緩細(xì)胞凋亡。綜上所述，NHE1有多種調(diào)節(jié)細(xì)胞的功能如調(diào)控細(xì)胞分化和體積，但是二者是否互為充分必要條件仍然存在不同見解，需要更多的研究數(shù)據(jù)解決這一問題。

2.1.2調(diào)節(jié)細(xì)胞的凋亡

Carraro-Lacroix 等人在使用順鉑誘導(dǎo)腎近端小管細(xì)胞凋亡的過程中，發(fā)現(xiàn)NHE1會(huì)通過激活絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶B來抵抗細(xì)胞凋亡。這與Manucha和Darmellah等人的結(jié)論不謀而合，在輸尿管梗阻的新生大鼠模型中，抑制NHE1的表達(dá)加速了小管上皮細(xì)胞的凋亡。與此同時(shí)，也有與之截然相反的研究結(jié)論，Karki 等人在對(duì)心肌細(xì)胞進(jìn)行缺氧-復(fù)氧的處理后，NHE1的過表達(dá)卻推進(jìn)了心肌細(xì)胞的凋亡。在近期的研究中發(fā)現(xiàn)干擾一種鳥苷酸激酶，可以改變膜轉(zhuǎn)運(yùn)功能，進(jìn)而影響NHE1介導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡的過程。由此可知，NHE1到底在細(xì)胞生存凋亡中扮演什么角色還要視細(xì)胞種類而定。進(jìn)而也可推斷，可能存在多種途徑、多種成分調(diào)控NHE1參與細(xì)胞生存凋亡過程。

可以明確的是，NHE1基因在乳腺癌、黑色素瘤和腎癌等多種腫瘤細(xì)胞中呈高表達(dá)。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，NHE1可被各種腫瘤發(fā)生刺激因子以及各種化學(xué)試劑和藥物過度活化。然后在這種種的刺激因子中，很多都離不開最后一步，就是磷酸化NHE1來達(dá)到活化NHE1的目的。

3、NHE1的磷酸化

Salazar率先闡述了在凝血酶和生長(zhǎng)因子處理后，NHE1的磷酸化水平顯著提高，Wakabayashi 等隨后也報(bào)道了NHE1主要的磷酸結(jié)合位點(diǎn)位于C-terminal的636-815位氨基酸。敲除這些結(jié)合位點(diǎn)可減少50%生長(zhǎng)因子對(duì)胞質(zhì)堿化的作用。有磷酸化就會(huì)有去磷酸化，磷酸酶蛋白，如磷酸酶蛋白1、磷酸酶蛋白2A就被Misik等人證明它們均是通過去磷酸化作用來終止NHE1的活性。除了這兩種直接磷酸化/去磷酸化作用，還有很多不同的生化途徑在NHE1的磷酸化/去磷酸化的途徑中發(fā)揮了不可小覷的作用。

3.1 MPK-GPCRs 通路

GPCRs（G protein coupled receptors）指的是包含有七種細(xì)胞膜表面受體的胞外結(jié)構(gòu)域，與配體結(jié)合，通過鳥嘌呤綁定蛋白作為媒介，與胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域傳遞信號(hào)。GPCRs由α、β和γ三個(gè)亞單位組成。Gα有四個(gè)原始家族成員G個(gè)s、G個(gè)i、G個(gè)q、G個(gè)11/12組成。Gα與其他兩個(gè)亞單位的不同之處在于它可以激活效應(yīng)器和酶類如腺苷酸環(huán)化酶和磷脂酶C。激活Gαq能觀察到NHE1對(duì)pHi的敏感性明顯提高，提示NHE1被激活。G2可以被多種αⅠ-AR激動(dòng)劑激活。

3.2 MARKs

MARKs，尤其是ERK1/2和p38MARKs（p38），在通過GPCRs途徑活化NHE1過程中起著重要作用。有很多刺激因子如 PE和生長(zhǎng)因子可以通過激活ERK途徑，最終活化NHE1。Ras是MARKs信號(hào)途徑的一個(gè)中間蛋白，屬于GDP蛋白的一種，它可能可以同時(shí)激活NHE和ERK。在這個(gè)過程中ERK就像一個(gè)篩子過濾出可以激活NHE1的細(xì)胞外刺激因子，這有助于Gγ更好地與ERK結(jié)合來磷酸化NHE1，從而激活NHE1。這些充分說明MARKs活化NHE1是通過ERK1/2途徑。另外，近來的研究證實(shí)ERK1/2是NHE1的上游因子之一，提示激活ERK1/2會(huì)伴隨NHE1的活化。

3.3 RSK家族

RSK是ERK1/2途徑的下游效應(yīng)器，RSK家族由四個(gè)RSK亞型（RSK1-4）構(gòu)成。雖然Karki 等人在2010年就證實(shí)激活RSK1和RSK2可以磷酸化C-terminal的Ser703，它是14-3-3綁定蛋白序列的殘基端，從而激活NHE1；而且，激活如AngⅡ一類的受體同樣也可以通過磷酸化RSK來激活NHE1。既然RSK促使NHE1活化作用已經(jīng)很明確了，下一步應(yīng)該更深入地研究RSK是不是在所有的細(xì)胞中都能磷酸化NHE1；通過RSK磷酸化的NHE1是不是能起到正確開啟NHE1生理作用。

4、NHE1的抑制劑

至今為止，人們發(fā)現(xiàn)了數(shù)種NHE1的特異性抑制劑。阿米洛利（Amiloride）衍生物， EIPA是第一代NHE1抑制劑。隨后，第二代NHE1抑制劑也被研發(fā)出來，有EMD87850，卡立泊來德，依泊來德和BIIB513。其中BIIB513是這三者中最具特異性的NHE1抑制劑。第二代抑制劑有效的選擇性地抑制NHE1和NHE2，BIIB513的抑制能力是卡立泊來德的八倍左右。第三代為沙泊來德及其衍生物。在大鼠心肌缺血再灌注模型中，第三代抑制劑表現(xiàn)出很好的心肌保護(hù)能力。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在體內(nèi)外研究中，第一代阿米洛利和第二代卡立泊來德是應(yīng)用最廣的抑制劑，已經(jīng)被臨床證實(shí)有效并在推廣應(yīng)用。而第三代沙泊來德及其衍生物在動(dòng)物模型中表現(xiàn)出更加優(yōu)越的抑制性。綜上所述，需要更多的實(shí)驗(yàn)和臨床數(shù)據(jù)挑選出最合理有效的抑制劑以用于臨床疾病的治療。

參考文獻(xiàn)

[1]Chang H B， Gao X， Nepomuceno R， et al. Na+/H+ exchanger in the regulation of platelet activation and paradoxical effects of cariporide[J]. Experimental neurology， 2015， 272： 11-16.

[2]Parker M D， Myers E J， Schelling J R. Na+–H+ exchanger-1 （NHE1） regulation in kidney proximal tubule[J]. Cellular and Molecular Life Sciences， 2015， 72（11）： 2061-2074.