G蛋白偶聯(lián)受體在運動調(diào)控動脈舒張過程中的機制

于鳳至 ，孫 朋 *，劉淑卉

心血管疾?。╟ardiovascular disease，CVD）已成為導致人類死亡的主要誘因，每年CVD致死人數(shù)約占全球死亡人數(shù)的31%（Sanada et al.，2018）。據(jù)世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WTO）評估預測，2030年約有2 500萬人死于心血管疾?。∕ahmood et al.，2014）。動脈僵硬度是預測心血管事件發(fā)生和死亡的獨立風險因素，動脈僵硬度的增加主要由動脈壁結構異常引起。其中，內(nèi)皮依賴性血管舒張功能受損是引發(fā)動脈硬化的關鍵因素（Gimbrone et al.，2016）。因此，改善動脈舒張功能是降低CVD發(fā)生率和死亡率的有效途徑。

G蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptor，GPCR）是位于血管內(nèi)皮細胞（vascular endothelial cell，VEC）與血管平滑肌細胞（vascular smooth muscle cell，VSMC）上的膜受體，是內(nèi)皮源性因子的主要作用靶點。研究表明，運動既可通過GPCR調(diào)控內(nèi)皮源性血管因子如一氧化氮（nitric oxide，NO）、前列環(huán)素（prostacyclin，PGI2）、內(nèi)皮素-1（endothe lin-1，ET-1）和血管緊張素II（angiotensin II，Ang II）等的表達水平（Bunsawat et al.，2017；De Beer et al.，2011；Hasegawa et al.，2018），也可增強某些GPCR如α1腎上腺能受體（α1 adrenergic receptor，α1AR）、內(nèi)皮素受體-A（andothelin receptor type A，ETA）和血管緊張素受體-1（angiotensin II type 1 receptor，AT1R）等的表達量和敏感性，繼而調(diào)控內(nèi)皮源性血管因子進入血管平滑肌細胞，引起動脈舒縮反應（Bar‐rett-O’keefe et al.，2015；Li et al.，2012，2017）。

1 GPCR結構功能與信號通路

1.1 結構與功能

GPCR又稱為7次跨膜（7 transmembrane，7TM）螺旋受體，包括游離胞外N端和游離胞內(nèi)C端，是人體最大的跨膜蛋白家族。人類基因組編碼超過800個GPCR，其結構和功能多樣化，涉及多種生理功能調(diào)控和病理發(fā)展進程，包括心血管系統(tǒng)（Kaur et al.，2017）、視覺（Jastrzebska et al.，2017）、味覺（Raka et al.，2019）、嗅覺（Katidou et al.，2018）、行為和情緒（Grammatopoulos，2017）、免疫系統(tǒng)（Sharma et al.，2013）、自主神經(jīng)系統(tǒng)（Poole et al.，2016）、細胞密度和穩(wěn)態(tài)（Hazell et al.，2012）以及腫瘤的生長和轉移（Nassios et al.，2019）等。由于GPCR對多種化學調(diào)節(jié)劑具有親和力，因此目前已上市的靶向GPCR的藥物占所有人類蛋白質(zhì)藥物的12%，約占現(xiàn)代藥物的34%（Hauser et al.，2017；Santos et al.，2017）。

1.2 信號通路

不同GPCR可識別不同的配體，包括離子、胺、核苷酸、多肽、蛋白質(zhì)、脂類、有機氣味劑和光子等（Weis et al.，2018）。GPCR胞質(zhì)部分具有高度動態(tài)的胞內(nèi)裂隙，可容納信號伴侶，其中包括異源三聚體G蛋白、GPCR激酶（G pro‐tein coupled receptor kinase，GRK）和β-抑制蛋白（β-arres‐tin）在內(nèi)的胞內(nèi)蛋白可與GPCR結合，啟動細胞內(nèi)信號級聯(lián)（Garcia-Nafria et al.，2018；Jean-Charles et al.，2017；Ko‐molov et al.，2018）。

異源三聚體G蛋白是GPCR信號傳導中的關鍵蛋白家族，由α、β和γ亞基組成，后兩者稱為Gβγ二聚體（Wu et al.，2019）。無活性的G蛋白在其Gα亞基中結合GDP?；罨腉PCR通過募集G蛋白并將與其結合的GDP轉換為GTP，從而引起G蛋白的構象變化。隨后Gα亞基與結合的GTP共同從Gβγ二聚體解離。游離Gα可激活效應分子，如腺苷酸環(huán)化酶（adenylate cyclase，AC），其在活化后可催化ATP轉化為cAMP，cAMP是許多生物反應過程中重要的第二信使。Gβγ二聚體還可以激活鉀通道或磷脂酶的效應因子用于下游信號傳導（Wu et al.，2019）。GRK屬于AGC家族（蛋白激酶A、G和C），GRK能夠通過磷酸化GPCR胞內(nèi)C端從而抑制GPCR胞內(nèi)的下游信號通路（Gurevich et al.，2019）。β-arrestin是一類小蛋白質(zhì)家族，是G蛋白信號轉導終止和GPCR介導的抑制信號轉導過程必需的蛋白分子（Peterson et al.，2017）。β-arrestin通過GRK的磷酸化激活GPCR使G蛋白信號轉導終止。β-arrestin的募集和激活需要GPCR磷酸化，使G蛋白與受體分離并觸發(fā)受體內(nèi)化，引發(fā) β-arrestin介導的信號級聯(lián)反應（Gurevich et al.，2013）（圖1）。

2 GPCR調(diào)控血管內(nèi)皮功能的機制

GPCR作為心血管系統(tǒng)中一類多樣性細胞膜受體，可響應不同的外部信號，如剪切應力、激素和內(nèi)皮源性因子，繼而調(diào)節(jié)內(nèi)皮功能和血管張力。如β-AR和Ang II等受體的拮抗劑，被廣泛用于治療高血壓、冠心病和心力衰竭等心血管疾?。↘auffenstein et al.，2012）。研究發(fā)現(xiàn)，GPCR廣泛分布在VEC和VSMC膜上（Kaur et al.，2017）。不同的信號分子或配體與GPCR結合可調(diào)節(jié)G蛋白的活性，并激活下游相關通路。具體機制包括Gαs和Gαi影響AC活化以調(diào)節(jié)細胞內(nèi)cAMP水平；Gαq可激活磷脂酶C（phospholi‐pases C，PLC），增加細胞內(nèi)Ca2+濃度；β-arrestin/GRK途徑可激活下游絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）和磷脂酰肌醇三激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶 B（protein kinase B，PKB即Akt）等信號通路，對動脈血管的生成、發(fā)育和舒縮產(chǎn)生直接或間接的影響（表1）。

2.1 GPCR調(diào)控內(nèi)皮源性因子的機制

研究表明，VEC分泌的內(nèi)皮源性舒血管因子（endothe‐lial-derived relaxation factor，EDRF）和內(nèi)皮源性縮血管因子（endothelium-derived constriction factor，EDCF）是 GPCR 下游效應因子。此外，EDRF和EDCF又可在VSMC中作為上游激活因子，通過GPCR調(diào)控VSMC的舒縮功能。

2.1.1 EDRF

NO、PGI2和內(nèi)皮源性超極化因子（endothelium-derived hyperpolarizing factor，EDHF）是由VEC分泌的具有血管舒張?zhí)匦缘膬?nèi)源性介質(zhì)（Taneja et al.，2019）。VEC膜上GP‐CR（如P2Y、P2X和P1）信號的激活，能夠促進EDRF的合成與釋放（Burnstock，2016）。研究發(fā)現(xiàn)，位于VEC上的CaSR能夠感知血流動力學變化，促進NO合成（Guo et al.，2018）。ET-1可與分布在VEC上的內(nèi)皮素受體-B（endo‐thelin receptor type B，ETB）結合，促進NO的釋放（Mosquei‐ra et al.，2019）。NO與可溶性鳥苷酸環(huán)化酶（guanylate cy‐clase，GC）結合，隨后將GTP分解為cGMP，進一步激活蛋白激酶G（protein kinase G，PKG）的下信號，引起肌球蛋白輕鏈（myosin light chain，MLC）的去磷酸化，從而調(diào)節(jié)VSMC的舒張（Donald et al.，2015）。

PGI2的受體分為舒張型受體（IP、DP1、EP2和EP4）和收縮型受體（EP1、EP3、FP 和TP）（Del et al.，2017）。PGI2主要與分布在全身組織中并富集于血小板和VSMC上的IP受體結合（Mitchell et al.，2008）。IP受體激活后可引起AC活化，促進ATP轉化為cAMP，其繼續(xù)使PKA磷酸化，最終導致靶細胞（包括VSMC和血小板）中Ca2+減少，引起血管舒張（Humbert et al.，2016）。

EDHF相關信號通路包括中間電導鈣激活鉀通道（in‐termediate-conductance Ca2+activated K+channel，IKCa）和小電導鈣激活鉀通道（small conductance Ca2+activated K+channel，SKCa）。VEC上受體與激動劑結合或受到剪切應力刺激后，引起VEC中Ca2+濃度增加，導致IKCa和SKCa的激活，誘發(fā)VSMC超極化，從而使其松弛（Leung et al.，2017）。Kozlowska等（2007）認為，VEC和VSMC之間的縫隙連接也參與內(nèi)皮依賴性超極化。Feletou等（2009）研究發(fā)現(xiàn)，哺乳動物大動脈的血管舒張主要依賴于NO/cGMP途徑，但在微動脈和小動脈中，NO信號減弱，EDHF是介導內(nèi)皮依賴性血管舒張的主要因素（圖2）。2.1.2 EDCF

圖2 GPCR與內(nèi)皮源性舒血管因子（EDRF）相關信號通路Figure 2. GPCR and Endothelial-Derived Relaxation Factor（EDRF）-Related Signaling Pathway

ET-1通過肽酶（ET轉換酶和其他肽酶）由非活性前體多肽加工而成，主要在VEC中合成，也在VSMC中少量合成（Vatter et al.，2011）。ET-1有兩個細胞表面受體ETA和ETB，均屬于GPCR超家族（Dhaun et al.，2019）。ET-1與VSMC上的ETA和ETB受體結合激活異源三聚體鳥嘌呤核苷酸結合蛋白，如Gαq是ETA受體的最佳表征信號轉導物（Lin et al.，2014）。ETA和ETB的具體作用機制尚未完全闡明，但其重要功能包括誘導血管收縮，心肌肥厚和重構，細胞增殖，細胞外基質(zhì)生成以及控制水鈉代謝等（Rodriguez-Pascual et al.，2011）。

Ang II在肺中通過血管緊張素轉換酶（angiotensin converting enzyme，ACE）由Ang I轉化而來，是一種有效的血管收縮劑（Passos-Silva et al.，2013）。已知Ang II至少與兩種不同的受體亞型結合，即AT1R和AT2R（Kaschi‐na et al.，2017），且兩受體之間存在拮抗作用。Ang II與AT1R結合通過Gαq信號通路，激活磷脂酶C，導致MLC的Ca2+依賴性磷酸化（Patel et al.，2018），Ang II與AT1R結合還可激活MAPK通路，上調(diào)胞內(nèi)Ca2+水平，從而引起血管收縮（Savoia et al.，2011）。

血栓素A2（thromboxane A2，TXA2）屬于二十烷酸類，由磷脂產(chǎn)生，可促進血小板聚集，參與血管收縮和增殖過程（Smyth，2010）。TXA2的受體TP是GPCR超家族成員，在血小板、VEC、VSMC、單核細胞、巨噬細胞，腎臟、心臟和脾臟細胞等多種細胞中均有表達。目前已發(fā)現(xiàn)兩種TP亞型，即TPα 和 TPβ（O’Sullivan et al.，2017）。接受刺激后，TP 受體可通過Gαq、G11、G12、G13、G15、G16、Gαi、Gαs和Gh等多種G蛋白誘導下游信號通路，調(diào)節(jié)效應因子，如PLC、AC和Rho蛋白（Nakahata，2008），參與多種信號級聯(lián)，促進cAMP等第二信使合成，改變Ca2+濃度，引起血管收縮（圖3）。

圖3 GPCR與內(nèi)皮源性縮血管因子（EDCF）相關信號通路Figure 3. GPCR and Endothelium-Derived Constriction Factor（EDCF）-Related Signaling Pathway

3 GPCR在運動調(diào)控動脈功能中的機制

3.1 運動調(diào)控動脈功能

血流量和剪切應力的變化會引起動脈重構，而這種反應依賴于完整功能內(nèi)皮層的存在（Tinken et al.，2010），VEC在血管張力和血壓調(diào)節(jié)中也發(fā)揮重要作用（Hellsten et al.，2012）。Green等（2017，2018）研究發(fā)現(xiàn)，運動引起的血流動力學變化能夠?qū)用}舒縮產(chǎn)生直接或間接的影響，運動通過調(diào)控VEC和VSMC的功能引起動脈產(chǎn)生適應性變化。研究表明，運動可延緩與年齡相關的動脈病變發(fā)生，中低強度的有氧運動可防止久坐的中老年人大動脈硬化和血管內(nèi)皮功能障礙，并降低動脈僵硬度，恢復血管內(nèi)皮功能（Santos-Parker et al.，2014）。也有研究報道，運動訓練能夠降低動脈硬化人群的動脈僵硬度，增加動脈順應性（Li et al.，2015）。孫朋等（2012，2014）研究發(fā)現(xiàn)，急性有氧運動能夠引起頸動脈順應性的降低，該變化存在性別間的差異。另有研究發(fā)現(xiàn)，大強度抗阻運動能夠降低動脈順應性，增加動脈僵硬度，低強度抗阻運動能顯著提高動脈順應性，并降低動脈僵硬度（Okamoto et al.，2014）。綜上，不同形式的運動可導致動脈壓力、血流和剪切應力發(fā)生改變，最終引起動脈舒張功能和僵硬度的相應變化（表2）。

表2 運動對動脈功能的影響Table 2 Regulation ofArterial Function by Exercise

3.2 GPCR在運動調(diào)控動脈舒張功能中的作用

研究發(fā)現(xiàn)，運動可以通過調(diào)節(jié)激素水平和血流動力學等指標激活位于VEC和VSMC膜上的GPCR，使其與胞內(nèi)的G蛋白偶聯(lián)，進一步激活胞內(nèi)下游通路，從而對動脈舒張功能進行調(diào)節(jié)（Paiva et al.，2016）（表 3）。Morland 等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，高強度間歇運動（每周5天，連續(xù)7周）可引起循環(huán)血乳酸水平升高，上調(diào)小鼠腦血管內(nèi)皮生長因子A（vascular endothelial growth factor A，VEGFA）表達，并引起毛細血管密度的增加。Li等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，8周中等強度跑臺運動可導致大鼠動脈壁平滑肌和心肌細胞中Ang II mRNA表達量增加，AT1R表達量顯著減少，從而引起冠狀動脈擴張。Leosco等（2008）研究顯示，10周跑臺運動能夠激活成年雄性心力衰竭大鼠心臟VEGF下游信號，同時促進血管生成，改善缺血后心力衰竭大鼠心臟中β-AR信號，引起血管舒張。Li等（2012）研究發(fā)現(xiàn)，成年雄性大鼠進行2周力竭性游泳運動，可抑制頸動脈P2X1受體活化引起的血管收縮反應，減少肺部、腸系膜動脈和主動脈中由于α1AR激活而導致的血管收縮。目前，鮮見運動通過GPCR調(diào)控動脈舒縮功能的研究較少，仍需后續(xù)實驗進一步探究。

表3 運動對GPCR的調(diào)控Table 3 Exercise Regulation of GPCR

3.2.1 運動通過GPCR對EDRF的調(diào)控

運動能夠通過引起心率或/和每搏輸出量的增加，提高心輸出量，從而引起血流動力學的改變，增強血流對血管壁的剪切應力，激活CaSR等壓力感受器促進NO的釋放并引起平滑肌舒張（Kimura et al.，2016）。Hasegawa等（2018）研究發(fā)現(xiàn)，6周高強度間歇運動和有氧運動均可激活健康成年男性和雄性大鼠的eNOS信號，增加NO的合成，并提高主動脈平滑肌細胞NO的生物利用率，降低中心動脈的僵硬度。研究表明，絕經(jīng)后婦女血栓形成風險增加，定期有氧運動能夠有效提高絕經(jīng)后婦女血小板對PGI2的敏感性，抑制血小板聚集，運動可通過增強PGI2對血小板的作用，降低動脈硬化的程度（Lundberg et al.，2017）。Maeda等（2005）通過microarray基因表達分析結果發(fā)現(xiàn)，4周跑臺運動能夠顯著上調(diào)PGI2受體EP2、EP4、C型鈉尿肽和eNOS基因的表達量，促進下游cAMP的合成，增加Ca2+濃度，引起VSMC的極性舒張。血流介導的動脈舒張（flow-mediated dilation，F(xiàn)MD）被廣泛用于評價內(nèi)皮功能和NO釋放率（Ashor et al.，2015）。Gunduz等（2011）研究表明，8周游泳運動能夠顯著改善自發(fā)性高血壓大鼠FMD，但用四乙胺（TEA，EDHF抑制劑）處理后能夠減弱該表型，提示運動訓練增強血流引起的動脈舒張部分是通過EDHF相關機制介導的。石麗君等（2012）研究發(fā)現(xiàn)，長期規(guī)律有氧運動可以誘導大鼠胸主動脈平滑肌細胞BKCa通道活性增加，在運動強度和持續(xù)時間一致的情況下，表現(xiàn)出頻次依賴特性。另有研究Ozkor等（2015）研究發(fā)現(xiàn)，握力訓練可增加受試者前臂血管血流量，改善高膽固醇患者的血管舒張功能障礙。綜上，有氧運動可顯著提高EDRF水平及其受體敏感性，促進血管舒張，但抗阻運動對EDRF影響的具體分子機制目前尚不明確（圖4）。

圖4 GPCR在運動調(diào)控動脈舒張功能中的作用Figure 4. The Role of GPCR in Exercise Regulation ofArterial Diastolic Function

3.2.2 運動通過GPCR對EDCF的調(diào)控

Brunani等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，急性運動可導致肥胖人群ET-1濃度顯著降低。而3個月規(guī)律性有氧運動可抑制25名超重或肥胖成人ET-1介導的血管收縮，提示運動降低ET-1濃度可能是內(nèi)皮依賴性血管舒張功能改善的重要機制（Dow et al.，2017）。研究表明，ET-1主要通過激活ETA介導靜息外周血管收縮活動，Barrett-O’Keefe等（2015）對健康成年人進行半臥位功率自行車運動干預，并在過程中施用BQ-123（ETA阻滯劑），研究顯示工作肌中動脈血流量顯著增加，同時血管張力也明顯增強。De Beer等（2011）研究發(fā)現(xiàn)，中等強度持續(xù)性運動可減少哺乳動物冠狀動脈ET的產(chǎn)生量，減弱ET介導的冠狀動脈收縮程度。此外，運動可抑制腎素-血管緊張素系統(tǒng)（re‐nin-angiotensin system，RAS）激活，減少血漿Ang II含量，下調(diào)左心室ACE-AngII-AT1R軸，減輕心肌細胞氧化應激，降低動脈血壓（Silva et al.，2017）。Lee等（2015）研究發(fā)現(xiàn)，12周跑臺運動可顯著抑制大鼠增齡相關的AT1R和Nox2信號上調(diào)。Wray等（2008）發(fā)現(xiàn)，老年人單次功率自行車運動過程中VSMC對Ang II的敏感性降低，血管收縮活動減少，股總動脈直徑增加，腿部血流量增加。Kara‐mouzis等（2001）采用微透析技術研究發(fā)現(xiàn)，有氧運動可引起健康成年人PGE2和PGI2的上調(diào)，以及TXA2的下調(diào)，且運動強度越大效果越為明顯。Leal等（2011）研究發(fā)現(xiàn)，阻斷TP受體可減弱模擬外周動脈疾病模型大鼠的運動壓力反射?？芍?，運動可通過降低EDCF的生成與受體敏感性，抑制血管收縮（圖4）。

4 總結

GPCR是廣泛分布在動脈VEC與VSMC上的七次跨膜受體，是調(diào)節(jié)動脈收縮與舒張的重要蛋白。本研究系統(tǒng)綜述了GPCR在運動調(diào)控VEC分泌內(nèi)皮源性血管因子的相關機制，以及內(nèi)皮源性血管因子調(diào)控VSMC膜上GP‐CR的相關通路，并進一步梳理了運動調(diào)節(jié)動脈舒張的可能機制。研究發(fā)現(xiàn)，不同運動形式可以通過直接和/或間接方式激活VEC膜上的GPCR，通過下游經(jīng)典通路如Gαs、Gαq、Gαi和β-arrestin等引起胞內(nèi)下游信號的轉導，調(diào)控內(nèi)皮源性舒血管因子NO、PGI2、EDHF和內(nèi)皮源性縮血管因子ET-1、Ang II、TXA2等表達。相關內(nèi)皮源性因子通過旁分泌功能與VSMC膜上的GPCR結合，引起GPCR構象的變化，并激活胞內(nèi)下游信號，最終調(diào)節(jié)平滑肌的收縮和舒張功能。雖然近50%的現(xiàn)代藥物都是以GPCR為靶點，其在現(xiàn)代藥物開發(fā)中占據(jù)極其重要的地位，但是鮮見運動通過不同GPCR信號調(diào)控動脈功能的研究。不同運動處方通過不同GPCR信號通調(diào)控動脈功能的具體機制，需進一步探究和補充。