G 蛋白偶聯(lián)受體在糖尿病視網(wǎng)膜病變發(fā)病過程中的作用△

李艷 利虹瑛 張夢圓 姚勇 蔡季平 謝田華 邵珺

糖尿病視網(wǎng)膜病變 (DR) 是糖尿病的主要并發(fā)癥之一，由視網(wǎng)膜血管損傷及其病理性增生所引起，最終發(fā)展為視力喪失[1]。DR 是全球范圍內(nèi)視力障礙的主要原因，對公共衛(wèi)生造成重大威脅，其早期表現(xiàn)是視網(wǎng)膜周細胞丟失引起的視網(wǎng)膜毛細血管不穩(wěn)定，晚期則為新生血管形成[2]。目前，對 DR的治療主要是通過長期玻璃體內(nèi)注射抗血管內(nèi)皮生長因子 (VEGF) 藥物抑制視網(wǎng)膜新生血管形成。然而，部分患者會出現(xiàn)耐受性，而且長期注射抗 VEGF 藥物會導致一系列不良反應，如腎功能惡化、高血壓、血栓性微血管病等并發(fā)癥[3-5]。因此，尋找新的治療靶點和藥物迫在眉睫。G 蛋白偶聯(lián)受體 (G protein-coupled receptors, GPCR) 是人體內(nèi)最大的膜受體蛋白家族，在眾多疾病中發(fā)揮重要調(diào)控作用，如糖尿病、高血壓、腫瘤等[6-7]。本文就GPCR 在 DR 發(fā)病中的作用展開綜述。

1 DR 的臨床研究及機制探討

隨著人們生活水平的提高，糖尿病的發(fā)病率逐年升高。據(jù)估計，2019 年全球糖尿病患病率已達 9.3%(4.63億人)，預計到 2030 年將上升至 10.2% (5.78億人)，到 2045 年將上升至 10.9%(7億人)[8]。在糖尿病患者中，幾乎所有 1 型糖尿病患者和約 60% 的 2 型糖尿病患者在診斷后的 20 年內(nèi)發(fā)展為 DR[9]。根據(jù)眼底病變和視網(wǎng)膜是否形成新生血管，DR分為非增生型 DR 和增生型DR。非增生型 DR的臨床特征包括微動脈瘤、點狀出血、棉絮斑和視網(wǎng)膜內(nèi)微血管異常，而視網(wǎng)膜脫離、新生血管形成以及纖維組織增生則是增生型DR的臨床特征[10]。增生型DR是糖尿病患者病變發(fā)展的終點，而 DR 的發(fā)展除了與高血糖密切相關外，還與高血壓、腎病、血脂異常、吸煙和體質(zhì)量指數(shù)過高等危險因素有關[11]。

目前，人們對 DR 的發(fā)病機制尚不完全清楚，已知高血糖、氧化應激和炎癥反應是DR 發(fā)病的中心環(huán)節(jié)。人體通過蛋白激酶C(PKC)、多元醇、己糖胺、高級糖基化終末產(chǎn)物這4種經(jīng)典的代謝異常途徑，促使活性氧產(chǎn)生過多，破壞細胞所維持的氧化還原平衡穩(wěn)態(tài)，并造成局部炎癥，線粒體功能障礙，微血管損傷，最終損害視網(wǎng)膜[12]。

2 GPCR 的研究背景

GPCR是一類具有7個跨膜結構域的膜蛋白，它是人類基因組中最大的膜蛋白家族，在疾病發(fā)病機制和相關藥物研究中發(fā)揮著舉足輕重的作用[13]。異源三聚體 GTP 結合蛋白 (G蛋白) 是由 α、β、γ 三個不同亞基組成的一類信號轉(zhuǎn)導蛋白，其中，Gα 亞基是催化亞基，而Gβ和Gγ 亞基為調(diào)節(jié)亞基[14]。在細胞病理生理反應的過程中，Gα 亞基主要發(fā)揮催化功能，根據(jù) Gα 亞基可將 G 蛋白分為Gs、 Gi/o、 Gq/11和G12/134個亞家族[15]。GPCR 與 G 蛋白結合主要通過蛋白激酶 A (PKA) 途徑、磷脂酶 C (PLC) 途徑以及離子門控途徑等產(chǎn)生生物學效應[16]。Gs蛋白主要通過腺苷酸環(huán)化酶(AC)將ATP轉(zhuǎn)變成cAMP，啟動 PKA 信號轉(zhuǎn)導途徑，還能通過 cAMP 激活交換蛋白 (exchange protein directly activated by cAMP, Epac) 途徑；Gi/o蛋白主要通過抑制 AC，常產(chǎn)生與 Gs蛋白途徑相反的生物學效應；Gq/11蛋白主要通過激活 PLC，將磷脂酰肌醇二磷酸 (PIP2) 水解為二?；视?(DAG) 和三磷酸肌醇 (IP3)，通過DAG能夠激活 PKC 途徑，IP3能促進內(nèi)質(zhì)網(wǎng)儲存的Ca2+釋放[17]。

3 GPCR 在 DR 發(fā)病過程中的作用

目前研究表明 GPCR 在 DR發(fā)病過程中參與血糖濃度、氧化應激和炎癥反應的調(diào)節(jié)，并影響神經(jīng)元凋亡、內(nèi)皮細胞損傷、新生血管形成等病理變化。我們從 Gs、Gi/o、Gq/11蛋白偶聯(lián)的 GPCR 途徑在 DR 發(fā)病中的作用展開闡述。

3.1 Gs蛋白途徑Gs蛋白是一種普遍表達的 G 蛋白 α 亞基，介導多個受體與 AC 偶聯(lián)，是受體介導的細胞內(nèi) cAMP 信號途徑所必需的蛋白分子[18]。研究表明，DR 患者和動物視網(wǎng)膜中前列腺素 2含量升高，過多的前列腺素 2與受體結合激活cAMP/PKA/ CREB途徑，誘導視網(wǎng)膜微血管內(nèi)皮細胞凋亡；前列腺素2受體抑制劑 AH6809 能夠逆轉(zhuǎn) DR 大鼠視網(wǎng)膜微血管內(nèi)皮細胞的凋亡[19]。Liu等[20]研究發(fā)現(xiàn)，激活 β-腎上腺素受體后能夠通過 Gs/cAMP/ Epac1 途徑抑制高遷移率族蛋白 B1、腫瘤壞死因子-α (TNF-α) 和白細胞介素-1β等炎癥介質(zhì)的產(chǎn)生，緩解 DR 大鼠視網(wǎng)膜微血管損傷。

血-視網(wǎng)膜屏障 (BRB) 的破壞在 DR 疾病進展中起關鍵作用，其影響視網(wǎng)膜組織氣體、營養(yǎng)物質(zhì)、毒素及代謝產(chǎn)物的交換[21]。研究發(fā)現(xiàn)，激活 cAMP/Epac1 信號途徑，促進 Rap1 的表達能夠抑制 VEGF、TNF-α 誘導的血管通透性增高，維持視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮的基礎屏障；此外，激活 Epac1 后，通過 Ras/MEK/ERK 途徑能夠抑制 VEGF 受體信號轉(zhuǎn)導，緩解內(nèi)皮細胞異常增殖[22]。Cai等[23]和Zhang等[24]研究發(fā)現(xiàn)，α-黑素細胞刺激激素與黑色素皮質(zhì)激素4型受體結合后，能夠降低微血管內(nèi)皮細胞的高通透性，阻止 BRB 損傷及血管滲漏，而且下調(diào)黑色素皮質(zhì)激素4型受體表達能夠抑制谷氨酸誘導的視錐細胞死亡。視網(wǎng)膜血流動力學調(diào)節(jié)受損時會加速 DR 進展，腎上腺素與 β2-腎上腺素受體結合后，通過激活 Gs/cAMP 途徑誘導大電導鈣離子激活鉀離子通道開放，使視網(wǎng)膜血管舒張，改善視網(wǎng)膜局部組織氧氣及營養(yǎng)物質(zhì)的供應[25]。

垂體AC激活多肽在 DR患者中能夠保護神經(jīng)元細胞，其機制主要是通過與垂體AC激活多肽1型受體結合，激活 Gs/cAMP/PKA/MAPK 途徑，抑制小膠質(zhì)細胞產(chǎn)生 TNF-α、活性氧等，減少神經(jīng)元細胞死亡，緩解視錐細胞變性[26]。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)，垂體AC激活多肽可以降低 ARPE-19 中 VEGF 的濃度，減少新生血管形成，但其具體通路機制還有待進一步研究[27]。

神經(jīng)肽 Y與其 Y2、Y4 及Y5 受體結合后，通過激活 cAMP/PKA 途徑抑制谷氨酸誘導的視網(wǎng)膜神經(jīng)細胞壞死及凋亡，還能抑制 p38K，對ARPE-19細胞產(chǎn)生保護作用，是治療 DR 的潛在靶點[28]。Gupta等[29]研究發(fā)現(xiàn)，胰高血糖素樣肽-1與其受體結合，激活 cAMP/PKA/SUA1-PI3K 途徑，增加了細胞內(nèi) Ca2+濃度，促進胰島 β 細胞分泌胰島素，維持了血糖穩(wěn)定，減少了高糖狀態(tài)對視網(wǎng)膜組織的損傷。 胰高血糖素樣肽-1受體激動劑是臨床上糖尿病患者常用的降糖藥物，且相較于胰島素，胰高血糖素樣肽-1受體激動劑能夠降低糖尿病患者發(fā)展成 DR 的風險[30]。

3.2 Gi/o蛋白途徑Gi/o蛋白屬于偶聯(lián)抑制性 GPCR 的一類蛋白，通常能夠抑制 AC 來抵消Gs蛋白的作用并降低離子通道的開放[31]。研究發(fā)現(xiàn)，乳酸在 BRB 穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用，乳酸與 GPCR 81結合后，通過 Gi/o蛋白途徑減少 cAMP 的產(chǎn)生，抑制視網(wǎng)膜色素上皮細胞通透性增高，維持BRB 的正常生理狀態(tài)[32]。DR 中毛細血管壁的周細胞脫落誘導其以自分泌或旁分泌方式產(chǎn)生基質(zhì)細胞衍生因子-1α，激活 CXC 趨化因子4 型受體信號通路而促進巨噬細胞浸潤，誘導炎癥反應并加劇 BRB 分解，導致視網(wǎng)膜水腫進而威脅視力[33]。

生長抑素是一種具有抗血管生成特性的神經(jīng)保護因子，通過Gi/o蛋白途徑可預防糖尿病引起的視網(wǎng)膜神經(jīng)變性。當生長抑素與其受體結合后，能夠抑制小膠質(zhì)細胞促炎癥因子的產(chǎn)生及促凋亡蛋白的表達，減少人視網(wǎng)膜周細胞損傷和抑制內(nèi)皮細胞增殖[34]；臨床研究發(fā)現(xiàn)，局部滴用生長抑素滴眼液，能夠阻止 DR 患者視網(wǎng)膜神經(jīng)功能障礙進一步惡化[35]。另有研究發(fā)現(xiàn)，增生型DR 患者視網(wǎng)膜細胞中血管活性因子內(nèi)皮素-1和內(nèi)皮素 B 型受體表達上調(diào)，當兩者結合后，通過Gi/o蛋白途徑能夠促進視網(wǎng)膜內(nèi)皮細胞向成纖維細胞轉(zhuǎn)化，加速視網(wǎng)膜纖維化[36-37]；此外，內(nèi)皮素 A 型受體拮抗劑 (BQ123) 及 內(nèi)皮素 B 型受體拮抗劑 (BQ788) 能夠通過Gi/o蛋白途徑降低 DR 視網(wǎng)膜中細胞間黏附分子-1、TNF-α、單核細胞趨化蛋白-1、VEGF的表達，減少視網(wǎng)膜血管滲漏[37]。

3.3 Gq/11蛋白途徑Gq/11蛋白通過激活細胞膜上 PLC 介導的兩條途徑發(fā)揮作用。一條是經(jīng) IP3途徑提高細胞內(nèi) Ca2+濃度，調(diào)節(jié)胞內(nèi)酶蛋白反應；另一條是經(jīng) DAG 激活PKC途徑傳遞信息[38]。垂體AC激活多肽與其1型受體結合后，不僅可通過 Gs蛋白途徑改善 DR 神經(jīng)病變，還可通過抑制Gq/11/IP3/Ca2+途徑及 Gq/11/DAG/PKC 途徑，抑制磷酸化蛋白激酶 B 激活，減少視網(wǎng)膜細胞的凋亡[26]。研究發(fā)現(xiàn)，敲除 RMEN 細胞甜味素受體 3后，通過 Gq/11/DAG/PKC 信號通路介導產(chǎn)生的VEGF水平降低，抑制內(nèi)皮細胞增殖與遷移；并且抑制 PKC緩解了一氧化氮引起的視網(wǎng)膜血管功能障礙[39]。1型血管緊張素 II 受體及其配體在DR病理性血管生成中至關重要。血管緊張素II與視網(wǎng)膜小膠質(zhì)細胞上 1型血管緊張素 II 受體結合后，通過Gq/11蛋白途徑能夠促進 TNF-α、細胞間黏附分子-1、VEGF 等因子的表達，加重視網(wǎng)膜炎癥反應及血管損傷；此外,1型血管緊張素 II 受體拮抗劑坎地沙坦能夠減輕血管緊張素II 誘導的視網(wǎng)膜炎癥反應和血管重塑[40-41]。Du等[42]研究發(fā)現(xiàn)，腎上腺素與α1-腎上腺素能受體結合后，通過激活 PLC 途徑誘導 NADPH 氧化酶表達增加，促進糖尿病患者視網(wǎng)膜超氧化物的產(chǎn)生，誘導視網(wǎng)膜毛細血管損傷并加重血管變性。Ca2+穩(wěn)態(tài)失調(diào)可能是導致 DR 視網(wǎng)膜功能障礙的主要原因，代謝型 γ-氨基丁酸 B 受體激動劑巴氯芬通過激活 Gq/11蛋白介導的 PKCα 信號，從而激活 L-型電壓依賴性鈣通道的活性，提高細胞內(nèi) Ca2+濃度，誘導視網(wǎng)膜內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激和微血管功能障礙[43-44]。激肽 B 受體的激活會加重 DR 血管炎癥和 BRB 破壞，通過激肽 B 受體拮抗劑 R-954 能夠緩解 DR 大鼠視網(wǎng)膜白細胞黏附，促使VEGF 增加；而激肽 B 受體激動劑 R-838 能夠加重以上現(xiàn)象[45]。

4 總結與展望

綜上所述，GPCR 在 DR 的發(fā)病過程中起關鍵調(diào)控作用。無論是 Gs蛋白、Gi/o蛋白或Gq/11蛋白途徑，不同 GPCR 對 DR 的調(diào)節(jié)不同，有的能夠減輕氧化應激及炎癥反應，抑制細胞死亡，維持血糖及 BRB 穩(wěn)定，延緩DR進展；但有的能通過增加血管通透性，促進巨噬細胞浸潤，加速DR進展。GPCR 作為人體內(nèi)最大的膜受體蛋白家族，靶向 GPCR 的藥物銷量占全球市場的27%，且一直是藥物研發(fā)的重要靶點之一。但是，GPCR 在 DR 發(fā)病中的研究相對較少。因此，進一步深入探討 GPCR 及其相關信號通路在 DR發(fā)病機制中的作用至關重要，可為臨床 DR 治療和老藥新用提供新的思路，同時為 DR 的藥物研發(fā)提供理論依據(jù)。