β-arrestin 及其在中枢神经系统疾病中的作用

王星智综述，崔桂云审校

arrestin 基因家族由4 种成员构成，视觉arrestin(arrestin1)主要分布在视网膜视杆和视锥细胞，锥体arrestin(arrestin4)仅分布在视网膜视锥细胞中，β-arrestin1(arrestin2)和β-arrestin2(arrestin3)广泛分布在体内各个组织中。最初，β-arrestins 被认为是一种GPCRs 的负性调节因子，与G 蛋白偶联受体激酶(G-protein-coupled receptors kinases，GRK)联合作用，可以使GPCRs 发生受体脱敏反应，终止激动剂激动受体后引起的信号转导。随着研究的深入发现β-arrestins 可以作为细胞内的支架蛋白在感受器的胞吞作用和细胞转导中发挥重要作用，他们募集被胞吞的蛋白质和各种信号分子到受体上，然后把GPCRs 连接到不同的信号通路中［1］。本文将就β-arrestins 信号通路的各个方面以及在中枢神经系统疾病中的作用进行综述。

1 β-arrestin 参与受体脱敏

在脊椎动物中，arrestins 家族成员能够结合视紫红质和β2AR 并能钝化其活性。经典的G 蛋白信号转导即配体(第一信使)结合并激活GPCR 导致环磷酸腺苷(cAMP)、二脂酰甘油(DAG)、磷脂酰肌醇(IP3)等第二信使的产生。G 蛋白介导的信号转导可以通过受体脱敏而终止，其过程为受体通过GRKs 磷酸化激活其C-末端残基继而导致受体从其同源G 蛋白上解偶联［2］。被磷酸化激活的受体增强了其与胞质内β-arrestins 的亲和力，通过阻碍GPCR-G 蛋白的相互作用和募集蛋白酶类至第二信使上使其降解等途径反过来抑制G 蛋白信号通路［2］。

2 β-arrestin 介导的受体转运:内吞、循环、降解

除了受体脱敏作用外，β-arrestin 也可以募集GPCR 至胞内，这一过程即受体内吞，受体内吞过程已经被证明是脱敏受体循环利用的关键初始步骤。配体-受体复合物和网格蛋白有被小窝(clathrin coated pit，CCP)相互作用启动受体内吞过程，β-arrestin 通过衔接蛋白AP2 与网格蛋白结合［3］，促进磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphoinositide-3-kinase，PI3K)募集至质膜［1］，质膜上的PI3K 产生3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇(3，4，5-phosphtidylinositols，PIP3)，后者能加速AP-2 和β-arrestin-网格蛋白受体复合物之间的募集反应，继而促进受体的胞吞作用［1］。受体内吞后，β-arrestin 介导的GPCR 转运由不同类型arrestin 所在位置和其与GPCR 不同的亲和力所调节，视觉arrestin 和β-arrestin1 分布在胞质和胞核中，而β-arrestin2 局限在胞质中［4］，β-arrestin 和GPCR 不同的亲和力由β-arrestin-GPCR 复合体的类型所决定的，A 类受体，如β1AR、μ 型阿片受体和多巴胺D1 受体等与β-arrestin2 的亲和力高于与β-arrestin1 的亲和力，这种相互作用在受体内吞过程中消失;而对于B 类受体，如血管紧张素II 1a 型受体(angiotensin II type IA receptors，AT1aR)、神经降压素受体1 和精氨酸加压素V2 受体等与β-arrestin1 和β-arrestin2 的亲和力相同，并且在受体内吞过程中其相互作用保持不变［5］。受体内吞后部分被降解，部分被继续循环利用，整个过程即为受体转运。被降解的受体靶向转运至溶酶体进行酶促降解，参与循环的受体靶向转运至酸性囊泡中去磷酸化，而后再循环至质膜［6］。

3 β-arrestin 与G 蛋白非依赖性信号转导

β-arrestins 在GPCR 的脱敏、内吞和转运中发挥重要作用，最近研究表明，β-arrestin 被募集至βARs 和AT1aR 引发了G 蛋白非依赖性信号通路的激活［7］。迄今已经发现超过1500种磷酸化蛋白质可以连接到其他不同种类的信号转导通路中［8］，这其中被研究最广泛的是细胞外信号调节激酶(extracellular-signal receptor kinase，ERK)信号通路。已经证实βARs和AT1aR 能够通过G 蛋白依赖的ERK 激活和β-arrestin 依赖的ERK 激活两种形式启动ERK 信号级联反应［7］，例如，在细胞内过度表达βARs 和AT1aR 时，相应配体与GPCR 结合激活G 蛋白，在2～5 min 内迅速使ERK 的活性达到峰值。相反，血管紧张素II(angiotensin II，Ang II)刺激AT1aR 或异丙肾上腺素刺激βARs 后，由β-arrestin 介导的ERK 的激活的过程是缓慢的［9］。通过β-arrestin 信号通路介导的ERK 的激活大部分定位于细胞浆中，而通过G 蛋白依赖途径介导的ERK 的激活广泛分布在胞浆和胞核中［10］。有趣的是，Cervantes 等［11］发现β-arrestin 可以介导arrestin 依赖途径和G 蛋白依赖途径之间的交互作用支配磷酸化ERK 的亚细胞分布，他们还发现β-arrestin 能够整合多种GPCRs 激活丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信号通路。综上所述ERK 的激活有经典的G 蛋白依赖的ERK 激活和β-arrestin 依赖的ERK 激活两种形式，这种特殊的形式可能对体内不同组织的非适应性重塑有重大意义。

β-arrestin 与活化受体间的相互作用以及随后引发的信号通路激活均受GRKs(1-7)的调控，GRK 1 和GRK 7 仅分布在视网膜上，其他的亚型在哺乳动物各组织中广泛分布，GRK-2和GRK-3 主要位于胞质中与Gβγ 相互作用，而GRK 4-6 主要位于胞膜上［12］。不同亚型的GRKs 通过各自的β-arrestin 偏爱性途径激活相应受体引发信号转导［13］，例如，利用小干扰RNA 技术抑制GRK 5 和GRK 6 的活性能够减弱β-arrestin 依赖途径引发的ERK 的激活，但是下调GRK 2 和GRK 3 的表达对上述过程无影响［14］，当细胞内GRK 5 和GRK 6 过表达时，配体结合AT1aR 或β2AR 也能通过β-arrestin 依赖途径活化ERK 信号通路［15］。以上例子说明，不同类型的GRKs 磷酸化激活受体，引起受体构象改变，有的利于和G 蛋白结合，有的利于和β-arrestin 结合，这种差异决定其后引发的信号通路是G 蛋白依赖性的还是非G 蛋白依赖性的。

4 β-arrestin 与偏向性配体

在研究β-arrestin 介导的信号转导中，人们发现某些配体优先激活G 蛋白依赖性信号通路或者优先激活β-arrestin依赖性信号通路，这种现象称为“偏向性激动”，“偏向性配体”和“偏向性受体”对下游信号通路的激活呈现出“不平衡效应”，即能够选择性的激活特定的信号通路［7］。根据这一概念，GPCR 偏向性配体在药物研发等方面具有重大意义。在GPCR 的β-arrestin 依赖性配体中，研究最广泛的是肾上腺素能受体和血管紧张素受体。β 受体阻滞剂卡维地洛、布新洛尔、拉贝洛尔等均能够通过抑制β1AR 和β2AR 激活腺苷酸环化酶和ERK 信号通路，其中以卡维地洛对ERK 的活化作用最强［16］，其作用于β1AR 和β2AR，是β-arrestin 偏向性配体［14］。［1-肌氨酸-4，8-异亮氨酸］-血管紧张素II［sarcosine1，Ile4，Ile8］-angiotensin II，SII-AngII 是AT1aR 的β-arrestin 偏向性配体，它可以通过不依赖G 蛋白的信号途径引发β-arrestin 的募集，继而活化ERK 通路［17］，在体研究也证实SII-AngII 可以加强ERK 的活性，增加心肌细胞的收缩［18］。β1AR 的多态性决定了其对不同的受体激动剂或者不同的反向激动剂产生不同的应答［19］。例如，β1AR(Arg389Gly)基因多态性位于胞质尾端近第七跨膜区，此处是与Gs 蛋白偶联的区域，通过抑制G 蛋白通路Arg389Gly 较Gly389 显示出对卡维地洛更高的敏感性［19］。

5 β-arrestin 作为GPCR 信号通路的多功能调节器

β-arrestin 的构象变化后能够通过与信号分子形成蛋白复合体，特异性的激活某些信号通路，Mangmool 等［20］研究发现激活β1AR 引起β-arrestin 的构想改变能够形成一个由βarrestin、Ca+/CaMKII 和cAMP 依赖的鸟苷酸依赖因子(Epac)构成的复合物，继而促进CaMKII 信号通路的传导。这种β-arrestin-CaMKII-Epac 复合物只能由β1AR 与β-arrestin 相互作用产生。应用β1AR 和β2AR 的嵌合体进行研究，结果发现β1AR 的C 端含有β-arrestin 介导CaMKII 信号通路活化的关键结构元件［20］。利用质谱分析进一步研究发现β-arrestin 能够与300 多种信号蛋白发生相互作用［21］，而且能够调控信号蛋白的磷酸化水平［8］，这些说明β-arrestins 作为支架蛋白与信号分子形成了独特的蛋白复合物，在细胞信号转导的调控中发挥重要作用。

6 β-arrestin 在中枢神经系统疾病中的研究进展

6.1 β-arrestins 与阿尔茨海默病 大量研究表明阿尔茨海默病的发病与脑内β 淀粉样蛋白的异常沉积有关。有学者发现GPCRs，包括β2AR、GPCR3 等能够调节β 淀粉样蛋白的产生。Thathiah 等［22］最早检测到阿尔茨海默病死亡的患者中β-arrestin2 的mRNA 水平增高，而β-arrestin1 的mRNA 水平是降低的，随后的细胞实验证实，β-arrestin2 的过表达促进了β 淀粉样蛋白的分泌。同样，在β-arrestin2 基因敲除(Arrb2－/－)小鼠胚胎神经元培养中β 淀粉样蛋白的分泌水平下降。β2AR、GPCR3 发挥作用需要γ-分泌酶的协助，后者与β-分泌酶一起，阻碍β 淀粉样蛋白从淀粉状蛋白前体蛋白(amyloid precursor protein，APP)的产生［23］。γ-分泌酶是一种高分子量的多亚基复合体，由早老蛋白、单过性跨膜蛋白、前咽缺陷蛋白-1(anterior pharynx defective-1，APH-1)、早老素增强子-2 4 部分组成［24］。在阿尔茨海默病中，β-arrestin2 募集的G 蛋白偶联受体通过APH-1 和γ-分泌酶复合体相互作用，然后此复合物再横向移动至脂筏，从而使γ-分泌酶被激活，β-分泌酶催化APP 裂解释放出可溶性APP，继而通过γ-分泌酶水解生成β 淀粉样蛋白和β 淀粉样蛋白前体蛋白胞内结构域(APP intracellular domain，AICD)，胞内生成和分泌的β 淀粉样蛋白可以导致胞外β 淀粉样蛋白的聚集［25］。抑制γ-分泌酶的活性可能会产生胃肠道、皮肤、免疫系统等毒性［24］，所以通过γ-分泌酶抑制β 淀粉样蛋白的活性治疗阿尔茨海默病仍然是一个复杂，甚至危险的命题，而最新发现的β-arrestin2 在调节β 淀粉样蛋白生成的作用为阿尔茨海默病的药物治疗提供了一个潜在的方向。

6.2 β-arrestins 与帕金森氏病 帕金森氏病是中老年人常见中枢神经系统变性病，它是由于黑质中的多巴胺能神经元变性引起，多巴胺与其前体左旋多巴的替代治疗是一种有效的方法，但是长期服用会导致对药物反应降低，并可能引起异动症等运动并发症。多巴胺受体(DRs)属于G 蛋白偶联受体超家族，分为D1 和D2 亚型。D2DR 的脱敏是由βarrestin2 介导的，后者结合磷酸化的D2DR 终止其信号级联反应［2］，因此arrestin 蛋白家族的失活可能导致内源性或外源性多巴胺兴奋的相对放大效应，可能对帕金森患者运动症状的改善是有益的。Zhou 等［26］利用毛细管区域电泳技术(capillary zone electrophoresis，CZE)检测D2DR 和β-arrestin2的相互作用，大规模的药物筛选表明，植酸、3-氨基乙基胺和1，3-二氯-2-丙醇这3 种化合物能够显著抑制D2DR 和β-arrestin2 的相互作用，这些化合物为帕金森氏病的药物治疗提供了广阔的前景。Wu 等［27］通过建立大鼠6-羟多巴胺(6-OHDA)模型，利用免疫印迹技术检测到PD 组大鼠纹状体区βarrestin1 的表达降低，而同时合并异动症的帕金森氏病大鼠β-arrestin1 的表达进一步下降，给予N-甲基-D-天冬氨酸(Nmethyl-D-aspartate，NMDA)受体的拮抗剂MK-801 治疗后，βarrestin1 的表达上升，故推测在帕金森氏病发展过程中β-arrestin1 减少使其对NMDA 受体的抑制作用逐渐减弱，引起后者处于超敏状态，这可能是异动症的发病基础之一，而提高βarrestin1 的表达可能成为治疗帕金森氏病提供了新的方法。

6.3 β-arrestins 与多发性硬化 多发性硬化(multiple sclerosis，MS)是中枢神经系统自身免疫性疾病，其典型病例呈复发-缓解的病程，伴随着持续的炎症性脱髓鞘与随之产生的轴突和神经元损伤，大剂量糖皮质激素静脉冲击是MS 的主要治疗策略［28］。研究者通过建立实验性自身免疫性脑脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis，EAE)动物模型模拟多发性硬化，证实了β-arrestin1 在其脾脏细胞中的大量表达［29］，后来在MS 患者的血清中检测到了β-arrestin1 的自身抗体［30］。腺苷A1 受体(A1 adenosine receptor，A1AR)是一种能够激活G 蛋白的七跨膜受体，在中枢神经系统中A1AR 不仅通过腺苷发挥神经保护作用，并且能够通过调节免疫活性来维持组织的完整性［31］。Tsutsui 等［32］研究发现，在MS 患者和EAE 动物模型中β-arrestin1 蛋白量表达和转录水平显著增加，A1AR 的表达量是降低的，进一步研究发现在多发性硬化中β-arrestin1 的调节异常可能干扰了A1AR 信号转导。体外实验证实佛波酯(phorbol 12-myristate 13-acetate，PMA)诱导的促炎因子IL-1β 和TNF-α 的分泌能够被地塞米松所抑制，同时地塞米松干预后能够使单核细胞内A1AR 的表达上调，降低β-arrestin1 的表达。进一步研究发现，地塞米松诱导的A1AR 的上调能够被A1AR 的激动剂腺苷胺同源物(adenosine amine congener，ADAC)和环己基腺苷(cyclohexyladenosine，CHA)所抑制，地塞米松也可以减少静息单核细胞中ADAC 和CHA 所诱导的β-arrestin1 的转录丰度。以上结果表明，糖皮质激素通过减少β-arrestin1 的表达上调A1AR 信号途径可能是其治疗多发性硬化的核心机制［32］。

7 结论与展望

大量研究表明β-arrestin 在细胞信号传导过程中发挥多重作用。蛋白组学分析揭示β-arrestins 能够和300 多种来自不同家族的蛋白质相互作用，包括了核酸加工酶、分子伴侣、代谢酶和细胞骨架蛋白等［21］。我们对β-arrestins 及其多重功能产生了新的认识，特别是发现β-arrestins 能够启动G 蛋白非依赖的、有益的信号通路。β-arrestin 参与了阿尔茨海默病、帕金森氏病、多发性硬化等中枢神经系统疾病的病理生理过程，因此通过对β-arrestin 信号通路的调控在治疗和预防上述疾病可能成为一个新的靶点，对于β-arrestins 与其他中枢神经系统疾病的关系，仍需进一步研究。随着研究的深入，β-arrestins 将为中枢神经系统药物的开发提供新的方向。

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