β-arrestin 的研究进展及与纤维化的关系

王艳道 综述，余 晨 审校

(同济大学附属同济医院肾脏科,上海 200065)

·综 述·

β-arrestin 的研究进展及与纤维化的关系

王艳道 综述，余 晨 审校

(同济大学附属同济医院肾脏科,上海 200065)

β-arrestin；血管紧张素Ⅱ；纤维化

β-arrestin是在20世纪90年代提纯β-肾上腺素受体激酶的过程中发现的一类多功能抑制蛋白，广泛分布于身体的各种组织，尤其是在神经系统及脾脏中大量表达[1]。目前哺乳动物中已发现4种arrestin家族的成员，包括视觉系统中调节光受体信号转导的Visual arrestin 和 Cone arrestin，另一类是β-arrestin，分为β-arrestin 1和β-arrestin 2，二者之间有78%的氨基酸序列相同[2]。β-arrestin的基本结构由两个反向平行的β折叠片组成，通过一个锁链区和背面氨基末端的一个短α螺旋相连。β-arrestin主要有两个功能区，N端功能区和C端功能区，N端功能区负责识别已被激活的G蛋白耦联受体(G protein coupled receptors，GPCRs)，C端功能区是第二受体识别区。

1 β-arrestin负调控G蛋白信号通路

GPCRs是膜受体最大的家族，含有7个疏水的跨膜区，它们广泛分布在机体的各个部位，通过G蛋白介导重要的生物学效应。

β-arrestin作为GPCRs的负性调控因子[3]，通过介导GPCRs脱敏、内化致使信号转导减弱或终止的作用最为人熟知。被激动剂激活的GPCRs与G蛋白耦联受体激酶(G-protein-coupled receptor kinases，GRK)结合发生磷酸化，促使β-arrestin由非活化的晶体结构转变为对受体高亲和结构，并由胞质快速转移至胞膜，与磷酸化的活化GPCRs结合，三者形成GPCRs-GRK-β-arrestin复合三聚体，导致GPCRs无法与G蛋白结合，从而终止信号通路[4]，这就是所谓的受体脱敏。另一方面，活化的β-arrestin释放C末端，结合胞吞蛋白(如笼形蛋白、衔接蛋白2等)，进而将受体与胞吞蛋白紧密连接，启动受体内吞。受体被内吞后部分脱磷酸化后再循环至细胞表面，另一部分被降解，从而导致受体信号转导的进一步减弱或终止。近几年研究表明，β-arrestin还可以与GPCR下游信号分子形成复合物,开启G蛋白非依赖途径激活信号转导,从而更进一步减弱G蛋白信号通路。

2 AT1R下游G蛋白依赖性信号通路和β-arrestin依赖性信号通路

肾素-血管紧张素系统(renin-angiotensin-system，RAS)的主要功能是调节人体血压、水分、电解质和保持人体内环境的稳定性，其中血管紧张素Ⅱ(angiotensin Ⅱ，AngⅡ)主要通过结合血管紧张素受体(angiotensin receptor，ATR)发挥最重要作用。ATR分为AT1R、AT2R两个亚型，都属于G蛋白耦联受体超家族，其中ATlR介导了AngⅡ的主要功能。

人血管紧张素1型受体(angiotensin receptor，AT1R)是GPCRs家族成员之一，由359个氨基酸组成，数目相对恒定，广泛分布在人体的多种组织中，AT1R介导血管收缩、增强心肌收缩力、氧化应激等。AT2R与AT1R氨基酸序列只有32%～37%的同源性，主要存在于胚胎时期，对脉管系统的发育起重要作用，出生后表达水平迅速下降。AT2R的作用是非常复杂的，目前不是特别清楚，有待深入研究进一步明确其具体生物学效应及机制。

当以AngⅡ刺激AT1R时，AngⅡ中的苯丙氨酸8(Phe8)和酪氨酸4(Tyr4)分别与ATIR上的组氨酸256(His256)和天门冬氨酸111(Asn111)结合。被刺激后，受体可与多种G蛋白耦联，如Gq/11、G12/13、Gi蛋白，并导致G蛋白α亚基和β、γ亚基解离，活化的G蛋白亚基激活下游的磷脂酶C、A2和D[5]，产生磷酸肌醇(inositol phosphates，IP)，导致细胞内钙离子的释放，从而放大和传递细胞内信号，形成经典的Gq/11-PLC-IP3/DAG-Ca2+/PKC信号转导通路。

近期发现，AT1R的C末端还存在β-arrestin特异性结合域。当AT1R被激活后，它可以募集β-arrestin到其特异性结合域，以非G蛋白依赖的方式，与下游信号分子形成复合物，形成独立信号通路。因此，AT1R下游不仅仅是G蛋白通路，实际上，它存在两条下游信号通路，G蛋白依赖性通路以及β-arrestin依赖性信号通路。

目前β-arrestin作为支架蛋白调节细胞外信号调控激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)信号通路是研究最为广泛的。ERK 是丝裂原激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPK)家族成员之一，介导细胞增殖、分化、凋亡等作用。

ATIR激活ERK可由G蛋白和β-arrestin两条通路介导。G蛋白通过刺激产生第二信使依赖性激酶如蛋白激酶C和蛋白激酶A来介导，研究证实G蛋白激活ERK较快，同时失活也较快，激活后ERK向核转位，并激活核内底物。β-arrestin也可以激活下游ERK信号通路，而β-arrestin依赖ERK停留在胞质中激活，其活性在5～10 min达到顶峰，可持续90 min，激活的ERK局限于胞质中，没有核转录活性，有研究发现此过程对β-arrestin的损耗比较敏感，抑制蛋白激酶A或G蛋白的损耗对它没有影响，由此推测此过程确实是由β-arrestin介导。

SⅡ-AngⅡ是AT1R的β-arrestin完全偏向性配体[6],是将AngⅡ的第一位点的Asp，第四位点的Tyr，以及第八位点的Phe分别替换为Sar，Ile，Ile。AngⅡ通过第四位点的Tyr以及第八位点的Phe与AT1R第111位点的Asn，第256位点的His特异性结合激活G蛋白以及其下游通路，而SⅡ-AngⅡ的第四位点以及第八位点氨基酸替换后，则无法激活G蛋白通路，研究发现用SⅡ-AngⅡ作为刺激物，G蛋白通路下游产物磷酸肌醇产生量为0，但是并不影响其与AT1R的结合能力。SⅡ-AngⅡ特异性激活β-arrestin通路后，还可以部分激活ERK活性[7]。可见ERK确实可由G蛋白和β-arrestin两条通路介导，而且多名研究者已经在原代培养的血管平滑肌细胞[8]和心肌细胞[9]以及离体心脏灌流模型[10]上证实了这两条通路。

Ahn等[11]发现β-arrestin2通过AT1R介导抗凋亡的细胞保护作用，在大鼠的血管平滑肌细胞中，二者结合后激活ERK/p90RSK和PI3K/AKT两条通路，使下游的促凋亡蛋白BAD磷酸化而失去活性，从而发挥抗凋亡的作用。研究者用SⅡ-AngⅡ特异性激活β-arrestin通路，证实了其抗凋亡的作用。

3 β-arrestin与某些疾病关系的研究

HEK293细胞中发现，血管加压素受体突变体R137H，在没有激动剂刺激的情况下，仍然可以与β-arrestin结合，二者相互作用导致脱敏的发生从而减弱了信号转导的能力，丧失了对抗利尿激素的敏感性，最终致使肾性尿崩症的发生。研究结果表明非正常状态下脱敏反应是GPCRs相关疾病的一个重要病因，暗示通过抑制β-arrestin介导的G蛋白耦联受体脱敏，可能发现一条治疗此类疾病的新途径。

有研究发现[12]，β-arrestin在2型糖尿病中起到至关重要的作用。在2型糖尿病模型小鼠肝脏样品中β-arrestin2的表达水平显著下调，进一步的研究发现β-arrestin2基因敲除可导致严重的胰岛素耐受,而过表达β-arrestin2则能显著提高胰岛素敏感性。β-arrestin作为支架蛋白，将IR与Akt、Src连接起来形成复合物，这一复合物对于胰岛素信号转导起到重要的影响作用，它的缺失或缺陷导致胰岛素耐受。因此β-arrestin可能成为治疗糖尿病的一个新靶点。

为了探讨β-arrestin在白血病中的表达，研究者[13]收集不同类型的白血病患者骨髓和外周血标本，采用PCR，Western blotting和免疫荧光法检测β-arrestin的mRNA和蛋白表达情况。结果发现，不同类型白血病患者的标本中β-arrestin1和β-arrestin2的mRNA 和蛋白水平均明显升高，提示β-arrestin可能与白血病密切相关。

大量研究表明β-arrestin与多种疾病的发生密切相关，卵巢癌中，β-arrestin被招募到细胞膜，与内皮素A受体结合，进一步激活β-catenin信号转导途径，引起卵巢癌细胞转移[14]。哮喘患者外周血T细胞中，β-arrestin较对照组表达上升，提示其在哮喘发病中起到重要的作用，进一步研究发现β-arrestin2基因敲除小鼠，用过敏原致敏后，无T细胞募集，也不出现哮喘的临床症状，这表明哮喘的发病与β-arrestin也有密不可分的关系。

在心血管系统疾病、呼吸系统疾病、内分泌系统疾病、神经精神系统疾病、免疫系统疾病以及肿瘤疾病等的发生、发展过程均发现有β-arrestin的参与，因此人们对β-arrestin的作用机制研究将继续不断的深入和扩展。

4 β-arrestin与纤维化病变的研究

纤维化(fibrosis)可发生在多种器官，导致器官结构破坏和功能减退乃至器官衰竭，严重威胁人类健康和生命。各种慢性刺激因素，如炎症、免疫、毒素、缺血及血流动力学改变等，导致器官实质细胞发生坏死，纤维结缔组织，包括细胞成分和细胞外间质(extracellular matrix，ECM)异常增多和过度沉积[15]，最终导致纤维化病理改变。

特发性肺纤维化(idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)是一种原因不明，预后不良的进行性疾病。IPF的标志性特点，包括成纤维细胞灶、胶原蛋白增多和细胞外基质沉积。研究发现[16]，在博莱霉素诱导的小鼠肺纤维化模型中，β-arrestin1或β-arrestin2的缺失会降低鼠病死率，抑制基质沉积，保护肺功能。数据表明β-arrestins通过调节成纤维细胞的活性和胶原蛋白的形成促进肺脏纤维化进展。研究得出的结论是β-arrestin1和β-arrestin2参与了博莱霉素诱导的肺间质纤维化的发病机制，从而作为一个潜在的目标，干预治疗特发性肺纤维化。

Sun等[17]建立猪血清诱导的肝纤维化模型，用免疫组化染色、双重免疫荧光染色和Western免疫印迹方法，在5个时间点，测量β-arrestin1，β-arrestin2和α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)在大鼠肝组织中的动态表达，研究结果显示，随着肝纤维化程度加重，在肝组织中的β-arrestin2的表达逐渐增加。此研究提供了强有力的证据，在肝纤维化的发病机制中β-arrestin2起到一定作用。同样有研究证实[18]，在四氯化碳诱导的小鼠肝纤维化模型中，肝脏组织中β-arrestin1、β-arrestin2 mRNA和蛋白表达量均明显升高，提示了β-arrestin可能促进了肝纤维化的发展，研究发现肝纤维化小鼠肝组织中β-arrestin1、β-arrestin2 mRNA和蛋白表达与NF-κB的表达呈正相关，研究者推断β-arrestin可能通过调节NF-κB进一步对肝纤维化过程起到调节作用。另外，为了筛选可能参与慢性肝炎发展过程的代谢受体相关基因，研究者[19]从12例慢性肝炎的患者中，通过活检获得肝脏标本，根据纤维化METAVIR得分以及其他多项指标进行评估分析，结果显示，表达水平最高的代谢型受体相关编码基因包括arrestin，从而揭示了arrestin参与慢性肝炎的纤维化分子机制。

Nakaya等[20]研究发现在心肌成纤维细胞中美托洛尔可以诱导心肌纤维化相关基因表达增加，而在β-arrestin2或GRK5基因敲除小鼠中，美托洛尔刺激后，心肌纤维化和心功能不全却没有发生。由此推断β-arrestin2参与诱导心肌纤维化的发生。

然而，另外有报道[21]β-arrestin偏向性激动剂在心肌细胞中具有保护作用，能降低心脏纤维化。对于这种完全相反的作用，目前争议较大，还没有得到权威的解释，Ibrahim等[22]称在不同细胞类型中，β-arrestin可能发挥不同的作用，在成纤维细胞系中β-arrestin一般是促纤维化作用。

由此作者推断β-arrestin参与了多脏器及细胞的纤维化发病机制，但是具体的作用机制尚不清楚，有待进一步的研究探索。众所周知，目前临床上还没有逆转纤维化病理过程的有效药物，选择性靶向β-arrestin的药物，可能作为一种治疗纤维化的新型方法，具有较大的临床意义。

5 结 论

众所周知G蛋白耦联受体介导β-arrestin的招募，导致受体脱敏和内化，负调控GPCRs，减弱或终止信号转导，成为一个经典的细胞内信号转导通路，同时β-arrestin作为支架蛋白参与多种信号通路转导也逐渐为人熟知。大量研究证实β-arrestin在多种疾病的发病过程中都有重要地位，尤其近几年发现其与人体多个脏器的纤维化病变有着密不可分的关系。人们逐渐探索出β-arrestin的越来越多的生物学功能，为相关疾病的预防和治疗提供潜在目标和新的方向。虽然人们对β-arrestins在信号转导中的作用机制研究不断深入和扩展，但是仍有很多机制尚未阐明，有待于大家共同努力，进一步深层次的发现和探讨。

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王艳道(1989-)，硕士研究生，主要从事生物医学工程方面的研究。

: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)