鞘氨醇-1-磷酸受体1在疼痛中的作用研究

黄金路，万丽丽，郭　澄

(上海交通大学附属第六人民医院药剂科，上海　200233)



鞘氨醇-1-磷酸受体1在疼痛中的作用研究

黄金路，万丽丽，郭澄

(上海交通大学附属第六人民医院药剂科，上海200233)

摘要:鞘氨醇-1-磷酸受体1(sphingosine-1-phosphate receptor 1，S1PR1)属于G蛋白偶联受体，其能调节多种下游信号分子和细胞功能。研究发现S1PR1在疼痛中发挥重要作用，但激活S1PR1产生致痛作用还是镇痛作用尚存在争议。该文讨论了S1P/S1PR1信号在疼痛研究中的最新观点与进展，以增进对其生物学功能及病理作用的了解。

关键词:疼痛;神经系统;鞘氨醇-1-磷酸受体亚型1; G蛋白偶联受体;鞘氨醇-1-磷酸; FTY720;激动剂

鞘氨醇-1-磷酸受体(sphingosine-1-phosphate receptor，S1PR)属于G蛋白偶联受体家族。目前针对S1PR开发的药物FTY720已被FDA批准用于治疗多发性/复发性硬化症，而且靶向S1P的抗体LT1002(也叫sphingomab，是一种抗S1P的单克隆抗体)用于治疗肺癌和老年性黄斑退化症的临床试验中。Ponesimod是由Actelion公司开发的另一种S1PR1活性调节剂，已经完成了治疗银屑病的二期临床实验，并取得肯定的结果［1］，同时也完成了复发缓解型多发性硬化症(relapsing remitting multiple sclerosis，RRMS)的二期临床实验［2］。由此可见，S1PR1是一个很多疾病的药物靶点。由于S1PR1也表达在神经系统，那么S1PR1是否参与疼痛作用?激活S1PR1产生镇痛作用还是致痛作用? S1PR1能否成为一个调节疼痛信号通路一个新型靶点?

1　S1PR1的发现与研究历史

早在1990年，Hla等［3］用PMA(phorbol 12-myristate 13-acetate)处理分化的人内皮细胞，发现一种新型的即早期cDNA克隆，命名为edg-1。它的转录本含量丰富、可诱导，其编码与G蛋白偶联受体结构相似的多肽;根据推断，预测该多肽有7个穿膜区，并提出“edg-1可能是G蛋白偶联受体家族的一个新成员”的观点。这项研究为学者们认识S1PR1的结构，它在疾病发生中的作用及其生物功能奠定了一个里程碑。虽然鞘氨醇-1-磷酸(sphingosine-1-phosphate，S1P)是一种生物活性物质，并参与促有丝分裂和细胞骨架重塑，但它的作用机制一直不为人们所知。直到1992年，Sandadhira等［4］发现S1P作为一种胞外介质，可通过假定的穿膜受体来控制细胞运动。与该研究结论一致的是，Postma等［5］也发现S1P通过一种细胞表面受体诱导Rho依赖的神经轴突收缩。这些研究表明S1P可能与某种受体相互作用而发挥重要的生理病理功能。此后，Zondag等［6］和Okamoto等［7］两个实验室证实了该种受体即是edg-1受体，并表明其是一种特异性的高亲和S1P受体。研究人员陆续发现了生物体内存在edg-2、edg-3、edg-4、edg-5、edg-6、edg-7、edg-8编码的受体。根据结合的受体和发现的顺序，国际药理学联盟命名委员会重新命名了这些具有重要生理病理功能受体，edg-1、edg-5、edg-3、edg-6、edg-8分别命名为S1PR1、S1PR2、S1PR3、S1PR4、S1PR5。这5种S1PR中，S1PR1与S1PR3的同源性最高。其他3种(edg-2、edg-4、edg-7)被命名为LPA受体［8－9］。

2　S1PR1的结构与功能

S1PR1的一级结构由380多个氨基酸组成。通过NCBI蛋白数据库检索了人、啮齿类动物(包括大鼠和小鼠)来源的S1PR1的氨基酸序列，发现人和小鼠来源的S1PR1都由382个氨基酸组成，而大鼠来源的S1PR1比人和小鼠来源的S1PR1多1个氨基酸，由383个氨基酸组成。对这3种来源的S1PR1氨基酸序列进行了比对分析，发现其具有非常高的同源性，比例高达0.60(Fig 1)。

S1PR1的高级结构具有显著的GPCR结构特征，即S1PR1由3部分构成:胞外区、穿膜区和胞内区［10］。胞外区由N末端和3个胞外环组成，穿膜区由7个亲水的穿膜ɑ螺旋组成，胞内区由C末端和3个胞内环组成(Fig 2)。最近Hansen等［11］用X-射线衍射结合微衍射方法获得S1PR1和其选择性拮抗剂ML056复合物的晶体结构，发现S1PR1具有高度保守的D(E) RY(TM3)和NPXXY(TM7)区，这些区域对S1PR1从非活性状态变构到G-蛋白偶联构象的活性状态起着重要的作用。ECL1(extracellular loop 1)和ECL3(extracellular loop 3)紧紧包围着N端阻止配体进入受体(Fig 3)，这可能是在过量配体存在的情况下S1PR1的配体显示缓慢的受体结合饱和性的原因;在ECL-2和ECL-3有环内二硫键是S1PR1的另一个关键特征，二硫键能够稳定ɑ螺旋结构，并有助于配体与受体结合域的相互作用［12－13］，S1PR1结构研究解开了S1P进入S1PR1结合域的机制。

Fig 1 Alignment of amino acid sequences of S1PR1 derived from rat，mouse and human

Fig 2 Structure schematic diagram of S1PR1 and its possible downstream signaling pathway［Modified from Ref.13］

Fig 3 Three dimensional schematic diagram of S1PR1［Modified from Ref.11］

自从1990年Hla等发现S1PR1，学者们从未停止过对S1PR1功能的研究。研究发现edg-1经Gi/o与多种信号通路有关，比如:激活磷脂酶C(phospholipase C，PLC)、胞外信号调控的激酶(extracellular signal regulated-kinase，ERK)和丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)以及抑制腺苷酸环化酶［6－7，12］。S1PR1仅与异源3聚体G蛋白Gi/oɑ亚基偶联。当S1PR1与其配体结合时调节下游信号通路，调控许多不同的细胞功能，比如:细胞骨架的改变、迁移、增殖、凋亡等。S1PR1引起细胞内Ca2+浓度的增加，刺激Ras家族小GTP酶和ERK以增强增殖功能，激活PI3K/Akt(PKB)通路从而抑制细胞凋亡，而且该受体激活PI3K/Rac通路促进细胞骨架重排和细胞迁移［12］。磷酸化的FTY720结合到S1PR1引起受体内化，导致功能性拮抗作用或者持续性的信号。激动剂结合S1PR1导致富含丝氨酸的C端磷酸化以及随后经β-arrestin介导的网格蛋白包被的囊泡内化。关于S1PR1内化、降解以及持续的信号如何共同调控其功能还不清楚。

激活神经系统中S1PR1的结果是调控神经元的兴奋性，Dolye等［14］报道S1P经S1PR1发挥作用是神经酰胺诱导痛觉过敏的1个下游信号通路，并提出S1PR1与其配体S1P结合后，激活NAPDH氧化酶和NOS活性，分别产生超氧离子(O2－)和一氧化氮，进一步生成过氧化亚硝酸盐，最终导致痛觉过敏［15］。Janes等［16］也报道激活S1PR1也可能激活胶质细胞、升高下游信号分子TNF-ɑ、IL-1β以及NK-κB和p38等的水平，进而导致神经源性疼痛。尽管如此，有关S1PR1的生理功能与分子机制还需要进一步深入研究。

3　S1PR1的表达分布

S1PR1已发现在多种动物体内广泛表达，至今发现S1PR1存在于人、大鼠、小鼠、中国仓鼠、光滑爪蟾、肥懒猴等脊椎动物体内。在动物体内，edg-1受体主要表达在心脏、肺脏等器官［17］。后来陆续研究发现S1PR1、S1PR2和S1PR3在体内(包括神经系统)广泛表达，分布于脾脏、肺脏、心脏、肾脏、胸腺、肝脏、骨骼肌、脑、脊髓等部位，S1PR4限制性表达在肺脏、淋巴以及造血组织，而S1PR5分布在皮肤、脑白质、脾脏。在神经系统中，S1PR1不仅分布于外周神经系统(比如背根神经节)，而且也存在于中枢神经系统(比如脑和脊髓) ;不仅在神经元细胞有表达［18］，而且也表达于星形胶质细胞［19］。

4　S1PR1在疼痛中的作用

由于S1PR1表达广泛，其配体S1P也被认为是胞内第二信使，行使多种不同的生理功能，如细胞凋亡、迁移以及存活等。随着学者们对S1P/S1PR1信号通路的不断深入研究，目前已发现S1PR1参与多种疾病的发生，如神经系统疾病(包括疼痛、多发性硬化症)、癌症、炎症、糖尿病以及骨质疏松等。本文重点讨论S1P/S1PR1信号在疼痛中的作用。目前对于S1P/S1PR1信号在疼痛中的作用存在争论，主要争议在于激活S1PR1是产生镇痛作用还是致痛作用。由于试验中所采用的实验模型存在差异、研究方法不同以及药物的特异性等方面的原因而得到不同的结论。

4.1激活S1PR1产生镇痛作用FTY720也称作fingolimod，作为S1PR1的非选择性激动剂，FDA已经批准其用于治疗复发/多发性硬化症(一种中枢神经系统疾病)，商品名为(GilenyaTM)。FTY720的成功上市引起了科学家在神经系统疾病领域研究S1PR1的极大兴趣。它是一种免疫调节剂，磷酸化后结合到S1PR1;同时FTY720通过直接抑制细胞质磷酸酯酶A2能够抑制前列腺素的合成，而前列腺素是感受伤害的重要生物活性递质。推测S1PRs可能在疼痛的发生和维持中起着重要作用。2008年Coste等证实了该推测，其研究显示FTY720对不同疼痛模型(包括福尔马林诱导的炎性疼痛和神经源性疼痛)的产生镇痛作用。腹腔注射FTY720能够剂量依赖性地降低福尔马林诱导的疼痛行为，而且鞘内注射FTY720也同样能够减轻福尔马林诱导的感受伤害性行为，但在研究中除了腹腔注射FTY720能够急剧地降低类前列腺素的浓度外，鞘内注射FTY720未改变脊髓前列腺素的合成。为了进一步验证FTY720的镇痛作用，腹腔注射FTY720也同样能够降低神经损伤诱导的神经源性疼痛，并且神经源性疼痛不依赖前列腺素的合成，这些研究结果表明前列腺素不参与神经源性疼痛，可能存在另外的机制［20］。由此开启了人们探讨S1PR1参与疼痛的先河。

中枢(鞘内或侧脑室)直接注射结构不相关的S1PR1激动剂(如S1P、SEW2871)在小鼠福尔马林实验或甩尾实验中能够产生明显的镇痛作用，提示S1PR1在中枢(脊髓和脑部)水平调节福尔马林或热诱发的疼痛伤害性过程［21－23］;而在侧脑室注射S1P或SEW2871前10 min，侧脑室给予VPC44116(一种S1PR1/3选择性拮抗剂)能够减轻在甩尾实验中S1P或SEW2871产生的镇痛作用［22］，提示激活中枢S1PR1能够产生镇痛作用。与该观点一致，Buzzi等［24］在小鼠醋酸扭体实验中腹腔注射6个与二氢鞘氨醇结构相关的衍生物都能够产生镇痛作用，其中化合物3和6显示很高的疼痛抑制效率，分别达81%和63%;并且腹腔给予化合物3 和6在福尔马林实验、热板实验以及辣椒素和谷氨酸诱导的疼痛实验中同样显示一定的镇痛效果［24］。这些研究结果显示激活外周或中枢S1PR1能够产生镇痛作用，进一步证实激活S1PR1参与镇痛作用。

这些证据表明S1PR1可能是一个治疗疼痛的新型镇痛靶标分子，开发靶向S1PR1的药物可能为新型的镇痛药物的研制带来新的希望。然而，这些研究并未完全阐明S1PR1激动剂(S1P、FTY720和SEW2871)的镇痛作用机制。随着对S1PR1研究的深入，学者们对其有了新的认识:抑制S1PR1后产生镇痛作用。

4.2抑制S1PR1产生镇痛作用2010年Muscoli等［25］在研究吗啡耐受性时，报道通过微型渗透泵缓慢皮下给予吗啡激活神经酰胺代谢通路，增加胶质细胞S1P的形成，当其释放至胞外时，S1P与胶质细胞上S1PRs的结合，调控下游信号分子，增加致炎因子(比如，IL-1β、TNF-ɑ和IL-6等)的产生。该研究表明S1PRs被生物活性物质S1P激活而产生疼痛，提示激活S1PRs可致痛。但在本研究中并未证明是哪种S1P受体参与痛觉过敏。Salvemini团队［14－15，26］通过多种方法证实了S1PR1介导痛觉过敏的发展过程:①脚掌内注射S1PR1选择性拮抗剂——W146抑制S1PR1的作用，可阻断S1PR1激动剂(S1P和SEW2871)诱导的痛觉过敏，相比之下，W140(一种W146的无活性的消旋体)并未阻断该种痛觉过敏反应;②通过鞘氨醇激酶1/2抑制剂抑制S1P的形成;③利用抗S1P的鼠单克隆抗体LT1002(也称为sphingomab)封闭S1P的生物活性，而同型对照抗体LT1017并没有产生这种作用。激活S1PR1可增加疼痛得到学者们的广泛关注。

另一项独立的研究进一步支持了“激活S1PR1促进疼痛的产生而非产生镇痛作用”这一观点，电生理实验研究表明通过VC-8槽液灌注系统给予S1P和SEW2871能够明显增加有些感觉神经元的兴奋性［27］。为了进一步确定S1PR1的致痛作用，通过靶向S1PR1的siRNA［27］和条件性缺失S1PR1小鼠［28］两种先进的生物学手段得到证据有力的支持了S1PR1在疼痛敏化中对外周感觉神经元的兴奋性作用，其发挥显著但不唯一的作用。Kays等［18］报道的研究结果也证实并支持了上述观点。这些研究结果提示S1P作为一个重要的致痛因子有助于炎性疼痛的产生，靶向S1P/S1PR1轴为开发新型的非麻醉性镇痛药物开创了一个新的治疗策略。更重要的是，鞘内注射FTY720能够减轻甲叉菜胶诱导热痛觉过敏而不是加重疼痛［16］，因此FTY720也被认为是一种S1PR1的功能性拮抗剂。

神经源性疼痛的发展和维持也需要激活S1PR1。在化疗药物(如紫杉醇)诱导的神经源性疼痛大鼠脊髓背角存在S1PR1依赖的神经炎性过程。鞘内注射S1PR1拮抗剂能够明显降低炎性和化疗药物诱导的神经源性疼痛，并增加抗炎性因子(比如IL-10和IL-4)的生成。系统性注射FTY720、化学结构不相关的S1PR1调节剂(ponesimod、CYM-5542)和S1PR1拮抗剂(NIBR-14/15)能够减轻神经性炎症过程，消除神经源性疼痛［16］。而且另一种新型S1PR1拮抗剂TASP0277308能够改善胶原蛋白诱导关节炎症状［29］。这些研究利用多种方法(激动剂与拮抗剂、抗体技术、siRNA干扰技术和敲除S1PR1基因鼠技术)在不同的层次(动物体内、细胞和分子水平)的研究证据证实阻断S1PR1减轻动物模型的神经病理痛和炎性疼痛。

5　总结

大量研究表明S1P/S1PR1系统的生物学作用及其生理病理功能引起了学者们的广泛关注，S1PR1成为与多种疾病(如多发性硬化症、肺癌、银屑病、肾损伤［30］、尿毒症以及疼痛)相关的一种新型靶标分子，靶向S1PR1治疗疼痛的研究也刚刚兴起。然而，激活S1PR1究竟产生镇痛作用还是致痛作用尚存在争议，造成这些争议的原因可能如下:①S1P介导镇痛或致痛也可能依赖于动物的种属与动物模型的不同、给药剂量与给药途径的区别等;②S1PR1与其他系统(比如阿片系统、大麻素系统等)存在相互作用或许有助于这些结果的不同;③S1PR1激动剂或者拮抗剂存在脱靶效应。因此，S1PR在疼痛中的生物学作用还需要进一步深入全面的研究。

参考文献:

［1］Vaclavkova A，Chimenti S，Arenberger P，et al.Oral ponesimod in patients with chronic plaque psoriasis: a randomised，doubleblind，placebo-controlled phase 2 trial［J］.Lancet，2014，384 (9959) : 2036－45.

［2］Urbano M，Guerrero M，Rosen H，et al.Modulators of the sphingosine 1-phosphate receptor 1［J］.Bioorg Med Chem Lett，2013，23(23) : 6377－89.

［3］Hla T，Maciag T.An abundant transcript induced in differentiating human endothelial cells encodes a polypeptide with structural similarities to G-protein-coupled receptors［J］.J Biol Chem，1990，265(16) : 9308－13.

［4］Sadahira Y，Ruan F，Hakomori S，et al.Sphingosine 1-phosphate，a specific endogenous signaling molecule controlling cell motility and tumor cell invasiveness［J］.Proc Natl Acad Sci，1992，89(20) : 9686－90.

［5］Postma F R，Jalink K，Hengeveld T，et al.Sphingosine-1-phosphate rapidly induces Rho-dependent neurite retraction: action through a specific cell surface receptor［J］.EMBO J，1996，15 (10) : 2388－92.

［6］Zondag G C，Postma F R，Etten I V，et al.Sphingosine 1-phosphate signalling through the G-protein-coupled receptor Edg-1［J］.Biochem J，1998，330(Pt2) : 605－9.

［7］Okamoto H，Takuwa N，Gonda K，et al.EDG1 is a functional sphingosine-1-phosphate receptor that is linked via a Gi/oto multiple signaling pathways，including phospholipase C activation，Ca2+mobilization，Ras-mitogen-activated protein kinase activation，and adenylate cyclase inhibition［J］.J Biol Chem，1998，273(42) : 27104－10.

［8］Chun J，Goetzl E J，Hla T，et al.International union of pharmacology.XXXIV.Lysophospholipid receptor nomenclature［J］.Pharmacol Rev，2002，54(2) : 265－9.

［9］Vogler R，Sauer B，Kim D S，et al.Sphingosine-1-phosphate and its potentially paradoxical effects on critical parameters of cutaneous wound healing［J］.J Invest Dermatol，2003，120(4) : 693－700.

［10］Parrill A L，Lima S，Spiegel S.Structure of the first sphingosine 1-phosphate receptor［J］.Sci Signal，2012，5(225) : pe23.

［11］Hanson M A，Roth C B，Jo E，et al.Crystal structure of a lipid G protein-coupled receptor［J］.Science，2012，335(6070) : 851－5.

［12］Sanchez T，Hla T.Structural and functional characteristics of S1P receptors［J］.J Cell Biochem，2004，92(5) : 913－22.

［13］O'Sullivan C，Dev K K.The structure and function of the S1P1 receptor［J］.Trends Pharmacol Sci，2013，34(7) : 401－12.

［14］Doyle T，Chen Z，Obeid L M，et al.Sphingosine-1-phosphate acting via the S1P1 receptor is a downstream signaling pathway in ceramide-induced hyperalgesia［J］.Neurosci Lett，2011，499(1) : 4－8.

［15］Doyle T，Finley A，Chen Z，et al.Role for peroxynitrite in sphingosine-1-phosphate-induced hyperalgesia in rats［J］.Pain，2011，152(3) : 643－8.

［16］Janes K，Little J W，Li C，et al.The development and maintenance of paclitaxel-induced neuropathic pain require activation of the sphingosine 1-phosphate receptor subtype 1［J］.J Biol Chem，2014，289(30) : 21082－97.

［17］Okazaki H，Ishizaka N，Sakurai T，et al.Molecular cloning of a novel putative G protein-coupled receptor expressed in the cardiovascular system［J］.Biochem Biophys Res Commun，1993，190 (3) : 1104－9.

［18］Kays J S，Li C，Nicol G D.Expression of sphingosine 1-phosphate receptors in the rat dorsal root ganglia and defined single isolated sensory neurons［J］.Physiol Genomics，2012，44(18) : 889－901.

［19］Nishimura H，Akiyama T，Irei I，et al.Cellular localization of sphingosine-1-phosphate receptor 1 expression in the human central nervous system［J］.J Histochem Cytochem，2010，58(9) : 847－56.

［20］Coste O，Pierre S，Marian C，et al.Antinociceptive activity of the S1P-receptor agonist FTY720［J］.J Cell Mol Med，2008，12 (3) : 995－1004.

［21］Coste O，Brenneis C，Linke B，et al.Sphingosine 1-phosphate modulates spinal nociceptive processing［J］.J Biol Chem，2008，283(47) : 32442－51.

［22］Sim-Selley L J，Goforth P B，Mba M U，et al.Sphingosine-1-phosphate receptors mediate neuromodulatory functions in the CNS ［J］.J Neurochem，2009，110(4) : 1191－202.

［23］Welch S P，Sim-Selley L J，Selley D E.Sphingosine-1-phosphate receptors as emerging targets for treatment of pain［J］.Biochem Pharmacol，2012，84(12) :1551－62.

［24］Buzzi Fde C，Fracasso M，Filho V C，et al.New antinociceptive agents related to dihydrosphingosine［J］.Pharmacol Rep，2010，62(5) : 849－57.

［25］Muscoli C，Doyle T，Dagostino C，et al.Counter-regulation of opioid analgesia by glial-derived bioactive sphingolipids［J］.J Neurosci，2010，30(46) : 15400－8.

［26］Finley A，Chen Z，Esposito E，et al.Sphingosine 1-phosphate mediates hyperalgesia via a neutrophil-dependent mechanism［J］.PLoS One，2013，8(1) : e55255.

［27］Chi X X，Nicol G D.The sphingosine 1-phosphate receptor，S1PR1，plays a prominent but not exclusive role in enhancing the excitability of sensory neurons［J］.J Neurophysiol，2010，104 (5) :2741－8.

［28］Mair N，Benetti C，Andratsch M，et al.Genetic evidence for involvement of neuronally expressed S1P1 receptor in nociceptor sensitization and inflammatory pain［J］.PLoS One，2011，6(2) : e17268.

［29］Fujii Y，Hirayama T，Ohtake H，et al.Amelioration of collageninduced arthritis by a novel S1P1 antagonist with immunomodulatory activities［J］.J Immunol，2012，188(1) : 206－15.

［30］彭晶，兰天，黄凯鹏，等.黄连素调节鞘氨醇激酶-1-磷酸鞘氨醇信号通路抗糖尿病小鼠肾损伤的研究［J］.中国药理学通报，2011，27(11) :1544－9.

［30］Peng J，Lan T，Huang K P，et al.Berine ameliorates diabetic mouse renal injury through inhibition of SphK1-S1P signaling pathway［J］.Chin Pharmacol Bull，2011，27(11) : 1544－9.

Role of sphingosine-1-phosphate receptor 1 in pain modulation

HUANG Jin-lu，WAN Li-li，GUO Cheng
(Dept of Pharmacy，Shanghai Sixth People's Hospital Affiliated to Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200233，China)

Abstract:Sphingosine-1-phosphate receptor 1(S1PR1) is a new member of G protein-coupled receptor family.A great body of data suggest S1PR1 is capable of regulating lots of downstream signaling molecules and cellular processes.It is found that S1P/S1PR1 plays an important role in the development and maintenance of pain.However，it is controversial whether activation of S1PR1 would enhance or attenuate pain.Here，recent studies and current perspectives are discussed in order to better understand the biological and pathological roles of S1PR1 in pain modulation.

Key words:pain; nervous system; sphingosine-1-phosphate receptor 1; G protein-coupled receptor; sphingosine-1-phosphate; FTY720; agonist

作者简介:黄金路(1981－)，男，博士，药师，研究方向:分子药理学，E-mail: hjlpaper@163.com;郭澄(1965－)，男，主任药师，教授，博士生导师，研究方向:临床药学，通讯作者，E-mail: guoc@ sjtu.edu.cn

基金项目:上海交通大学附属第?六人民医院院级基金资助项目(院内－1578)

收稿日期:2015－01－03，修回日期:2015－03－03

文献标志码:A

文章编号:1001－1978(2015) 06－0755－05中国图书分类号: R-05; R392.11; R441.1

doi:10.3969/j.issn.1001－1978.2015.06.004