钠氢交换蛋白1的结构、功能、磷酸化及抑制剂的研究进展

张欢

【摘要】作为维持体内酸碱平衡、保持体内电解质分布合理的质子泵，钠氢交换蛋白（Na+/H+ exchanger protein，NHE）不仅可以随着细胞正常机能状态变化做出相应地自身调节，也在很多疾症和肿瘤中参与细胞的凋亡、分化、增殖和迁移。同时，钠氢交换蛋白家族中第一个被发现的亚型NHE1，还有着特殊的“管家蛋白”的身份，令人棘手的是很多疾病的病理生理离不开它；但是换种角度考虑，临床上又可以以它作为突破点，发现新的治疗思路与药物。为了更好地认识钠氢交换蛋白，本文综述了NHE1的生理功能、致使NHE1磷酸化的因子和信号途径以及其特异性抑制剂的最新研究。

【中图分类号】R4 【文献标识码】A 【文章编号】1671-8801（2016）03-0004-02

钠氢交换蛋白（NHE1）家族是一类存在于所有真核细胞、定位于胞膜上的跨膜转运蛋白，又有“管家蛋白”之称。一方面它是NHEs家族中的最早被发现的。另一方面，是由于它的功能直接关系到整个细胞的生死存亡：它在正常生理状态下主要是调节细胞内的酸碱度、维持细胞正常体积；它在异常生理状态中如在肿瘤中参与调节细胞的伪足形成、增殖、迁移和侵袭；在心血管疾病中与心肌肥大、心肌缺血再灌注造成的损伤有关[1]；在近端肾小管中涉及水钠的重吸收及肾细胞的凋亡[2]；在脑损伤后神经元缺血缺氧的状态下抑制NHE1的表达和活性又可以起到保护神经元的作用，等等。在现有的研究中，NHE1发挥作用最主要是自身的活化，最主要的活化形式是磷酸化，完成磷酸化形式除了可以与蛋白结合，它自身还有很多磷酸基团结合位点。当它的生理作用和机制逐一被挖掘出来后，它的特异性抑制剂不断研发推进，如何让NHE1扬长避短，变身治疗疾症和肿瘤的利剑，成为临床医师最为关注的研究热点。

1、NHE1的结构和生理功能

1.1 NHE1的结构

1996年，Sardet首次阐述钠氢交换蛋白（钠氢泵）NHE1是一种糖蛋白，广泛表达在细胞膜上。最新的研究表明，NHE1由815个氨基酸组成，其中1-500位氨基酸组成N-terminal疏水膜，而501-815位氨基酸组成C-terminal亲水膜。N-terminal由12个α螺旋跨膜结构域构成，行使NHE1的主要职责既通过等比例对换胞内的氢离子和胞外的钠离子来调节细胞内的酸碱度（pHi），该区域也被认为是NHE1抑制剂的结合区[21]。从以往的文献来看，对N-terminal研究地比较多，也比较明确。研究发现在N-terminal的氨基酸有突变情况发生的时候，可以导致一些TM发生改变，从而赋予了它抵抗抑制剂的能力，甚至原有功能的丧失。至于C-terminal，它有很多磷酸基团和蛋白结合的结合位点，通过磷酸化和与其他蛋白的作用来调节NHE1的活性。通过剖析它的氨基酸结构我们可以推测它的生理作用远远不止调节pHi，可能还有其他重要的功能，影响着细胞的正常运转和疾病转归。

2.1 NHE1的生理功能

2.1.1调节细胞分化和体积

Li等人在 2009阐述了NHE1蛋白的表达有助于胚胎干细胞分化为心肌细胞。这与最近Mark D 阐述的永生化大鼠近端小管细胞（rat proximal tubule cells，RPTCs）的分化过程中，NHE1的表达/激活是增加的结论相一致。但是，还不能肯定NHE1的表达/激活的增加能促进分化。在高渗环境的刺激下NHE1会发挥调节细胞体积的作用来减缓细胞凋亡。综上所述，NHE1有多种调节细胞的功能如调控细胞分化和体积，但是二者是否互为充分必要条件仍然存在不同见解，需要更多的研究数据解决这一问题。

2.1.2调节细胞的凋亡

Carraro-Lacroix 等人在使用顺铂诱导肾近端小管细胞凋亡的过程中，发现NHE1会通过激活丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶B来抵抗细胞凋亡。这与Manucha和Darmellah等人的结论不谋而合，在输尿管梗阻的新生大鼠模型中，抑制NHE1的表达加速了小管上皮细胞的凋亡。与此同时，也有与之截然相反的研究结论，Karki 等人在对心肌细胞进行缺氧-复氧的处理后，NHE1的过表达却推进了心肌细胞的凋亡。在近期的研究中发现干扰一种鸟苷酸激酶，可以改变膜转运功能，进而影响NHE1介导心肌细胞凋亡的过程。由此可知，NHE1到底在细胞生存凋亡中扮演什么角色还要视细胞种类而定。进而也可推断，可能存在多种途径、多种成分调控NHE1参与细胞生存凋亡过程。

可以明确的是，NHE1基因在乳腺癌、黑色素瘤和肾癌等多种肿瘤细胞中呈高表达。进一步发现，NHE1可被各种肿瘤发生刺激因子以及各种化学试剂和药物过度活化。然后在这种种的刺激因子中，很多都离不开最后一步，就是磷酸化NHE1来达到活化NHE1的目的。

3、NHE1的磷酸化

Salazar率先阐述了在凝血酶和生长因子处理后，NHE1的磷酸化水平显著提高，Wakabayashi 等随后也报道了NHE1主要的磷酸结合位点位于C-terminal的636-815位氨基酸。敲除这些结合位点可减少50%生长因子对胞质碱化的作用。有磷酸化就会有去磷酸化，磷酸酶蛋白，如磷酸酶蛋白1、磷酸酶蛋白2A就被Misik等人证明它们均是通过去磷酸化作用来终止NHE1的活性。除了这两种直接磷酸化/去磷酸化作用，还有很多不同的生化途径在NHE1的磷酸化/去磷酸化的途径中发挥了不可小觑的作用。

3.1 MPK-GPCRs 通路

GPCRs（G protein coupled receptors）指的是包含有七种细胞膜表面受体的胞外结构域，与配体结合，通过鸟嘌呤绑定蛋白作为媒介，与胞内结构域传递信号。GPCRs由α、β和γ三个亚单位组成。Gα有四个原始家族成员G个s、G个i、G个q、G个11/12组成。Gα与其他两个亚单位的不同之处在于它可以激活效应器和酶类如腺苷酸环化酶和磷脂酶C。激活Gαq能观察到NHE1对pHi的敏感性明显提高，提示NHE1被激活。G2可以被多种αⅠ-AR激动剂激活。

3.2 MARKs

MARKs，尤其是ERK1/2和p38MARKs（p38），在通过GPCRs途径活化NHE1过程中起着重要作用。有很多刺激因子如 PE和生长因子可以通过激活ERK途径，最终活化NHE1。Ras是MARKs信号途径的一个中间蛋白，属于GDP蛋白的一种，它可能可以同时激活NHE和ERK。在这个过程中ERK就像一个筛子过滤出可以激活NHE1的细胞外刺激因子，这有助于Gγ更好地与ERK结合来磷酸化NHE1，从而激活NHE1。这些充分说明MARKs活化NHE1是通过ERK1/2途径。另外，近来的研究证实ERK1/2是NHE1的上游因子之一，提示激活ERK1/2会伴随NHE1的活化。

3.3 RSK家族

RSK是ERK1/2途径的下游效应器，RSK家族由四个RSK亚型（RSK1-4）构成。虽然Karki 等人在2010年就证实激活RSK1和RSK2可以磷酸化C-terminal的Ser703，它是14-3-3绑定蛋白序列的残基端，从而激活NHE1；而且，激活如AngⅡ一类的受体同样也可以通过磷酸化RSK来激活NHE1。既然RSK促使NHE1活化作用已经很明确了，下一步应该更深入地研究RSK是不是在所有的细胞中都能磷酸化NHE1；通过RSK磷酸化的NHE1是不是能起到正确开启NHE1生理作用。

4、NHE1的抑制剂

至今为止，人们发现了数种NHE1的特异性抑制剂。阿米洛利（Amiloride）衍生物， EIPA是第一代NHE1抑制剂。随后，第二代NHE1抑制剂也被研发出来，有EMD87850，卡立泊来德，依泊来德和BIIB513。其中BIIB513是这三者中最具特异性的NHE1抑制剂。第二代抑制剂有效的选择性地抑制NHE1和NHE2，BIIB513的抑制能力是卡立泊来德的八倍左右。第三代为沙泊来德及其衍生物。在大鼠心肌缺血再灌注模型中，第三代抑制剂表现出很好的心肌保护能力。根据资料统计，在体内外研究中，第一代阿米洛利和第二代卡立泊来德是应用最广的抑制剂，已经被临床证实有效并在推广应用。而第三代沙泊来德及其衍生物在动物模型中表现出更加优越的抑制性。综上所述，需要更多的实验和临床数据挑选出最合理有效的抑制剂以用于临床疾病的治疗。

参考文献

[1]Chang H B， Gao X， Nepomuceno R， et al. Na+/H+ exchanger in the regulation of platelet activation and paradoxical effects of cariporide[J]. Experimental neurology， 2015， 272： 11-16.

[2]Parker M D， Myers E J， Schelling J R. Na+–H+ exchanger-1 （NHE1） regulation in kidney proximal tubule[J]. Cellular and Molecular Life Sciences， 2015， 72（11）： 2061-2074.