G蛋白耦连受体激酶在帕金森病发病机制中的研究进展

上海交通大学学报(医学版) Journal of Shanghai Jiaotong University (Medical Science) Vol． 31 No． 8 Aug． 2011 ［基金项目］上海市科委基金(0952nm03700，09JC1411000) ;上海市教委基金(10ZZ72) ;上海市白玉兰科技人才基金 (1009B097) ;国家自然科学 基金(81071025) (Shanghai Science and Technology Committee Foundation，0952nm03700，09JC1411000;Shanghai Education Committee Foundation， 10ZZ72;Shanghai Baiyulan Science and Technology Talent Foundation，1009B097;National Natural Science Foundation of China，81071025)。 ［作者简介］吴 娜(1985—) ，女，硕士生;电子信箱:nanakingkitty@ 163． com。 ［通信作者］刘振国，电子信箱:zhenguoliu2004@ yahoo． com． cn。 ［文章编号］ 1674-8115(2011)08-1194-04 ·综 述· G蛋白耦连受体激酶在帕金森病发病机制中的研究进展 吴 娜， 刘振国 (上海交通大学 医学院附属新华医院神经内科，上海 200092) ［摘要］ G蛋白耦连受体激酶(GRKs)是一类介导受体脱敏的重要可溶性蛋白质，是 G蛋白耦连受体(GPCRs)信号转导通路负 反馈机制中必不可少的因素。神经系统疾病中神经激素水平的升高，以及神经激素持续刺激引起的不利后果，表明了神经激素 受体反应性脱敏是一种非常重要的保护机制。近年来研究显示，GRKs 在帕金森病及其运动并发症的发展过程中起着重要作 用，其中 GRK6 主要定位于中型棘状神经元上，GRK6 敲除与多巴胺受体的超敏有关，是纹状体最关键的 GRKs。文章就近年来 GRKs在帕金森病发病机制中的研究进展进行综述。 ［关键词］帕金森病;G蛋白耦连受体激酶;G蛋白耦连受体;帕金森病 ［DOI］ 10． 3969 / j． issn． 1674-8115． 2011． 08． 032 ［中图分类号］ R746． 3 ［文献标志码］ A Research progress of G protein-coupled receptor kinases in pathogenesis of Parkinson's disease WU Na， LIU Zhen-guo ( Department of Neurology， Xinhua Hospital， Shanghai Jiaotong University School of Medicine， Shanghai 200092， China) ［Abstract］ G protein-coupled receptor kinases ( GRKs) are a class of important soluble proteins that mediate receptor desensitization． They are the essential elements in negative feedback mechanism of G protein-coupled receptors ( GPCRs) signaling pathway． Increased neurohormonal levels in nervous system diseases and adverse consequences in nervous system diseases induced by sustained neurohormonal stimulation indicate that the desensitization of neural receptors is a very important protection mechanism． Recent researches have revealed that GRKs play an important role in the development of Parkinson's disease and its motor complications． GRK6， which is localized in medium-sized spinous neurons， is the most critical GRKs in striatum． GRK6 knockout is related to the hypersensitivity of dopamine receptor． The research progress of GRKs in the pathogenesis of Parkinson's disease is reviewed in this paper． ［Key words］ Parkinson's disease; G protein-coupled receptor kinases; G protein-coupled receptor; Parkinson's disease 帕金森病(Parkinson's disease，PD)是一种原发 于黑质纹状体通路的神经系统变性疾病，病理特征 为黑质致密部的多巴胺(dopamine，DA)能神经元大 量退化和丢失。目前，PD治疗的“金标准”仍是左旋 多巴替代治疗，但是长期使用左旋多巴治疗会引起 各种运动并发症(异动症等)或疗效减退、症状波动， 而引发疾病的分子机制仍未明确。近年来，G 蛋白 耦连受体激酶(G protein coupled receptor kinases， GRKs)在 PD的研究中引起广泛关注。本文就 GRKs 在 PD发病机制中的研究进展作一综述。 1 GRKs及其作用机制 当外环境中存在受体激动剂时，受体与激动剂 结合，启动了 G 蛋白耦连受体(G protein-coupled receptors，GPCRs)介导的信号转导。当受体长期暴 露于激动剂，同样水平的激动剂将不能使受体的效 应器激活，即激动剂激活了 GPCRs后，还启动了一个 负反馈的过程，称为受体的失敏。受体的失敏是通 过受体激酶实现的，这个过程使膜信号减弱，避免了 过分刺激细胞引起的潜在损伤。 ·4911· No． 8 吴 娜，等:G蛋白耦连受体激酶在帕金森病发病机制中的研究进展 1． 1 GPCRs GPCRs是参与跨膜信号途径的最复杂的蛋白。 各种配体都可以刺激 GPCRs，如神经介质、激素、肽、 生物胺、核苷酸、脂类、钙离子和感觉类物质。许多 GPCRs在激动剂持续刺激时易发生转导信号的快速 衰减，发生机制主要与 3 类调节分子有关，即 GRKs、 arrestins和第二信使调节激酶(如蛋白激酶 A、蛋白 激酶 C)。 当配体(第一信使)与受体结合，受体的构象发 生变化，并通过 G蛋白调节膜效应蛋白(腺苷酸环化 酶、磷脂酶 C 和 A2、环磷酸鸟苷磷酸二酯酶和一些 离子通道)的活性;在细胞内第二信使水平变化后， 直接激活效应蛋白，导致细胞代谢和生物学反应［1］。 持续性激活刺激可导致 GPCRs 被 GRKs 磷酸 化，磷酸化的 GPCRs将与 arrestins而非 G蛋白结合， 导致 GPCRs 内化和脱敏，从而使信号转导过程受 阻［2，3］。GPCRs的信号转导很大程度上依赖于受体 脱敏的程度。体内和体外研究［4］均发现 arrestins 和 (或)GRKs的增多可以易化 GPCRs 的脱敏，两者表 达水平的降低可以引起 GPCRs 脱敏和内化的缺失， 从而引起受体的致敏。 1． 2 GRKs 在大部分细胞中，GRKs 以管家基因蛋白形式呈 低水平表达。目前，已克隆出哺乳动物的 7 个 GRKs 基因(GRK1 ～7)。根据序列和功能的相近性，GRKs 家族分为三个亚族。①视紫红质激酶亚族:包括 GRK1 和 7;GRK1 是视紫质(rhodopsin)激酶，仅在视 网膜光受体细胞表达，作用底物是视网膜的视蛋白; 人的 GRK7 基因仅在视网膜表达，包括所有的视网 膜神经元和锥体外节段部位。②β －肾上腺素受体 激酶亚族:包括 GRK2 和 3，广泛分布在心、脑、肺、 肾、骨骼肌等组织，分别称为 β －肾上腺素能受体激 酶 l(β-ARK1)和 β － 肾上腺素能受体激酶 2(β- ARK2)。③GRK4 亚族:包括 GRK4、5 和 6;GRK4 主 要分布于睾丸;GRK5、GRK6 是两种相关激酶，它们 与 GRK2、GRK3 一样，在全身各组织均有表达［5］; GRK4 和 GRK6 通过自身棕榈酰化，GRK5 则通过 N2 和 C2 末端的多基数区域转位至细胞膜上，与被激动 剂激活的受体结合，并使之发生磷酸化;该亚家族成 员的作用底物更广，并具有重复的底物特异性。 1． 3 arrestins 根据序列同源性、功能和组织分布可将 arrestins 分为四类。①arrestin 或 visual arrestin:又称 arrestin1， 主要分布于视网膜，介导光信号引起的视紫红质失 敏。②β-arrestin1 和 β-arrestin2:又分别称为arrestin2 和 arrestin3，它们之间有 78%的氨基酸序列是相同 的，分布广泛，以神经系统、淋巴系统分布最多，作用 于大量的 Gs 和 Gi 蛋白相耦连受体。③视锥体 arrestin:又称为 arrestin4，分布于视锥体、松果体、垂 体、肺，介导光信号在视锥体的失敏。④D-arrestin和 E-arrestin:在全身分布较广泛。 β-arrestin是磷酸化 GPCRs 的主要结合配体，调 节受体的功能。arrestins 不仅能作为脱敏蛋白，与激 动剂作用下的受体结合，使激活的受体与下游的 G 蛋白解耦连;而且，它增强了激活的受体与笼形蛋白 (clathrin)的结合，促进了受体的内吞和再循环。另 一方面，β-arrestin 又作为另一个信号转导通路的起 始因子，与脱敏的受体、激活的 c-Src 蛋白一起充当 MAPK信号转导途径中关键的结构成员［6］。 2 GRKs与神经系统疾病的关系 GRKs在 GPCRs 脱敏中起重要作用，GPCRs 参 与许多重要的功能，扰乱 GRKs 介导的 GPCRs 的调 节能导致疾病的发生。已经发现 GRK1 和 GRK4 基 因突变分别会导致人先天性夜盲症和高血压。 GRK2 在心脏发育中有一定作用。GRKs在某些疾病 如鸦片成瘾、癌症、抑郁症、类风湿关节炎和囊肿性 纤维化中也有调节作用。 2． 1 GRKs在 PD中的作用及可能机制 PD是向纹状体提供 DA 的 DA 神经元变性导致 的神经变性疾病。DA 替代治疗———左旋多巴，是最 有效的治疗方法，但会引起运动障碍，如异动症。基 底节 DA 的丢失改变了 DA 受体的信号转导，而 DA 耗竭引起的信号改变的分子机制和改变的程度均不 明确。DA耗竭导致的基底节 DA受体异常信号转导 在 PD和异动症的病理生理机制中发挥重要作用。 因此，研究 DA耗竭的纹状体中信号通路对研究 PD、 异动症的发病机制及其治疗方法起到关键作用。 DA受体属于 GPCRs 家族。持续刺激后，GRKs 使受体磷酸化，arrestins 与磷酸化受体结合，导致 GPCRs失敏。arrestins与受体结合后，通过 G蛋白抑 制信号，并导致受体内化。GRKs 和 arrestins 在亚细 胞结构中与信号分子的结合和重分布，不仅影响了 信号转导的强度，还影响了信号转导的方向和时 间［7］。组织学实验发现，GRK6 mRNA 在脑的许多部 位表达，而在 DA能神经支配的区域如黑质和背腹侧 纹状体，GRK6 mRNA 的表达水平比其他 GRKs 高; 免疫组织化学检测也发现，GRK6 表达于背腹侧纹状 ·5911· 上海交通大学学报(医学版) Vol． 31 体，说明 GRK6 可能是这里的主要受体激酶［8］。特 别需要指出的是，表达 DARPP-32 的神经元也同时表 达 GRK6 蛋白，而 DARPP-32 是 D1 和 D2 受体调节 的 DA能通路中的主要分子，是纹状体 GABA多棘神 经元的表面标志［9］。这些纹状体神经元主要接受多 巴能神经输入，表达不同水平的 D1 和 D2 受体，在成 瘾中发挥关键作用。此外，GRK6 蛋白还表达于大型 胆碱能神经元，后者代表了表达 D2 受体的纹状体神 经元［10］。因此，GRK6 主要表达于 D1 和 D2 受体的 神经元，说明该激酶与 DA受体信号的调节有关。 DA受体失调是 PD 的病理生理学基础。DA 受 体被 GRKs 和 arrestins 调节。对特定基因敲除小鼠 的研究［11，12］提示，GPCRs 可能会选择性地被某种亚 型 GRKs磷酸化，也选择性地与某种 arrestins 亚型结 合。在纹状体区，D1 受体多与 arrestin3 结合［13］，而 D2 受体则多与 arrestin2 结合［14］。arrestin2、arrestin3 以及 GRK2、3、5、6 都在脑中表达，且都与 GPCRs 有 关系。GPCRs被不同 GRKs 磷酸化后，对 G 蛋白介 导的信号转导影响不同。GPCRs 信号转导通过 arrestins和 GRKs介导的复杂方式被调节［15，16］。Ahmed 等［17］发现，在苍白球，损伤侧 GRK2、3、5、6 减少;在 尾壳核尾部(cCPu) ，GRK2、3、6 由于 DA 耗竭而减 少;苍白球 GRKs 蛋白的减少与 mRNA 变化相似; GRK3 在右侧尾壳核(rCPu)减少，而其他亚型无改变 或未上调;GRK6 蛋白和 mRNA在 rCPu和伏核上调。 长期左旋多巴治疗不能维持 arrestins 和 GRKs 的正 常水平;但在某种情况下引起了其他改变，如细胞外 调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases， ERK)表达的改变。相反，长期使用 DA 激动剂培高 利特(对人类引发异动症的概率较低，对于动物敏感 性较低) ，有使这些蛋白表达正常化的趋势。在 rCPu，GRK2 蛋白由于左旋多巴作用而在大多数细胞 中增多。相似的是，左旋多巴上调了胞膜中的 arrestin3。在 cCPu中，GRK5 由于左旋多巴作用在胞 膜的表达下调，而此亚型在胞膜分布最丰富;说明发 生 PD时，DA的缺失和(或)DA 受体的过度刺激不 仅改变了 arrestins和 GRKs亚型的水平，还影响了受 体的信号转导。因此，这些蛋白可能是抗 PD治疗的 靶蛋白。 持续性刺激、阻断剂、对 GPCRs刺激的缺失可调 节 arrestins 和 GRKs 在体内外的表达。Bezard 等［18］ 发现:以猴为实验动物，1 －甲基 － 4 －苯基 － 1，2，3， 6 －四氢吡啶(MPTP)损伤组中，arrestin2 和 GRK6 在 脑大部分区域的表达明显增加，GRK2 在尾状核和内 侧苍白球的表达增加;左旋多巴治疗组与对照组没 有明显差异;异动症组惟一的变化是腹侧纹状体 GRK3 增多;MPTP 组中，伴随着 arrestins 和 GRKs 表 达的改变，ERK活性增加且表达增多，左旋多巴可逆 转此结果。该结果说明，arrestins 和 GRKs 与 PD 病 理学及左旋多巴治疗有关。此外，Bychkov 等［19］通 过对人类尸检，采用Western blotting和核糖核酸酶保 护分析法，发现无痴呆或有痴呆的 PD 患者纹状体 中，arrestins和 GRKs的表达发生了改变;无痴呆组和 有痴呆组纹状体 DA耗竭的程度相似;有痴呆组纹状 体 arrestins蛋白和 mRNA 增多;GRK5 蛋白和 mRNA 是纹状体的主要亚型，与 GRK3 均上调，而 GRK2 和 6 大多数无改变;无痴呆组 arrestins 和 GRKs 的浓度 比有痴呆组低;有痴呆组 arrestins 和 GRKs 上调可能 会耐受左旋多巴的治疗效果。Arrestins 和 GRKs 浓 度升高可能通过多种信号机制紊乱导致 PD 患者发 生痴呆。 2． 2 GRK6 在 PD中的作用及可能机制 GRK6 在大脑广泛表达，GRK6 mRNA 在尾壳核 的表达水平高于其他 GRKs，说明 GRK6 是大脑中起 主要作用的受体激酶。此外，GRK6 mRNA 也在 DA 能神经支配的区域表达，如黑质［7］。Gainetdinov 等［20］发现，GRK6 蛋白在小鼠纹状体 GABA 能多棘 神经元和胆碱能中间神经元中表达量很高。这些神 经元接收 DA能神经输入，在脑部疾病(如成瘾、精神 分裂症、亨廷顿病等)中起重要作用。因此，GRK6 在 神经系统疾病中起很重要的作用。 在体外实验中，GRK6 能调节神经系统的 GPCRs，包括 D2、D3、阿片受体。然而，这种激酶在脑 内的作用尚不清楚。长期阿片肽受体激动剂和拮抗 剂治疗会引起 GRK6 在大鼠脑中表达明显改变，说 明 GRK6 与阿片肽受体有关;但在热板法吗啡止痛 实验中，同其他 GRKs 突变体一样，GRK6 缺失的小 鼠与野生型小鼠的表现无明显差别，没有特殊的行 为学改变。与其他突变型不同的是，缺失 GRK6 的 小鼠对精神刺激药超敏感，如吗啡、安非他明、内源 性 β －苯乙胺(β-PEA) ，引起了异常的运动刺激作 用。在生物化学试验中，GRK6 缺失的小鼠 D2 受体 与 G蛋白耦连增加，D2 受体亲和力增加;而且，无论 是正常动物还是 DA 缺失的动物，DA 受体激动剂导 致的运动反应均增加，说明突触后膜的 D2 受体是 GRK6 的生理学目标［21］。可卡因和其他精神刺激药 引起的改变，说明依赖 GRK6 的调节机制可能是导 致不同病理状态下中枢 DA 能超敏感的原因，如成 ·6911· No． 8 吴 娜，等:G蛋白耦连受体激酶在帕金森病发病机制中的研究进展 瘾。此外，杂合子小鼠 GRK6 表达减少 50%，但对精 神刺激药的运动反应与完全敲除该基因的小鼠相 同;说明人 GRK6 基因的微小变异或药物导致的 GRK6 表达及活性改变，可能是个体对影响 DA 功能 的药物滥用敏感的原因。此外，GRK6 缺失或减少时 DA激动剂刺激引起的超敏，提示了治疗精神分裂 症、儿童秽语多动症或 PD 时 DA 受体超敏的机制 或不良反应与 GRK6 介导的 DA 受体调节作用有 关［22］。说明在 DA能信号被限制时，如发生 PD 时， 影响 GRK6 表达或活性的药物将发挥作用。 Ahmed等［23］发现，病毒介导的纹状体 GRK6 过 度表达使 PD大鼠旋转行为改善，通过促进 D1 受体 内化及信号转导，减轻了异动症;相反，GRK6 敲除后 加重了旋转行为，使异动症趋向严重。在猴模型中， GRK6 增多抑制了异动症，但没有影响左旋多巴的抗 PD效果，甚至没有延长低剂量左旋多巴的抗 PD 效 果。因此，GRK6 可能是治疗 PD的潜在靶点。 3 结 语 总之，GRKs及 arrestins 表达量及亚细胞分布的 改变对 PD而言是非常重要的因素，在神经系统疾病 细胞信号转导中起重要作用。GPCRs 是人体内最大 的膜受体蛋白家族，对 GPCRs、GRKs、arrestins 及其 功能的研究不仅有助于了解细胞信号转导机制，阐明 疾病的致病机制，还可为药物的研发提供新的思路。 ［参考文献］ ［1］Luttrell LM，Lefkowitz RJ． The role of beta-arrestins in the termina- tion and transduction of G-protein-coupled receptor signals［J］． J Cell Sci，2002，115(Pt 3) :455 － 465． ［2］DeWire SM，Lefkowitz RJ，Shenoy SK，et al． Beta arrestins and cell signaling［J］． Annu Rev Physiol，2007，69:483 － 510． ［3］Gurevich EV，Gurevich VV． Arrestins:ubiquitous regulators of cel- lular signaling pathways［J］． Genome Biol，2006，7(9) :236． ［4］Willets JM，Nash MS，Challiss RA，et al． Imaging of muscarinic acetylcholine receptor signaling in hippocampal neurons:evidence for phosphorylation-dependent and -independent regulation by G-protein-coupled receptor 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