β-抑制蛋白2調(diào)節(jié)炎癥性疾病作用機(jī)制的研究進(jìn)展

馮梅婷，羅禮君

炎癥性疾病是一類具有共同炎癥信號通路和潛在病因的疾病(包括過敏性哮喘、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、牙周炎等)，發(fā)病因素復(fù)雜，在異常免疫反應(yīng)、遺傳易感性和環(huán)境因素影響下可能引起宿主免疫失調(diào)，進(jìn)而導(dǎo)致急性或慢性炎癥性損傷。研究顯示，大多數(shù)G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptor，GPCR)可作為重要的促炎和抗炎調(diào)節(jié)劑，通過不同信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在炎癥性疾病中發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)[1-4]。β-抑制蛋白2(β-arrestin 2，β-Arr2)因在GPCR功能中的脫敏作用被發(fā)現(xiàn)，是多種信號通路的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑。隨著對β-Arr2調(diào)節(jié)炎癥性疾病作用的深入研究，其調(diào)節(jié)GPCR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的作用機(jī)制也被進(jìn)一步闡述。同時，也有研究表明，β-Arr2還可通過GPCR之外的其他途徑發(fā)揮生理和病理生理的調(diào)節(jié)作用[5-6]。

1 β-Arr2結(jié)構(gòu)及作用

1.1 β-Arr2的結(jié)構(gòu)

抑制蛋白家族是一類信號調(diào)控蛋白，包括2種僅在視網(wǎng)膜中表達(dá)的視覺抑制蛋白以及2種普遍表達(dá)的抑制蛋白，后者即β-Arr1和β-Arr2。兩者在結(jié)構(gòu)上具有高度同源性，均參與多種胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路并在眾多生理和病理生理過程中發(fā)揮重要作用。β-Arr2是一種支架蛋白，位于細(xì)胞質(zhì)和質(zhì)膜上，其前綴“β”是因其所記載的第一個受體底物是β2-腎上腺素受體，“arrestin”來源于其最初的功能是與G蛋白競爭性結(jié)合GPCR從而抑制GPCR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。β-Arr2由20條β鏈和單個α螺旋組成，具有N域和C域兩個主要結(jié)構(gòu)域，兩者通過短的“鉸鏈區(qū)”相連[7]，包含的功能域使其能夠與受體以及各種中間體結(jié)合，該結(jié)構(gòu)是其發(fā)揮不同功能的前提。

大量研究表明，抑制蛋白需要發(fā)生構(gòu)象變化才能結(jié)合磷酸化的GPCR。β-Arr2作為一種單體，本身不產(chǎn)生第二信使，但其獨(dú)特結(jié)構(gòu)和支架功能構(gòu)成了不同途徑激活GPCR的基礎(chǔ)[7]。

1.2 β-Arr2在G蛋白依賴性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用

GPCR是人類基因組中最大的一組膜蛋白，主要信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子包括異源三聚體G蛋白、G蛋白偶聯(lián)受體激酶(G protein-coupled receptor kinases，GRKs)及抑制蛋白。其中，異源三聚體G蛋白由Gα、Gβ和Gγ亞基組成。眾多研究表明，β-Arr2抑制GPCR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的過程基本相似[3-4,8]。激動劑與GPCR結(jié)合，刺激Gα亞基釋放二磷酸烏苷(guanosine diphosphate, GDP)，GPCR與Gα亞基形成具有高親和力的復(fù)合物。之后，空的Gα核苷酸結(jié)合鏈募集三磷酸烏苷(guanosine triphosphate, GTP)，誘導(dǎo)G蛋白解離為Gα和Gβγ亞基。解離的亞基與腺苷酸環(huán)化酶、GRKs等各種效應(yīng)分子相互作用，激活下游信號通路。同時，該亞基將GTP水解為GDP，使激活的G蛋白回到靜息狀態(tài)。在GPCR第三胞內(nèi)環(huán)或羧基末端尾部中，β-Arr2聚集并以高親和力結(jié)合到GRKs磷酸化的絲氨酸和蘇氨酸殘基上，通過降解胞內(nèi)第二信使(如cAMP)[8]，終止G蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，這就是經(jīng)典的脫敏作用。

除此之外，β-Arr2還可通過內(nèi)化機(jī)制進(jìn)一步補(bǔ)充GPCR的脫敏過程[9]。與磷酸化的GPCR結(jié)合后，β-Arr2構(gòu)象發(fā)生變化，可發(fā)揮支架作用，將GPCR連接到網(wǎng)格蛋白包被的凹坑上，促進(jìn)GPCR-arrestins復(fù)合物形成，啟動GPCR的內(nèi)化過程。研究表明，GPCR-arrestins囊泡的內(nèi)化作用是由GPCR激活的β-Arr2羧基末端尾部、胞膜內(nèi)吞蛋白、網(wǎng)格蛋白及激活蛋白-2之間的相互作用介導(dǎo)[10-11]。β-Arr2的這種銜接子功能對GPCR內(nèi)化以及β-Arr2依賴信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程至關(guān)重要。內(nèi)化時低pH值促進(jìn)激動劑解離，引起β-Arr2的釋放。內(nèi)化后，GPCR可以循環(huán)回到細(xì)胞質(zhì)膜重新敏化，或者在溶酶體中降解。

另外，泛素化和去泛素化可作為調(diào)節(jié)GPCR的“開關(guān)”來協(xié)調(diào)其對β-Arr2的募集、β-Arr2構(gòu)象變化及和下游信號蛋白相互作用。β-Arr2通過與E3泛素連接酶和去泛素酶結(jié)合，后者將GPCR-arrestins囊泡引導(dǎo)至溶酶體內(nèi)發(fā)生降解或進(jìn)入再循環(huán)途徑，從而調(diào)節(jié)GPCR在細(xì)胞表面的表達(dá)。相關(guān)研究顯示，β-Arrs的泛素化可調(diào)節(jié)受體運(yùn)輸，瞬時泛素化導(dǎo)致受體的快速循環(huán)，而穩(wěn)定泛素化將受體靶向內(nèi)體進(jìn)行降解[12]。目前已知β-Arr2的泛素化過程參與介導(dǎo)其內(nèi)化機(jī)制，但確切的方式或原因尚不清楚。配體結(jié)合后GPCR活化的作用模式如圖1所示。

圖1 配體結(jié)合后GPCR活化作用模式圖Fig.1 The GPCR activation after ligand binding

1.3 β-Arr2在非G蛋白依賴性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用

β-Arr2最初被認(rèn)為是G蛋白信號傳導(dǎo)(通過空間位阻作用)的負(fù)調(diào)節(jié)因子。隨著研究的逐漸深入，β-Arr2被認(rèn)為是多功能支架蛋白，在多個非G蛋白依賴信號通路中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

如前所述，β-Arr2與激活的GPCR相互作用使GPCR信號脫敏并發(fā)生隨后的內(nèi)化機(jī)制。除此之外，β-Arr2還可充當(dāng)支架蛋白與信號傳導(dǎo)中間體偶聯(lián)，啟動β-Arr2依賴性細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)某些配體可選擇性激活G蛋白依賴性或非G蛋白依賴性信號通路，這樣的配體稱為“偏向配體”或“配體導(dǎo)向信號”。偏向配體可通過誘導(dǎo)GPCR的不同活性構(gòu)象選擇性激活或抑制β-Arr2依賴性信號通路。這種偏向信號還有利于開發(fā)高選擇性藥物，為疾病提供更精準(zhǔn)的治療作用。在β2-腎上腺素受體和神經(jīng)激肽1受體(neurokinin 1 receptor，NK1R)的P物質(zhì)參與下，β-Arr2通過介導(dǎo)非G蛋白依賴性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑將非受體酪氨酸激酶(nonreceptor tyrosine kinase，c-Src)募集到受體，并促進(jìn)絲裂原活化蛋白(mitogen-activated protein，MAP)激酶細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinases 1 and 2，ERK1和ERK2)活化[13]。研究表明，c-Src家族的許多成員可以被β-Arr2募集到不同的GPCR上。因此，β-Arr2介導(dǎo)的依賴性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)可通過阻止G蛋白依賴性信號傳導(dǎo)，同時充當(dāng)傳感器引發(fā)新的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)波，如激活ERK1/2。相關(guān)研究表明，使用蛋白激酶C抑制劑抑制G蛋白信號傳導(dǎo)后，β-Arr2依賴的磷酸化ERK活性依然持續(xù)存在，并且僅存在于內(nèi)吞小泡中，證明該磷酸化ERK信號獨(dú)立于G蛋白途徑[14]。

另外，在β-Arr2相關(guān)信號傳導(dǎo)過程中，配體可能選擇性激活β-Arr2依賴性或非依賴性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。例如，激活突變型(DRY/AAY)血管緊張素1A受體(angiotensin type 1A receptor，AT1AR)會導(dǎo)致β-Arr2募集和ERK信號激活，而不能激活G蛋白介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)途徑[14]。這表明存在兩條平行的獨(dú)立途徑，而配體引起的生理反應(yīng)差異，其中的機(jī)制尚待研究。

1.4 其他生物學(xué)作用

1.4.1 調(diào)節(jié)趨化因子受體 目前研究表明，趨化因子和趨化因子受體通過協(xié)調(diào)白細(xì)胞遷移及控制其定位，在炎癥及腫瘤的浸潤和轉(zhuǎn)移中發(fā)揮重要作用。趨化因子受體CXCR7是前列腺癌對恩雜魯胺敏感性的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，其通過非G蛋白依賴性機(jī)制募集β-Arr2以激活MAPK/ERK信號通路，表明β-Arr2參與調(diào)節(jié)CXCR7信號傳導(dǎo)[15]。另外也有研究證實(shí)，在角質(zhì)形成細(xì)胞衍生的趨化因子(chemokines，KC)誘導(dǎo)的白細(xì)胞-內(nèi)皮相互作用中，最早KC觸發(fā)的整合素激活事件中需要β-Arr2，其在趨化因子刺激Gα激活的下游發(fā)揮作用[16]。從機(jī)制上來看，趨化因子受體與β-Arr2相互作用以刺激受體脫敏和激活下游信號通路，這對細(xì)胞趨化性是必不可少的。因此，β-Arr2既作為受體脫敏的調(diào)節(jié)劑，又是導(dǎo)致定向運(yùn)動信號級聯(lián)的新型關(guān)鍵支架中間體。

1.4.2 抑制細(xì)胞凋亡 有研究表明，β-Arr2可作為細(xì)胞凋亡的負(fù)調(diào)節(jié)因子影響細(xì)胞增殖。在缺乏抑制蛋白的情況下，GPCR激活會啟動快速細(xì)胞凋亡，證明抑制蛋白在抑制受體介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡中起著關(guān)鍵作用[17]。Toll樣受體2(Toll-like receptors 2，TLR2)是Toll樣受體家族中的關(guān)鍵免疫受體，在先天免疫反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，有研究表明其可能影響癌癥的進(jìn)展和轉(zhuǎn)移，而β-Arr2通過與信號通路相關(guān)介質(zhì)相互作用調(diào)節(jié)TLR2信號從而抑制細(xì)胞凋亡。有研究發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)染的HEK293細(xì)胞、人永生化顆粒細(xì)胞系(hGL5)和卵巢癌細(xì)胞系A(chǔ)2780中，β-Arr2的高表達(dá)增強(qiáng)了細(xì)胞活力，其在調(diào)節(jié)GPCR誘導(dǎo)的增殖和抗凋亡信號中有重要作用[18]。

1.4.3 抑制腫瘤生長和轉(zhuǎn)移 β-Arr2通過一系列受體亞型參與多種癌癥相關(guān)信號和過程。近年來，有學(xué)者通過使用生物信息學(xué)和遺傳方法確定了β-Arr2在腎細(xì)胞癌(renal cell carcinoma，RCC)腫瘤生長中的作用：RCC細(xì)胞敲除β-Arr2后，細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲受到抑制，且β-Arr2參與調(diào)節(jié)腫瘤生長的c-Src活性、細(xì)胞周期蛋白A表達(dá)和細(xì)胞周期進(jìn)程，這些結(jié)果均表明β-Arr2是RCC腫瘤生長的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[19]。SUMO化(SUMOylation)是一種嚴(yán)格控制的翻譯后修飾，在調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)功能中具有關(guān)鍵作用。有研究表明，β-Arr2的SUMO化缺陷抑制了乳腺癌細(xì)胞的遷移，并證實(shí)其參與了乳腺癌細(xì)胞的β-Arr2依賴性代謝調(diào)節(jié)[20]。另外，最近的一項(xiàng)研究揭示了β-Arr2在氧傳感機(jī)制中的新功能：β-Arr2促進(jìn)缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factor-1，HIF-1)的降解。HIF-1α 是氧穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)節(jié)器，在人膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞中β-Arr2過表達(dá)會抑制HIF-1α信號傳導(dǎo)、腫瘤生長和血管生成。β-Arr2通過減少HIF-1α表達(dá)、抑制血管生成在膠質(zhì)瘤生長、侵襲和轉(zhuǎn)移中發(fā)揮負(fù)調(diào)節(jié)作用[21]。上述研究表明，β-Arr2在多種癌癥相關(guān)信號通路和過程中發(fā)揮作用，未來的研究可考慮將其作為針對腫瘤發(fā)展和轉(zhuǎn)移治療干預(yù)的靶標(biāo)。

2 β-Arr2參與炎癥性疾病的作用及機(jī)制

2.1 過敏性哮喘

過敏性哮喘是一種常見的慢性炎癥性疾病，主要病理學(xué)變化是持久的氣道炎癥，Th2細(xì)胞向肺遷移是其發(fā)生炎癥的關(guān)鍵，且受趨化因子受體的調(diào)節(jié)[22]。研究表明，β-Arr2依賴性途徑下游的趨化因子受體調(diào)節(jié)哮喘的促炎過程。Walker等[23]通過使用哮喘小鼠模型，第一次證明了β-Arr2在疾病發(fā)病機(jī)制中的作用，該研究發(fā)現(xiàn)：缺乏β-Arr2的小鼠構(gòu)建哮喘模型后不會出現(xiàn)哮喘表型(包括氣道炎癥、氣道高反應(yīng)和升高的Th2細(xì)胞因子等癥狀和體征)，表明β-Arr2的表達(dá)是小鼠哮喘表型發(fā)展所必需的；并且β-Arr2 KO小鼠體內(nèi)CD4+T細(xì)胞向肺遷移過程中存在缺陷，即Th2細(xì)胞肺轉(zhuǎn)運(yùn)水平下調(diào)。另一項(xiàng)研究進(jìn)一步顯示，Th2細(xì)胞趨化性部分依賴于β-Arr2獨(dú)立的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，證實(shí)β-Arr2依賴性通路對于哮喘發(fā)病機(jī)制的重要性[24]。所以，β-Arr2可能通過其作為支架蛋白的作用，正向調(diào)節(jié)T細(xì)胞的趨化性，但其調(diào)節(jié)T細(xì)胞趨化性的機(jī)制目前仍不清楚。

2.2 類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis，RA)

RA是一種常見的自身免疫性關(guān)節(jié)病，臨床特征包括滑膜炎癥和增生，可導(dǎo)致軟骨損傷和關(guān)節(jié)最終完全破壞[25]。在體內(nèi)，細(xì)胞因子是參與RA發(fā)病機(jī)制的關(guān)鍵因素。腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)中和療法可減緩或預(yù)防RA中骨和軟骨損傷，減輕癥狀和體征。目前的研究證明，TLRs參與實(shí)驗(yàn)性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展。研究顯示：與野生型小鼠相比，β-Arr2 KO小鼠建立的實(shí)驗(yàn)性關(guān)節(jié)炎模型表現(xiàn)出更為嚴(yán)重的病損，并首次證明了p38途徑調(diào)節(jié)TNF-α和透明質(zhì)酸(hyaluronan，HA)誘導(dǎo)的β-Arr2蛋白水平增加[26]。另外，也有學(xué)者研究了丹參酮ⅡA對RA患者炎癥反應(yīng)的具體作用，結(jié)果顯示其通過上調(diào)β-Arr2來抑制TNF-α和IL-6等炎癥細(xì)胞因子的表達(dá)，從而減輕炎癥反應(yīng)[27]。

已有充足的研究證明，β-Arr2在TLRs激活先天性免疫中發(fā)揮負(fù)調(diào)節(jié)作用，有望在RA治療中發(fā)揮作用。

2.3 炎癥性腸疾病(inflammatory bowel disease，IBD)

IBD是一種慢性復(fù)發(fā)性炎癥性疾病，包括潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis，UC)和克羅恩病(Crohn′s disease，CD)兩種類型。IBD典型特征是炎癥細(xì)胞浸潤和炎癥細(xì)胞因子表達(dá)異常，導(dǎo)致腸黏膜損傷和持續(xù)的腸道炎癥。現(xiàn)有研究表明，針對腸道微生物群的異常黏膜免疫反應(yīng)是導(dǎo)致易感個體患病的原因[28]。因此，通過調(diào)控腸道免疫系統(tǒng)中的炎癥細(xì)胞因子產(chǎn)生有望延緩或防止IBD的發(fā)展。Sharma等[29]證明，β-Arr2通過抑制T細(xì)胞分化并減少炎癥細(xì)胞浸潤，抑制結(jié)腸炎進(jìn)展。另一項(xiàng)有關(guān)結(jié)腸炎的研究卻顯示：β-Arr2通過激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，上調(diào)細(xì)胞凋亡信號，促進(jìn)腸上皮細(xì)胞凋亡，表明β-Arr2表達(dá)是結(jié)腸炎的易感因素[30]。兩項(xiàng)研究結(jié)果的不同間接顯示β-Arr2通過參與不同途徑來調(diào)節(jié)IBD的發(fā)生和發(fā)展，另外腸道微生物菌群的差異也可能影響疾病的不同進(jìn)展。

2.4 牙周炎

牙周炎是發(fā)生在牙周支持組織的炎癥性疾病，特征是牙齦炎癥、牙槽骨吸收、附著喪失增加等。TLRs可以識別牙周病原體，激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，啟動免疫和炎癥反應(yīng)以消除入侵的病原體[31]。已有研究顯示β-Arr2可通過與信號通路介質(zhì)相互作用對TLRs信號產(chǎn)生負(fù)向調(diào)節(jié)。然而，關(guān)于β-Arr2調(diào)節(jié)牙周炎發(fā)生發(fā)展的作用機(jī)制研究較少。蛋白酶激活受體(protease-activated receptor 2，PAR2)屬于GPCR超家族成員之一，已證明其激活可促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞遷移和炎癥反應(yīng)。一項(xiàng)研究顯示，牙齦卟啉單胞菌分泌的牙齦素通過Src激酶和β-Arr2依賴的PAR2內(nèi)化，進(jìn)一步磷酸化ERK1/2以促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞遷移，引起阿爾茨海默病患者過度的免疫和炎癥反應(yīng)[32]。該研究中確定的機(jī)制可能有助于未來用于治療牙齦卟啉單胞菌相關(guān)阿爾茨海默病患者神經(jīng)炎癥。正如前文所述，β-Arr2是GPCR脫敏和內(nèi)化過程的核心，眾多研究也證實(shí)，GPCR超家族成員通過募集β-Arr2引發(fā)受體脫敏從而發(fā)揮相應(yīng)生物學(xué)功能[13,15,17]，在炎癥性疾病中發(fā)揮關(guān)鍵作用。綜上，β-Arr2可能在牙周炎的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮作用，具體作用機(jī)制尚待探究。

3 小結(jié)和展望

本文簡要介紹了β-Arr2的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能，以及其在炎癥性疾病中參與的角色和作用機(jī)制。β-Arr2在許多慢性炎癥性疾病和癌癥發(fā)生中起著重要作用，研究證明，β-Arr2表達(dá)的靶向調(diào)節(jié)在過敏性哮喘、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等多種炎癥性疾病的臨床治療中具有廣闊的前景。但有關(guān)β-Arr2與牙周疾病的相關(guān)研究較少。由免疫介導(dǎo)的炎癥性疾病如類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、支氣管哮喘、牙周炎等，表面看似互不相關(guān)但卻可能具有共同的炎癥通路。未來的研究應(yīng)更加關(guān)注β-Arr2在牙周炎中的作用及其對炎癥和免疫的調(diào)節(jié)機(jī)制研究上，以期為牙周炎的治療開發(fā)出新的靶點(diǎn)。