肾上腺素受体引起心肌重塑的信号转导途径

作者:张幼怡[1] 
单位:北京大学第三医院[1]
   心血管疾病是严重威胁人类健康和生命的重要疾病,其发病率、死亡率逐年升高。心血管受体是由细胞膜和细胞内的蛋白质、核酸、脂质等组成的重要生物大分子,担负着把细胞外信号传递到细胞内从而改变细胞功能的重要作用,对生长、发育、代谢、凋亡等生理过程起着重要的调控作用。自提出“受体”概念至今的一百多年间,受体研究已经从最初的生理学和药理学层面发展到如今的分子生物学层面,人们不仅对其生物学功能有了充分的了解和认识,而且通过分子克隆技术证实和发展了药理学上的受体分型,近年来更是从单分子水平探讨了受体的生物学行为。同时,受体及其下游的信号分子和信号通路构成了庞大的网络,调控或支配着几乎所有的生物学活动和功能。由于每一次心脏搏动、每一次血管舒缩都需要受体的参与才能实现,因此受体的功能状态对维持心血管系统的内稳态至关重要;而随着对心血管疾病的发病机制及心血管受体的结构、功能和作用机制的研究的逐步深入,受体在心血管疾病的发生发展及治疗中的重要作用也越发凸显。例如,心力衰竭和急性心梗时往往伴有交感-儿茶酚胺系统的过度激活;高血压病一个重要的发病机制是肾素-血管紧张素-醛固酮系统功能亢进;不少高脂血症患者有低密度胆固醇受体异常。因此针对受体的干预措施通常是最直接有效的。
   尽管,心血管受体的研究已经有了长足的发展,但受体亚型介导精确生理、病理意义的深入理解,及进一步受体药物在临床上的合理应用都存在大量问题需要深入研究。心力衰竭患者总是伴随着交感神经系统的激活,这是维持心脏功能的重要代偿机制。但是长期持续激动肾上腺素受体又是促进心脏重塑和心力衰竭发生发展的重要因素。β肾上腺素受体阻滞剂的发现和临床应用被视为20世纪药理学和药物治疗学上里程碑式的重大进展之一。在临床上应用β-AR 拮抗药能够改善患者的症状和提高生存率,β-AR 拮抗药已经成为当今慢性心力衰竭病人标准化治疗药物。已知β-AR 激动不仅可以介导心脏收缩、代谢等生理功能,还可引起细胞凋亡、肥大等病理过程。然而,尽管长期应用β-AR 拮抗剂,心衰患者的长期预后仍就不容乐观,心肌重塑的改善并不明显。部分心衰病人在使用β-AR 拮抗剂后还会出现血流动力学的恶化,提示β-AR 激动具有重要的心功能代偿作用,而这种负效应是在心衰治疗中所不希望发生的。因此理想的β-AR拮抗治疗策略应该是既能够阻断β-AR介导的有害生物学效应,又能够保护β-AR介导的有益的功能代偿。
   心脏表达β1-、β2-和β3-AR 三种肾上腺素受体亚型,β3-AR 分布较少,功能目前也不清楚。β1-和β2-AR 均可激活Gs 蛋白,产生正性变时和正性变力,在心功能下降时具有重要的代偿作用。Gs 蛋白可活化腺苷酸环化酶(AC)使三磷酸腺苷(ATP)转化为环磷酸腺苷(cAMP),导致细胞内cAMP 水平升高,cAMP 激活蛋白激酶A(PKA),PKA 磷酸化多种蛋白质,包括L 型Ca2+通道、受磷蛋白(phosphorlamban)、肌钙蛋白 I 和肌球蛋白结合蛋白,产生正性肌力。 纵所周知,β1-和β2-AR 刺激AC/cAMP/PKA 信号通路的效率具有很大的差异。目前的解释是:β2-AR 呈细胞内区域化激活cAMP/PKA 信号通路 。另外,β1-AR 只能和刺激型G 蛋白(Gs)偶联,而β2-AR除了Gs 蛋白外,还和Gi 蛋白偶联,可以激活PI3K/Akt 通路,具有抗凋亡和拮抗Gs/cAMP/PKA信号等作用。除经典的Gs /cAMP/PKA 信号通路外,β-AR介导的“非经典信号”也参与细胞活动的调控。这些信号通路的生物学效应目前还不十分清楚,许多有可能是病理性和负性肌力的,产生减弱β-AR 经典信号通路的效应。1)钙/钙调蛋白激酶II ( CaMK II )被细胞内上升的钙/钙调蛋白激活;更为重要的是,持续β-AR 激活也可直接激活CaMK II。CaMK II 的主要效应是激活ryanodine受体,导致舒张期Ca2+从钙库泄漏,从而使得钙库衰竭,收缩功能下降;并且增加心脏发生心律__失常的机率。2)β-arrestins 除了介导β-AR 的减敏外,还作为一种多功能接头蛋白,在受体激动时可发生构象变化,进而招募大量的信号分子与其结合(如小G 蛋白和MAPKs),从而启动新的信号转导通路来发挥效应。 3) β2-AR 还可以通过非G 蛋白偶联途径激活ERK和促进细胞Na+–H+交换,与此同时PKA 介导的受磷蛋白磷酸化减少,对内源性内质网Ca2+-ATP酶 (SERCA)的抑制作用增强,综合效应是使心脏功能降低。
   非经典信号途径介导的这些效应,在生理状态下是一种负性调控反应,以维持正常的细胞功能,但是当β-AR 持续激活时,又通过β-AR 非经典信号途径使这些效应增强,甚至是“有害”,导致心脏功能受损。β-AR 激活后的非经信号典途径远远不止这些,它介导的有害效应,特别是引起心肌重塑的作用机制也很复杂。我们研究组就肾上腺素受体的非经典信号途径做了一些探讨。(1)-肾上腺素受体持续和间断激动对心脏重塑的作用和启动的信号通路不同。我们的研究结果表明-AR不同的激动模式,脉冲式的间断激动与慢性持续激动对心脏重塑和心脏功能下降的影响是不同的。我们比较了-AR 激动剂ISO间断给药与持续给药对小鼠心脏重塑和功能的影响。结果表明,两种不同给药模式引起心肌肥厚的程度类似(如,心脏重量/体重比值:皮下注射组增加16%,埋泵组增加19%)。但是,与埋泵组相比,ISO皮下注射组引起的心脏纤维化程度更重,并较早发生心脏功能下降。促纤维化因素,包括结缔组织生长因子(CTGF)和NADPH氧化酶亚单位NOX4的表达量在ISO皮下注射组都显著高于埋泵组。综上所述,与-AR持续激动相比,-AR间断激动引起心脏纤维化更重,并更易引起心脏功能失代偿。我们的研究结果为阐明-AR不同激动模式在心脏病理重塑中的作用提供了新的视角。(2)我们前期研究结果显示:在小鼠心脏成纤维细胞,异丙基肾上腺素(ISO)通过激动β2-AR进而经Gs/cAMP/Epac/PKC/p38的PKA非依赖的信号转导通路引起小鼠心脏成纤维细胞分泌IL-6。IL-6又通过旁分泌的方式作用于心肌细胞,进而激活JAK/STAT3 信号通路,导致心肌心房利纳肽(ANF)表达增加和心肌肥厚。(3) HEK-293A细胞β2-AR 激动后,启动非经典信号通路β-arrestin-1/Rac1/ NADPH氧化酶/p38MAPK,参与细胞骨架重排。我们前期实验结果显示,在天然有内源性β2-AR表达的HEK-293A细胞,β-AR介导了p38MAPK的双相激活。β2-AR可以通过启动β-arrestin-1/Rac1 /NADPH 氧化酶通路,以一种激酶非依赖性方式介导p38 MAPK 早期激活。β2-AR激活后,通过启动这条非经典信号通路,介导细胞骨架重排,其分子机制为p38 MAPK 激活后促进HSP27的磷酸化,后者介导了细胞骨架重排。β2-AR 通过其经典的Gs/AC/cAMP/PKA 通路缓慢激活MKK3/6,从而介导p38 MAPK的延迟激活;通过Gi/Gβγ/PI3K 通路抑制MKK3/6 的激活可负性调节延迟激活。 这后两条经典信号通路,并不介导细胞骨架重排。
   总之,尽管β-AR 拮抗剂已成为心衰病人标准化治疗药物,但仍诸多问题没有得到阐述。因此,对β-AR 非经典信号途径的全面理解(包括“有益”和“有害”的信号通路),对研发具有保护心脏功能,阻断有害生物学效应,防止心功能恶化的β-AR拮抗剂或者制定优化的多靶点治疗方案是非常重要的。
    2012/11/5 11:44:15     访问数:1688
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2012/12/3 22:17:55
彭会荣:前沿的知识,值得学习。
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