β-抑制蛋白2調節炎癥性疾病作用機制的研究進展

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、類風濕性關節炎、牙周炎等)，發病因素復雜，在異常免疫反應、遺傳易感性和環境因素影響下可能引起宿主免疫失調，進而導致急性或慢性炎癥性損傷。研究顯示，大多數G蛋白偶聯受體(G protein-coupled receptor，GPCR)可作為重要的促炎和抗炎調節劑，通過不同信號轉導途徑在炎癥性疾病中發揮生物學效應[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現，是多種信號通路的關鍵調節劑。隨著對β-Arr2調節炎癥性疾病作用的深入研究，其調節GPCR信號轉導通路的作用機制也被進一步闡述。同時，也有研究表明，β-Arr2還可通過GPCR之外的其他途徑發揮生理和病理生理的調節作用[5-6]。

1 β-Arr2結構及作用

1.1 β-Arr2的結構

抑制蛋白家族是一類信號調控蛋白，包括2種僅在視網膜中表達的視覺抑制蛋白以及2種普遍表達的抑制蛋白，后者即β-Arr1和β-Arr2。兩者在結構上具有高度同源性，均參與多種胞內信號轉導通路并在眾多生理和病理生理過程中發揮重要作用。β-Arr2是一種支架蛋白，位于細胞質和質膜上，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蛋白競爭性結合GPCR從而抑制GPCR信號轉導。β-Arr2由20條β鏈和單個α螺旋組成，具有N域和C域兩個主要結構域，兩者通過短的“鉸鏈區”相連[7]，包含的功能域使其能夠與受體以及各種中間體結合，該結構是其發揮不同功能的前提。

大量研究表明，抑制蛋白需要發生構象變化才能結合磷酸化的GPCR。β-Arr2作為一種單體，本身不產生第二信使，但其獨特結構和支架功能構成了不同途徑激活GPCR的基礎[7]。

1.2 β-Arr2在G蛋白依賴性信號轉導中的作用

GPCR是人類基因組中最大的一組膜蛋白，主要信號轉導分子包括異源三聚體G蛋白、G蛋白偶聯受體激酶(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信號轉導的過程基本相似[3-4,8]。激動劑與GPCR結合，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合物。之后，空的Gα核苷酸結合鏈募集三磷酸烏苷(guanosine triphosphate, GTP)，誘導G蛋白解離為Gα和Gβγ亞基。解離的亞基與腺苷酸環化酶、GRKs等各種效應分子相互作用，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。在GPCR第三胞內環或羧基末端尾部中，β-Arr2聚集并以高親和力結合到GRKs磷酸化的絲氨酸和蘇氨酸殘基上，通過降解胞內第二信使(如cAMP)[8]，終止G蛋白介導的細胞信號轉導，這就是經典的脫敏作用。

除此之外，β-Arr2還可通過內化機制進一步補充GPCR的脫敏過程[9]。與磷酸化的GPCR結合后，β-Arr2構象發生變化，可發揮支架作用，將GPCR連接到網格蛋白包被的凹坑上，促進GPCR-arrestins復合物形成，啟動GPCR的內化過程。研究表明，GPCR-arrestins囊泡的內化作用是由GPCR激活的β-Arr2羧基末端尾部、胞膜內吞蛋白、網格蛋白及激活蛋白-2之間的相互作用介導[10-11]。β-Arr2的這種銜接子功能對GPCR內化以及β-Arr2依賴信號轉導過程至關重要。內化時低pH值促進激動劑解離，引起β-Arr2的釋放。內化后，GPCR可以循環回到細胞質膜重新敏化，或者在溶酶體中降解。

另外，泛素化和去泛素化可作為調節GPCR的“開關”來協調其對β-Arr2的募集、β-Arr2構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合，后者將GPCR-arrestins囊泡引導至溶酶體內發生降解或進入再循環途徑，從而調節GPCR在細胞表面的表達。相關研究顯示，β-Arrs的泛素化可調節受體運輸，瞬時泛素化導致受體的快速循環，而穩定泛素化將受體靶向內體進行降解[12]。目前已知β-Arr2的泛素化過程參與介導其內化機制，但確切的方式或原因尚不清楚。配體結合后GPCR活化的作用模式如圖1所示。

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

1.3 β-Arr2在非G蛋白依賴性信號轉導中的作用

β-Arr2最初被認為是G蛋白信號傳導(通過空間位阻作用)的負調節因子。隨著研究的逐漸深入，β-Arr2被認為是多功能支架蛋白，在多個非G蛋白依賴信號通路中發揮關鍵作用。

如前所述，β-Arr2與激活的GPCR相互作用使GPCR信號脫敏并發生隨后的內化機制。除此之外，β-Arr2還可充當支架蛋白與信號傳導中間體偶聯，啟動β-Arr2依賴性細胞信號轉導。有學者發現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“配體導向信號”。偏向配體可通過誘導GPCR的不同活性構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高選擇性藥物，為疾病提供更精準的治療作用。在β2-腎上腺素受體和神經激肽1受體(neurokinin 1 receptor，NK1R)的P物質參與下，β-Arr2通過介導非G蛋白依賴性信號轉導途徑將非受體酪氨酸激酶(nonreceptor tyrosine kinase，c-Src)募集到受體，并促進絲裂原活化蛋白(mitogen-activated protein，MAP)激酶細胞外信號調節激酶(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介導的依賴性信號轉導可通過阻止G蛋白依賴性信號傳導，同時充當傳感器引發新的信號轉導波，如激活ERK1/2。相關研究表明，使用蛋白激酶C抑制劑抑制G蛋白信號傳導后，β-Arr2依賴的磷酸化ERK活性依然持續存在，并且僅存在于內吞小泡中，證明該磷酸化ERK信號獨立于G蛋白途徑[14]。

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

1.4 其他生物學作用

1.4.1 調節趨化因子受體 目前研究表明，趨化因子和趨化因子受體通過協調白細胞遷移及控制其定位，在炎癥及腫瘤的浸潤和轉移中發揮重要作用。趨化因子受體CXCR7是前列腺癌對恩雜魯胺敏感性的關鍵調節因子，其通過非G蛋白依賴性機制募集β-Arr2以激活MAPK/ERK信號通路，表明β-Arr2參與調節CXCR7信號傳導[15]。另外也有研究證實，在角質形成細胞衍生的趨化因子(chemokines，KC)誘導的白細胞-內皮相互作用中，最早KC觸發的整合素激活事件中需要β-Arr2，其在趨化因子刺激Gα激活的下游發揮作用[16]。從機制上來看，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，這對細胞趨化性是必不可少的。因此，β-Arr2既作為受體脫敏的調節劑，又是導致定向運動信號級聯的新型關鍵支架中間體。

1.4.2 抑制細胞凋亡 有研究表明，β-Arr2可作為細胞凋亡的負調節因子影響細胞增殖。在缺乏抑制蛋白的情況下，GPCR激活會啟動快速細胞凋亡，證明抑制蛋白在抑制受體介導的細胞凋亡中起著關鍵作用[17]。Toll樣受體2(Toll-like receptors 2，TLR2)是Toll樣受體家族中的關鍵免疫受體，在先天免疫反應中發揮重要作用，有研究表明其可能影響癌癥的進展和轉移，而β-Arr2通過與信號通路相關介質相互作用調節TLR2信號從而抑制細胞凋亡。有研究發現，在轉染的HEK293細胞、人永生化顆粒細胞系(hGL5)和卵巢癌細胞系A2780中，β-Arr2的高表達增強了細胞活力，其在調節GPCR誘導的增殖和抗凋亡信號中有重要作用[18]。

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

2 β-Arr2參與炎癥性疾病的作用及機制

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，主要病理學變化是持久的氣道炎癥，Th2細胞向肺遷移是其發生炎癥的關鍵，且受趨化因子受體的調節[22]。研究表明，β-Arr2依賴性途徑下游的趨化因子受體調節哮喘的促炎過程。Walker等[23]通過使用哮喘小鼠模型，第一次證明了β-Arr2在疾病發病機制中的作用，該研究發現：缺乏β-Arr2的小鼠構建哮喘模型后不會出現哮喘表型(包括氣道炎癥、氣道高反應和升高的Th2細胞因子等癥狀和體征)，表明β-Arr2的表達是小鼠哮喘表型發展所必需的；并且β-Arr2 KO小鼠體內CD4+T細胞向肺遷移過程中存在缺陷，即Th2細胞肺轉運水平下調。另一項研究進一步顯示，Th2細胞趨化性部分依賴于β-Arr2獨立的信號轉導，證實β-Arr2依賴性通路對于哮喘發病機制的重要性[24]。所以，β-Arr2可能通過其作為支架蛋白的作用，正向調節T細胞的趨化性，但其調節T細胞趨化性的機制目前仍不清楚。

2.2 類風濕關節炎(rheumatoid arthritis，RA)

RA是一種常見的自身免疫性關節病，臨床特征包括滑膜炎癥和增生，可導致軟骨損傷和關節最終完全破壞[25]。在體內，細胞因子是參與RA發病機制的關鍵因素。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參與實驗性關節炎的發生發展。研究顯示：與野生型小鼠相比，β-Arr2 KO小鼠建立的實驗性關節炎模型表現出更為嚴重的病損，并首次證明了p38途徑調節TNF-α和透明質酸(hyaluronan，HA)誘導的β-Arr2蛋白水平增加[26]。另外，也有學者研究了丹參酮ⅡA對RA患者炎癥反應的具體作用，結果顯示其通過上調β-Arr2來抑制TNF-α和IL-6等炎癥細胞因子的表達，從而減輕炎癥反應[27]。

已有充足的研究證明，β-Arr2在TLRs激活先天性免疫中發揮負調節作用，有望在RA治療中發揮作用。

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

IBD是一種慢性復發性炎癥性疾病，包括潰瘍性結腸炎(ulcerative colitis，UC)和克羅恩病(Crohn′s disease，CD)兩種類型。IBD典型特征是炎癥細胞浸潤和炎癥細胞因子表達異常，導致腸黏膜損傷和持續的腸道炎癥?，F有研究表明，針對腸道微生物群的異常黏膜免疫反應是導致易感個體患病的原因[28]。因此，通過調控腸道免疫系統中的炎癥細胞因子產生有望延緩或防止IBD的發展。Sharma等[29]證明，β-Arr2通過抑制T細胞分化并減少炎癥細胞浸潤，抑制結腸炎進展。另一項有關結腸炎的研究卻顯示：β-Arr2通過激活內質網應激，上調細胞凋亡信號，促進腸上皮細胞凋亡，表明β-Arr2表達是結腸炎的易感因素[30]。兩項研究結果的不同間接顯示β-Arr2通過參與不同途徑來調節IBD的發生和發展，另外腸道微生物菌群的差異也可能影響疾病的不同進展。

2.4 牙周炎

牙周炎是發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，激活信號轉導通路，啟動免疫和炎癥反應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相互作用對TLRs信號產生負向調節。然而，關于β-Arr2調節牙周炎發生發展的作用機制研究較少。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小膠質細胞遷移和炎癥反應。一項研究顯示，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內化，進一步磷酸化ERK1/2以促進小膠質細胞遷移，引起阿爾茨海默病患者過度的免疫和炎癥反應[32]。該研究中確定的機制可能有助于未來用于治療牙齦卟啉單胞菌相關阿爾茨海默病患者神經炎癥。正如前文所述，β-Arr2是GPCR脫敏和內化過程的核心，眾多研究也證實，GPCR超家族成員通過募集β-Arr2引發受體脫敏從而發揮相應生物學功能[13,15,17]，在炎癥性疾病中發揮關鍵作用。綜上，β-Arr2可能在牙周炎的發生發展中發揮作用，具體作用機制尚待探究。

3 小結和展望

本文簡要介紹了β-Arr2的結構和生物學功能，以及其在炎癥性疾病中參與的角色和作用機制。β-Arr2在許多慢性炎癥性疾病和癌癥發生中起著重要作用，研究證明，β-Arr2表達的靶向調節在過敏性哮喘、類風濕性關節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β-Arr2與牙周疾病的相關研究較少。由免疫介導的炎癥性疾病如類風濕性關節炎、支氣管哮喘、牙周炎等，表面看似互不相關但卻可能具有共同的炎癥通路。未來的研究應更加關注β-Arr2在牙周炎中的作用及其對炎癥和免疫的調節機制研究上，以期為牙周炎的治療開發出新的靶點。