G蛋白偶联受体的二聚化及其意义

周孟华 综述 莫书荣 审校

文章编号：1009-5519（2007）07-1005-02 中图分类号：R33 文献标识码：A

G 蛋白偶联受体（G protein couple receptors，GPCRs）是一个超大的膜受体家族，可以被不同的配体所激活，如激素、多肽、氨基酸、光粒子等。通过与这些配体结合，它们可以介导许多的信号传导，通过激活细胞内的Ｇ蛋白，从而激活不同的细胞内通路，产生不同的生物学效应。在对GPCRs的研究初期，普遍认为它们是以单体形式存在并发挥作用的，但后来大量证据表明，绝大多数GPCRs存在二聚化甚至更高的聚合形式，并以此形成基本的功能单位。二聚化可以发生在同受体、相似家族受体或不同家族受体分子之间，其作用可以体现在受体信号传导通路中的诸多环节，如与配体的结合、受体的激活、失敏及运输等。

1 二聚化受体的发生

GPCRs从胞浆内质网(endoplasmic reticulum，ER)上脱离是控制其分泌和上膜表达的关键步骤[1]。只有形成正确二级结构的受体才能从内质网上释放出来，否则将滞留在内质网上最终被降解[2]。对于不少蛋白，寡聚化形式对其顺利上膜起了重要的作用，因为它有效地掩饰了阻碍蛋白释放的疏水片段或滞留信号。GPCR家族的代谢型γ－氨基丁酸b 受体（metabotropic γ-aminobutyric acid b receptor，GbR）由两个亚基GbR1和GbR2组成。当单独表达GbR1时由于其Ｃ末端保留结构域（ER retention motif）使其不能上膜，而单独表达的GbR2可以上膜却没有生理功能。只有当它们以异源二聚体的形式共表达时，GbR1的保留结构域被掩饰才能以具有生理活性的GbR二聚体形式出现在细胞膜上。

近年来，随着FRET和BRET（荧光能量共振转移）方法的广泛应用，发现许多同源或异源二聚体[3～6]在ER上就已经形成了。实验通过去掉C末端的突变体与野生型受体之间的相互作用得到了同样的结论。通过免疫沉淀证明V2垂体后叶加压素受体、D3多巴胺受体、促性腺激素释放激素受体、CCR5趋化因子受体及视紫红质受体等的突变体由于功能域的缺失不能上膜，但仍能与野生型的受体形成二聚体，提示了该二聚体早在胞浆内质网上就已经形成了。

同时不难理解，在自然条件的突变将会导致病理生理性的后果。观察表明CCR5趋化因子受体膜上表达缺失可以有效地延迟HIV感染患者的发病时间。而这些患者均为CCR5/CCR5Δ32基因表型，其中CCR5Δ32突变体上的ER保留结构域阻碍了CCR5上膜。此外，一系列视紫红质的突变后可以导致视网膜的退行性病变，通过果蝇的实验表明其妨碍了野生型视觉受体的成熟。

2 配体对受体二聚化的调节作用

虽然大多数二聚体在上膜之前就形成了，但并不排除激动剂对膜上受体的调节作用。激动剂可以阻碍或促进二聚体的形成或对其没有影响。例如，δ型阿片受体在稳定表达时以单体和二聚体两种形式存在，这两者的比例依赖于受体的表达水平。当被激动剂刺激时，受体的单体与二聚体之间发生相互转换。δ受体以单体的形式进行内化，发生内化时激动剂可以促使受体二聚体向单体发生转换，故有促进受体内化的功能。但激动剂吗啡例外，因其缺乏促使受体间两种形式相互转化的能力而不能促进受体内化。此外，CXCR4与配体结合后形成二聚体；β1－AR[7]、TRHR、GnHR在激动剂刺激下形成寡聚体[8]。而hSSTR6的二聚化比例与受体和配体结合的剂量正相关。并且，激动剂可以介导TRHR二聚体与下游β-arrestin发生相互作用[8]，对受体下游信号传导具有重要意义。然而，有些寡聚化受体不受激动剂的影响，如D2DR和OTR与激动剂结合后不能改变其膜上的寡聚化形式[9]。

3 受体二聚化的关键部位或位点

GPCRs形成二聚体的关键部位是多种多样的。有的在两端，δ受体缺失C末端后抑制二聚体的形成，说明C末端是形成二聚体所必需的；而对于B2R，N端对其二聚化形成有关键作用。有的在胞内环（IC），如C5aR的Cys144突变后使交联剂导致的受体寡聚化现象消失，说明第二个胞内环的144位半胱氨酸是C5aR分子间相互作用的关键氨基酸。还有的在胞外环（EC），如M3R的膜外2个保守的半胱氨酸Cys140、Cys220 是形成二聚化的关键位点，5-HT1B第一个胞外环与5-HT1D第二个胞外环在受体二聚化中发挥关键的作用。另外，有些在跨膜区域（TM），如D2DR突变了TM6和TM7后受体不形成寡聚体，而V2R的二聚化需要TM3～5和TM6。

4 二硫键对受体二聚化的贡献

目前发现形成多聚体的受体中，有一些受体多聚体对还原剂DTT、β-巯基乙醇敏感，当遇到这些还原剂时多聚体可以解聚为单体。其中包括κ型阿片受体[10]、D2DR、C5aR、M3R。但有些受体在还原剂作用下只能发生不完全解聚，如5-HT1B与5-HT1D形成的多聚体就不能完全解聚为单体；而β2－AR多聚体在还原剂存在的情况下完全解聚为单体，但其二聚体形式则不发生解聚[11]。研究表明，GPCRs中对还原剂敏感的二聚体是通过二硫键成的，另一些对还原剂不敏感的二聚化形式则可能与疏水包被有关。

5 信号转导

最早关于GPCR异源二聚体在信号转导过程起关键性的协同作用是通过对GbR的研究证实的。GbR1可以与配体γ-氨基丁酸（GABA）结合，而GbR2发挥与下游G蛋白偶联的重要功能。实验通过突变GbR1受体，使其ER保留结构域缺失，突变后的GbR1能顺利上膜，但缺少了GbR2的协同作用。受体与配体结合后不能激活下游的传导通路，说明GbR2的作用不仅仅是帮助GbR1上膜，二聚体的形成对G蛋白的激活起关键作用[12]。

最近的研究发现，异源二聚体形式对于味觉受体的结构和功能是必需的。事实上甜味[13]和L-氨基酸味觉[14]的产生严格依赖于T2R3和T2R2或T1R1形成不同的异源二聚体。因此，寡聚化受体的不同功能表现常常是由于不同组合的异源二聚体所导致的不同下游信号转导途径造成的。这种由异源二聚体形成导致的信号转导途径的改变还包括δ/κ阿片受体、δ/μ阿片受体、CCR5/CCR2趋化因子受体[15]、SSTR5生长激素抑制激素受体/D2多巴胺受体[16]、血管紧张素AT1缓激肽B2、代谢型谷氨酸受体1α和（或）A1腺苷受体等。

6 受体内化

最近不少的研究表明，异源二聚化可影响配体介导的受体内吞。许多对异源二聚化的研究资料显示，刺激其中的一个受体可以有效地促进二聚体中两个受体的同时内化。它们包括SSTR1和（或）SSTR5、δ阿片受体和（或）β2肾上腺素能受体、α2A和（或）β1肾上腺素能受体[17]、α1A和（或）α1b肾上腺素能受体[18]、SSTR2A和（或）μ阿片受体和A2A腺苷受体和（或）D2多巴胺受体[19] 等。对于后两者，受体发生共同内化的同时伴随着对信号转导的减敏。相反地，有些二聚化的形成阻碍受体的内吞，例如，κ阿片受体的共表达可以阻止δ阿片受体的内化，而β2肾上腺素能受体共表达后阻碍了激动剂介导的β1肾上腺素能受体内吞，二聚化对受体内化和减敏的潜在生理意义还有待进一步阐明。

7 药理学差异

GPCRs异源二聚体的药理学差异最先是通过对δ-阿片受体和κ-阿片受体的研究提出来的。表达这两种受体可以形成稳定的异源二聚体，此二聚体对单独作用的δ受体或κ受体激动剂的亲和力均很低。但是当这两种激动剂联合作用时二聚体则可恢复高亲和力，说明二聚体之间存在着促进性的相互作用。虽然异源二聚体本身与其药理特性方面改变的直接联系还未被完全阐明，但是正性或负性的配体介导的相互作用存在于许多异源二聚体之间。它们包括代谢型GbR GbR1/GbR2，δ和（或）μ阿片受体，m2和（或）m3毒蕈碱受体，生长激素抑制激素SSTR5和（或）D2多巴胺受体和腺苷A2A受体和（或）D1多巴胺受体。如果这在异源二聚体中是普遍的现象，那么这些不同药理特性受体的异源二聚化导致的受体药理学特性的改变将为药物的研发造成深远的影响。

近10年来，我们对于GPCRs的结构和功能的研究有了突破性的进展，并且逐渐认识到，受体二聚化对于受体的功能发挥起着十分关键的作用。目前GPCRs成为了许多药物的目标靶点，因为许多病理状态都是由于GPCRs的突变及多型性造成的。因此，对于受体形成二聚体甚至多聚体的具体机制以及二聚体对于下游信号传导的作用还需要进一步探明，以便服务于新药研发与临床治疗。

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