G蛋白信号调节因子在心血管系统中的作用

[摘要] G蛋白偶联受体（G-Protein-Coupled-Receptors， GPCRs）在体内分布广泛，几乎参与所有生理活动的调节。G蛋白调节因子（Regulator of G protein Signaling， RGS）参与了G蛋白失活的调节。目前研究已证明，参与心血管系统生理和病理活动的很多递质和激素都是通过GPCR信号转导通路发挥作用的。RGS 蛋白通过调节GPCR通路信号转导和非GPCR依赖性途径影响多种心血管疾病的发生，其在心脏血管结构和功能中的地位已逐渐引起重视，有望成为相关疾病治疗的新靶点。本文将就RGS 蛋白及其在心血管系统中的作用作一综述。

[关键词] G蛋白信号调节因子；G蛋白偶联受体；心血管系统；作用

[中图分类号] R331.3+6[文献标识码] A[文章编号] 1674-4721（2012）04（c）-0015-03

G蛋白偶联受体（G-Protein-Coupled-Receptors， GPCRs）在体内分布广泛，几乎参与所有生理活动的调节。心血管系统中有100多种不同的GPCRs[1]。GPCRs与G蛋白结合，后者由α、β和γ三个亚基组成。G蛋白根据α亚基结构上的相似性可分为四个亚家族：Gs，Gi，Gq和G12[2]。哺乳动物细胞中至少有20种α亚基。激动剂与GPCRs结合后可以促进G蛋白的活化。这个过程是通过催化α亚基上GDP-GTP的交换实现的。静息状态下，α亚基与GTP结合，受刺激后其结构发生改变，与βγ亚基分离。与GTP结合的α亚基、βγ亚基二聚体继续调节下游效应物。这个信号转导过程是由Gα亚基的内源性的GTP酶活性所终止的，即Gα亚基把GTP水解为GDP，使α与βγ亚基重新聚合。通常认为，α亚基内源性的GTP酶活性不足以使G蛋白如此快地失活。因此，人们设想存在加快G蛋白失活的辅助因子。

G蛋白调节因子（Regulator of G protein Signaling， RGS）就参与了G蛋白失活的调节。RGS是1997年Dohlman等首先在啤酒酵母中发现的一种生物活性蛋白，与啤酒酵母Sst2p基因及线虫egl-10基因在结构上具有同源性，广泛分布于真菌、原虫和哺乳动物细胞内。RGS 蛋白具有GTPase活性（GTPase activition protein， GAP），能够与Gα蛋白结合，加速GTP水解，对G蛋白偶联受体（G-protein coupled receptor，GPCR）激活后的生物学效应具有负性调控作用。目前研究已证明，参与心血管系统生理和病理活动的很多递质和激素都是通过GPCR信号转导通路发挥作用的。RGS 蛋白通过调节GPCR通路信号转导和非GPCR依赖性途径影响多种心血管疾病的发生，其在心脏血管结构和功能中的地位已逐渐引起重视，有望成为相关疾病治疗的新靶点。本文将就RGS 蛋白及其在心血管系统中的作用作一综述。

1 RGS 蛋白

1.1 RGS 蛋白的结构和分类

至今，在人类基因组中已发现37种基因编码的蛋白包含RGS或RGS样结构域。基于RGS结构域内序列的同源性，这些基因可以分成8个亚家族：A/RZ、B/R4、C/R7、D/R12、E/RA、F/GEF、G/GRK和H/SNX。此外，D-AKAP2和RGS22 （PRTD-NY2）分别含有2和3个RGS功能域，但并不属于8个亚家族之内[3]。

A/RZ和B/R4亚家族为简单蛋白，除RGS 结构域外，蛋白结构很少，含有PDZ 结构域。C/R7、D/R12、 E/RA 和F/RL都具有附加的亚家族特异性结构。C/R7亚家族的所有成员（RGS6， RGS7， RGS9， RGS11 ）都包含一个DEP区，称之为R7同源区或R7H区，和一个GGL （G 蛋白γ亚单位样）结构域。PD/R12 家族成员（RGS12， RGS14）都具有一个RBD（RapB1/2B结合结构域）和一个GoLoco启动子。E/RA （Axin， Conductin ）家族成员均含有一个糖原合酶激酶B3βB（GSKB3βB）结合结构域、β-catenin结合位点（β-Cat）和蛋白磷脂酶2A （PP2A）同源区，以及一个二聚体结构（ DIX ）。这些特异性结构决定了RGS 蛋白与介导其信号转导的蛋白之间的相互作用以及RGS 蛋白的亚细胞定位和调节。

1.2 RGS 蛋白的GAP活性

人们对RGS的最初认识就是RGS对Gα亚基的GAP活性，即RGS与Gα亚基结合，促进G蛋白失活。但E/RA家族和RGS样蛋白（RhoGEF除外）未发现有GAP活性。由于RGS具有GAP活性，因此一般来说RGS主要发挥抑制G蛋白信号转导的作用。但是一些研究表明RGS4可以促进GPCR信号转导。这种促进作用主要依赖于受体密度和GTP的量。G蛋白活化-失活循环的增加，如G蛋白被GPCR活化频率的增加，可以解释这种作用。因此小RGS蛋白对G蛋白信号转导起调节作用而不是抑制作用。大的RGS家族成员是多功能蛋白，可以形成多蛋白复合物，对G蛋白信号转导起整合作用，如促进特定信号转导通路的形成。

大部分RGS蛋白对Gαi/o 和Gαq/11具有GAP活性。迄今，仅发现RGS-PX1对Gαs具有GAP活性，但此发现仍需其他实验室的验证。RhoGEF是唯一对Gα12/13具有GAP活性的RGS样蛋白。研究表明，RGS蛋白不仅能区分不同的Gα亚家族，也能区分结合到同一Gα亚家族上的GPCR，有选择地调节信号转导[4-5]。例如，血管紧张素ⅡAT1受体和内皮素ETA受体的Gq/11信号转导可以被RGS5减弱，而Gq/11偶联的毒蕈碱型乙酰胆碱受体3未受影响。

2 RGS蛋白与心血管系统

GPCR和RGS蛋白都是心血管系统重要的调节因子。研究表明，RGS蛋白对于维持心血管系统的生理功能是必需的，它们在心血管系统病理状态下发生改变。

2.1 RGS2

心血管系统中很多与血管收缩相关的GPCR都与Gq偶联。现在已知的RGS蛋白一半以上对Gq具有GAP活性，都可能影响血管紧张度。RGS2对Gq具有选择性，可能是其最强有力的GAP。RGS2是心血管功能的重要的调节因子，因为它对Gq的GAP活性可以拮抗Gq介导的血管收缩。虽然RGS2可以调节Gi和Gs信号转导（通过GAP和非GAP机制），它对Gq信号转导的调节可能产生最重要的生理作用。血管紧张素Ⅱ可以刺激培养的血管平滑肌细胞RGS2的基因表达，这可能起负反馈调节作用，因为RGS2可以通过对Gq的GAP活性使该信号通路失活。RGS2基因敲除小鼠有很强的高血压表型[6]。麻醉状态的小鼠，其高血压表型似乎仅与血管紧张素Ⅱ信号通路有关，因为AT1拮抗剂或ACEI药物可使血压恢复正常。值得关注的是，rgs2+/-和rgs2-/-具有相似的高血压表型，表明该基因的两个拷贝都对维持正常心血管功能非常重要。

RGS2也可以通过GPCR非依赖的途径发挥作用。NO是很强的的血管舒张剂，可以引起cGMP依赖的蛋白激酶（PKG）活化。PKG可以通过包括RGS2活化在内的许多机制促进血管舒张[7]。特别是cGMP依赖的蛋白激酶1-α可以直接与RGS2结合并使之磷酸化，这可以增加RGS2对Gq的GAP活性，导致血管舒张。在RGS2基因敲除小鼠中，此途径被打断。RGS2基因敲除小鼠的主动脉在体外对Gq偶联的激动剂表现为血管收缩性增强，对cGMP则表现为舒张性减弱。

2.2 RGS3

RGS3有几个同源异构体，源自同一基因。一个短异构体，RGS3S，仅包含RGS结构域，主要在核内表达，其过表达时可诱发凋亡。RGS3有两个长异构体，RGS3L和PDZ-RGS3，后者通过与Ephrin受体相互作用与细胞迁移相关。RGS3基因敲除小鼠尚未有报道，对其生理功能知之甚少。通过RNA干扰技术下调主动脉平滑肌细胞中RGS3的表达可使M3毒蕈碱受体诱导的MAPK的活性增加，但对血管紧张素Ⅱ刺激的信号转导没有作用。Ooe A等[8]报道在p53突变的肿瘤细胞中RGS3表达增加，通过RNA干扰减弱MCF-7乳腺癌细胞中RGS3的表达后，其对化疗药（多烯紫杉醇）诱发的凋亡的敏感性增加。此发现的生理意义和所涉及的信号转导通路尚需进一步研究来确定。

2.3 RGS4

RGS4与心脏肥大关系密切。Rogers JH等[9]报道了RGS4在影响心脏肥大方面的作用。他们最初在新生鼠心肌细胞中过表达RGS4可以抑制苯肾上腺素和ET-1诱发的心肌肥大。接着用转基因小鼠在心室中过表达RGS4来研究心脏生理功能。过表达RGS4并不影响基础状态下的心脏功能，但却严重降低了心脏对主动脉缩窄所致后负荷增加的适应能力。与对照鼠相比，转基因鼠表现为心室肥厚和左室扩张程度减轻、收缩功能下降、对主动脉缩窄的死亡率增加。因此，心室中RGS4过表达似乎阻断了心脏对急性后负荷增加的有益的代偿机制。这些结果提示心脏中RGS4过表达或其活性增加是不利的。但是，第3个研究在过表达Gq的小鼠模型上表明了RGS4过表达的有益作用。过表达Gq的转基因小鼠其心脏与人类心脏肥大的表型相似[10-11]。但同时过表达RGS4和Gq则延缓了Gq介导的心脏肥大的发生。

2.4 RGS5

RGS5在动物体内的生理作用目前知之甚少，因为缺乏基因打靶的小鼠。RGS5在周细胞和血管平滑肌细胞中表达丰富。对小鼠的研究发现，RGS5在毛细血管和小动脉的周细胞内表达丰富[12-13]，且其表达量反映了血小板源生长因子β的酪氨酸激酶受体和血小板源生长因子的丰度。受体或配体敲除的胚胎缺乏RGS5和周细胞，提示RGS5是微血管系统中周细胞特异的标志物。在哺乳动物的大动脉和肾小球入球小动脉的平滑肌发现了RGS5的表达，在冠状动脉和静脉中未发现。此外，RGS5 mRNA在动脉斑块中表达降低。相反，在肾癌的脉管系统和胰腺导管细胞癌及星型细胞瘤的新生血管中RGS5的表达异常升高。综上，这些研究提示RGS5在肿瘤新生血管形成相关的周细胞生长发育和血管平滑肌细胞活化中发挥作用，在生理情况下动脉平滑肌细胞的生长发育中也发挥作用。

RGS5也在心脏中表达，β肾上腺受体功能亢进可以上调RGS5表达水平。Liang等报道了RGS5的同源异构体-RGS5S-氨基端缺失104个氨基酸。该同源异构体与RGS5在人体组织中表达不同，在眼睫状体、肾脏、大脑、脾脏、骨骼肌和小肠中表达丰富，在肝脏，肺脏和心脏中未检测到。

3 RGS蛋白是潜在的药物靶点

大约50%的药物作用于GPCR， 这说明了GPCR信号转导在治疗疾病中的重要作用。但在有些情况下，药物仅作用于GPCR是不够的。以作用于β-肾上腺素受体的药物为例。β2-肾上腺素受体激动剂被广泛用于治疗支气管痉挛，但这些药物也能激动心脏的β-肾上腺素受体。β-肾上腺素受体拮抗剂在治疗各种心血管疾病中应用广泛。当患者需要β-肾上腺素受体激动剂治疗支气管痉挛又合并有心血管疾病时矛盾就出现了。在治疗哮喘时，应用β2-肾上腺素受体激动剂可使心率增加，且增加不良心血管事件的发生风险。在这种矛盾的情况下，RGS蛋白作为GPCR信号转导的强有力的调节因子，是新的潜在的作用靶点。一个可能的靶点就是RGS1，其mRNA在肺脏中表达丰富，在心脏中表达较少。此外，RGS4在心脏中表达较多，在肺脏中表达较低。

在体外环境中，RGS蛋白对许多Gα亚基都具有GAP活性。但研究表明，越接近生理状态，RGS蛋白作用越特异。随着每个RGS的特性渐渐明确，尤其是在体内环境下，药物控制RGS的前景越来越吸引人。药物控制RGS可以：（1）增强或减弱内源性激动剂的作用；（2）与GPCR药物激动剂或拮抗剂互补，减少药物用量；（3）消除GPCR激动剂或拮抗剂的副作用。控制RGS可从以下两方面入手：（1）改变RGS的活性；（2）通过改变亚细胞定位，在信号通路中增加或移除某一RGS蛋白。

R4亚家族的RGS成员是研究最多的，因为它们结构简单。但是这些“简单”的蛋白却发挥着重要的生理作用，因此，它们通过很多机制被精确地调节着。例如，RGS4就被磷酸化、棕榈酰化、三磷酸肌醇、钙/钙调蛋白复合物、G蛋白和GPCR所调节。其他结构更复杂的RGS可能受更多因子的调节。RGS的复杂结构和受多种因子的调节给药物研发带来了困难，但从另一方面看，这也为调节RGS活性提供了更多的药物靶点。

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（收稿日期：2012-02-24本文编辑：马 双）