偏向性配体——阿片类镇痛药设计新思路
孙毅;谭博;苏瑞斌
【摘 要】吗啡等阿片类药物作为镇痛药应用已有数百年历史,但其致呼吸抑制、耐受和成瘾等副作用限制了该类药物的使用,因此人们一直致力于寻找副作用更低的新型镇痛药.近年研究发现,μ阿片受体下游除了经典的G蛋白依赖型通路外,还独立存在由β-arrestin介导的信号通路,吗啡激活μ阿片受体产生的镇痛、镇静效应主要通过G蛋白依赖型通路介导,而胃肠功能紊乱、呼吸抑制、耐受等副反应则由β-arrestin依赖型通路介导.如果能发现只激活G蛋白依赖型通路而不激活β-arrestin依赖型通路的偏向性配体,就可能得到镇痛效应强而副作用低的化合物,这为设计新型强效、低副作用的阿片类镇痛药提供了新思路.该文将对μ阿片受体下游β-arrestin依赖型信号通路及偏向性配体的发现、发展和应用进行综述.
【期刊名称】《神经药理学报》清算机构
【年(卷),期】2018(008)002
【总页数】7页(P1-7)
【关键词】偏向性配体;μ阿片受体;信号转导;镇痛药
【作 者】孙毅;谭博;苏瑞斌
【作者单位】抗毒药物与毒理学国家重点实验室,神经精神药理学北京市重点实验室,军事科学院军事医学研究院毒物药物研究所,北京,100850,中国;抗毒药物与毒理学国家重点实验室,神经精神药理学北京市重点实验室,军事科学院军事医学研究院毒物药物研究所,北京,100850,中国;抗毒药物与毒理学国家重点实验室,神经精神药理学北京市重点实验室,军事科学院军事医学研究院毒物药物研究所,北京,100850,中国
【正文语种】中 文
【中图分类】R964
吗啡等阿片类药物是目前临床上最常使用的一类镇痛药［1］，此类药物在治疗疼痛的同时也伴有耐受、胃肠功能紊乱、呼吸抑制等副作用。除此之外，阿片类物质在使用过程中诱导欣快感和易成瘾的特点使得该类药物在毒品市场上大量非法流通，给无数家庭和社会带来巨大危害［2］。在这些副作用中，呼吸抑制是限制阿片类药物用药安全性的主要原因［
3］。过去几十年里，因阿片类药物滥用引起呼吸抑制而死亡的人数一直在上升，且预计短期内人数仍将居高不下［4-5］。因此，自19世纪以来，人们就一直致力于设计、优化阿片类药物结构，希望得到副作用更低而安全性更高的强效镇痛药。
阿片的应用已有几千年历史，但人们对其主要作用靶标阿片受体（opioid receptor，OR）的认识却相对滞后。阿片受体属于G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor，GPCR），主要可分为μ、δ、κ阿片受体和痛敏肽受体（孤儿受体）四种亚型［6］。最初，人们寄希望于受体亚型特异性配体以规避阿片类药物常见的副作用，在这一理念的指导下，人们合成了新型化合物美沙酮、芬太尼等，也陆续发现了各个亚型的特异性内源阿片肽［7-8］，但其副作用的问题依然没有得到解决。至90年代，随着基因克隆技术的发展，科学家们发现吗啡所有可观察到的效应在μ阿片受体（μ-opioid receptor，μOR）敲除的模式生物上都消失了，这提示无论是镇痛、镇静效应还是呼吸抑制、胃肠功能紊乱、成瘾等副作用都主要通过μOR［9］，受体亚型选择性理论难以解释这一现象。
志当存高远演讲稿近年研究发现，GPCR激活后，在其下游除了经典的G蛋白依赖型信号通路外，还存在另一条由arrestin介导的平行的信号通路，不同的配体可以不同程度地激活这两条通路，甚至
葡萄皮只激活其中一条。因此，最终表现在整体动物上的药理效应也不同（Fig.1）［10］。有关μOR的研究进一步显示，阿片类药物产生的镇痛、镇静、欣快感以及躯体依赖主要由G蛋白依赖型信号通路介导，而其致耐受、胃肠功能紊乱、呼吸抑制等副作用则由β-arrestin依赖型信号通路介导［11］ 。如果某个配体偏向性激活G蛋白信号通路，那么该配体可能在保持镇痛、镇静活性的同时，副作用相对于经典的阿片类药物大大降低。可以说，arrestin依赖型信号通路的发现以及偏向性配体理论的提出给设计新型副作用降低的阿片类镇痛药提供了思路。
Fig.1 G protein-dependent and β-arrestin-dependent signaling through μORAgonist occupancy of μ-opioid receptor promotes the activaton of G protein，then the subunits of G protein activate veral classical effectors. Simultaneously，β-arrestin not only block G preotein-dependent signaling，but also link receptor to veral signaling pathways.It reported that side effects of opioid agonists—which include respiratory suppression，gastrointestinal dysfunction and tolerance—are mediated through β-arrestin pathway while G-protein signaling is thought to confer analgesia，anesthesia and euphoria.N：amino terminal；C：carboxyl terminal；μOR：μ-opioid receptor；GRK：G-protein-coupl
ed receptor kina；AC-cAMP-PKA：adenylate cycla-cyclic adenosine monophosphate-protein kina A；PLC：phospholipa c；MAP：mitogen-activated protein.
1 β-arrestin在阿片受体下游信号通路中的功能
Arrestin是GPCR下游信号通路的重要负性调节因子。目前在哺乳动物体内发现的arrestin主要有四种，分别被命名为arrestin1～4，其中arrestin1和arrestin4存在于视网膜干体和锥体细胞上，主要结合视紫红质蛋白；而arrestin2和arrestin3广泛分布于全身，也分别被称为β-arrestin1和β-arrestin2［12］。Oakley根据受体与arrestin相互作用的特点将GPCR分为A、B两类，其中A类GPCR仅结合β-arrestin，且与β-arrestin2结合的紧密程度要大于β-arrestin1；B类GPCR与β-arrestin1和β-arrestin2的亲和力相近，同时也可以与arrestin1和arrestin4结合。除此之外，A类GPCR与arrestin的结合是瞬时的，而B类GPCR与arrestin的结合则较为稳定，在这一分类下，阿片受体属于A类GPCR ［13］。新疆教师
1.1 β-arrestin是GPCR下游G蛋白依赖型信号通路的抑制蛋白
上世纪90年代以前，人们对μ阿片受体下游G蛋白介导的信号通路就有所了解。与经典的GPCR信号通路一致，当激动剂作用于μ阿片受体后，受体偶联G蛋白，G蛋白随即被激活分解为Gα亚基和Gβγ亚基复合物，其后这两种信号分子继续作用于腺苷酸环化酶（adenylate cycla，AC）、磷 脂 酶 C（phospholipa C，PLC）和K+、Ca2+离子通道，从而引起下游信号分子的变化［14］。Arrestin最初被认为是终结这一反应的负性调节因子，当GPCR被G蛋白激酶（G-protein-coupled receptor kina，GRK）磷酸化之后，受体C末端开始招募arrestin，arrestin与受体结合占据的位置在空间上阻碍了G蛋白与受体的相互作用，因此G蛋白依赖型信号通路被阻断，这可能是受体脱敏的主要原因［15］。
1.2 β-arrestin作为衔接蛋白参与受体内吞和泛素化
此后，一系列研究发现β-arrestin在许多GPCR（包括μOR在内）的内吞和泛素化中起到了重要作用［16-17］。
β-arrestin被受体招募后，可作为衔接蛋白连接受体至网格蛋白包被小窝（clathrin-coated pits）中［18］。在这一过程中，β-arrestin至少直接与两个内吞相关分子作用，一个就是网格蛋白（clathrin），另一个是异四聚体网格衔接蛋白AP-2。当受体C末端被GRK磷酸化
之后，β-arrestin结合受体，之后招募网格蛋白和AP-2，致使细胞膜上的受体-β-arrestin复合物进入小窝中。然后，受体内吞至酸性核内体，在酸性核内体中的受体一部分去磷酸化后回收至细胞膜，而另一部分被降解，即受体下调［19］。因此，β-arrestin作为衔接蛋白参与了受体内吞的过程。
除此之外，β-arrestin还作为E3连接酶衔接蛋白参与受体泛素化，这一现象最初是在β2肾上腺素受体中发现［20］。进一步的研究表明β-arrestin是作为E3泛素连接酶 NEDD4（neural precursor cell expresd，developmentally downregulated 4，NEDD4）的支架蛋白促使受体泛素化［21］。
1.3 β-arrestin作为GPCR下游信号传导器
加减号怎么打以往研究结果使人们对β-arrestin的认识停留在G蛋白信号通路的负性调节因子上，近几年的最新研究成果显示β-arrestin还可以作为GPCR的信号传导器，独立于G蛋白介导下游信号通路的传递。
β-arrestin被发现可以作为信号传导器最初的证据是其可以作为支架蛋白将酪氨酸激酶c-Src
2003年属什么（Src kina）家族招募至GPCR上，而Src激酶家族不仅参与细胞的增殖与分化，也是丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kina，MAPK）/细胞外信号调 节 激 酶（extracellular signal-regulated kina，ERK）信号通路上的重要组成部分［22］。这一发现让人们意识到GPCR下游不仅只有G蛋白介导的信号通路，还存在一条与G蛋白通路平行的β-arrestin依赖型信号通路［23］。此后，结果表明β-arrestin作为支架蛋白参与两条信号通路，一条是上述MAPK/ERK通路，另一条是c-JUN氨基末端激酶3（c-JUN N-terminal kina type 3，JNK3）通路［24-25］。β-arrestin作为支架蛋白组装了通路中相互作用的蛋白，确保信号正确、特异地传递［26］。目前，对GPCR下游β-arrestin依赖型信号通路还知之甚少，唯一能确定的就是β-arrestin的功能远远超出当前的认知。
2 偏向性配体理论的提出与发展办公室工作
以往，人们曾认为配体发挥不同的药理效应是因为其作用的受体不同，而受体只有“开”或“关”两种状态分别对应“有”或“无”两种生理反应［26］。80年代末期，人们开始意识到配体发挥药理效应并不完全取决于其作用的受体，而是和受体下游的信号分子相关［27］。90年代，研究证明了在相同的细胞环境下，配体作用于同一受体，并不是平均地
激活下游每一条通路，而是对不同信号通路的激动活性不同［28］。因此，配体与受体的相互作用就不能用简单的“开”“关”模式形容。随着GPCR结构解析研究的进展，人们认为受体的激活构象是动态的、可变的，与不同配体结合，受体呈现出不同的激动态结构，从而不同程度地招募G蛋白和β-arrestin，触发不同的信号通路，最终引起千差万别的效应［29-30］。之后，人们发现某些配体偏向性地激活受体后某条信号通路，而较少或不激活受体后的其它通路，由此 “偏向性配体”的概念被逐渐提出，即配体并不是平均地激活GPCR下游的每一条信号通路，而是可能选择性、偏向性地激活某些信号通路，这种现象也称为“偏向性激活”［31］。
β-arrestin依赖型信号通路发现后，人们又很快发现G蛋白依赖型信号通路与β-arrestin依赖型信号通路对激动剂诱导的药理作用的贡献是不同的。有趣的是，对于μOR来说，G蛋白依赖型信号通路介导镇痛、镇静效应，而β-arrestin依赖型信号通路则主要介导其他药理效应［32］。
近年来许多研究采用基因敲除的方法探讨了β-arrestin与阿片类镇痛药的药理效应之间的关系。β-arrestin1和β-arrestin2完全敲除后有胚胎致死性，敲除小鼠无法成活，而单独敲除β-
arrestin1或β-arrestin2，则可以得到表型正常的小鼠，提示β-arrestin是小鼠生长发育过程中的必要蛋白，而β-arrestin1和β-arrestin2之间的功能可能相互替代［33-35］。对于β-arrestin1敲除小鼠，单剂量的吗啡镇痛效应和野生型小鼠类似［36］；而在β-arrestin2敲除小鼠中，吗啡表现出了更强的镇痛活性，受体脱敏也明显减弱［33-35，37］。采用 RNA 干扰敲低β-arrestin的小鼠和大鼠中也观察到了类似的现象［38］。除镇痛效应外，还有研究表明吗啡引起的便秘和呼吸抑制在β-arrestin2敲除小鼠中相对于野生型小鼠也明显减弱。然而，并不是所有的阿片类药物在β-arrestin2敲除小鼠上都表现出镇痛效应增强，美沙酮、芬太尼和埃托啡在β-arrestin2敲除小鼠上的镇痛效应与野生型小鼠类似［36-37］。最新研究对芬太尼等阿片激动剂在分子水平进行偏倚系数测定，同时在整体动物水平对这些药物的镇痛效应和呼吸抑制副反应进行测定，结果显示配体激活信号通路的偏倚和配体安全窗口大小有关。当配体偏向性激活β-arrestin依赖型信号通路时，配体安全窗口较窄［39］。
