Arrestins 作用的研究进展
陈厚昌 张 浚
(第一军医大学药理学教研室,广州 510015)
2000-01-12收稿,2000-03-20修回
*
国家自然科学基金资助课题,No 39570827
作者简介:陈厚昌,男,50岁,教授
续编故事中国图书分类号 R 341.3;R 345.57;R 977.6
文献标识码 A 文章编号 1001-1978(2000)04-0377-04摘要 A rrestins 是继G -蛋白偶联受体激酶(G RK )之后发现的另一个中介受体脱敏的重要可溶性蛋白。它不仅在受体脱敏,而且在受体胞吞,内部化,复敏乃至促细胞分裂反应信号中都起着至关重要的作用。
关键词 受体脱敏;受体复敏;受体内部化;促细胞分裂反应
受体脱敏是受体受到连续刺激后失去反应性的
现象,是近年来G -蛋白偶联受体(GPCR )调节形式中颇受关注的一种现象,分为同种脱敏和异种脱敏。受体只对造成脱敏的因素失去反应性的现象,称为同种脱敏;受体对非脱敏因素失去反应性的现象,称为异种脱敏。前者脱敏快,后者脱敏慢,前者是受体功能衰退,后者是受体数量减少。其中,同种脱敏是由G -蛋白偶联受体激酶(G RK )对受体磷酸化产生的。人们起初只知道GRK 是中介受体同种脱敏的主要物质,后发现同种脱敏中的另一重要物质———
arrestins ,它在脱敏中的作用达到了75%以上[1]
,因而引发起人们对arrestins 研究的不断深入。近年来逐步获知其在信号转导过程中发挥着更广泛深入的作用,有着更重要的地位。我们将近年来有关对ar -restins 家族的成员,主要特点及其在信号转导中的作用方面的研究进展综述如下。1 Arrestins 的简介
Arrestins 家族是一组与GRK 联合作用,造成受体脱敏的可溶性蛋白。其基本结构如图1[2]
。其家族至少包括6个成员,有几个经过了多种剪切。最早发现的是arrestin ,后又发现锥体arrestin (cone arrestin ),或叫X -arrestin ,由于它们分别分布在视网膜的柱体和锥体光感细胞中,因而被称为可见性ar -restin 。另有两个arrestin ———β-arrestin 及β-arrestin -2(又称arrestin 3),所作用的受
体及分布较广泛,故称非可见性arrestin 。此为研究最多的arrestin 家族的4个成员[2]。其各自性质如表1[2]。
Arrestins 的基本作用过程是:长时间与激动剂
结合的GPCR 会被G RK 磷酸化,导致arrestins 与GPC R 连接,arrestins 可阻断GPCR /G 蛋白的相互作用,从而使GPCR 脱敏。但arrestins 仅作用于与激动剂结合且被GRK 磷酸化的GPCR ,而不作用于PKA 磷酸化的GPCR 。arrestins 的竞争物为转运蛋白(transducin )。
而且,arrestins 与GPCR 的相互作用具有特异性:①对受体特异性:如β-arrestin 只作用于β2AR ,
而不作用于视紫红质(rhodopsin )[3]。②对细胞特异
性:β-arrestin 在某些细胞中超量表达,如JEG -3细胞中,无增强脱敏作用
[2]
,因为此类细胞中G RK 有
限。
P
(+)
A
S
Nonevis ual
C
(-)
Visual
(-)
Fig 1 Domain architectu re of arrestins
The quences of fou r know n mammalian arrestins are rep res ented schematically .T he s olid ar
eas are regions of invariant amino acid -quences .T he bifu rcation near the C terminus repren ts divergence in quence betw een the visual (arrestin and cone arrestin )and nonvis ual (β-arrestin and arrestin 3)arrestins .“A ”reprents the activation -recognition domain ,“P ”the phosphorylation -recognition domain ,“S ”the condary hydrophobic interaction domain ,“C ”the clath rin binding domain ,“+”the basic amino terminus ,and “-”the acidic C terminus .
2 Arrestins 的功能
2.1 Arrestins 与受体脱敏 上面已提到,同种脱敏现象是由GRK 对受体磷酸化产生的,起初只知
道GRK 是中介受体同种脱敏的主要物质,后发现纯化后的βARK (GRK 的一种)的活性远小于未纯化的,推断出必然有另一种对受体脱敏起重要作用的物质,与βARK 共同作用,从而发现了β-arrestin ,并证明arrestins 在脱敏中的作用占了75%以上[1]。Loh MJ 等[3]实验表明,GRK 对受体的磷酸化,使
·过于喧嚣的孤独
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T ab1 Molecular properties of arrestins
nam e receptor specificity tissue distribution chomosome mapping features/regulation arrestin rho>>β2AR~m2mAC hR R od cells2q37three splice variants
β-arrestinβ2AR~m2mACh R>rho ubiquitous11q13two spl ice variants,clath rin binding arrestin3β2AR~m2mACh R>rho ubiquitous17p13two spl ice variants,clathrin binding cone arrestin unknow n cone cells Xcen-q21unknown
*rho,rhodopsin
arrestins与受体的结合增加了10~30倍,这说明arrestins的作用必须以GRK引起受体磷酸化为前提。
目前,对GPCR与arrestins相互作用的认识已深入到它们的分子机制。
首先,arrestins具有区分受体激动状态及非受体激动状态的GPC R的能力,它的分子中包含有一个识别区域。最先认识到此识别区域定位于N-末端,因为去除C-末端的P44(arrestin的变异型)的识别功能完好无损[4]。而且,N-末端至少3个区域参与识别。可见性arrestin识别的是视紫红质的第3个胞质环序列,以及第1个胞质环序列的小部分[5];非可见性arrestin则识别m2和m3mAChR及α2AR 的第3个胞质环序列[6]。
另外,arrestins还具有区分磷酸化和非磷酸化状态GPCR的能力,它的分子结构中具有一个与磷酸化GP
C R相结合的区域。这个区域为阳离子区。已证实,此阳离子区位于arrestins的N-末端,其中, arrestin识别视紫红质,β-arrestin和arrestin3识别AchR的磷酸化状态的区域均在N-末端。而且,此识别区位于arrestin的N-末端第158~185位氨基酸残基之间,与rhodopsin的磷酸化C-末端相互作用[7],其中几个关键的残基为Arg171,Arg175, Lys176,且Arg175为判断受体磷酸化于否的敏感基团,去除此基团的arrestin与非磷酸化视紫红质有极强亲和力[8],丧失了识别性。
Arrestins与受体结合时可释放阿伦尼乌斯能量[9],且对少量蛋白水解的敏感性增强[10]。这些都提示arrestins在结合中产生了构象变化。arrestins 上的激活状态及磷酸化状态识别区与受体相应区域的结合造成了这种构象变化,暴露出二级疏水性结合位点(第191~365位残基间),形成arrestins与受体的高亲和力,大大促进了它们的相互作用。另外,盐可刺激arrestins与受体的结合。因而,受体磷酸化事实上是形成盐来刺激arrestins与受体的结合[11]。
Arrestins的C-末端功能则是与自身N-末端相互作用,形成一稳定结构,以使arrestins不与未激动和磷酸化的受体结合,直至受体被激动且磷酸化后,再与之结合,从而增强了arrestins与受体作用的准确性。
Arrestin和β-arrestin结合于不同的GPCR,即具有特异性,这与arestins N-末端的决定基团有关。深入分析知,arrestin的第48位至第365位氨基酸残基及β-arrestins的第45至第367位残基之间的区域决定其特异性[12]。
2.2 Arrestins与受体内部化 激动剂与受体的结合不仅使受体磷酸化,而且使其从细胞表面向细胞内一小泡转移,经历胞吞。人们把这种激动剂引起的GPCR内部化又称为分离。GPCR从膜联G-蛋白上的分离速度为0.03/分钟[13]。
GRK造成的GPCR磷酸化及与β-arrestin结合,在受体内部化中起关键作用。例如:GRK2超量表达,增强了M2-覃毒碱胆碱受体的内部化[14];而在COS细胞中,βARK1(GRK的一种)失效突变型阻止了受体内部化[15]。
β-arrestin是内部化中的主要物质。实验证明,β-arrestin超量表达能够恢复β2-肾上腺素受体失效突变型Y326A的内部化[16]。更有力的证据是,β-arrestin的失效突变型(如β-arrestin1-V53D或S412D)严重损伤受体内部化功能[16]等。那么,β-arrestin是如何促进GPCR内部化的呢?β-arrestin-1和2可直接与细胞内小泡表面的包涵素(clathrin)以高亲和力结合,而β2-肾上腺素受体缺陷型及包涵素连接缺陷的β-arrestin/arrestin嵌合体都失去了促进胞吞的功能。使用免疫荧光法显微术对完整细胞进行观察,可见β2-肾上腺素受体激动可以促进受体和β-arrestin与包涵素的结合[17]。这些结果都表明,β-arrestin与GPCR结合后,引导GPCR与以包涵素覆膜的胞内小泡结合,β-arrestin在包涵素-覆膜小泡中介的GPCR胞吞过程中为一重要连接体。但是这种作用是β-arrestin通过与包涵素的直接作用还是通过许多中间蛋白,尚不确定。但值得一提的是,此胞吞机制并非适用于所有GPCRs。在血管紧张素(ang iotensin)Ⅱ1A受体中就不适用,但β-ar-restin超量表达可使其通过这种胞吞通路。
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β-arrestin使GPCR内部化的作用受其自身的磷酸化与去磷酸化调节。通常胞内β-arrestin-1在碳末端Ser-412上磷酸化,当被受体刺激转向质膜时,β-arrestin-1迅速去磷酸,这种去磷酸是为受体内部化服务的,而与受体脱敏无关。具体的磷酸激酶和去磷酸酶还未知。但arrestin家族的其他成员无Ser-412,也许是在别的位置磷酸化或是通过完全不同的机制。
2.3 Arrestins和受体复敏 受体快速脱敏通常是可逆的,它最终会恢复对激动剂的反应性,这种现象称为复敏。实验证明,分离后的GPCR最终又恢复去磷酸结构并恢复对腺苷酸环化酶的反应性。受体复敏的速度通常为0.06·min-1[16]。起初,人们认为内部化是脱敏的部分原因,但大部分的研究发现,脱敏并不需要内部化,内部化的作用是促进复敏。1986年Sibleg等[18]人就设想过这种关系。因为受体在内部化小泡中的磷酸化比在质膜表面的少,而且小泡中富含去磷酸酶。
直至1993年,Yu SS等[19]以蔗糖或者内部化缺陷的受体类型阻断β2-肾上腺素受体内部化时发现,通常20min内发生的复敏现象也被阻断了。而且,植物血凝素伴刀豆球蛋白A(dynamin)-另一种内部化阻断
剂,同样阻断复敏。另外,β-arrestin及GRK2超量表达可恢复内部化损伤的β2-肾上腺素受体突变型的复敏功能[20]。至此,GPC R内部化在起其复敏中的重要作用已得到充分证明,而且,其作用机制也已明确。GRK引起的GPCR磷酸化促进了arrestins与GPCR的结合,使GPCR脱敏。继而, arrestins又与胞内小泡表面的包涵素结合,引导GPCR与胞内小泡结合,小泡中富含去磷酸酶, GPCR在其作用下去磷酸,恢复活性,返回质膜,继而复敏。
受体(至少是β2-肾上腺素受体)去磷酸的酶,是PP-2A家族的膜联去磷酸酶,而且它也作用于α2a-肾上腺素受体和视紫红质[21]。
另外,酶作用必须在酸性pH环境中。仅当低PH引起GPC R构象变化后,酶的去磷酸现象才会发生。若用NH4Cl或别的试剂处理细胞,破坏其酸性pH环境,去磷酸酶与受体不能结合,阻止了去磷酸化,同时阻断了复敏[22]。
综上可知,β-arrestin和GRK既是引起受体脱敏,又是引起受体内部化,继而复敏的主要物质。但受体去磷酸后转至质膜的过程还不清楚。
2.4 Arrestins及促细胞分裂反应信号 许多GPCRs可以激动MAP激酶(如ERK1和2),并在某些情况下引起促细胞分裂反应,这种由GPCR-中介激活ErKs的机制已得到深入研究。G i,G q及G o 中介的通路已有记载。G i中介信号通常通过Gβγ亚基来实现,从而激活Src,接着是几个连接器的酪氨酸磷酸
化,导致Ras核苷酸交换复合体Grb2-mSOS 转移向质膜,进而激活Ras,Raf,MEK,最终激活ErKs[23]。
GPC Rs对促分裂反应信号的激活需要内部化的参与。因阻止内部化的β-arrestin失效突变型或动力蛋白(dynamin),可阻断MAP激酶的活性[24]。其它阻断因素如伴刀豆球蛋白A,高渗蔗糖溶液,细胞外钾内流,低温,或单酰戊二胺-[1,5](monodan-sylcadaverine),都有同样效果[25]。阻断仅发生在Raf激活M EK的位置,因而,内部化阻断剂存在时, Src激活,酪氨酸磷酸化和Raf激活不受影响,而ErK1和-2则不再被磷酸化[24]。可见,ErK1和-2的激活必须有GPCR内部化的存在。而另一种发生在质膜表面,由第二信使启动的信号通路(如那些包括腺苷酸环化酶和磷脂酶C的通路)与此不同,它不需GPC R内部化过程,并且不受β-arrestin失效突变型的影响[24]。
因为在ErK1和-2激活通路上对GPCR内部化的需要相对减弱,为什么内部化本身必要呢?有一种假说是,激活的受体在质膜组成一个多蛋白信号复合物,包括通往Raf激活通路上(包括Raf在内)的一些或全部组分。而M EK的激活,必须有活性Raf的内部化作为由受体稳定的复合信号粒子的一部分,尽管在这一点上仍只是推测,但GRK引起的受体磷酸化及随后的β-arrestin中介的内部化在MAP激酶激活的信号转导中的必要作用是很确定的。
冰草种植到现在,β-arrestin以及GRK已可以被称为重要的信号分子。
团支部书记述职报告3 总结
总之,人们对arrestins功能的认识从无到有,从少到多,逐步发展得更广更深,引导了人们对GPCR 调节现象的研究不断深入和扩展,从而证明了信号产生及脱敏之间的辨证关系-受体对某种信号的脱敏正是另一种信号产生的开始,使人们在信号转导系统的研究中开拓了眼界,在其领域中迈出了重要的一步。描写猫的作文
狼人杀话术参考文献
1 Loh s e M J,Benovic J L,Codina J et a l.Beta-arrestin:A protein that regulates beta-adrenergic receptor function.S cience-wash, 1990;248:1547~50
2 Jason G,Krupnick,Benovic J L.The role of receptor kinas and
·
379
·
中国药理学通报 Chines e Pharmacological Bulletin 2000Aug;16(4)
arrestins in G protein-coupled receptor regulation.An nu Rev Phar mac ol Toxicol,1998;38:289~319
3 Loh M J,Andexinger S,Pitcher J et al.Receptor-s pecific den-sitization w ith purified proteins.Kina dependence and receptor specificity of beta-arrestin and arrestin in the beta2-adrenergic re-ceptor and rhodopsin systems.J Biol C hem,1992;267(12):8558~64
4 Buczylko J,Palczewski K et al.Characterization of a truncated form of arrestin isolated form bovine rod outer gments.Protein Sci,1994;3:319~29
5 Krupnick JG,Gurevich VV,Schepers T et a l.Arrestin-rhodopsin interaction:m ulti-s ite binding delineated by peptide inhibition.J Biol Chem,1994;269(5):3226~32
6 Wu G,Krupnick JG,Benovic J L et al.Interaction of arrestins w ith intracell ular domains of muscarinic and alpha2-adrenergic re-ceptors.J B iol Chem,1997;272(28):17836~42
7 Kielbach T,Irrgang KD,Ruppel H et al.A gment corres-ponding to amino acids Val170-Arg182of bovine arrestin is capable of binding to phosphorylated rhodops in.Eur J Bioc hem,1994;
226(1):87~97
半日活动反思
8 Gurevich VV,Benovic J L et al.Visual arrestin binding to rhodopsin.Diver functional rol es of positively charged residues w ithin the phosphorylation-recognition region of arrestin.J Biol Chem,1995;270(11):6010~6
9 Schleicher A,Kuhn H,Hoffmann KP et al.Kinetics,binding constant and activation energy of the48-KDa p rotein-rhodopsin complex by extra-media-rhodops in.B iolc hemistr y,1989;28:1770~5
10 Palczewski K,Pulvermull er A,Buczylko J et al.Phospho rylated rhodopsin and heparin induce similar conformational changes in ar-restin.J Biol Chem,1991;266(28):18649~54
11 Puig J,Arendt A,Tomson FL.Synthetic phosphopeptide from rhodopsin quence induces retinal arrestin binding to photoactivat-ed unphosphorylated rhodopsin.FEBS-Lett,1995;362(2):185~
8
12 Gurevich VV,Dion S B,Onorato JJ et al.Arrestin interactions w ith G protein-coupled receptors.Direct binding studies of w ild type and m utant arrestins w ith rhodopsin,beta2-adrenergic,and m2muscarinic cholinergic receptors.J B iol Chem,1995;270(2): 720~31
13 Pippig S usanne,Andexinger S abine,Loh M artin J et al.S e-questration and recycling of beta
2-adrenergic receptors permit re-ceptor res ens itization.Mol Pharmacol,1995;47(4):666~76
春先14 Haga T,Tsuga H,Kameyama K et al.Sequestration of muscarinic
acetylcholine receptor m2subtypes.Facilitation by G protein-cou-pl ed receptor kinas(GRK2)and attenuation by a dominant-nega-tive mutant of GRK2.J Biol Chem,1994;269:32522~7
15 Ferguson-S tephen SG,M enard-Luc,Barak Larry S et a l.Role of phosphoryl ation in aganist-promoted.beta2-adrenergic receptor -questration.Rescue of a questration-defective mutant receptor by beta.ARK1.J Biol Chem,1995;270(42):24782~9
16 Fergus on S S,Dow ney W E3rd,Colapietro AM et al.Role of beta-arrestin in mediating aganist-promoted G protein-coupled receptor internalization.S cience,1996;271(5247):363~6
17 Goodman OB T r,Krupnick JG,Santini F et al.Beta-arrestin acts as a clathrin adaptor in endocytosis of the beta2-adrenergic recep-tor.Nature,1996;383(6599):477~50
18 David R.Sibley,Ruth H.Strasr et al.Phosphorylation/de-phosphorylation of theβ-adrenergic receptor regulates its functional coupling to adenylate cycla and s ubcellul ar distribution.Pr oc Natl Acad Sci US A,1986;83:9408~12
19 Lefkow itz RJ,Haus dorff WP,Yu S S et a l.β-adrenergic receptor questration.J Biol Chem,1993;268:337~34118
20 Zhang J,Barak LS,Winkl er KE et al.A central role for beta-ar-restins and clathrin-coated ves icl e-mediated endocytosis in beta2-a-drenergic receptor rens itization.Differential regulation of receptor rensitization in tw o distinct cell types.J Biol Chem,1997;272
(43):27005~14
21 Pitcher J A,Payne ES,Csortos C et al.The G-protein-coupled re-ceptor phosphata:a protein phosphata type2A with a distinct subcellular distribution and substrate specificity.Proc Natl Acad S ci US A,1995;92(18):8343~7
22 Krueger KM,Daaka Y,Pitcher JA et a l.The role of s equestration in G protein-coupled receptor rensitization.Regulation of beta2-adrenergic receptor dephosphoryl ation by vesicular acidification.J Biol Chem,1997;272(1):5~8
23 Van Bies en T,Luttrell LM,Haw es BE et a l.M itogenic signaling via G protein-coupled receptors.Endocr Rev,1996;17(6):698~714
24 Daaka Y,Luttrell LM,Ahn S et a l.Esntial role for G protein-coupled receptor endocytosis in the activation of mitogen-activated protein kina.J Biol Chem,1998;273(2):685~8
25 Luttrell LM,Daaka Y,Della R occa GJ et al.G protein-coupled receptors mediate two functionally distinct pathw ays of tyrosine phosphoryl ation in rat1a fibroblasts.Shc phosphorylation and re-ceptor endocytos is correlate w ith activation of Erk kinas.J Biol Chem,1997;272(50):31648~56
Progress studing in the role of arrestins
CHEN Hou-Chang,ZHANG Jun
(Dept of Pharmac ology,The First Military Medical U niversity,Guangzhou 510515)
ABSTR ACT Arrestin is an im portant soluble protein that mediates receptor densitization w hich is found after G-protein coupled receptor kina(GRK).It plays an important role no t only in receptor densiti-zation,but also in receptor endocytosis,internaliza-tion,rensitization and mitogenic sig naling.
KEY WOR DS recepto r densitization;recepto r re-nsitization;receptor internalization;mitogenic sig-naling
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