靶向抑制G蛋白偶联受体激酶2在心力衰竭基因治疗中的研究进展

宋衍秋 毛用敏

靶向抑制G蛋白偶联受体激酶2在心力衰竭基因治疗中的研究进展

宋衍秋 毛用敏△

G蛋白偶联受体激酶2 心力衰竭 受体,肾上腺素能β 基因疗法 综述

心力衰竭是许多器质性心脏疾病发展的终末阶段，其发病机制及病理生理过程复杂。传统的药物治疗虽然能有效缓解心力衰竭的症状，降低患者住院率，但其5年病死率仍超过50%[1]。随着分子生物学的发展及对心血管疾病发病机理认识的逐渐深入，基因治疗为心力衰竭提供了一种新的治疗途径。

G蛋白偶联受体（G protein coupled receptors,GPCRs）是一类具有7个跨膜区蛋白的超家族。βAR是其之一，其可调节心脏对儿茶酚胺类物质的反应。βAR信号在一些心血管疾病中均下降。在心力衰蝎的进展过程中，βAR的密度和反应性严重降低，这个过程受G蛋白偶联受体激酶(G protein coupled receptor kinases,GRKs)的调节。慢性心力衰竭心肌细胞的GRK2也称为β肾上腺素受体激酶1（β-adrenergic re⁃ceptor inases 1,βARK1），其活性及表达水平显著升高，导致βAR通路减敏及心脏功能降低。目前，有研究发现通过基因治疗调控GRK2活性可对多种心脏疾病起到良好的治疗作用，为心血管疾病的治疗开辟了新途径[2]。本文将GRK2在正常心脏及心力衰竭中的作用机制及其在心力衰竭基因治疗研究中的新进展综述如下。

1 βARs-G蛋白-腺苷酸环化酶信号转导通路在心脏功能中的作用

目前已发现的GPCRs有300余种。儿茶酚胺类神经递质肾上腺素和去甲肾上腺素与心脏组织βAR相结合，发挥调节心率、心肌细胞的收缩、分化、增殖和凋亡等作用[3]。人心肌细胞βAR有3个亚型：β1AR、β2AR和β3AR，其中β1AR为优势型βAR，占总βAR的70%~80%；β2AR次之，约占20%；β3AR呈少量分布[4]。儿茶酚胺类βAR激动剂与βAR结合后，βAR构型改变，使与其偶联的无活性GDP-GαGβγ中的Gα与GDP解离，Gα随继与GTP结合成Gα-GTP成为激活状态，并与Gβγ亚基分离，继而激活细胞膜内的腺苷酸环化酶（AC），AC催化ATP生成环腺苷酸（cyclic adenosine monophosphate,cAMP），cAMP作为细胞内第二信使激活蛋白激酶A（protein kinase A,PKA），PKA可使多种调节蛋白磷酸化，从而调节心肌细胞的正性变时、变力和变传导效应[5]。Gβγ也可以激活一些下调效应分子，在心脏信号传导中发挥作用。

在心力衰竭的发展过程中，βAR介导的信号转导发生着微妙的变化，主要表现为β1AR密度的下调和G蛋白-βAR的失偶联（脱敏）[3]。心力衰竭发生初期，交感神经系统活性增加，心率加快，心肌收缩力增强，使心排血量在相当时间内维持正常；然而交感神经系统活性长期增强，可产生儿茶酚胺毒性效应。研究发现，高浓度儿茶酚胺可导致GRK2数量或活性的改变，从而造成βAR密度下调和脱敏的发生，推测GRK2在心力衰竭的过程中发挥重要的作用[6]。

2GKR2的生物学功能

GRKs属丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族，目前已知的哺乳动物有7种GRKs，命名为GRK1~7，其中GRK2在βAR介导的信号转导途径中具有重要的作用。GRK2是位于细胞膜上的细胞溶质酶，与活化G蛋白的Gβγ亚单位结合而激活，使活化的βAR跨膜内侧的羧基端磷酸化，介导β抑制蛋白与βAR结合，致使βAR与G蛋白解偶联，阻断βARs-G蛋白-腺苷酸环化酶信号转导通路，导致βAR受体密度的降低和脱敏[7]。

心脏βAR介导的信号转导和其脱敏处于一个动态平衡，以维持正常的心功能。在心力衰竭早期，GRK2的上调可以抵消交感神经系统过度兴奋所致的儿茶酚胺毒性效应，此时GRK2的上调可能是心脏的一个保护机制。然而有研究显示，GRK2过度表达的转基因小鼠，βAR信号转导异常，心肌收缩力减弱，呈现慢性心力衰竭的病理生理表现[7]。应用GRK2抑制剂—βARKct或者对小鼠实行GRK2基因敲除均可显著增加心肌收缩力及心肌纤维对儿茶酚胺等神经递质的反应性。βARKct同样可以使转基因过表达GRK2小鼠心功能及βAR信号转导得以改善[8]。可见，在心力衰竭的发展进程中，GRK2的过度表达已并非心脏的保护机制，很可能是促进心力衰竭进展的一个重要因素。

3 靶向抑制GRK2在心力衰竭基因治疗中的新进展

20世纪90年代以来，针对βAR信号转导途径展开的基因治疗一直是心力衰竭的研究热点。Drazner等[9]利用腺病毒载体构建了携带GRK2抑制剂—βARKct的重组腺病毒Ad-βARKct，感染成年兔左室肌细胞，可显著改善心肌细胞βAR的信号转导。Williams等[10]发现Ad-βARKct体外感染人心力衰竭心肌细胞，可使心肌细胞收缩力及βAR反应性均增强，为干预GRK2活性的基因治疗应用于人心力衰竭的治疗提供了可行性依据。此后，抑制GRK2基因治疗的在体实验得以开展。White等[11]首次利用腺病毒载体将βARKct经冠脉导入心肌梗死兔体内，3周后，实验兔心脏收缩功能改善，βAR信号转导功能得以恢复，并且能够预防左心室重构。该研究首次证实了βARKct在心力衰竭活体模型中的治疗作用。Shah等[12]制备兔心肌梗死后心力衰竭模型，经导管冠脉给予Ad-βARKct，1周后发现βARKct在心脏组织得到有效表达，左室收缩末压降低，左心功能增强，βAR脱敏现象逆转。βARKct同样可以改善肺动脉高压致右心衰兔模型右心室功能，并降低动物致死率[13]。此外，Tevaearai等[14]也证实了βARKct对于急性缺血性心肌损伤的治疗作用，使左室心功能及βAR信号转导功能得以改善。上述研究提示，GRK2的靶向抑制对心力衰竭的治疗可能具有重要的作用。

虽然腺病毒载体具有低毒、高效、大容量等诸多优点，但由于其在体内表达时间相对较短，只能对GRK2的靶向抑制治疗作用短期观察，特别限制了其在慢性心力衰竭方面的研究。Rengo等[15]利用腺相关病毒载体在体内表达外源基因时间长的优点，构建重组6型腺相关病毒AAV6-βARKct，并观察其对慢性心力衰竭大鼠的治疗作用，结果显示实验大鼠经冷冻左室游离壁12周后，成功制备了心肌梗死后慢性心力衰竭模型。直接局部心肌注射AAV6-βARKct基因治疗12周后，发现βARKct在心肌组织中表达稳定，超声心动图及血液动力学检测表明心功能显著改善；心肌细胞内cAMP水平升高，心肌细胞膜βAR密度增加，心肌细胞内GRK2水平显著降低，大鼠心脏指数显著降低，心肌组织I型胶原、转化生长因子β1、A型利钠肽、B型利钠肽表达降低；此外，大鼠血浆肾上腺素、去甲肾上腺素及醛固酮水平也均下降。该研究明确了长期βARKct治疗对慢性心力衰竭有显著的治疗作用，同时提示长时间抑制GRK2可改善慢性心力衰竭的心室重构。

心力衰竭一个显著的病理生理学特征是交感神经系统活性增高，血循环儿茶酚胺类物质浓度升高，而高浓度儿茶酚胺类物质又可引起心脏毒性效应，在心力衰竭的发展过程中具有重要作用，机体血循环儿茶酚胺类物质主要由交感神经系统末梢和肾上腺髓质分泌[16]。研究发现，正常大鼠肾上腺髓质过度表达GRK2，可导致儿茶酚胺类物质浓度缓慢升高[17]。Ad-βARKct特异性感染大鼠肾上腺髓质，降低GRK2表达后，血清儿茶酚胺类物质显著降低[18]。Ad-βARKct特异性感染心肌梗死后心力衰竭大鼠肾上腺髓质，降低肾上腺髓质GRK2表达水平，可以显著降低大鼠体内儿茶酚胺类物质水平，大鼠心功能改善[19]。特异敲除肾上腺嗜铬细胞GRK2基因小鼠，心梗后4周血清肾上腺素和去甲肾上腺素水平均降低，心功能提高，心脏βAR信号转导改善[20]。此外，研究发现肾上腺GRK2与位于肾上腺皮质的作用因子β抑制蛋白-1相互作用，影响肾上腺皮质激素醛固酮的分泌；心肌梗死后心力衰竭大鼠肾上腺GRK2过度表达，血清醛固酮水平增加，而醛固酮在慢性心力衰竭的进展过程中也具有重要作用[21]。上述实验表明，肾上腺靶向抑制GRK2，可降低交感神经系统活性及醛固酮的分泌，可能成为预防和治疗心力衰竭的一个新靶点。

目前基因治疗的发展仍然面临着一些亟待解决的问题，如载体的安全性、转染效率及目的基因表达等。但随着对GRK2研究的逐渐深入，以抑制其活性为靶点的基因治疗，仍具有十分重要的理论和现实意义，可能成为预防并治疗心力衰竭的一个全新途径。

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300050 天津市胸科医院，天津市心血管病研究所△审校者

（2011-10-24收稿 2012-03-06修回）

（本文编辑 闫娟）