G蛋白偶联受体激酶:心肌肥厚潜在的生物标志

向仕钊 综述 唐其柱 审校

(武汉大学人民医院心血管内科，湖北武汉 430060)

G蛋白偶联受体激酶:心肌肥厚潜在的生物标志

向仕钊 综述 唐其柱 审校

(武汉大学人民医院心血管内科，湖北武汉 430060)

心力衰竭因其发病范围广、患病率高、病死率高以及高额的医疗花费目前已成为全世界十分棘手的一个健康问题，其中在发展中国家表现得尤为突出，未来20年里有望成为导致死亡的首要原因［1］。心肌肥厚是心力衰竭、心律失常、心源性猝死以及心血管发病率和病死率的独立危险因素［2］。生理性心肌肥厚源于对运动条件下的一种代偿性适应，病理性心肌肥厚则是心脏对病理状态下如高血压、心肌梗死等的一种代偿性反应。研究发现在病理性条件下心肌细胞和血管内皮细胞通过细胞肥大或者结构重塑作为病理条件下的应急代偿机制来缓解或者维持机体其他器官的有效灌注［3］。G蛋白偶联受体激酶(G protein-coupled receptor kinases，GRKs)有多个亚型，其中G蛋白偶联受体激酶2(GRK2)在压力负荷诱导的心肌肥厚的调控中起重要作用。目前临床上对心力衰竭监测常用的生物标志为氨基末端脑钠肽前体(NT-proBNP)，其监测心血管不良事件与GRK2相比相对较晚。GRK2结构特点及在心肌肥厚调控中的机制使其有望成为监测心肌肥厚的潜在生物标志，临床上可通过监测患者外周血淋巴细胞GRK2 mRNA的表达水平对早期心肌肥厚进行有效干预或者后期GRK2与传统生物标志合用以提高对心力衰竭的诊治率。

1 GRK2的结构和功能特点

G蛋白为细胞内信号传导途径中起着重要作用的GTP结合蛋白，由α，β，γ三个不同亚基组成，Gα及Gβγ均参与心血管疾病的发生发展，Shen等［4］研究发现Gβγ还参与调控先天性静止性夜盲视网膜双极细胞对光信号传递机制。GRKs由GRK1～GRK7七个亚型组成［5］，GRK1、GRK4、GRK7在有限的组织内表达，其中 GRK1和 GRK7在视网膜内表达较多［6］，GRK4在睾丸内高表达。而 GRK2、GRK3、GRK5、GRK6则在机体广泛表达，Zhang等［7］研究发现作为Gαq下调基因转录修饰亚型的GRK5可能通过与β-肾上腺素受体(β-adrenergic receptor，β-AR)介导的脱敏作用来抑制心力衰竭的失代偿。GRK2又称 β-ARK1，分布广泛，在血管平滑肌、内皮细胞、淋巴细胞及心肌细胞等均有表达，为丝氨酸/苏氨酸激酶由高度保守的中心区催化亚基(～270aa)、N-末端(～185aa)以及含有特异性调节位点的C-末端(～105-230aa)构成［8］。N-末端参与受体识别及细胞内膜的锚定作用，还含有包括调节 G蛋白同源位点(～120aa)在内的许多调控模序，G蛋白同源位点可特异地通过类效应器方式而非类G蛋白信号调节点方式与Gαq家族成员结合然后抑制该家族成员与效应器磷脂酶Cβ的相互作用。C-末端则通过调节类脂与膜蛋白的相互作用来调节GRK家族成员的亚细胞位置。GRK2其C-末端还包含一个能与4，5-二磷酸腺肌醇相互作用释放Gβγ亚基的普列克底物蛋白同源序列，该序列参与激动剂依赖的跨膜转运。GRK2通过与β抑制蛋白结合调控G蛋白偶联受体(GPCR)的功能，此外GRK2和β抑制蛋白还参与其他膜受体如经酪氨酸激酶受体介导的胰岛素生长因子1、胰岛素、血小板生长因子、表皮生长因子等信号传导。Penela等［9］研究发现GRK2可以通过与GRKs相互作用蛋白1及细胞质α-微管蛋白脱乙酰酶组蛋白脱乙酰酶6相互作用来管理肌动蛋白及微管网络，其水平的变化及活性涉及炎性疾病及肿瘤演变中细胞的迁移。Woodall等［10］研究发现GRK2参与心肌细胞内线粒体调节心肌细胞存活和凋亡的胰岛素信号途径，由此通过调节心肌细胞的代谢来调节心脏的收缩功能及心力衰竭的发展。

2 GRK2在心肌肥厚中的作用和机制

2.1 GPCR途径

心脏在病理性刺激因素持续存在时儿茶酚胺长时间过量分泌导致β受体与Gs结合后再与腺苷酸环化酶结合，使cAMP聚集在心肌细胞，通过以下途径导致心肌肥厚:一方面，活化蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)，活化的PKA可使Ca2+结合蛋白磷酸化然后分别经磷酸酶/NFAT(nuclear factor of activated T cells)及CaMKⅡ(calmodulin-dependent protein kinaseⅡ)/HDAC两条途径导致心肌肥厚。另一方面，Epac1 (exchange protein directly activated by cAMP)-Ras-Raf1-MEK-ERK1/2途径导致心肌肥厚。GRK2通过抑制cAMP活化PKA来改善心肌肥厚，但GRK2过度表达也会通过非GPCR线粒体途径导致心肌肥厚［11］。

2.2 非GPCR途径

GRK2既可通过GPCR途径使GPCR脱敏来调控心肌肥厚又可通过非GPCR途径参与心肌肥厚的调控［12-13］，这种独立的信号途径涉及β-aresstins、GRK2在磷酸化结合GRCR的β1-AR羧基末端丝氨酸/苏氨酸位点并使GPCR脱敏的同时会导致β-抑制蛋白的移位并竞争GPCR的结合位点以抑制GPCR的进一步活化。与GRK2相互作用的非GPCR蛋白包括单次跨膜受体、细胞溶质蛋白、核蛋白、微管蛋白、网格蛋白、Akt、热休克蛋白90、IκBα等［14-15］。GRK2与细胞内非GPCR蛋白的相互作用可通过影响不同的细胞信号通路来调控心肌肥厚，如炎症途径、细胞死亡途径以及细胞周期等［16-17］。心肌细胞在受到氧化应激或者缺血性损伤时细胞外信号调控激酶会通过GRK2的Ser670使其磷酸化，磷酸化的GRK2在Hsp90的协助下移向线粒体启动前死亡信号［17］。磷酸化的GRK2对线粒体膜通透性转换孔敏感性增加并使其开放导致细胞内 Ca2+负载，Ca2+与钙调蛋白(calmodulin，CaM)形成Ca2+/CaM复合物然后结合在CaMKⅡ的C-末端调节亚基上使其活化，活化的CaMKⅡδ通过在细胞电生理水平和分子水平导致病理性心肌肥厚以至最终的心力衰竭。一方面对Ca2+生理活动如兴奋-收缩偶联、兴奋-转移偶联以及心率的增加产生影响;另一方面，导致细胞凋亡和心律失常。最后，通过CaMKⅡ/HDAC途径导致心肌肥厚［18］。

3 GRK 2的临床应用及现状

GRK2是介导GPCR磷酸化、内化及功能失调最重要的调节蛋白，可通过多种途径调节病理性心肌肥厚的发生发展。Brinks等［19］研究发现GRK2可作为监测急性心肌梗死及早期心肌肥厚潜在生物指标，通过监测GRK2的表达水平和活性可有效反映患者心肌肥厚的程度并进行早期有效干预以避免进一步恶化为心力衰竭。Woodall等［10］研究发现GRK2是联系心力衰竭患者心肌细胞收缩功能和代谢活动的节点，βARKct和帕罗西汀(paroxetine)均可结合GRK2并抑制其活性增加心肌的收缩功能［20-21］，故GRK2浓度的监测可从多方面评估心脏功能。GRK2可作为治疗心力衰竭的新的靶基因，有效抑制GRK2过高的表达水平和活性为治疗心力衰竭的有效途径［22-23］。高文谦等［24］研究发现通过监测患者外周血淋巴细胞GRK2的mRNA表达水平可了解其心肌病理状态，进而判断β-AR治疗心力衰竭的作用。

4 GRK2与NT-proBNP的联系

4.1 NT-proBNP

NT-proBNP为一种神经内分泌激素，具有拮抗肾素-血管紧张素-醛固酮系统、增加肾血流、松弛血管平滑肌、改善血管通透性及抑制心肌细胞有丝分裂等多种作用。心脏在各种不良应激因素如氧化损伤、前后负荷过大、急性心肌梗死、心肌肥厚等的诱发下心室肌细胞分泌NT-proBNP增加。

4.1.1 心脏电生理方面

植入式心脏转复除颤器(implantable cardioverterdefibrillator，ICD)是预防心源性猝死的有效手段，但电极导线的不足仍使患者死亡风险增加［25］。研究发现，在缺血性心肌病和糖尿病心肌病心力衰竭患者中NT-proBNP和迟钆增量可作为ICD术后患者一级预防及死亡风险的评估且NT-proBNP与ICD术后患者心律失常风险的独立相关性超过与总的死亡风险相关性［26-27］。

4.1.2 血流动力学方面

Welsh等［28］在苏格兰西部进行的历时15年有关NT-proBNP预测主要心血管事件的冠心病干预研究发现，NT-proBNP可以预测没有临床证据的慢性心脏病、心绞痛及脑卒中史患者的心血管不良事件，而且其风险评估的稳定性超过C反应蛋白。此外，尚有研究发现NT-proBNP和高敏肌钙蛋白T不仅反映慢性肾脏疾病患者肾素清除率降低，而且是此类患者心血管恶化结果的预后指标［29］。

4.2 GRK2与NT-proBNP的联系

环核苷酸信号传导途径的共同特征是以小分子的环核苷酸如cAMP、鸟苷酸环化酶(cGMP)等作为第二信使，通过细胞内环核苷酸浓度的改变进行信号传导。GRK2既可通过GPCR又可通过非GPCR途径调控心肌肥厚。cGMP信号传导系统是信号分子如NT-proBNP特异地与膜结合性鸟苷酸环化酶结合后并激活其酶活性，鸟苷酸环化酶催化GTP生成并激活作为第二信使的cGMP，促进胞质内cGMP浓度升高，进而激活一系列蛋白激酶，如cGMP-PDE、PKA的调节亚基、磷酸化酶、脂肪细胞激素敏感脂肪酶、受磷蛋白、Ca2+-ATP酶、Ca2+通道蛋白等由此产生一系列生物学效应。由此可见GRK2既可通过GPCR途径又可通过非GPCR途径与NT-proBNP共同调控不良心血管事件条件下病理性心肌肥厚的发生发展。GRK2在导致心肌肥厚时，心脏结构发生重塑进而导致血流动力学的变化引起NT-proBNP浓度的变化，而NT-proBNP又进一步加剧了心肌肥厚的进展最终导致心力衰竭，所以GRK2比NT-proBNP更能较早反映心肌肥厚的程度。

5 结语

GRK2通过多种途径参与诸多疾病的发生发展，在心血管疾病的病理调控中起着举足轻重的作用，心血管疾病高发的今天使得大量科研人员不断探索心血管疾病发生发展的新机制以寻找新的治疗靶点。心肌肥厚是心力衰竭、心律失常、心源性猝死以及心血管发病率和病死率的独立危险因素，对心肌肥厚的早期干预对改善心力衰竭患者的预后具有重要作用。GRK2有望成为潜在的监测心肌肥厚的生物指标，对其作用机制的进一步研究以及抑制剂的开发将成为未来研究的热点。

［1］ Lloyd-Jones D，Adams RJ，Brown TM，et al.Executive summary:heart disease and stroke statistics—2010 update:a report from the American Heart Association［J］.Circulation，2010，121(7):948-954.

［2］ Hill JA，Olson EN.Cardiac plasticity［J］.N Engl JMed，2008，358(13): 1370-1380.

［3］ Kehat I，Davis J，Tiburcy M，et al.Extracellular signal-regulated kinases 1 and 2 regulate the balance between eccentric and concentric cardiac growth［J］.Circ Res，2011，108(2):176-183.

［4］ Shen Y，Rampino MA，Carroll RC，et al.G-protein-mediated inhibition of the Trp channel TRPM1 requires the Gβγdimer［J］.PNAS，2012，109(22): 8752-8757.

［5］ Watari K，Nakaya M，Kurose H.Multiple functions of G protein-coupled receptor kinases［J］.JMol Signal，2014，9(1):1.

［6］ Roosing S，Collin RW，den Hollander AI，et al.Prenylation defects in inherited retinal diseases［J］.JMed Gene，2014，51(3):143-151.

［7］ Zhang Y，Matkovich SJ，Duan X，et al.Nuclear effects of G-protein receptor kinase 5 on histone deacetylase 5-regulated gene transcription in heart failure［J］.Circ Heart Fail，2011，4(5):659-668.

［8］ Vinge LE，Raake PW，Koch WJ.Gene therapy in heart failure［J］.Circ Res，2008，102(12):1458-1470.

［9］ Penela P，Nogués L，Mayor F Jr.Role of G protein-coupled receptor kinases in cellmigration［J］.Curr Opin Cell Biol，2014，27:10-17.

［10］Woodall MC，Ciccarelli M，Woodall BP，et al.G protein-coupled receptor kinase 2:a link between myocardial contractile function and cardiac metabolism［J］.Circ Res，2014，114(10):1661-1670.

［11］Chen M，Sato PY，Chuprun JK，et al.Prodeath signaling of G protein-coupled receptor kinase2 in cardiacmyocytes after ischemic stress occurs via extracellular signal-regulated kinase-dependent heat shock protein 90-mediated mitochondrial targeting［J］.Circ Res，2013，112(8):1121-1134.

［12］Ibrahim IA，Kurose H.β-arrestin-mediated signaling improves the efficacy of therapeutics［J］.JPharmacol Sci，2012，118(4):408-412.

［13］Fan Q，Chen M，Zuo L，et al.Myocardial ablation of G protein-coupled receptor kinase2(GRK2)decreases ischemia/reperfusion injury through an antiintrinsic apoptotic pathway［J］.PLoSOne，2013，8(6):e66234.

［14］Chen M，Sato PY，Chuprun JK，et al.Prodeath signaling of G protein-coupled receptor kinase 2 in cardiac myocytes after ischemic stress occurs via extracellular signal-regulated kinase-dependent heat shock protein 90-mediated mitochondrial targeting［J］.Circ Res，2013，112(8):1121-1134.

［15］ Patial S，Luo J，Porter KJ，et al.G-protein-coupled receptor kinases mediate TNFα-induced NFκB signalling via direct interaction with and phosphorylation of IκBα［J］.Biochem J，2010，425(1):169-178.

［16］Lafarga V，Aymerich I，Tapia O，et al.A novel GRK2/HDAC6 interaction modulates cell spreading and motility［J］.EMBO J，2012，31(4):856-869.

［17］Michal AM，So CH，Beeharry N，et al.G Protein-coupled receptor kinase 5 is localized to centrosomes and regulates cell cycle progression［J］.JBiol Chem，2012，287(9):6928-6940.

［18］Anderson ME，Brown JH，Bers DM.CaMKⅡ in myocardial hypertrophy and heart failure［J］.JMol Cell Cardiol，2011，51(4):468-473.

［19］Brinks H，Das A，Koch WJ.A role for GRK2 in myocardial ischemic injury: indicators of a potential future therapy and diagnostic［J］.Future Cardiol，2011，7(4):547-556.

［20］Homan KT，Wu E，Wilson MW，et al.Structural and functional analysis of G protein-coupled receptor kinase inhibition by paroxetine and a rationally designed analog［J］.Mol Pharmacol，2014，85(2):237-248.

［21］Salazar NC，Vallejos X，Siryk A，et al.GRK2 blockade withβARKct is essential for cardiacβ2-adrenergic receptor signaling towards increased contractility［J］.Cell Commun Signal，2013，11:64.

［22］Cannavo A，Liccardo D，Koch WJ.Targeting cardiacβ-adrenergic signaling via GRK2 inhibition for heart failure therapy［J］.Front Physiol，2013，4:264.

［23］Swain JD，Fargnoli AS，Katz MG，et al.MCARD-mediated gene transfer of GRK2 inhibitor in ovinemodel of acute myocardial infarction［J］.JCardiovasc Transl Res，2013，6(2):253-262.

［24］高文谦，韩春光，赵月香，等.美托洛尔对高龄老年慢性心力衰竭患者外周血淋巴细胞GRK2表达的影响［J］.南方医科大学学报，2010，30(50): 1132-1137.

［25］田颖，刘兴鹏.全皮下植入式心律转复除颤器——仅仅是权宜之举?［J］.心血管病学进展，2014，35(2):129-132.

［26］Mordi I，Jhund PS，Gardner RS，etal.LGE and NT-proBNP identify low risk of death or arrhythmic events in patients with primary prevention ICDs［J］.JACC Cardiovasc Imaging，2014，7(6):561-569.

［27］Levine YC，Rosenberg MA，Mittleman M，et al.B-type natriuretic peptide is a major predictor of ventricular tachyarrhythmias［J］.Heart Rhythm，2014，11 (7):1109-1116.

［28］Welsh P，Doolin O，Willeit P，et al.N-terminal pro-B-type natriuretic peptide and the prediction of primary cardiovascular events:results from 15-year followup ofWOSCOPS［J］.Eur Heart J，2013，34(6):443-450.

［29］Scheven L，de Jong PE，Hillege HL，et al.High-sensitive troponin T and N-terminal pro-B type natriuretic peptide are associated with cardiovascular events despite the cross-sectional association with albuminuria and glomerular filtration rate［J］.Eur Heart J，2012，33(18):2272-2281.

GRK:A Potential Biomarker for Cardiom yopathy

XIANG Shizhao，TANG Qizhu
(Department of Cardiology，Renmin Hospital ofWuhan University，Wuhan 430060，Hubei，China)

G蛋白偶联受体激酶有多个亚型，参与多种疾病的发生发展，其中G蛋白偶联受体激酶2(GRK2)在压力负荷诱导的心肌肥厚的调控中起重要作用。心肌肥厚是心力衰竭的早期病理学改变，目前临床上对心力衰竭监测常用的生物标志为氨基末端脑钠肽前体，其监测心血管不良事件与GRK2相比相对较晚。GRK2结构特点及在心肌肥厚调控中的机制使其有望成为监测心肌肥厚的潜在生物标志，临床上可通过监测患者外周血淋巴细胞GRK2 mRNA的表达水平对早期心肌肥厚进行有效干预或者后期GRK2与传统生物标志合用以提高对心力衰竭的诊治率。

G蛋白偶联受体激酶;G蛋白偶联受体激酶2;生物标志;心肌肥厚;心力衰竭

G protein-coupled receptor kinases(GRK)havemany isoforms，and participate in a variety of development and incidence of diseases.G protein coupled receptor kinase 2 belongs to the GRK families，and takes part in the regulation of cardiomyopathy induced by pressure-overload.Cardiomyopathy is an early pathological change in heart failure(HF).At present，the most commonly used biological marker formonitoring HF in the clinic is amino terminal brain natriuretic peptide precursor(NT-proBNP).It is possible to use NT-proBNP to detect adverse cardiovascular events in late stages of cardiomyopathy whereas it is possible to use GRK2 to identify cardiomyopathy in its early stages.GRK2 may be used as a potential biomarker for its structural characteristics and regulatorymechanisms in cardiomyopathy.It can not only be used to effectively identify cardiomyopathy in the early stages bymonitoring the expression of themRNA of GRK2 in peripheral lymphocyte of patients in clinic，but it can also be used to enhance the efficiency of the diagnosis and treatment of HF.

G protein-coupled receptor kinases;G protein-coupled receptor kinases 2;biomarker;cardiomyopathy;heart failure

1004-3934(2015)01-0034-04

R542.2

A

10.3969/j.issn.1004-3934.2015.01.010

2014-06-16

2014-08-28

教育部博士点基金(优先发展领域)-(2013041130010)

向仕钊(1983—)，主治医师，硕士，主要从事心肌重构研究。Email:shizhaohx@126.com

唐其柱，主任医师，博士生导师，主要从事心肌重构研究。Email:qztang@whu.edu.cn