细胞核G蛋白偶联受体研究进展

柯璇，洪浩

(中国药科大学药学院药理系，江苏 南京 210009)

G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor，GPCR)是哺乳动物基因组中最大的膜蛋白家族，有800多名成员，广泛分布于中枢神经系统、免疫系统、心血管、视网膜等器官和组织，参与机体的发育和正常的功能行使。GPCR也是目前成药性最高的药物靶标，当今治疗性药物市场中约有30%的药物以GPCR为作用靶标[1]。当细胞受到外界刺激时，GPCR通过与光、气味、离子、脂类、多肽以及蛋白等形式的配体结合而激活，继而触发其下游信号事件[2]。过去认为GPCR仅在质膜上发挥作用，但迄今为止还发现了超过30种不同的GPCR定位于细胞核[3]，其中一些细胞核GPCR(nuclear GPCR，nGPCR)已显示出与其相应细胞质膜GPCR(plasma membrane GPCR，mGPCR)不同的生物特性和生理或病理功能。本文就目前对nGPCR的相关研究进展做简要综述，并比较其与mGPCR间的异同，最后讨论其在疾病发展及药物治疗中可能的作用。

1 nGPCR的来源及其转运机制

1.1 细胞表面来源nGPCR的转运机制 许多GPCR首先被转运至细胞表面，经过激活、内化后再转运至细胞核。在其中一些GPCR中包含经典的核定位信号(nuclear localization signal，NLS)，即一段或两段富含碱性氨基酸残基的序列，该信号随后被核转运蛋白(karyopherin)超家族的特定成员识别为核内蛋白，而后通过小GTP酶和(或)importin机制经核孔复合体进入细胞核。例如凝血因子Ⅱ受体1(又称蛋白酶激活受体2，coagulation factor Ⅱ receptor-like 1 或 protease activated receptor 2，F2RL1或PAR2)在被配体激活并内化后，其中含有的两段NLS被importin β1识别，从而允许其在分选蛋白nexin11和动力蛋白dynein的协助下沿着微管从视网膜神经节细胞表面转移到细胞核[4]。与F2RL1相似，激动剂激活催产素受体(oxytocin receptor，OTR)导致β-arrestin介导其发生内化，随后核转运蛋白transportin-1与受体C端的NLS结合，将其转运至细胞核[5]。通常，NLS序列中任意氨基酸残基的突变都会阻碍核蛋白的识别，从而阻止这些GPCR的核定位。

此外，还有一些nGPCR包含特殊的NLS序列，例如代谢型谷氨酸受体(metabotropic glutamate receptor，mGlu5)中新确认的靶向序列[6]，该序列对于mGlu5的核定位是充分必要条件，但其结构并不符合NLS序列的一般规律。有趣的是，mGlu5 C端的这段靶向序列还包含几个蛋白激酶结构域，包括蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)，酪蛋白激酶Ⅱ(casein kinase Ⅱ)，蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)和钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ，CaMKⅡ)[7]。可以推测，这段靶向序列的磷酸化可能影响受体与转运蛋白的结合。

1.2 非细胞表面来源nGPCR的转运机制 这部分nGPCR并非由细胞膜内化而来，而是在合成后被直接运送到细胞核。基于外核膜与内质网相连接，推测这类nGPCR可能通过侧向扩散机制到达细胞核，即由内质网合成或逆向运输的蛋白质可以先沿着外核膜快速扩散至核孔复合体，而后穿过核孔复合物与核膜之间的外周通道[8]，最终通过与核纤层蛋白或染色质的相互作用而被固定于内核膜[9]。神经元中有超过90%的mGlu5受体在高尔基体中转运加工，其中60%～85%的受体逆向运输返回内质网并经由外周通道侧向扩散至细胞核[10]，其余15%～40%则直抵细胞表面接收外部信号，这部分受体内化后不再前往细胞核，而是返回细胞表面重新利用[11]。此外，近来发现哺乳动物细胞核内也存在蛋白质的翻译过程[12]，这提示nGPCR存在于细胞核内直接合成的可能性。

2 nGPCR的激活途径

在核膜上发现的nGPCR被牢牢地锚定于内核膜或外核膜上；在核质中发现的nGPCR可能位于向核质内凹陷的核膜上，也可能与磷脂分子嵌合从而以胶束的形式分散在核质中。目前已知nGPCR可以通过以下4条途径被激活：

2.1 在细胞表面与配体结合后激活并内化 细胞表面的GPCR首先在质膜上大量表达，与配体结合后被激活并发生内化。多数情况下，内化后的配体-受体复合物或从其中分离出来的配体在早期胞内体中被降解，而未被降解的受体则返回到细胞表面重新敏化，这种可与配体结合的受体数量暂时或长时间减少的现象也被称为受体脱敏。但在少数情况下，内化的配体-受体复合物或从其中分离出来的受体随后被转运至细胞核成为nGPCR，这也是上文所述细胞表面来源的nGPCR的主要类型。例如，在乳腺癌细胞和原代成纤维细胞中，荧光标记的催产素受体和碘化催产素相结合并与之内化至核膜[5,13]。细胞表面的F2RL1和PtAFR也以配体-受体复合物的形式转位到细胞核[4,14]。到达细胞核的nGPCR随后通过不同的方式启动其相应的下游信号通路。

2.2 与细胞外配体结合后激活 细胞外配体若要直接激活位于细胞核的nGPCR，必须穿过质膜甚至是核膜。渗透性高的配体(例如内源性大麻素[15])可通过自由扩散穿过此类膜，而大分子或带电荷的配体则需要借助选择性转运蛋白(例如去甲肾上腺素[16])、交换泵(例如谷氨酸[17])等膜蛋白通过主动转运的过程或借助胞饮过程(例如尿素-Ⅱ[18])进入细胞到达nGPCR。例如mGlu5受体的激活至少需要借助两个摄取系统负责将谷氨酸转运到神经元中：Na+依赖性谷氨酸转运体和胱氨酸/谷氨酸转运体[17]。

2.3 与细胞内配体结合后激活 除了摄取及转运细胞外配体，细胞还能以“自分泌”的模式，在受体附近自身合成配体来激活nGPCR。磷脂酶A2(phospholipase A2，PLA2)在质膜及核膜均有分布，在核PLA2的作用下，核膜水解最终生成血小板活化因子(platelet activating factor，PAF)和溶血磷脂酸(lysophosphatidic acid，LPA)，从而激活其位于细胞核的同源受体[19]。其他类似的细胞内合成配体还包括前列腺素E2等脂配体[20]及apelin、血管紧张素Ⅱ(Angiotensin Ⅱ，Ang Ⅱ)和缓激肽等肽配体[21]。与mGPCR作为启动者不同，细胞内配体的合成往往由上游事件触发，在细胞信号转导中属于级联放大的中间环节。有人认为，细胞外的PAF和LPA似乎引发了其自身在细胞内的生成，局部产生的核PAF和LPA激活附近的同源核受体，进而诱导促炎基因的表达[22]。

2.4 非配体依赖性激活 除了上述3种配体依赖性激活之外，许多GPCR存在非配体依赖性激活，这意味着nGPCR或可单独发挥功能。例如，mGlu5受体在Homer1a蛋白的作用下无激动剂即可激活[23]。垂体腺苷酸环化酶激活肽1受体(pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide receptor 1，PAC1)在不存在激动剂的情况下也能被胰岛素样生长因子1受体(insulin-like growth factor 1 receptor，IGF-1R)下游的Src信号反式激活[24]。

3 nGPCR与mGPCR的比较

nGPCR通常与mGPCR具有相同的七螺旋结构，但也存在例外，如Frizzled-2受体在细胞表面时为完整的全长形式，但在转运至细胞核附近时发生裂解，仅其C端进入细胞核中，而N端被留于核外[25]。此外，在某些情况下，nGPCR和mGPCR可能会经历不同的翻译后修饰[26]。例如，细胞表面的内皮素受体B(endothelin receptor type B，ETB)经历了N-糖基化作用，而在细胞核中该受体无此修饰[27]。

由于nGPCR与mGPCR所处的位置不同，二者所处的微环境也不同。大多数细胞外配体受渗透性的限制不能进入细胞，因此，相较于在细胞表面接收细胞外配体的mGPCR，nGPCR可能更易于被细胞内配体激活，这些细胞内配体可以由位于nGPCR附近的酶在细胞内合成。对于某些半衰期较短的不稳定配体，例如PAF及LPA，这样的空间分配能最大限度地避免配体在尚未发挥作用前降解，从而也确保了核受体微环境中配体的生物利用度。

某些nGPCR与其相应的mGPCR可以诱发相同的效应。例如核mGlu5受体与细胞表面mGlu5受体都能诱导产生Ca2+振荡，对于突触可塑性和纹状体神经元的生长和分化具有相同的影响[28]。

更重要的是，nGPCR也能介导与mGPCR不同、甚至是完全相反的效应。例如，激活细胞表面F2RL1促进血管成熟，而激活核F2RL1则诱导血管生成[4]。细胞核前列腺素E2受体3(prostaglandin E2receptor 3，EP3)介导内皮一氧化氮合酶eNOS表达，这恰恰与细胞表面EP3受体介导的血管快速收缩效应相反[29]。在某些细胞中，受体的定位与功能还可能随着细胞状态的改变而发生动态变化。在未刺激的T细胞中，绝大多数鞘氨醇-1-磷酸受体1(sphingosine-1-phosphate receptor 1，S1PR1)位于细胞膜，参与细胞迁移；而在受刺激的T细胞中，大多数S1PR1被诱导入核，抑制细胞增殖[30]。

4 nGPCR与疾病治疗

越来越多的证据表明，nGPCR参与了多种疾病的发生及发展，这些疾病包括心血管系统、神经系统、生殖系统以及肝脏和肾脏的相关疾病。例如，脊髓背角神经元中约有80%的mGlu5受体位于细胞内，其中大部分(约60%)位于细胞核内，细胞核中的mGlu5受体具有功能活性，并且与神经性疼痛相关[31]。在许多疾病中，nGPCR呈现出相应的病理变化，主要表现为分布密度的改变。例如，在肿瘤和心力衰竭等疾病中观察到nGPCR水平上调，而在高血压中其水平下调。半胱氨酰白三烯1受体(cysteinyl leukotrienes receptor 1，CysLT1R)在结肠癌中表达上调，并且细胞核中CysLT1R的水平也显著升高[32]；此外，在神经胶质瘤中也发现了细胞核中血管活性肠肽受体1(vasoactive intestinal peptide receptor 1，VPAC1)的密度升高[33]。肿瘤细胞中nGPCR的水平上调可能是肿瘤产生耐药性的机制之一。在心力衰竭模型中，成纤维细胞核血管紧张素Ⅱ受体1(angiotensin Ⅱ type 1 receptor，AT1)的密度显著增加，并参与胶原蛋白的表达和分泌以及细胞增殖的调节[34]。相反，在大鼠高血压模型中，肾脏细胞核AT1的表达减少，这可能是由于Ang Ⅱ水平升高引起的一种补偿机制[35]。尽管已有以上研究基础，但nGPCR在病理条件下的表现及其作用仍有待于进一步的研究加以阐明，以评估其作为治疗靶标的可行性。

nGPCR的发现也为其靶向药物的研发带来了新的机遇和挑战。目前临床上使用的药物中约有30%靶向GPCR，其中超过80%作用于单胺能受体(包括肾上腺素能受体、胆碱能受体、组胺受体、多巴胺能受体和5-羟色胺受体)和阿片类受体，主要通过G蛋白的Gαi/o亚基(约38%)、Gαq/11亚基(约29%)和Gαs亚基(约24%)向下转导信号[36]。尽管暂未获得充分的证据支持，但可以推测这些药物的部分疗效可能是通过作用于nGPCR而实现的。例如，用于治疗哮喘的CysLT1R选择性拮抗剂(如孟鲁司特)以及用于治疗高血压和心力衰竭的AT1受体拮抗剂(如氯沙坦)，这些药物对nGPCR的作用很可能也是其临床疗效的潜在机制之一。除了直接作用于nGPCR外，药物也可能通过改变nGPCR周围微环境中配体的浓度，从而影响nGPCR对配体的利用，间接影响受体与配体的结合。

5 小结与展望

长久以来，人们普遍认为GPCR只作用于细胞表面，将细胞外刺激转化为细胞内应答。然而，随着研究的不断深入，GPCR在细胞核中的分布得到了证实，这刷新了人们对GPCR的传统认知，并大大增加了GPCR信号网络的复杂性。nGPCR可能在其相应mGPCR激活后被继发激活，也可能独立于mGPCR在其特异配体的调控下被单独激活。因此，GPCR的最终下游效应可能决定于细胞内外信号通路的叠加和整合。

现有的研究使人们对nGPCR及其特异信号在重要生理和病理过程中的参与有了更深的认识。某些nGPCR在病理条件下密度发生改变，提示它们可能是药物治疗的潜在靶点。目前迫切需要对nGPCR开展更全面的药理研究，以优化GPCR靶向药物的选择性，从而获得更精准的治疗效果。此外，还有必要重新审视临床上现有GPCR靶向药物的作用机制。总之，对nGPCR的新认识突出了GPCR药理学的复杂多样性，强调不同亚细胞定位的GPCR在生理和(或)病理状态下具有不同的功能，GPCR靶向药物研究将因此迎来新的机遇和挑战。