β-抑制蛋白2调节炎症性疾病作用机制的研究进展

冯梅婷，罗礼君

炎症性疾病是一类具有共同炎症信号通路和潜在病因的疾病(包括过敏性哮喘、类风湿性关节炎、牙周炎等)，发病因素复杂，在异常免疫反应、遗传易感性和环境因素影响下可能引起宿主免疫失调，进而导致急性或慢性炎症性损伤。研究显示，大多数G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor，GPCR)可作为重要的促炎和抗炎调节剂，通过不同信号转导途径在炎症性疾病中发挥生物学效应[1-4]。β-抑制蛋白2(β-arrestin 2，β-Arr2)因在GPCR功能中的脱敏作用被发现，是多种信号通路的关键调节剂。随着对β-Arr2调节炎症性疾病作用的深入研究，其调节GPCR信号转导通路的作用机制也被进一步阐述。同时，也有研究表明，β-Arr2还可通过GPCR之外的其他途径发挥生理和病理生理的调节作用[5-6]。

1 β-Arr2结构及作用

1.1 β-Arr2的结构

抑制蛋白家族是一类信号调控蛋白，包括2种仅在视网膜中表达的视觉抑制蛋白以及2种普遍表达的抑制蛋白，后者即β-Arr1和β-Arr2。两者在结构上具有高度同源性，均参与多种胞内信号转导通路并在众多生理和病理生理过程中发挥重要作用。β-Arr2是一种支架蛋白，位于细胞质和质膜上，其前缀“β”是因其所记载的第一个受体底物是β2-肾上腺素受体，“arrestin”来源于其最初的功能是与G蛋白竞争性结合GPCR从而抑制GPCR信号转导。β-Arr2由20条β链和单个α螺旋组成，具有N域和C域两个主要结构域，两者通过短的“铰链区”相连[7]，包含的功能域使其能够与受体以及各种中间体结合，该结构是其发挥不同功能的前提。

大量研究表明，抑制蛋白需要发生构象变化才能结合磷酸化的GPCR。β-Arr2作为一种单体，本身不产生第二信使，但其独特结构和支架功能构成了不同途径激活GPCR的基础[7]。

1.2 β-Arr2在G蛋白依赖性信号转导中的作用

GPCR是人类基因组中最大的一组膜蛋白，主要信号转导分子包括异源三聚体G蛋白、G蛋白偶联受体激酶(G protein-coupled receptor kinases，GRKs)及抑制蛋白。其中，异源三聚体G蛋白由Gα、Gβ和Gγ亚基组成。众多研究表明，β-Arr2抑制GPCR信号转导的过程基本相似[3-4,8]。激动剂与GPCR结合，刺激Gα亚基释放二磷酸乌苷(guanosine diphosphate, GDP)，GPCR与Gα亚基形成具有高亲和力的复合物。之后，空的Gα核苷酸结合链募集三磷酸乌苷(guanosine triphosphate, GTP)，诱导G蛋白解离为Gα和Gβγ亚基。解离的亚基与腺苷酸环化酶、GRKs等各种效应分子相互作用，激活下游信号通路。同时，该亚基将GTP水解为GDP，使激活的G蛋白回到静息状态。在GPCR第三胞内环或羧基末端尾部中，β-Arr2聚集并以高亲和力结合到GRKs磷酸化的丝氨酸和苏氨酸残基上，通过降解胞内第二信使(如cAMP)[8]，终止G蛋白介导的细胞信号转导，这就是经典的脱敏作用。

除此之外，β-Arr2还可通过内化机制进一步补充GPCR的脱敏过程[9]。与磷酸化的GPCR结合后，β-Arr2构象发生变化，可发挥支架作用，将GPCR连接到网格蛋白包被的凹坑上，促进GPCR-arrestins复合物形成，启动GPCR的内化过程。研究表明，GPCR-arrestins囊泡的内化作用是由GPCR激活的β-Arr2羧基末端尾部、胞膜内吞蛋白、网格蛋白及激活蛋白-2之间的相互作用介导[10-11]。β-Arr2的这种衔接子功能对GPCR内化以及β-Arr2依赖信号转导过程至关重要。内化时低pH值促进激动剂解离，引起β-Arr2的释放。内化后，GPCR可以循环回到细胞质膜重新敏化，或者在溶酶体中降解。

另外，泛素化和去泛素化可作为调节GPCR的“开关”来协调其对β-Arr2的募集、β-Arr2构象变化及和下游信号蛋白相互作用。β-Arr2通过与E3泛素连接酶和去泛素酶结合，后者将GPCR-arrestins囊泡引导至溶酶体内发生降解或进入再循环途径，从而调节GPCR在细胞表面的表达。相关研究显示，β-Arrs的泛素化可调节受体运输，瞬时泛素化导致受体的快速循环，而稳定泛素化将受体靶向内体进行降解[12]。目前已知β-Arr2的泛素化过程参与介导其内化机制，但确切的方式或原因尚不清楚。配体结合后GPCR活化的作用模式如图1所示。

图1 配体结合后GPCR活化作用模式图Fig.1 The GPCR activation after ligand binding

1.3 β-Arr2在非G蛋白依赖性信号转导中的作用

β-Arr2最初被认为是G蛋白信号传导(通过空间位阻作用)的负调节因子。随着研究的逐渐深入，β-Arr2被认为是多功能支架蛋白，在多个非G蛋白依赖信号通路中发挥关键作用。

如前所述，β-Arr2与激活的GPCR相互作用使GPCR信号脱敏并发生随后的内化机制。除此之外，β-Arr2还可充当支架蛋白与信号传导中间体偶联，启动β-Arr2依赖性细胞信号转导。有学者发现某些配体可选择性激活G蛋白依赖性或非G蛋白依赖性信号通路，这样的配体称为“偏向配体”或“配体导向信号”。偏向配体可通过诱导GPCR的不同活性构象选择性激活或抑制β-Arr2依赖性信号通路。这种偏向信号还有利于开发高选择性药物，为疾病提供更精准的治疗作用。在β2-肾上腺素受体和神经激肽1受体(neurokinin 1 receptor，NK1R)的P物质参与下，β-Arr2通过介导非G蛋白依赖性信号转导途径将非受体酪氨酸激酶(nonreceptor tyrosine kinase，c-Src)募集到受体，并促进丝裂原活化蛋白(mitogen-activated protein，MAP)激酶细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinases 1 and 2，ERK1和ERK2)活化[13]。研究表明，c-Src家族的许多成员可以被β-Arr2募集到不同的GPCR上。因此，β-Arr2介导的依赖性信号转导可通过阻止G蛋白依赖性信号传导，同时充当传感器引发新的信号转导波，如激活ERK1/2。相关研究表明，使用蛋白激酶C抑制剂抑制G蛋白信号传导后，β-Arr2依赖的磷酸化ERK活性依然持续存在，并且仅存在于内吞小泡中，证明该磷酸化ERK信号独立于G蛋白途径[14]。

另外，在β-Arr2相关信号传导过程中，配体可能选择性激活β-Arr2依赖性或非依赖性信号转导途径。例如，激活突变型(DRY/AAY)血管紧张素1A受体(angiotensin type 1A receptor，AT1AR)会导致β-Arr2募集和ERK信号激活，而不能激活G蛋白介导的信号传导途径[14]。这表明存在两条平行的独立途径，而配体引起的生理反应差异，其中的机制尚待研究。

1.4 其他生物学作用

1.4.1 调节趋化因子受体 目前研究表明，趋化因子和趋化因子受体通过协调白细胞迁移及控制其定位，在炎症及肿瘤的浸润和转移中发挥重要作用。趋化因子受体CXCR7是前列腺癌对恩杂鲁胺敏感性的关键调节因子，其通过非G蛋白依赖性机制募集β-Arr2以激活MAPK/ERK信号通路，表明β-Arr2参与调节CXCR7信号传导[15]。另外也有研究证实，在角质形成细胞衍生的趋化因子(chemokines，KC)诱导的白细胞-内皮相互作用中，最早KC触发的整合素激活事件中需要β-Arr2，其在趋化因子刺激Gα激活的下游发挥作用[16]。从机制上来看，趋化因子受体与β-Arr2相互作用以刺激受体脱敏和激活下游信号通路，这对细胞趋化性是必不可少的。因此，β-Arr2既作为受体脱敏的调节剂，又是导致定向运动信号级联的新型关键支架中间体。

1.4.2 抑制细胞凋亡 有研究表明，β-Arr2可作为细胞凋亡的负调节因子影响细胞增殖。在缺乏抑制蛋白的情况下，GPCR激活会启动快速细胞凋亡，证明抑制蛋白在抑制受体介导的细胞凋亡中起着关键作用[17]。Toll样受体2(Toll-like receptors 2，TLR2)是Toll样受体家族中的关键免疫受体，在先天免疫反应中发挥重要作用，有研究表明其可能影响癌症的进展和转移，而β-Arr2通过与信号通路相关介质相互作用调节TLR2信号从而抑制细胞凋亡。有研究发现，在转染的HEK293细胞、人永生化颗粒细胞系(hGL5)和卵巢癌细胞系A2780中，β-Arr2的高表达增强了细胞活力，其在调节GPCR诱导的增殖和抗凋亡信号中有重要作用[18]。

1.4.3 抑制肿瘤生长和转移 β-Arr2通过一系列受体亚型参与多种癌症相关信号和过程。近年来，有学者通过使用生物信息学和遗传方法确定了β-Arr2在肾细胞癌(renal cell carcinoma，RCC)肿瘤生长中的作用：RCC细胞敲除β-Arr2后，细胞的增殖、迁移和侵袭受到抑制，且β-Arr2参与调节肿瘤生长的c-Src活性、细胞周期蛋白A表达和细胞周期进程，这些结果均表明β-Arr2是RCC肿瘤生长的关键调节因子[19]。SUMO化(SUMOylation)是一种严格控制的翻译后修饰，在调节蛋白质功能中具有关键作用。有研究表明，β-Arr2的SUMO化缺陷抑制了乳腺癌细胞的迁移，并证实其参与了乳腺癌细胞的β-Arr2依赖性代谢调节[20]。另外，最近的一项研究揭示了β-Arr2在氧传感机制中的新功能：β-Arr2促进缺氧诱导因子(hypoxia-inducible factor-1，HIF-1)的降解。HIF-1α 是氧稳态的主要调节器，在人胶质母细胞瘤细胞中β-Arr2过表达会抑制HIF-1α信号传导、肿瘤生长和血管生成。β-Arr2通过减少HIF-1α表达、抑制血管生成在胶质瘤生长、侵袭和转移中发挥负调节作用[21]。上述研究表明，β-Arr2在多种癌症相关信号通路和过程中发挥作用，未来的研究可考虑将其作为针对肿瘤发展和转移治疗干预的靶标。

2 β-Arr2参与炎症性疾病的作用及机制

2.1 过敏性哮喘

过敏性哮喘是一种常见的慢性炎症性疾病，主要病理学变化是持久的气道炎症，Th2细胞向肺迁移是其发生炎症的关键，且受趋化因子受体的调节[22]。研究表明，β-Arr2依赖性途径下游的趋化因子受体调节哮喘的促炎过程。Walker等[23]通过使用哮喘小鼠模型，第一次证明了β-Arr2在疾病发病机制中的作用，该研究发现：缺乏β-Arr2的小鼠构建哮喘模型后不会出现哮喘表型(包括气道炎症、气道高反应和升高的Th2细胞因子等症状和体征)，表明β-Arr2的表达是小鼠哮喘表型发展所必需的；并且β-Arr2 KO小鼠体内CD4+T细胞向肺迁移过程中存在缺陷，即Th2细胞肺转运水平下调。另一项研究进一步显示，Th2细胞趋化性部分依赖于β-Arr2独立的信号转导，证实β-Arr2依赖性通路对于哮喘发病机制的重要性[24]。所以，β-Arr2可能通过其作为支架蛋白的作用，正向调节T细胞的趋化性，但其调节T细胞趋化性的机制目前仍不清楚。

2.2 类风湿关节炎(rheumatoid arthritis，RA)

RA是一种常见的自身免疫性关节病，临床特征包括滑膜炎症和增生，可导致软骨损伤和关节最终完全破坏[25]。在体内，细胞因子是参与RA发病机制的关键因素。肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)中和疗法可减缓或预防RA中骨和软骨损伤，减轻症状和体征。目前的研究证明，TLRs参与实验性关节炎的发生发展。研究显示：与野生型小鼠相比，β-Arr2 KO小鼠建立的实验性关节炎模型表现出更为严重的病损，并首次证明了p38途径调节TNF-α和透明质酸(hyaluronan，HA)诱导的β-Arr2蛋白水平增加[26]。另外，也有学者研究了丹参酮ⅡA对RA患者炎症反应的具体作用，结果显示其通过上调β-Arr2来抑制TNF-α和IL-6等炎症细胞因子的表达，从而减轻炎症反应[27]。

已有充足的研究证明，β-Arr2在TLRs激活先天性免疫中发挥负调节作用，有望在RA治疗中发挥作用。

2.3 炎症性肠疾病(inflammatory bowel disease，IBD)

IBD是一种慢性复发性炎症性疾病，包括溃疡性结肠炎(ulcerative colitis，UC)和克罗恩病(Crohn′s disease，CD)两种类型。IBD典型特征是炎症细胞浸润和炎症细胞因子表达异常，导致肠黏膜损伤和持续的肠道炎症。现有研究表明，针对肠道微生物群的异常黏膜免疫反应是导致易感个体患病的原因[28]。因此，通过调控肠道免疫系统中的炎症细胞因子产生有望延缓或防止IBD的发展。Sharma等[29]证明，β-Arr2通过抑制T细胞分化并减少炎症细胞浸润，抑制结肠炎进展。另一项有关结肠炎的研究却显示：β-Arr2通过激活内质网应激，上调细胞凋亡信号，促进肠上皮细胞凋亡，表明β-Arr2表达是结肠炎的易感因素[30]。两项研究结果的不同间接显示β-Arr2通过参与不同途径来调节IBD的发生和发展，另外肠道微生物菌群的差异也可能影响疾病的不同进展。

2.4 牙周炎

牙周炎是发生在牙周支持组织的炎症性疾病，特征是牙龈炎症、牙槽骨吸收、附着丧失增加等。TLRs可以识别牙周病原体，激活信号转导通路，启动免疫和炎症反应以消除入侵的病原体[31]。已有研究显示β-Arr2可通过与信号通路介质相互作用对TLRs信号产生负向调节。然而，关于β-Arr2调节牙周炎发生发展的作用机制研究较少。蛋白酶激活受体(protease-activated receptor 2，PAR2)属于GPCR超家族成员之一，已证明其激活可促进小胶质细胞迁移和炎症反应。一项研究显示，牙龈卟啉单胞菌分泌的牙龈素通过Src激酶和β-Arr2依赖的PAR2内化，进一步磷酸化ERK1/2以促进小胶质细胞迁移，引起阿尔茨海默病患者过度的免疫和炎症反应[32]。该研究中确定的机制可能有助于未来用于治疗牙龈卟啉单胞菌相关阿尔茨海默病患者神经炎症。正如前文所述，β-Arr2是GPCR脱敏和内化过程的核心，众多研究也证实，GPCR超家族成员通过募集β-Arr2引发受体脱敏从而发挥相应生物学功能[13,15,17]，在炎症性疾病中发挥关键作用。综上，β-Arr2可能在牙周炎的发生发展中发挥作用，具体作用机制尚待探究。

3 小结和展望

本文简要介绍了β-Arr2的结构和生物学功能，以及其在炎症性疾病中参与的角色和作用机制。β-Arr2在许多慢性炎症性疾病和癌症发生中起着重要作用，研究证明，β-Arr2表达的靶向调节在过敏性哮喘、类风湿性关节炎等多种炎症性疾病的临床治疗中具有广阔的前景。但有关β-Arr2与牙周疾病的相关研究较少。由免疫介导的炎症性疾病如类风湿性关节炎、支气管哮喘、牙周炎等，表面看似互不相关但却可能具有共同的炎症通路。未来的研究应更加关注β-Arr2在牙周炎中的作用及其对炎症和免疫的调节机制研究上，以期为牙周炎的治疗开发出新的靶点。