信息传递中的M受体与G蛋白
作者：王 勇
单位：第三军医大学劳动卫生教研室(400038)
关键词：
重庆医学990552 王 勇 综述 程天民 宁竹之 审校
许多化学、物理信号若不经过细菌膜受体而启动一系列反应便不能直接进入细胞内，其中有相当部分的细胞外信号要通过G蛋白转导为细胞内效应。目前已知能与G蛋白偶联的受体有数百种，这类受体的共同特点是具有七个跨膜区，是很大一类受体蛋白，虽然它们都跨膜七次，但各自氨基酸顺序却千差万别，所以不同受体只能与相应的配体包括糖蛋白、肽、小分子神经递质、光、气体等结合。近年来对M受体与G蛋白的研究有了新的进展。
1 M受体结构及分型
神经递质乙酰胆碱(Ach)参与的各种活动主要通过突触后膜两大受体系统一烟碱型受体(N受体)和毒蕈碱受体(M受体)系统。N受体和M受体都能与Ach结合，然而它们的结构和作用方式完全不同。N受体是具有多个亚单位的离子通道蛋白，直接调控离子跨膜速度而影响细胞去极化。M受体是单基团的大分子物质，对G蛋白信号传导起催化作用，触发细胞G蛋白依赖反应发生，最后通过细胞或组织表现配体功效[1]。
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早在80年代，从猪心和猪脑中便提取并纯化了M受体，并从这些组织中克隆出了m1、m2受体亚型[2]。以后进一步证实，M受体是一含有460～590个氨基酸的、镶嵌于细胞膜上的糖蛋白，其中170个氨基酸构成了M受体的七个跨膜区，其余氨基酸分别构成其3个细胞外区和4个细胞内区(见图1)。
图1 M受体氨基酸序列及跨膜示意图
药理学上，根据M受体与选择性受体激动剂或拮抗剂亲和力不同，可将M受体分为三大类：[3，4]
M1：对Pirenzepine有高度亲和力；
M2：对AFDX-116或gallamine具有高亲和力；
, 百拇医药 M3：能与4-DAMP或HHSD高亲和。
用分子生物学技术对M受体细胞外区N-端、细胞内区C-端和第三细胞内区氨基酸顺序进行分析，M受体又可分为五个亚型，即m1、m2、m3、m4、m5。由于M受体氨基酸同源性[11]，不同亚型之间可表现出功能的同一性，m1、m3、m5受体间具有43%以上的相同氨基酸，且对相同M受体激动剂和拮抗剂具有相似的亲和力，同G蛋白偶联可产生类似效应，故将m1、m3、m5受体统归为M1受体。M1受体主要分布于神经组织中，脑中M受体50～80%为M1受体，所以M1受体也称“脑型M受体”；相应地m2、m4受体间有44%以上相同氨基酸和对同一配体产生相似反应的特性，因此常认为m2、m4受体属M2受体。M2受体主要分布于心脏、血管以及平滑肌，所以M2受体又称“心型M受体”[5]。由此可见，从药理上一分子结构上或者从功能上对M受体的分类，最终还是统一的(如图2)。
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图2 M受体亚型及其细胞信号传导示意图
2 G蛋白的结构和功能
G蛋白是由α、β、γ亚基组成的异三聚体(heterotrimer)，至少有20种α亚基，5种β亚基和6种γ亚基，具有疏水性的α亚基与GDP紧密结合。虽然α亚基也能与细胞膜直接相连，但研究表明G蛋白这种异三聚体主要还是通过βγ亚基将其固定于细胞膜表面，一般情况下维持失活状态。当配体-受体复合物与其发生偶联时，G蛋白从失活状态变为激活状态，并通过G蛋白循环发挥作用(见图3)，最近Korsching S等进一步证实了G蛋白异三聚体和βγ二聚体晶体结构[6～9]。
G蛋白α亚基有三个独立部分：
(1)GTP酶区：含有与受体、效应器鸟嘌呤核苷酸结合区和βγ亚基相连的结合位点；
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(2)螺旋区：位于GTP酶区之后，其起始部位的25个氨基酸是βγ亚基相连的关键位点；
(3)远端氨基酸螺旋区。
G蛋白受体特异选择性不仅依赖于G蛋白胞膜受体识别区内氨基酸识别顺序，同时还受胞浆区其它位点调控，因此，改变G蛋白识别区外的胞浆区也可影响G蛋白受体特异选择性[10]。
图3 G蛋白介导细胞信号传导示意图
G蛋白的主要功能单位为α亚基，每种α亚基都有其独特氨基酸顺序和结构，但也有一定的同源性，尤其是同类G蛋白中不同α亚基之间同源性更高，说明每类G蛋白都在信号传导中起特殊作用，而同类G蛋白之功能有相似之处，根据α亚基氨基酸序列的相似性和功能表现，可将20多种α亚基归为四大类。
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在相当长时间内，G蛋白信号传导机制通常被认为是：GTPα激活效应器，βγ仅是等待GTP返回的膜脂泊位点(docking site)或者仅起负调控。事实上，通过对M受体研究发现βγ二聚体同样能激活效应器并同α亚基一道进行调控，如K+通道以及后来被研究证实的腺苷酸环化酶(AC)、磷脂酶C(PLC)、磷脂酶A2(PLA2)，βγ亚基均可对其起激活作用[12]。现在已经看清楚，受G蛋白调控的受体可分为三大类：
①仅受α亚基调控而不受βγ影响；
②α、βγ亚基均参与调控，但α亚基作用远大于βγ；
③α亚基对其起正调控，βγ对其起负调控。
3 M受体偶联G蛋白介导的信号传导
, http://www.100md.com M受体是七次跨膜的α-螺旋链结构，为G蛋白的一种典型受体。五种亚型的M受体氨基酸顺序显示了它们的家族性，这五种亚型受体的同源性大部分表现于它们七个疏水区氨基酸结构，也正是这些具有高度一致性的氨基酸顺序与G蛋白发生偶联而介导信号转导。
3.1 M受体与G蛋白偶联及受体连接的功能位点
与G蛋白偶联的M受体并不是一被动的匙孔一成不变，当M受体与配体结合后其构象发生改变，第三细胞内区与第五跨膜区相邻的氨基酸残基被暴露出来同G蛋白发生偶联，插入并催化G蛋白释放GTPα和βγ，胞浆内GTP和GDP水平升高；然而一种M受体并不能和所有的G蛋白都发生偶联，每种M受体只能选择性地同相应的蛋白偶联，如m1、m3、m5能与对PTX(百日咳毒素)非敏感的G蛋白作用；m2、m4却同对PTX敏感的G蛋白偶联。这种偶联特异性引起了许多学者极大兴趣，在哺乳动物细胞中对m2、m3嵌合体进行构建和表达发现，第三细胞内区(i3 loop)是决定M受体与G蛋白偶联关建区位[14，15]，并进一步证明这些位点主要存在于第三细胞内区N-端与第五跨膜区相邻的氨基酸。对第三细胞内区N-和C-区研究还发现：M受体疏水区Ⅱe216、Thr220和Tyr217的特异性侧链参与同G蛋白偶联，Ⅱe216和Thr220构成了G蛋白偶联袋的功能结构[16，17]，这一偶联袋由一正电荷的“唇”和一疏水核心组成，Shapiro还指出只有这一区段才与G蛋白偶联有关[18]。
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对M受体的配体选择性研究远不如对G蛋白选择性研究深入，用亲和标记和诱变直接定位法已证明，决定M受体对配体亲和力的功能区并不是M受体第三细胞内区[19，20]，触发位点是第三跨膜区的天门冬氨酸，因为大多数M受体的配体都具有特殊的氨头基，可能正是这种特殊结构与M受体第三跨膜区之间存在一种离子束联系，决定着配体受体结合的性状，是配体受体结合的核心结构。最近的研究显示M受体与Ach高亲和偶联依赖于4个Tyr和2个Thr残基，这些残基位于第三、五、六、七跨膜区的上游[21，22]，并进一步证明第六跨膜区是配体偶联的“开关”[23]。
3.2 M受体偶联G蛋白介导的信号传导
M受体与配体结合后，首先与G蛋白发生偶联，诱导一系列生化反应，再经过第二信使，将信息转化为细胞内效应。如前所述，五种M受体与各自相应的G蛋白发生偶联，产生不同的作用效应：M1受体(含m1、m3、m5)一方面与Gq蛋白结合，通过激活磷脂酶C(PLC)，分解磷酸肌醇生成二酰基甘油(DAG)和三磷酸肌醇(IP3)，DAG可进一步激活蛋白激酶C，使细胞膜对K+传导增加，Ca2+传导降低，导致去极化；IP3使贮存于细胞内质网Ca2+释放，细胞内Ca2+浓度增加，导致膜对Ca2+和Na2+传导增加而介导一系列复杂反应。除此之外，M1受体还能与Gs蛋白发生偶联，直接激活腺苷酸环化酶(AC)，使细胞内cAMP含量增加[24～26]。
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M2受体主要与Gi/o蛋白发生偶联，其作用正好与Gs蛋白相反，抑制AC，使细胞内cAMP含量下降，导致PKA活性下降，从而使细胞膜Ca2+传导下降，K+通道活化等[27]。
需要指导，在不同M受体偶联G蛋白通路的途径中，不同途径之间可相互作用[28]。
4 神经系统中G蛋白偶联M受体与学习记忆功能
学习记忆是人和动物高级神经中枢的复杂活动，许多系统参与其中，越来越多的证据显示胆碱能系统最为重要。研究表明：认知功能下降的疾病往往与M受体数量减少和同G蛋白偶联能力减弱有关[29，30]，适量的拟胆碱类药物可以明显改善学习记忆能力，遗憾的是，虽然G蛋白的激活被视为信号传导的第一步，但研究G蛋白与M受体偶联如何参与学习记忆的报道却很少。近年来对学习记忆的神经生化基础研究认为[31]：①5-HT和核苷酸类第二信使(如 cAMP)起重要作用；②几乎短期学习的全过程，均受蛋白磷酸化机制调控；③在各种动物模型中，K+、Ca2+离子通道的调控是学习记忆的分子机理；④在长期可塑变化中，需要合成新的蛋白质；⑤突触体效能体现记忆贮存。可见，M受体和G蛋白在学习记忆过程中具有特殊意义，胆碱能系统功能的发挥，受G蛋白的制约和调控。
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总之，关于学习记忆，还存在许多问题，但随着神经科学的发展，这些问题终将被征服。
参考文献
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单位：第三军医大学劳动卫生教研室(400038)
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许多化学、物理信号若不经过细菌膜受体而启动一系列反应便不能直接进入细胞内，其中有相当部分的细胞外信号要通过G蛋白转导为细胞内效应。目前已知能与G蛋白偶联的受体有数百种，这类受体的共同特点是具有七个跨膜区，是很大一类受体蛋白，虽然它们都跨膜七次，但各自氨基酸顺序却千差万别，所以不同受体只能与相应的配体包括糖蛋白、肽、小分子神经递质、光、气体等结合。近年来对M受体与G蛋白的研究有了新的进展。
1 M受体结构及分型
神经递质乙酰胆碱(Ach)参与的各种活动主要通过突触后膜两大受体系统一烟碱型受体(N受体)和毒蕈碱受体(M受体)系统。N受体和M受体都能与Ach结合，然而它们的结构和作用方式完全不同。N受体是具有多个亚单位的离子通道蛋白，直接调控离子跨膜速度而影响细胞去极化。M受体是单基团的大分子物质，对G蛋白信号传导起催化作用，触发细胞G蛋白依赖反应发生，最后通过细胞或组织表现配体功效[1]。
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早在80年代，从猪心和猪脑中便提取并纯化了M受体，并从这些组织中克隆出了m1、m2受体亚型[2]。以后进一步证实，M受体是一含有460～590个氨基酸的、镶嵌于细胞膜上的糖蛋白，其中170个氨基酸构成了M受体的七个跨膜区，其余氨基酸分别构成其3个细胞外区和4个细胞内区(见图1)。
图1 M受体氨基酸序列及跨膜示意图
药理学上，根据M受体与选择性受体激动剂或拮抗剂亲和力不同，可将M受体分为三大类：[3，4]
M1：对Pirenzepine有高度亲和力；
M2：对AFDX-116或gallamine具有高亲和力；
, 百拇医药 M3：能与4-DAMP或HHSD高亲和。
用分子生物学技术对M受体细胞外区N-端、细胞内区C-端和第三细胞内区氨基酸顺序进行分析，M受体又可分为五个亚型，即m1、m2、m3、m4、m5。由于M受体氨基酸同源性[11]，不同亚型之间可表现出功能的同一性，m1、m3、m5受体间具有43%以上的相同氨基酸，且对相同M受体激动剂和拮抗剂具有相似的亲和力，同G蛋白偶联可产生类似效应，故将m1、m3、m5受体统归为M1受体。M1受体主要分布于神经组织中，脑中M受体50～80%为M1受体，所以M1受体也称“脑型M受体”；相应地m2、m4受体间有44%以上相同氨基酸和对同一配体产生相似反应的特性，因此常认为m2、m4受体属M2受体。M2受体主要分布于心脏、血管以及平滑肌，所以M2受体又称“心型M受体”[5]。由此可见，从药理上一分子结构上或者从功能上对M受体的分类，最终还是统一的(如图2)。
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图2 M受体亚型及其细胞信号传导示意图
2 G蛋白的结构和功能
G蛋白是由α、β、γ亚基组成的异三聚体(heterotrimer)，至少有20种α亚基，5种β亚基和6种γ亚基，具有疏水性的α亚基与GDP紧密结合。虽然α亚基也能与细胞膜直接相连，但研究表明G蛋白这种异三聚体主要还是通过βγ亚基将其固定于细胞膜表面，一般情况下维持失活状态。当配体-受体复合物与其发生偶联时，G蛋白从失活状态变为激活状态，并通过G蛋白循环发挥作用(见图3)，最近Korsching S等进一步证实了G蛋白异三聚体和βγ二聚体晶体结构[6～9]。
G蛋白α亚基有三个独立部分：
(1)GTP酶区：含有与受体、效应器鸟嘌呤核苷酸结合区和βγ亚基相连的结合位点；
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(2)螺旋区：位于GTP酶区之后，其起始部位的25个氨基酸是βγ亚基相连的关键位点；
(3)远端氨基酸螺旋区。
G蛋白受体特异选择性不仅依赖于G蛋白胞膜受体识别区内氨基酸识别顺序，同时还受胞浆区其它位点调控，因此，改变G蛋白识别区外的胞浆区也可影响G蛋白受体特异选择性[10]。
图3 G蛋白介导细胞信号传导示意图
G蛋白的主要功能单位为α亚基，每种α亚基都有其独特氨基酸顺序和结构，但也有一定的同源性，尤其是同类G蛋白中不同α亚基之间同源性更高，说明每类G蛋白都在信号传导中起特殊作用，而同类G蛋白之功能有相似之处，根据α亚基氨基酸序列的相似性和功能表现，可将20多种α亚基归为四大类。
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在相当长时间内，G蛋白信号传导机制通常被认为是：GTPα激活效应器，βγ仅是等待GTP返回的膜脂泊位点(docking site)或者仅起负调控。事实上，通过对M受体研究发现βγ二聚体同样能激活效应器并同α亚基一道进行调控，如K+通道以及后来被研究证实的腺苷酸环化酶(AC)、磷脂酶C(PLC)、磷脂酶A2(PLA2)，βγ亚基均可对其起激活作用[12]。现在已经看清楚，受G蛋白调控的受体可分为三大类：
①仅受α亚基调控而不受βγ影响；
②α、βγ亚基均参与调控，但α亚基作用远大于βγ；
③α亚基对其起正调控，βγ对其起负调控。
3 M受体偶联G蛋白介导的信号传导
, http://www.100md.com M受体是七次跨膜的α-螺旋链结构，为G蛋白的一种典型受体。五种亚型的M受体氨基酸顺序显示了它们的家族性，这五种亚型受体的同源性大部分表现于它们七个疏水区氨基酸结构，也正是这些具有高度一致性的氨基酸顺序与G蛋白发生偶联而介导信号转导。
3.1 M受体与G蛋白偶联及受体连接的功能位点
与G蛋白偶联的M受体并不是一被动的匙孔一成不变，当M受体与配体结合后其构象发生改变，第三细胞内区与第五跨膜区相邻的氨基酸残基被暴露出来同G蛋白发生偶联，插入并催化G蛋白释放GTPα和βγ，胞浆内GTP和GDP水平升高；然而一种M受体并不能和所有的G蛋白都发生偶联，每种M受体只能选择性地同相应的蛋白偶联，如m1、m3、m5能与对PTX(百日咳毒素)非敏感的G蛋白作用；m2、m4却同对PTX敏感的G蛋白偶联。这种偶联特异性引起了许多学者极大兴趣，在哺乳动物细胞中对m2、m3嵌合体进行构建和表达发现，第三细胞内区(i3 loop)是决定M受体与G蛋白偶联关建区位[14，15]，并进一步证明这些位点主要存在于第三细胞内区N-端与第五跨膜区相邻的氨基酸。对第三细胞内区N-和C-区研究还发现：M受体疏水区Ⅱe216、Thr220和Tyr217的特异性侧链参与同G蛋白偶联，Ⅱe216和Thr220构成了G蛋白偶联袋的功能结构[16，17]，这一偶联袋由一正电荷的“唇”和一疏水核心组成，Shapiro还指出只有这一区段才与G蛋白偶联有关[18]。
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对M受体的配体选择性研究远不如对G蛋白选择性研究深入，用亲和标记和诱变直接定位法已证明，决定M受体对配体亲和力的功能区并不是M受体第三细胞内区[19，20]，触发位点是第三跨膜区的天门冬氨酸，因为大多数M受体的配体都具有特殊的氨头基，可能正是这种特殊结构与M受体第三跨膜区之间存在一种离子束联系，决定着配体受体结合的性状，是配体受体结合的核心结构。最近的研究显示M受体与Ach高亲和偶联依赖于4个Tyr和2个Thr残基，这些残基位于第三、五、六、七跨膜区的上游[21，22]，并进一步证明第六跨膜区是配体偶联的“开关”[23]。
3.2 M受体偶联G蛋白介导的信号传导
M受体与配体结合后，首先与G蛋白发生偶联，诱导一系列生化反应，再经过第二信使，将信息转化为细胞内效应。如前所述，五种M受体与各自相应的G蛋白发生偶联，产生不同的作用效应：M1受体(含m1、m3、m5)一方面与Gq蛋白结合，通过激活磷脂酶C(PLC)，分解磷酸肌醇生成二酰基甘油(DAG)和三磷酸肌醇(IP3)，DAG可进一步激活蛋白激酶C，使细胞膜对K+传导增加，Ca2+传导降低，导致去极化；IP3使贮存于细胞内质网Ca2+释放，细胞内Ca2+浓度增加，导致膜对Ca2+和Na2+传导增加而介导一系列复杂反应。除此之外，M1受体还能与Gs蛋白发生偶联，直接激活腺苷酸环化酶(AC)，使细胞内cAMP含量增加[24～26]。
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M2受体主要与Gi/o蛋白发生偶联，其作用正好与Gs蛋白相反，抑制AC，使细胞内cAMP含量下降，导致PKA活性下降，从而使细胞膜Ca2+传导下降，K+通道活化等[27]。
需要指导，在不同M受体偶联G蛋白通路的途径中，不同途径之间可相互作用[28]。
4 神经系统中G蛋白偶联M受体与学习记忆功能
学习记忆是人和动物高级神经中枢的复杂活动，许多系统参与其中，越来越多的证据显示胆碱能系统最为重要。研究表明：认知功能下降的疾病往往与M受体数量减少和同G蛋白偶联能力减弱有关[29，30]，适量的拟胆碱类药物可以明显改善学习记忆能力，遗憾的是，虽然G蛋白的激活被视为信号传导的第一步，但研究G蛋白与M受体偶联如何参与学习记忆的报道却很少。近年来对学习记忆的神经生化基础研究认为[31]：①5-HT和核苷酸类第二信使(如 cAMP)起重要作用；②几乎短期学习的全过程，均受蛋白磷酸化机制调控；③在各种动物模型中，K+、Ca2+离子通道的调控是学习记忆的分子机理；④在长期可塑变化中，需要合成新的蛋白质；⑤突触体效能体现记忆贮存。可见，M受体和G蛋白在学习记忆过程中具有特殊意义，胆碱能系统功能的发挥，受G蛋白的制约和调控。
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