β2受体脱敏的分子药理学机制
作者：田文辉 张敬珍
单位：田文辉(中国人民解放军北京军医学院药理教研室 北京 100071)
关键词：耐受性；脱敏；β2受体；G蛋白；cAMP
解放军药学学报990523 摘 要 β2受体激动剂是治疗哮喘的主要药物，但却存在着耐受性。耐受性的产生与受体脱敏有关。以前普遍认为受体的脱敏主要是由于受体-G蛋白的脱偶联及受体的下行调节，目前认为该脱敏作用还与磷酸二酯酶(Phosphodiesterase,PDE)加速环磷酸腺苷(cyclic Adenosine Monophosphate，cAMP)的降解有关。
中图分类号 R962
β2受体激动剂是强有效的支气管扩张剂，不论由何种介质激发的支气管痉挛其都能呈现扩张效能。但对于慢性支气管哮喘患者及长期用药的患者却不能从根本上解决哮喘的炎症症状，而且会使支气管对各种刺激的反应性增高，发作加重。这是由于β2受体脱敏引起耐受性的产生而导致的结果[1、2]。
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β2受体的脱敏的分子机制涉及到信号由受体到效应器传递过程中的许多环节。
1 信号由受体向效应器传递的基本过程
β2受体激动剂与β2受体作用，使兴奋性G蛋白(Gs)的α亚基与βγ亚基分离而从Gs中游离出来，激活腺苷酸环化酶(Adenycyclse,AC),引起cAMP的升高。cAMP一方面可激活cAMP依赖性蛋白激酶(cAMP-dependent protein kinase,PKA)，另一方面又可被磷酸二酯酶(phosphodiestorase,PDE)代谢为5＇-AMP。同时cAMP浓度升高还可以引起一些基因的表达水平提高。激活的PKA可使细胞内许多蛋白质磷酸化，膜蛋白磷酸化后可使各种平滑肌细胞多种膜系统摄取Ca2+加速,Ca2+外流至肌浆网或细胞膜外,还防止Ca2+跨膜内流,使细胞内Ca2+水平降低,平滑肌松弛，产生支气管扩张效应[2]。
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2 受体-G蛋白脱偶联引起的受体脱敏
脱偶联是通过被激动剂占领的受体蛋白C末端丝氨酸(Ser)和苏氨酸(Thr)残基的磷酸化作用而完成的，而磷酸化作用需要受体偶合G蛋白激酶(G Protein Receptor-Coupled Kinase,GRK)及/或PKA的催化。具体过程如下：激动剂与受体结合后活化Gs而使其βγ亚基游离出来，游离的βγ亚基将GRK吸附于原生质膜。GRK引起受体蛋白C末端Ser和Thr残基的磷酸化，造成受体-G蛋白复合体解离。同样，随着细胞中cAMP水平的升高，活化的PKA使受体蛋白细胞内环的Ser和Thr残基磷酸化也可使受体-G蛋白脱偶联。此外，受体-G蛋白脱偶联还与一种48kDa的“Arrestin样”可溶性蛋白有关，此蛋白磷酸化后可与受体蛋白的C端结合，阻止受体与G蛋白的进一步偶合[3～6]。
3 受体数目改变引起的受体脱敏
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该机制认为，受体脱敏是由于受体数目的下调，此机制支持脱敏的长期性，是在磷酸化之后引起受体脱敏的又一机制。在受体的下调中,受体内移颇受重视,这是受体下调的一种普遍现象。关于内移机理,普遍认为是一种特殊形式的胞吞作用，概括如下:受体与激动剂结合之初,所形成的可逆性复合体散在分布于膜表面,大约1～2h内,有50%的复合体转变为不可逆的结合形式,并丛集于被膜小凹处,小凹处的被膜进一步内凹、反折，遂形成了被膜小囊，后者即通过胞吞作用进入细胞内并以受体小体的形式与溶酶体融合，经溶酶体作用被水解为多肽片段，其中的某些仍可供合成新的受体[7、8]。除内移之外，受体数目的下调还可能涉及到β2受体转录的抑制及/或被增加了的β2受体mRNA的转录后过程的抑制[9]。
4 PDE加速cAMP降解使受体脱敏
受体的脱偶联及/或β2受体的下调均可引起β2受体的脱敏，但经过近年的实验研究及对以往一些数据的分析，人们发现受体脱敏也与PDE加速cAMP降解有关。
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4.1 脱敏过程 β2受体激动剂与β2受体作用，引起细胞内cAMP的升高，cAMP能活化PKA。另一方面又可被PDE代谢为5＇-AMP，活化的PKA可通过至少两种途径上调PDE活性。短时间的接触导致磷酸化,引起以PDE4D3为代表的PDE的快速活化。而较持久的cAMP升高可导致PDE4D1和PDE4D2的诱导，这往往需要几个小时，过程如下：活化的PKA可磷酸化CREB(CRE：cAMP响应位点,CREB：CRE结合蛋白)，磷酸化CREB移位到细胞核，与DNA的CRE作用，引起PDE基因的转录,形成的PDE mRNA被翻译成PDE4D1和PDE4D2等蛋白。PDE活性增加可加速cAMP的代谢，从而减弱通过Gs偶联受体的细胞信号传递，使受体脱敏[10、11]。所以机体对β2受体激动剂产生耐受性与PDE活性提高直接相关，是以β2受体激动剂进行常规治疗及某些炎症介质作用的直接结果。
4.2 PDE活性的上调机制 PDE活性的上调可通过两种机制，即存在的PDE蛋白的磷酸化及/或一种或多种PDE 等基因的诱导。经对PDE4D基因的广泛调查，发现PDE4D基因至少可以产生4种自身免疫不同的蛋白。PDE4D1和PDE4D2来源于交错mRNA连接，是随着一个内启动子的活化而产生的。PDE4D基因随着至少两个更远的上游启动子的活化而被转录为PDE4D3和PDE4D4。PDE4D1和PDE4D2是对细胞内持续cAMP增高的应答及新蛋白合成的结果,而PDE4D3或PDE4D4若在细胞中有表现，则很快被PKA调节的磷酸化作用活化。因此，这两个调节过程为cAMP水平的短期和长期调节提供了一个高度一致的机制[12、13]。
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4.3 变态反应性疾病中PDE的上调及后果 在哮喘狗的研究中发现，其平滑肌中cAMP基础含量同正常动物相比大大降低，而异丙肾上腺素诱导的cAMP累积的EC50及cAMP的成倍增长却是相同的[14]。人亦存在相似的情况。说明继AC活化之后某些环节发生了细胞信号传递的中断，而cAMP基础水平的降低和通过β2受体进行的信号传递的被削弱，很可能是由于PDE活性的加强。所以，在哮喘时发生了PDE的上调，在其它人类变态反应疾病如特应性皮炎、鼻炎和荨麻疹色点中PDE活性也可提高。
PDE活性增高使特应性皮炎及其它一些变态反应性疾病中cAMP的含量降到一个新的稳定水平,从而使细胞对兴奋性刺激表现为高反应性[15]。因此，哮喘患者长期接受β2受体激动剂治疗会有炎性症状及气道高反应性明显加重的现象。
4.4 PDE加速cAMP降解的意义 PDE的磷酸化或诱导作用可促使在哮喘治疗时对β2受体激动剂产生耐受性，从而引起支气管扩张作用下降，同时解释了为什么β2受体激动剂不抗炎。PDE活性的提高引起所有G蛋白偶联受体的异源脱敏，而这又明显降低AC的内源性活化剂如外周肾上腺素、前列腺素E、前列环素等有利的抗炎作用。所以,β2受体激动剂引起的PDE上调可加剧气道炎症并刺激疾病的进展。故如果炎症未被发现或未得到处理而接受β2受体激动剂常规治疗的患者，哮喘死亡率提高是由于炎细胞和免疫活性细胞水解cAMP能力的加强。而PDE抑制剂可防止或延缓耐受的发展并增敏已对β2受体激动剂耐受的炎细胞和免疫活性细胞。故新型PDE抑制剂的研制必将为哮喘的治疗提供新的前景，如正在进行临床评价的新茶碱类似物恩丙茶碱、异丁茶碱等。
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作者简介：田文辉，女，学士，助教。
参考文献：
1 O'Connor BJ,Aikman SL,Barnes PJ.Tolerance to the nonbronchodilator effects of inhaled beta 2- agonists in asthma.New Eng J Med，1992；327(17):1204
2 江明性.药理学.北京:人民卫生出版社,1996;14～18,222
3 Premont RT,Inglese J,Lefkowitz RJ.Protein kinases that phosphorylate activated G protein-coupled receptors.FASEB J，1995；9(2):175～82
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4 宋振玉，刘耕陶.当代药理学.北京:北京医科大学中国协和医科大学联合出版社,1995；29～59
5 Lohse MJ,Benovic JL,Codina J,et al.beta-Arrestin:a protein that regulates beta-adrenergic receptor function.Science，1990；248(4962):1547～50
6 Bouvier M,Collins S,O'Dowd BF.Two distinct pathways for cAMP-mediated down-regulation of the beta 2-adrenergic receptor.Phosphorylation of the receptor and regulation of its mRNA level.J Biol Chem，1989；264(28):16786～92
, 百拇医药
7 张大禄.药理学.北京:中国医药科技出版社,1995;26
8 孙志贤.现代生物化学理论与研究技术.北京:军事医学科学出版社,1995;321-323,338～339
9 Lohse MJ.Molecular mechanisms of membrane receptor desensitization.Biochim Biophys Acta，1993；1179(2):171～88
10 Hoeffler JP，Meyer TE，Yungdae Y.Cyclic AMP-responsive DNA-binding protein：structure based on a cloned placental cDNA.Science，1989；242:1430
11 顾天爵.生物化学.北京:人民卫生出版社,1995;315～326
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12 Monaco L,Vicini E,Conti M.Structure of two rat genes coding for closely related rolipram-sensitive cAMP phosphodiesterases.Multiple mRNA variants originate from alternative splicing and multiple start sites.J Biol Chem，1994；269(1):347
13 Sette C,Vicini E,Conti M.The ratPDE3/IVd phosphodiesterase gene codes for multiple proteins differentially activated by cAMP-dependent protein kinase.J Biol Chem，1994；269(28):18271
14 Chan SC,Hanifin JM,Holden CA,et al.Elevated leukocyte phospho-diesterase as a basis for depressed cyclic adenosine monophosphate responses in the Basenji greyhound dog model of asthma.J Allergy Clin Immunol，1985；76(2 Pt1):148
15 Giembycz MA.Phosphodiesterase4 and tolerance to β2-adrenoceptor agonists in asthma.Trends Pharmacol Sci,1996；17:331
收稿日期：1999-04-07
修改日期：1999-10-10, 百拇医药
单位：田文辉(中国人民解放军北京军医学院药理教研室 北京 100071)
关键词：耐受性；脱敏；β2受体；G蛋白；cAMP
解放军药学学报990523 摘 要 β2受体激动剂是治疗哮喘的主要药物，但却存在着耐受性。耐受性的产生与受体脱敏有关。以前普遍认为受体的脱敏主要是由于受体-G蛋白的脱偶联及受体的下行调节，目前认为该脱敏作用还与磷酸二酯酶(Phosphodiesterase,PDE)加速环磷酸腺苷(cyclic Adenosine Monophosphate，cAMP)的降解有关。
中图分类号 R962
β2受体激动剂是强有效的支气管扩张剂，不论由何种介质激发的支气管痉挛其都能呈现扩张效能。但对于慢性支气管哮喘患者及长期用药的患者却不能从根本上解决哮喘的炎症症状，而且会使支气管对各种刺激的反应性增高，发作加重。这是由于β2受体脱敏引起耐受性的产生而导致的结果[1、2]。
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β2受体的脱敏的分子机制涉及到信号由受体到效应器传递过程中的许多环节。
1 信号由受体向效应器传递的基本过程
β2受体激动剂与β2受体作用，使兴奋性G蛋白(Gs)的α亚基与βγ亚基分离而从Gs中游离出来，激活腺苷酸环化酶(Adenycyclse,AC),引起cAMP的升高。cAMP一方面可激活cAMP依赖性蛋白激酶(cAMP-dependent protein kinase,PKA)，另一方面又可被磷酸二酯酶(phosphodiestorase,PDE)代谢为5＇-AMP。同时cAMP浓度升高还可以引起一些基因的表达水平提高。激活的PKA可使细胞内许多蛋白质磷酸化，膜蛋白磷酸化后可使各种平滑肌细胞多种膜系统摄取Ca2+加速,Ca2+外流至肌浆网或细胞膜外,还防止Ca2+跨膜内流,使细胞内Ca2+水平降低,平滑肌松弛，产生支气管扩张效应[2]。
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2 受体-G蛋白脱偶联引起的受体脱敏
脱偶联是通过被激动剂占领的受体蛋白C末端丝氨酸(Ser)和苏氨酸(Thr)残基的磷酸化作用而完成的，而磷酸化作用需要受体偶合G蛋白激酶(G Protein Receptor-Coupled Kinase,GRK)及/或PKA的催化。具体过程如下：激动剂与受体结合后活化Gs而使其βγ亚基游离出来，游离的βγ亚基将GRK吸附于原生质膜。GRK引起受体蛋白C末端Ser和Thr残基的磷酸化，造成受体-G蛋白复合体解离。同样，随着细胞中cAMP水平的升高，活化的PKA使受体蛋白细胞内环的Ser和Thr残基磷酸化也可使受体-G蛋白脱偶联。此外，受体-G蛋白脱偶联还与一种48kDa的“Arrestin样”可溶性蛋白有关，此蛋白磷酸化后可与受体蛋白的C端结合，阻止受体与G蛋白的进一步偶合[3～6]。
3 受体数目改变引起的受体脱敏
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该机制认为，受体脱敏是由于受体数目的下调，此机制支持脱敏的长期性，是在磷酸化之后引起受体脱敏的又一机制。在受体的下调中,受体内移颇受重视,这是受体下调的一种普遍现象。关于内移机理,普遍认为是一种特殊形式的胞吞作用，概括如下:受体与激动剂结合之初,所形成的可逆性复合体散在分布于膜表面,大约1～2h内,有50%的复合体转变为不可逆的结合形式,并丛集于被膜小凹处,小凹处的被膜进一步内凹、反折，遂形成了被膜小囊，后者即通过胞吞作用进入细胞内并以受体小体的形式与溶酶体融合，经溶酶体作用被水解为多肽片段，其中的某些仍可供合成新的受体[7、8]。除内移之外，受体数目的下调还可能涉及到β2受体转录的抑制及/或被增加了的β2受体mRNA的转录后过程的抑制[9]。
4 PDE加速cAMP降解使受体脱敏
受体的脱偶联及/或β2受体的下调均可引起β2受体的脱敏，但经过近年的实验研究及对以往一些数据的分析，人们发现受体脱敏也与PDE加速cAMP降解有关。
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4.1 脱敏过程 β2受体激动剂与β2受体作用，引起细胞内cAMP的升高，cAMP能活化PKA。另一方面又可被PDE代谢为5＇-AMP，活化的PKA可通过至少两种途径上调PDE活性。短时间的接触导致磷酸化,引起以PDE4D3为代表的PDE的快速活化。而较持久的cAMP升高可导致PDE4D1和PDE4D2的诱导，这往往需要几个小时，过程如下：活化的PKA可磷酸化CREB(CRE：cAMP响应位点,CREB：CRE结合蛋白)，磷酸化CREB移位到细胞核，与DNA的CRE作用，引起PDE基因的转录,形成的PDE mRNA被翻译成PDE4D1和PDE4D2等蛋白。PDE活性增加可加速cAMP的代谢，从而减弱通过Gs偶联受体的细胞信号传递，使受体脱敏[10、11]。所以机体对β2受体激动剂产生耐受性与PDE活性提高直接相关，是以β2受体激动剂进行常规治疗及某些炎症介质作用的直接结果。
4.2 PDE活性的上调机制 PDE活性的上调可通过两种机制，即存在的PDE蛋白的磷酸化及/或一种或多种PDE 等基因的诱导。经对PDE4D基因的广泛调查，发现PDE4D基因至少可以产生4种自身免疫不同的蛋白。PDE4D1和PDE4D2来源于交错mRNA连接，是随着一个内启动子的活化而产生的。PDE4D基因随着至少两个更远的上游启动子的活化而被转录为PDE4D3和PDE4D4。PDE4D1和PDE4D2是对细胞内持续cAMP增高的应答及新蛋白合成的结果,而PDE4D3或PDE4D4若在细胞中有表现，则很快被PKA调节的磷酸化作用活化。因此，这两个调节过程为cAMP水平的短期和长期调节提供了一个高度一致的机制[12、13]。
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4.3 变态反应性疾病中PDE的上调及后果 在哮喘狗的研究中发现，其平滑肌中cAMP基础含量同正常动物相比大大降低，而异丙肾上腺素诱导的cAMP累积的EC50及cAMP的成倍增长却是相同的[14]。人亦存在相似的情况。说明继AC活化之后某些环节发生了细胞信号传递的中断，而cAMP基础水平的降低和通过β2受体进行的信号传递的被削弱，很可能是由于PDE活性的加强。所以，在哮喘时发生了PDE的上调，在其它人类变态反应疾病如特应性皮炎、鼻炎和荨麻疹色点中PDE活性也可提高。
PDE活性增高使特应性皮炎及其它一些变态反应性疾病中cAMP的含量降到一个新的稳定水平,从而使细胞对兴奋性刺激表现为高反应性[15]。因此，哮喘患者长期接受β2受体激动剂治疗会有炎性症状及气道高反应性明显加重的现象。
4.4 PDE加速cAMP降解的意义 PDE的磷酸化或诱导作用可促使在哮喘治疗时对β2受体激动剂产生耐受性，从而引起支气管扩张作用下降，同时解释了为什么β2受体激动剂不抗炎。PDE活性的提高引起所有G蛋白偶联受体的异源脱敏，而这又明显降低AC的内源性活化剂如外周肾上腺素、前列腺素E、前列环素等有利的抗炎作用。所以,β2受体激动剂引起的PDE上调可加剧气道炎症并刺激疾病的进展。故如果炎症未被发现或未得到处理而接受β2受体激动剂常规治疗的患者，哮喘死亡率提高是由于炎细胞和免疫活性细胞水解cAMP能力的加强。而PDE抑制剂可防止或延缓耐受的发展并增敏已对β2受体激动剂耐受的炎细胞和免疫活性细胞。故新型PDE抑制剂的研制必将为哮喘的治疗提供新的前景，如正在进行临床评价的新茶碱类似物恩丙茶碱、异丁茶碱等。
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作者简介：田文辉，女，学士，助教。
参考文献：
1 O'Connor BJ,Aikman SL,Barnes PJ.Tolerance to the nonbronchodilator effects of inhaled beta 2- agonists in asthma.New Eng J Med，1992；327(17):1204
2 江明性.药理学.北京:人民卫生出版社,1996;14～18,222
3 Premont RT,Inglese J,Lefkowitz RJ.Protein kinases that phosphorylate activated G protein-coupled receptors.FASEB J，1995；9(2):175～82
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4 宋振玉，刘耕陶.当代药理学.北京:北京医科大学中国协和医科大学联合出版社,1995；29～59
5 Lohse MJ,Benovic JL,Codina J,et al.beta-Arrestin:a protein that regulates beta-adrenergic receptor function.Science，1990；248(4962):1547～50
6 Bouvier M,Collins S,O'Dowd BF.Two distinct pathways for cAMP-mediated down-regulation of the beta 2-adrenergic receptor.Phosphorylation of the receptor and regulation of its mRNA level.J Biol Chem，1989；264(28):16786～92
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7 张大禄.药理学.北京:中国医药科技出版社,1995;26
8 孙志贤.现代生物化学理论与研究技术.北京:军事医学科学出版社,1995;321-323,338～339
9 Lohse MJ.Molecular mechanisms of membrane receptor desensitization.Biochim Biophys Acta，1993；1179(2):171～88
10 Hoeffler JP，Meyer TE，Yungdae Y.Cyclic AMP-responsive DNA-binding protein：structure based on a cloned placental cDNA.Science，1989；242:1430
11 顾天爵.生物化学.北京:人民卫生出版社,1995;315～326
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12 Monaco L,Vicini E,Conti M.Structure of two rat genes coding for closely related rolipram-sensitive cAMP phosphodiesterases.Multiple mRNA variants originate from alternative splicing and multiple start sites.J Biol Chem，1994；269(1):347
13 Sette C,Vicini E,Conti M.The ratPDE3/IVd phosphodiesterase gene codes for multiple proteins differentially activated by cAMP-dependent protein kinase.J Biol Chem，1994；269(28):18271
14 Chan SC,Hanifin JM,Holden CA,et al.Elevated leukocyte phospho-diesterase as a basis for depressed cyclic adenosine monophosphate responses in the Basenji greyhound dog model of asthma.J Allergy Clin Immunol，1985；76(2 Pt1):148
15 Giembycz MA.Phosphodiesterase4 and tolerance to β2-adrenoceptor agonists in asthma.Trends Pharmacol Sci,1996；17:331
收稿日期：1999-04-07
修改日期：1999-10-10, 百拇医药