G蛋白偶联受体及其信号转导与疼痛

综述：  孙磊   审校：曾帮雄

武汉大学医学院湖北省黄石市中心医院   435000

 

G蛋白是细胞信息传递的基本中间物质。许多研究表明^[1]在很多细胞，突触后细胞缓慢的电位改变或根本观察不到电位改变，这与刺激突触前细胞形成了鲜明对比。突触后细胞则是通过第二信使和酶的活化来调节其胞内的生化过程。突触后细胞上的慢反应受体称为代谢型受体。G蛋白相关受体家族属此型受体且最大。本文综述G蛋白偶联受体及其信号转导在临床疼痛中的意义。黄石市中心医院麻醉科孙磊

 

一、G蛋白的分子生理学?G蛋白循环^[2-7]

G蛋白循环可描述为一系列相对独立的步骤。“G蛋白”系因能通过三磷酸鸟苷[GTP]的结合与水解以限制其作用时间而得名。第一步：排列于细胞表面的特殊受体识别配体，一旦结合此配体发生形态改变，使受体激活特定等级的G蛋白。G蛋白激活的关键是受体一配体刺激引起的GTP转化为5-二磷酸鸟苷[GDP]的过程（第二步）。此转变受GDP水解速率控制。一旦激活后G蛋白可自由弥散入细胞膜与效应蛋白相遇（第三步）。通常这些效应蛋白是细胞内的酶或细胞膜上的离子通道。这一步调节效应蛋白，产生酶的激话与抑制离子通道的开放与关闭等。并改变细胞内第二信使浓度和细胞膜电位。G蛋白保持着激活状态，直到将GTP末端磷酸盐水解为GDP，G蛋白失活后和GDP与另一受体配体结合进入下次循环。

通常G蛋白有三大特征：1放大作用：激活靶细胞上的一个受体可激活500个G蛋白，使得由一个G蛋白调节效应蛋白在其失活前可产生大量的第二信使。2 G蛋白的由于减慢GTP水解的速率而产生“作用时间延长”。3自我调控，G蛋白被激活后必须自我关闭，否则将持续地产生放大作用。

 

二、G蛋白偶联受体激活蛋白级联反应

突触后细胞上的受体多属于G蛋白偶联受体家族^[5]，这些受体的活动需要一系列被称为G蛋白的分子有序地参与，G蛋白通过和其他细胞内成分相互作用引起第二信使水平的变化或离子通道的激活等反应。（同上G蛋白循环）

 

三、G蛋白偶联受体具有共同结构特点

G蛋白偶联受体间高度的同源性反映在它有共同的预测结构，它们均有7个跨膜段，所以又称为7次跨膜受体，它们都有一个大小变化很大的细胞外N末端和一个胞浆内C末端，按其结合区域有G蛋白偶联受体配体结合域；G蛋白偶联受体与G蛋白作用的胞内结构域等。

 

四、G蛋白的种类与功能^[1-8]

G蛋白由α、β、γ三种独特多肽亚单参位组成三聚体，每个亚单位都由多基因编码，从而构成多种多样的可能组合方式。

1、α亚单位，α亚单位是最大的亚单位，至少由17 种不同的基因编码，这些基因不同的拼接使其种类多样化。α亚单位有C_s、Gi、G_q、G12四大家族，G_s家族可激活腺苷酸环化酶，Gi家族抑制腺苷酸环化酶，G_q家族则对磷脂酶C有作用。

2、β_γ单位，通常情况下，β亚单位和γ亚单位作一个非共价紧密结合的复合体被纯化，至今已克隆了五种不同的β亚单位和七种不同的γ亚单位，已有证据提示不同的复合体的功能有一定的差别。β_γ的一个主要作用就是提高和膜结合的α亚单位浓度，从而促进α亚单位和受体偶联。越来越多的研究显示βγ本身能直接和效应器结合，从而介导信号转导。

3、G蛋白α亚基的效应分子，α亚基自βγ亚基解离后，沿膜脂双层的内表表面扩散，作用于效应器。G蛋白效应分子主要有：①腺苷酸环化酶；②磷酸二酯酶；③磷脂酶c，磷脂酶A₂。

4、G蛋白的β_γ亚基的功能。G蛋白β_γ亚基有两个主要作用。其一是将α亚基锚在细胞膜上，其二是调节α亚基活性。β_γ亚基能够稳定GDP和α亚基的结合，同时抑制GTP的结合，因而阻止了G _a激活，这确保在没有制激时α亚基只有低水平的基本活性，目前认为β_γ介导的抑制常见于抑制腺苷酸环化酶活性。

现有研究表明^[8-13]：β_γ亚基能够直接激活一些PLC-β异构体，但PLC-β₄不能被β_γ亚基激活。对腺苷酸环化酶而言，αs亚基均可激活所有亚型αi则抑制ACI，ACV和ACVI的活性，β_γ亚基的作用则有选择性，β_γ能够抑制ACⅠ，激活ACⅡ。刺激Gs、Go通路可大大加强AcⅡ的活性，cAMP水平升高能反映两条不同通路被同时激活。

 

五、G蛋白参与调节离子通道的功能^[9-23]

1、G蛋白通过第二信使调节离子通道，许多离子通道的活性受特异的G蛋白的偶联受体激活的影响，在许多情况下通过第二信使起作用，一些离子通道的磷酸化和G蛋白介导的腺苷酸环化酶激活有关。例如Gq激活PLC产生IP₃随后释放Ca²⁺从而影响钙依赖性钾离子通道的活性。在嗅上皮细胞纤毛的离子通道的门控也受cAMP水平的影响。

2、G蛋白的α亚基直接调节离子通道，大量事实表明，有些离子通道的调节不是通过第二信使途径，而是α亚基和离子通道在细胞膜上直接相互作用的结果。研究表明Ga本身可以直接调节L型钙通道和钾通道的活性，特定的β_γ亚基也参与了信号转导过程，但单独敲除α亚基可干扰受体介导的抑制作用，这说明了α亚基对钙电流有抑制作用。

3、G蛋白β_γ能够直接调节离子通道 GIRK分子被克隆后，陆续有报道G蛋白β_γ亚基可以直接与GIRK分子或其片段结合，最近，通过结合运用分子生物学和电生理技术发现GIRK分子中存在多个功能不同的G蛋白β_γ亚基调节位点，GIRK4 339位处和GIRK₁333位处是G蛋白β_γ亚基重要调节位点之一。M₂受体激活后释放的G蛋白β_γ亚基通过作用这一位点介导Ach引起的钾电流作用。

研究表明，一些神经递质激活其G蛋白的偶联受体，还能够抑制电压依赖N和P/Q型钙通道的开放。在交感神经元或细胞株中表达G蛋白β_γ亚基 而不是GO或Gi可以模拟神经递质β_γ亚基的细胞，钙通道不再进一步抑制。有实验证据提示G蛋白β_γ亚基能够抑制电压依赖N和P/       Q型钙通道的开放。分子生物学实验表明：钙通道αⅠB的Ⅰ~Ⅱ连接区存在G蛋白β_γ亚基的调节点，β或γ可以和钙αⅠB的Ⅰ~Ⅱ连接区融合蛋白结合。定点突变这一区域可以阻断Gβ和钙通道αⅠβ的Ⅰ~Ⅱ连接区结合，可以阻断GTPrS引起的钙电流抑制，αⅠB的Ⅰ~Ⅱ连接区合成肽能够减弱G蛋白β_γ对钙电流的抑制。

 

六、cGMP水平的调节

尽管cAMP和cGMP结构很相似。但鸟氨酸环化酶（GC）和腺苷酸环化酶（AC）的结构及调节有很大不同，鸟氨酸环化酶有种形式：一种像AC般结合在膜上，另一种在腺浆内，结合在膜上的GC为跨膜蛋白，细胞外N末端和多肽结合，一个TM段及含催化区的细胞内C末端，它催化GTP生成为cGMP。内皮细胞上的G蛋白偶联受体激活后，引起PLC的激活，最终引起细胞内钙离子释放，从而激活了钙/钙调素依赖性的一氧化氮合酶（NOS），NOS可催化精氨酸生成一氧化氮（NO），通过细胞膜弥散，内皮细胞产生的NO弥散到邻近的平滑肌细胞作用于可溶性的GC，从而激活环化酶，cGMP水平升高激活依赖cGMP的蛋白激酶，随后肌蛋白磷酸化使血管松施。钙也参与调节GC活性，G蛋白激活的cGMP磷酸二脂酶可降低cGMP水平，cGMP减少将使cGMP激活的离子通道暗电流减少，这些通道是钠离子通透性的但对钙离子也有通透性。

 

七、机体产生的疼痛。

研究发现组织损伤后，中枢神经系统对正常的无害性刺激的反应增强，不仅是损伤区的机械和热刺激反应过强，而且未损伤区的机械刺激发生过强反应，这提示在疼痛产生时,中枢神经系统并不是固定不变的，而是可塑的^[8]。

疼痛是机体健康受到威胁的信号，疼痛过程中，机体内部许多生化物质参与活动，其活动机制十分复杂^[32]。可能为神经介质的生化物。

1、乙酰胆碱（Ach）

2、氨基酸类：γ-氨基丁酸、甘氨酸、谷氨酸、门冬氨酸。

3、单胺类 5-HT  组织胺 DA、AE、NE等。

4、肽类：内啡肽、脑啡肽、P物质、前列腺素等。

直接致痛的内源性能化物质：

1）无机盐类：钾离子、氢离子、钙离子。

2）胺类：5-HT、NE、组织胺、Ach。

3）肽类：缓激肽、十肽、P物质、前列腺素和加压素。

4、腺苷类：ATP、ADP、AMP。

 

八、G蛋白偶联受体与疼痛

研究证实机体的疼痛的发生发展过程与细胞内第二信使存在着密切联系，痛觉递质与G蛋白偶联受体结合有关^[5]。目前发现与G蛋白偶联的受体有70余种^[2]，常见如Tab 1^[1]。

 

Tab1 Some examples of G protein-finked

Receptor	Abbreviation	Subtypes
Adenosine	A	1,2A,2B,3
α-Adrenergic	α-AR	α1(A,B,D),α2(A,B,C)
β-Adrenergic	β-AR	β1,β2,β3
Muscarininc cholinergic	mAChR	M1-M5
Dopamine	D	1-5
GABAergic	GABAB
Glutamatergic	mgluR	1-8
Histamine	H	1-3
5-HT	5-HT	1(A,B,D,E,F)2(A-C),4,6,7
Purinergic	P	2U,2Y
Serum calcium
Rhodopsin
Olfaction
Taste
Angiotensin	AT	1,2
Bradykinin	B	1,2
Calcitonin
Cannabanoid	CB	1,2
Endothelin	ET	A,B
Glucagon
Opiates	μ，δ，κ
Oxytocin	OT
Parathyroidhormone
Prostanoid	DP
	FP
	IP
	TP
	EP	1-4
Somatostatin	SST	1-5
Subsance P
Thyotropin
Vasopressin

九、疼痛中枢敏感化与G蛋白

大量研究表明脊髓的G蛋白偶联受体如代谢型谷氨酸和神经肽受体在伤害性信息的传递过程中发挥着重要作用。Mellev等^[12]在大鼠的研究发现复合给予代谢型谷氨酸受体激动剂转ACDD和非NMDA受体激动剂AMPA能诱发机械性痛觉过敏，而Neugebauer等^[13]的研究发现给予代谢型谷氨酸受体拮抗剂L-AP₃后能够逆转脊髓背角神经元的敏感化。NK₁受体激动剂P物质（SP）作为一种痛觉递质在伤害性刺激时在脊髓大量释放，动物行为研究表明在鞘内注入微量SP后，能引起疼痛样反应，并诱导Fos蛋白在脊髓背角的表达。Neugebauer等^[14]的研究显示鞘内或全身给予NK₁或NK₂受体拮抗剂降低因炎症所诱发的脊髓背角神经元的敏感化。上述实验结果均间接地证实了脊髓的G蛋白偶联受体在伤害性信息传递中的重要性。Sluka等^[14]在大鼠的研究经微透析纤维脊髓给予非选择性G蛋白抑制剂GDP-β-S，发现以剂量依赖性方式逆转皮下注射，辣椒素所诱导的机械性异常疼痛，进而有作者认为，作用于兴奋性神经性的兴奋性G蛋白的抑制将使用细胞内第二信使的活性降低，从而减轻脊髓背角的敏感化，也可能减轻外周伤害性刺激所导致的中枢敏感化。Yan^[16]等在大鼠的研究表明肌注Prosaptide D5缓解大鼠神经病理性疼痛模型的热痛觉过敏的作用是通过调节百日咳毒素敏感G蛋白机制调节的电压依赖性钙通道所介导的。Spnlos^[15]等在小鼠的研究也发现没食子酸乙醚所产生的剂量依赖性全身，脊髓和脊髓上的抗伤害作用也可能是通过激活K⁺通道和Gi/O百日咳毒素敏感机制所介导的。

 

十、通过G蛋白偶合受体调节的镇痛作用^[22-27、32]

机体（特别是脑内）的蕈毒碱能、胆碱能、阿片能、肾上腺能、多巴胺能、嘌呤能及五羟色胺能受体均可与G蛋白结合而参与神经调节。阿片类药和其内源性配体在中枢神经系统内的结合部的发现是临床疼痛和神经生物学的里程碑，随着分子生物学技术的发展，人们已在区分这些受体的各种亚型并使之克隆方面取得了显著的成就，K受体的部分顺序δ受体的克隆的功能表达等 ，越来越多的阿片受体与细胞内作用偶联被确认，这些研究证明了G蛋白的介入并提出了以细胞学为基础的药物耐受与戒断模型。利用NG₁₀₈-15-神经母细胞和神经胶质细胞的杂交系研究阿片类药成瘾性的细胞机理时发现，这些细胞也可表达与百日咳毒素敏感G蛋白相互作用的阿片受体（δ亚型）对腺苷酸环化酶的抑制作用和对细胞膜上离子通道的调节作用。NG₁₀₈细胞也可表达前列腺素受体被其配体?前列腺素E1、（PGE1）激活腺苷酸环化酶从而增高细胞内cAMP含量 ，同时使用阿片类药物和PGE于NG₁₀₈细胞上可阻止细胞内cAMP的增高，若将NG₁₀₈细胞长时间暴露于阿片类24~28小时后，则PGE₁。作用引起cAMP升高又可恢复至原来水平，当去除NG₁₀₈细胞上的阿片类药后再以PGE1刺激，则产生高于正常水平的cAMP。

G蛋白及其相关的受体和效应蛋白对维持正常的中枢神经系统功能有显著作用，G蛋白的偶合受体离子通道对神经电活动起作用。配体依赖性离子通道和某些G蛋白偶合受体有联系，乙酰胆碱，γ-氨基丁酸、五羟色胺及其它兴奋性氨基酸?谷氨酸、天冬氨酸等均可激活两种受体，另有很多种神经递质如肾上腺素、多巴胺、腺苷和内啡肽、脑啡肽等神经肽只与G蛋白偶合受体而无配体依赖性结合，由此可见，神经递质通过G蛋白所产生的作用十分广泛，但G蛋白偶合受体一般不参与突触快反应和轴突的传导。而是对神经元的放电活动起主要调节作用。

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