单位：北京医科大学血管医学研究所，北京 100083

    关键词：G蛋白；亚单位；受体；信号转导；效应分子

    生理科学进展000113摘要 跨膜信息传递有关的G蛋白由α、β和γ亚单位所组成,受体激动后，引起GTP与α亚单位结合，导致Gα与Gβγ分离。近年来发现Gα、受体本身和许多效应分子如K+通道、Ca2+通道、磷脂酶C-β、腺苷酸环化酶、酪氨酸、 MAPK和受体激酶等都受Gβγ的调节,Gβγ同Gα一样均可引起效应蛋白的激活，在细胞信号转导中起同样重要作用，共同介导一系列的生物学效应。

    学科分类号 Q257;Q735, 百拇医药     许多细胞外刺激都是通过G蛋白偶联受体(GPCR)发生作用的，G蛋白将信号传递至细胞内各种效应分子，从而发挥对细胞生物功能的调节。与跨膜信息传递有关的G蛋白种类繁多，它们均属于膜蛋白，由α、β和γ三种亚单位所组成，每种亚单位都有许多不同的种类,到目前发现至少有21种α亚单位，6种β亚单位和12种γ亚单位，它们可以形成多种特异性组合[1]。G蛋白结构上的差别主要表现在α亚单位(Gα)，根据Gα的DNA序列同源性不同，Gα分为Gi、Gq、Gs、G12四个家族。受体激动后，催化鸟苷酸转位，引起GTP与α亚单位结合，GTP结合导致Gα*GTP与G亚单位(Gβγ)分离。早期认为Gα是效应器的调节亚单位，Gβγ仅具有“关闭”激活的Gα的作用并增强Gα与膜的结合。近年来越来越多的证据表明许多效应分子都受Gβγ的调节[2，3]，Gα*GTP和游离Gβγ均可引起效应蛋白的激活，共同介导一系列的生物学效应。, http://www.100md.com     一、Gβγ亚单位的结构

    至今已发现6种Gβ和12种Gγ亚单位，体外实验证明绝大部分都能配对形成二聚体，但并不是所有二聚体都有活性。Gβγ由Gβ和Gγ两条多肽链组成，功能上作为一个整体存在，只有在变性的情况下，这两个亚单位才能分离。在结构上Gβ由相对独立的两个区域组成，氨基末端区域是大约20个氨基酸组成的α螺旋结构，另一区域是由7个重复的氨基酸序列构成。Gβ的中心部分由β-折叠排列成一个环，形成螺旋推进器结构，每个螺旋推进器的叶片由4个扭曲的β-折叠构成。Gβ与Gα结合的部分较小，而与Gγ结合的部分较大，Gγ与Gβ氨基末端形成相互缠绕并完全结合的结构。

    二、Gβγ对Gα与受体的调节作用, http://www.100md.com     Gβγ对Gα的结构和功能的作用有三：一是当Gβγ与Gα结合成异三聚体时，可引起Gα构型的改变；二是Gβγ与Gα结合后，可增加Gα对GDP的亲和性；三是Gβγ对Gα的GTP酶活性的调节。Gβγ对GTP酶的调节作用依赖于Mg2+的浓度：低Mg2+时，Gβγ通过减少GDP的解离而抑制GTP酶的活性，而在高Mg2+时，GDP和G-βγ解离增加，此时Gβγ增加GTP酶活性。正常情况下，细胞内Gβγ通过稳定无活性GDP结合状态，抑制Gα的GTP酶活性。

    Gβγ对膜受体可产生直接或间接调节作用。Gβγ可增强Gα与相应的受体结合。Phillips等(1992)发现Gα本身即可与视紫红质相结合，但在Gβγ存在时可明显增强Gα与视紫红质的结合，这种作用可能与增强Gα与膜的结合无关。Gβγ也可直接与纯化的β-肾上腺素受体和视紫红质结合。Gβγ与受体结合的能力与Gβγ所含的Gγ有关，但目前还不清楚Gγ那一部分与受体结合。因为Gαβγ异聚体可与受体结合而不能与效应器结合，所以Gβγ与受体结合的位点和Gβγ与效应器结合位点不同。, 百拇医药     在激动剂的持续作用下，GPCR可发生对激动剂的敏感性下降，即受体减敏，这一过程主要由G蛋白偶联受体激酶(GRKs)和arrestins两大蛋白家族介导：GRKs先结合并磷酸化被激动剂占领的受体，然后arrestins与磷酸化的受体结合，阻止受体与G蛋白发生作用，导致受体功能减退。Gβγ可增强(但Gα则不能)GRK家族中βARK1和βARK2(β-肾上腺素受体激酶，也称GRK2和GRK3)的活性,但不能激活GRK1。Gβγ激活GRK1和GRK2的机制并不清楚，可能与提高GRK依赖的磷酸化速率或加速GRK从胞质转位到胞膜有关。

    三、Gβγ对效应器的调节作用

    (一) Gβγ与效应器结合的位点 Sondek等(1996)发现一个重要现象:当Gβγ与Gα解离时并不改变构型，而Gα又能关闭Gβγ与效应器的结合，这提示Gβγ与Gα结合位点与效应器结合位点相重叠。这个推论进一步被Li等(1997)证实，他们发现腺苷酸环化酶(AC)Ⅱ与Gβγ结合的多肽能阻断Gβγ激活不同效应分子如K+通道亚单位(GIRK)和磷脂酶C-β(PLC-β)。, 百拇医药     Yan等(1997)发现，Gβ前五个β折叠与GIRK1和PLC-β2激活有关，但突变该区域并不影响Gβγ与ACⅡ的结合，说明Gβ与不同效应器的结合位点也不相同，Li等也将Gβ与Gα结合部位突变，发现不同的突变体都可与Gγ形成二聚体,但是它们对Gα、PLC-β2、PLC-β3和AC-Ⅱ的亲和性都不相同,说明Gβ与Gα及效应器的结合位点有重叠，但又不完全相同[4]。除此之外，Gβγ与效应器结合的部位还可能包括N-末端和Gβ螺旋结构的第一和第七叶片部位。

    (二) 离子通道 受体、G蛋白和离子通道都是膜结合蛋白，所以调节离子通道最简单的方式是通过G蛋白与离子通道直接作用。已证实心脏、脑中GIRK的激活及N型和P/Q钙通道的抑制是采用这种作用方式,而Gβγ则是这些G蛋白敏感离子通道的直接激活剂。, http://www.100md.com     在这些G蛋白调节的离子通道中，K+选择性离子通道(IKACh)研究的最为清楚。在心脏中IKACh是GIRK1和CIR组成的异源多聚体，通常由乙酰胆碱激活引起心率减慢。 IKACh也存在于脑中，由GIRK1和GIRK2组成。继几个实验室发现GTP可激活IKACh后，Logothetis等发现Gβγ能直接激活IKACh，首先证明Gβγ在激活效应器中的作用。作者发现Gβγ激活该通道的效应是ACh或在细胞膜外应用Gβγ效应的1000倍。虽然随后数年有不同的争议,但后来很多实验室都证明Gβγ是IKACh的直接激活物，Gβγ可与GIRKs细胞内区域N末端或C末端结合并直接激活它们。

, 百拇医药     至少有五种基因表达高电压激活的Ca2+离子通道(L、N、P/Q和R型)，几种G蛋白可直接调节Ca2+通道,其中Go/i蛋白可抑制N和P/Q型钙Ca2+通道,Gs蛋白则可刺激L和P/Q型钙Ca2+通道[5]。现已证明，Gβγ在调节某些突触前钙通道起重要作用。体外重组实验研究表明，Gβγ对N和P/Q型Ca2+通道的α1亚单位α1A、α1B抑制作用较强(Delmas 等.1998)，对α1E作用较小，对L型Ca2+通道的α1亚单位α1C、α1D、α1S则无作用。Gβγ抑制Ca2+通道α1亚单位是通过直接作用其细胞内Ⅰ～Ⅱ环和C末端2个区域(Furukawa等.1998)。, 百拇医药     (三)PLC-β 在哺乳类动物体内，PLC分PLC-β、PLC-γ、PLC-δ三类，约有20余种，但只有PLC-β受G蛋白调节。目前发现至少有30种GPCR通过G蛋白激活PLC-β，引起内质网释放Ca2+,引发细胞内数种信号转导途径的级联反应。PTX敏感(Gαi/o)和非敏感(Gαq/11)G蛋白都参与PLC-β的激活。PTX敏感的Gα不能激活PLC-β,而在体外重组系统中，纯化的脑Gβγ刺激PLC-β3>β2>β1,但不能显著增加PLC-β4的活性，因此PTX敏感的G蛋白是通过Gβγ激活PLCβ的。Gβγ激活PLC-β1、β2、β3的位点部分与Gα结合位点相重叠，这也是Gαβγ三聚体不能激活PLC-β的原因。, 百拇医药     Gβγ对Gq/11引起的PLC激活也有调节作用，这种调节作用依赖于Mg2+浓度，在低Mg2+浓度下,Gβγ抑制Gαq/11引起PLC的激活，这可能与形成无活性Gq/11Gβγ异聚体有关。在较高Mg2+存在时，促进异聚体解离，Gαq/11激活PLC-β3,此时Gβγ促进Gαq的作用，这种作用与PLC-β3上同时存在与Gαq/11和Gβγ的结合位点有关，而在PLC-β1则没有这种现象。

    既然Gβγ和Gα都能激活PLC-β1，那么在细胞中Gα和Gβγ是协同激活同一PLC-β异构体，还是分别发动独立的信号级联反应呢？Stehno-Bittel等(1995)发现在蟾母卵细胞中,Gαq/11的反义核苷酸和抗体通过阻断M-受体与G蛋白的相互作用可抑制M3受体介导的信号转导途径。Gα*GDP和一种βARK片断能特异与游离Gβγ结合，能够抑制ACh引起的PLC-β激活，直接注射Gβγ可直接引起细胞内钙离子释放，作者认为受体特异与Gα/Gβγ异聚体偶联由Gαq决定，而Gβγ是激活PLC-β重要的信号分子,因此由ACh介导的PLC-β的激活作用中，Gβγ比Gα的作用更主要。Gαq/11和Gβγ的这种不同作用是否具有普遍性还有待于进一步证实。, 百拇医药     (四) 腺苷酸环化酶 至少有8种AC异构体，分别由Gβγ、Ca2+和磷酸化调节。Gβγ能抑制AC-Ⅰ、 AC-Ⅴ、AC-Ⅵ[6]。Gβγ也可同Gαs协同激活AC-Ⅱ,AC-Ⅳ和AC-Ⅶ。在存在的AC-Ⅱ,AC-Ⅳ和AC-Ⅶ细胞中,如果Gαs被Gs蛋白偶联受体同时被激活，此时通常不影响AC的受体(如Gi/o和Gαq/11偶联受体)只要能释放Gβγ也可引起cAMP产生。因此这些酶的激活可作为几条信号转导通路同时激活的指标。AC上与Gβγ结合的位点并不非常清楚，AC-Ⅰ受Gβγ抑制的位点可能位于酶的C1a区域。

    受Gβγ抑制和一些Gβγ非依赖AC异构体，如AC-Ⅰ，AC-Ⅲ和AC-Ⅶ可被Ca2+/钙调素激活，而AC-Ⅴ和AC-Ⅵ则可被Ca2+所抑制。既然Ca2+水平受PLC-β产物IP3的调节。Gβγ激活PLC-β可能与AC系统产生交互调节。另外，在体外，PKC依赖的AC(AC-Ⅰ,AC-Ⅱ,AC-Ⅲ,AC-Ⅴ,AC-Ⅶ)磷酸化能刺激cAMP产生，PKC可同时引起Ca2+升高和PKC的激活，它们的激活可引起cAMP复杂的变化。因此如果在某一细胞中有多种AC异构体表达，受体蛋白激动后将表现为复杂的过程和结果，这将取决于信号分子的分布和表达水平。, 百拇医药     (五) MAPK级联反应 GPCR偶联的PTX敏感和非敏感的G蛋白均可引起MAPK级联反应。GPCR引起MAPK活性的升高的信号转导途径与偶联的G蛋白及细胞种类有关[7]。PTX非敏感的GPCR是通过Ras非依赖的途径，包括Gαq激活PLC-β导致Ca2+释放和PKC激活。在许多细胞中，PTX敏感Gαo/Gαi偶联的受体是通过Gβγ激活Ras-依赖的MAPK激活(Hawes等.1995)。介导Gβγ与MAPK激活的几个中间步骤与受体TK引起的级联反应的步骤一致，包括Shc磷酸化、Shc/Grb2结合和Sos的激活，Shc、Grb2/SoS蛋白复合物的形成顺序激活Ras、Raf和MEK，中间某一环节被阻断可阻断Gβγ介导的MAPK激活。

    Gβγ与介导Shc磷酸化的途径目前并不清楚，可能主要与Src家族TK象lck、Fyn和C-src的募集有关。Luttrel等(1996)首先发现c-Src可增加Shc/Grb2复合物形成和MAPK激活，并是联系Gβγ与Shc的通路。在COS-7细胞中Src家族TK的抑制剂可取消Gi偶联受体和Gβγ介导的Shc磷酸化和MAPK的激活。另外几篇报告表明，PI3激酶(PI3K)的抑制剂wortmannin可减少Gβγ对MAPK的激活; Gβγ可激活的一种新的PI3K异构体-PI3Kγ,它在Gi偶联受体和Gβγ引起MAPK的激活过程中起关键作用。因此PI3Kγ可能是Gβγ的下游激活物和Src家族TK的上游激活物。但是这种情形在不同的细胞中也不相同。在HEK293细胞激动α2A-肾上腺素受体通过Gβγ的释放，引起PLC的激活，进一步引起Ca2+的升高，顺序激活钙调素、酪氨酸激酶PyK2、c-Src，引起Shc的磷酸化。, 百拇医药     (六) 其他效应器分子 PI3K是由85-kD调节亚单位和110-kD催化亚单位构成的一种磷脂酶，催化肌醇磷脂中肌醇第3位羟基的磷酸化。PI3K介导许多细胞功能，如分裂、分化,中性粒细胞氧化爆发等。Stephens等(1994)首先发现细胞质PI3K可被纯化的Gβγ激活，Gβγ依赖的MAPK的激活可被PI3K的抑制剂所抑制，或被PI3K P85亚单位无活性突变体所抑制(Hawes等.1996)。Gβγ依赖的JNK的激活也是由PI3Kγ介导的。

    有研究表明ATP酶钙泵、PLA2、Ras交换因子、酪氨酸激酶及其他一些蛋白也受Gβγ的调节，但其机制和在信号转导中的意义还在研究中。

    四、结语

    综上所述，Gβγ在信号转导通路中不只是起结合及调节Gα功能的作用，也可直接调节内向整流钾离子通道、钙离子通道、PLC-β和AC；通过使GRK转位到膜上而使受体减敏；尤为重要的是Gβγ通过Ras依赖的途径对MAPK活性及细胞周期进行调节。对Gβγ及其效应器之间结构-功能关系的研究才刚开始，迄今还未发现Gβγ结合部位独特的结构区。共结晶Gβγ和效应蛋白的晶体结构分析以及连续点突变分析可能有助于弄清其作用位点及机制。随着Gβγ和Gαβγ晶体结构研究的深入，以及越来越多的关于Gβγ调节分子和效应器分子的发现，将会进一步弄清细胞内分子信号传递机制，并有希望在病理情况下改变这些信号传递。, http://www.100md.com     参考文献

    1，Hamm HE.The many faces of G protein signaling.J Biol Chem，1998，273∶669～672.

    2，Hildebrandt JD.Role of subunit diversity in signaling by heterotrimeric G proteins.Biochem Pharmacol，1997，54∶325～339.

    3，Clapham DE.G protein βγ subunits.Annu Rev Pharmacol Toxicol，1997，37∶167～203.

    4，Li Y,Sternweis PM,Charnecki S,et al.Sites for Gα binding on the G protein β subunit overlap with sites for regulation of phospholipase Cβ and adenylyl cyclase.J Biol Chem，1998，273∶16265～16272., http://www.100md.com     5，Schneider T,Igelmund P,Hescheler.G protein interaction with K+ and Ca2+ channels.TiPS，1997，18∶8～11.

    6，Bayewitch ML,Avidor-Reiss T,Levy R,et al.Inhibition of adenylyl cyclase isoforms V and VI by various Gβγ subunits.FASEB J，1998，12∶1019～1025.

    7，Gutkind JS.The pathways connecting G protein-coupled receptors to the nucleus through divergent mitogen-activated protein kinase cascades.J Biol Chem，1998，273∶1839～1842., http://www.100md.com