肾上腺素受体与心力衰竭

肾上腺素受体与心力衰竭

韩启德侯嵘

肾上腺素受体（adrenergic receptor, AR）与心力衰竭（简称心衰）存在密切联系。研究表明，心衰时交感神经持续激活，循环儿茶酚胺水平与心衰的程度及预后密切相关[1]，而交感神经张力的改变直接通过AR介导引起相应的生物学效应，影响心衰的进程。本文对心衰时心脏AR及其信号转导机制的改变，以及这些改变在心衰治疗学中的意义进行综述。

1 AR在心脏中的分布、信号转导机制与介导的效应

AR属于鸟苷酸结合蛋白（G蛋白）偶联膜表面受体家族，由3个细胞外环、7个疏水性跨膜区及3个细胞内环组成。根据对特异性配基的亲和性、激动后信号转导机制与生物学效应的特点以及基因的结构与染色体定位，AR分为α1-、α2-与β-AR三型，每一型又由多种亚型组成[2]。分布在心脏中的AR主要以β-与α1-AR为主。以下分别对β-与α1-AR各亚型在心脏中的分布、信号转导机制与介导的效应作一简要介绍。

1.1 β-AR

目前已有三种亚型β-AR从哺乳动物组织中得到分子克隆，即β1-、β2-与β3-AR。人类心脏中以β1-AR分布为主，约占3/4，其次为β2-AR。β3-AR主要分布于脂肪组织中，在人类心脏中是否有表达尚有争议。近年来有学者提出哺乳动物心脏中尚存在第4种β-AR，即β4-AR，但尚未得到克隆，有待于进一步证实[3]。

β1-AR在介导心脏功能中占主导地位。心脏β1-AR激动后与Gs偶联，通过激活心肌细胞膜上的腺苷酸环化酶（adenylate cyclase, AC）使细胞内cAMP升高。后者作为胞内第二信使激活蛋白激酶A（protein kinase A, PKA），通过对L-型Ca2+通道的磷酸化作用使细胞膜对Ca2+的通透性增大，引起Ca2+内流增加产生正性变力效应。近年来的研究表明，Gs本身也可直接调节L-型Ca2+通道和Na+通道的通透性。

以往认为心脏β2-AR与β1-AR同样是与Gs偶联的，通过β2-AR-Gs-AC信号途径介导心肌正性变力效应。转基因研究亦显示过度表达β2-AR的小鼠心肌AC活性增高，心肌收缩力增强[4]。最近肖瑞平等研究发现，虽然β1-与β2-AR均能增强L-型Ca2+电流(ICa)、细胞内

Ca2+瞬变(Cai)和细胞收缩强度，但二者介导的心肌舒张效应却不同；β2-AR介导的细胞收缩及Cai增加与cAMP的产生亦无预期中的相关性，提示β2-AR具有独立的功能。在此基础上，他们采用光亲和性标记技术首先证实β2-AR同时与Gs和Gi偶联，Gi通路对Gs通路信号向细胞内的扩散起屏蔽作用，从而使β2-AR的信号转导具有空间局限性，并由此出现不同于β1-AR的功能特征[5]。晚近研究发现，Gi激活后可通过RAF、RAS途径引起MAPK激活，继而引起细胞核内与生长有关的基因表达，由此推测β2-AR激动可能与心肌细胞生长和心肌肥厚有较密切的联系[6]。

1.2 α1-AR

大多数哺乳动物心脏中均存在相当数量的α1-AR，在人类其密度约为β-AR的一半。三种亚型α1-AR，即α1A-、α1B-与α1D-AR，在心脏中均有表达。本研究室的研究确定大鼠心脏α1A-、α1B-与α1D-AR的分布比例约为25:45:30[7]。

心脏α1-AR激动后与Gq/11偶联，通过激活磷酯酶C（phospholipase C, PLC）使磷酸肌醇信号途径被激活，产生三磷酸肌醇（inositol-1,4,5-triphosphate, IP3）和二酰基甘油（diacylglycerol, DAG）。IP3和DAG具有胞内第二信使的功能，分别激动IP3-Ca2+和DAG-蛋白激酶C（PKC）信号途径，介导心肌正性变力效应，其中α1A与α1B亚型介导的效应相似，而α1D几乎不发挥作用[7]。有报道，过度表达α1B亚型的转基因小鼠DAG明显增多，信号转导功能增强[8]。在α1-与β-AR间还存在复杂的交互作用（cross talk）[9]。

心脏α1-AR还介导心肌细胞蛋白质的合成，在心肌细胞生长中发挥作用，其中以α1A亚型效率最高，而α1D亚型几乎不参与[7]。

2 心衰时β-AR及其信号转导的改变

由于β-AR在介导心脏功能中占优势，故对心衰时心脏β-AR及其信号转导的改变研究最为深入。大量研究表明，心衰时心脏β-AR及其信号转导的改变主要表现在以下两个方面：

2.1 β-AR减敏

β-AR作为G蛋白偶联受体，其密度及与G蛋白相互作用的功能在转录、转录后及翻译后水平受到调节。在b-AR基因的5'端侧翼序列中含有转录调节区域，cAMP-反应元件（cAMP-response element,CRE）即为其中之一。CRE是一个8bp回文结构的顺式调节元件（TGACGTCA），可被转录因子CRE结合蛋白（CRE-binding protein, CREB）识别，与其以二聚体的形式结合后被激活，调节转录。这一过程受PKA磷酸化作用的调控。这样，当β-AR与激动剂结合后，其信号转导的激活本身就可以通过cAMP-PKA-CREB途径提高受体的转录水平，

此为转录水平的调节[10]。通过这一机制可使b-AR在被激动后的早期阶段出现短暂的mRNA水平升高。

然而当β-AR持续激动时往往发生其对激动剂的敏感性下降，称为减敏（desensitization）。减敏的机制之一是β-AR mRNA水平降低导致蛋白水平的表达减少，即受体密度下调（down-regulation）,此为转录后调节。造成受体mRNA减少的原因尚不清楚，有人认为与一种CRE抑制物-CRE调节子（CRE modulator, CREM）的作用有关[11]，还有人认为与一种RNA结合蛋白有关，其中mRNA结合蛋白AUF1可在β-AR mRNA的3'端非翻译区与富含A+U的元件结合，使mRNA的稳定性降低，从而使蛋白水平的表达减少[12]。受体密度下调为一种缓慢减敏机制，需要若干小时才能完成。

β-AR发生减敏的另一机制是与Gs脱偶联（uncoupled）。研究发现，β1-与β2-AR第3细胞内环及羧基端含有蛋白激酶的磷酸化位点，可作为蛋白激酶的底物，磷酸化后造成受体功能丧失，从而使其与Gs蛋白脱偶联，此为翻译后水平的调节。β-AR可被两类激酶识别。一类为β-AR激酶（β-AR kinase, β-ARK），属于G蛋白偶联受体激酶（GRK）家族，有β-ARK1与β-ARK2两个异构体，二者在哺乳动物心脏中均有表达，可引起对β-AR高度特异的同源性减敏。需要指出的是，只有与配体结合的受体才能成为b-ARK的底物，此时一种被称为β-arrestin的胞浆蛋白被启动，后者有β-arrestin1和β-arrestin2两个异构体，与受体结合后导致受体与Gs脱偶联。这属于一种快速减敏机制，t1/2仅为20秒。另一类可识别β-AR的激酶是PKA。与β-ARK相比，它对β-AR的磷酸化作用相对较慢（t1/2为3.5分钟），但在激动剂浓度相当低时就可起作用，引起β-AR的异源性减敏[13]。

早在80年代初，Bristow 等就报道慢性心衰患者存在β-AR密度下调。此结果被以后的许多研究所证实，并发现β-AR下调仅与心衰的严重程度有关而与引起心衰的病因无关。有资料显示，正常心室肌β1-与β2-AR的比值约为77:23，而当发生心衰时二者的比值可降至

60:38。引起这一改变的原因是心肌β1-AR的密度明显减少，其介导的正性变力效应亦明显降低，而心肌β2-AR的密度并无明显变化[14]。这一改变在扩张性心肌病或缺血性心肌病等心肌明显受损的慢性充血性心衰患者中尤为明显。1993年Ungerer和Bristow等分别采用定量RT-PCR和RNA酶保护法对β1-与β2-AR mRNA水平的表达进行了测定，均证实衰竭心肌β1-AR mRNA的稳态水平明显降低，而β2-AR在mRNA水平的表达无明显变化，提示由心脏β1-AR mRNA表达减少或降解增多导致的蛋白水平降低是导致β1-AR密度下调的主要原因。心衰时心脏β2-AR的密度虽无明显变化，但会出现功能性脱偶联，其机制被认为与β-ARK mRNA 表达增高或活性增加有关，且主要以β-ARK1的改变为主。β-arrestin-1和β-arrestin-2的稳态水平以及PKA活性在人类正常与衰竭心脏相似[15]。

2.2 G蛋白改变引起β-AR信号转导减敏

心衰时b-AR信号转导的改变除发生在受体水平外，另一关键环节在G蛋白水平。据Muller等报道，当给予大鼠外源性儿茶酚胺持续刺激时，除可引起β-AR密度下调外，还会出现Gi a亚基（Gia）上调，从而使AC活性受抑，cAMP生成减少，而Gs a亚基（Gsa）无明显变化。如果心衰时β-AR及其信号转导的改变仅限于受体密度的下调或与Gs脱偶联，那么不经β-AR起作用的因素在衰竭心肌中的效应仍应维持。但事实并非如此。研究发现，米力农或其他III型磷酸二酯酶抑制剂对衰竭心肌的正性变力效应明显低于正常心肌，提示心衰时β-AR及其信号转导通路尚存在其他缺陷[16]。1995年Bohm等发现，衰竭心肌的AC活性在基础状态下及GTP存在时均降低。Forskolin对AC的激活作用在GTP存在时亦降低，但在Mn2+存在及当反应混合物中清除了GTP以使Gsa的影响减少至最小时，forskolin的作用不变，提示衰竭心肌可能存在G蛋白的改变[16]。但采用霍乱毒素处理，发现Gsa的稳态水平在人类衰竭与正常心肌中相似。Bohm与Eschenhagen等分别采用免疫印迹及Northern blot检测Gsa在蛋白及mRNA水平的表达亦均无阳性发现[16,17]。Feldman等从衰竭与正常人类心肌中提取Gsa进行功能性实验，并分别将其重组入天然缺乏Gsa表达的S49 cyc-细胞膜，其生物活性亦无差异[18]。因此目前无心衰时Gsa异常的证据。

有意义的是，一些研究发现衰竭心肌Gia增加了40%~90%[16,18,19]。Bohm等采用免疫化学方法亦得到了相似的结果[16]。1992年Brown和Harding发现，从衰竭心脏分离的心肌细胞用百日咳毒素处理后，其对异丙肾上腺素介导的收缩反应恢复。其他许多对扩张性心肌病心衰进行的研究也发现Gia改变，且具有亚型特异性，其中Gia2的mRNA和蛋白水平上调，而Gia3无明显变化[17]。

目前已知AC有9种异构体, 这些异构体不仅受Gsa和Gia的调节，而且受Gbg的调节，其中Gbg对II型和IV型AC的作用是激活性的，而对I型AC起抑制作用。迄今已在哺乳动物心肌中发现了IV、V和VI型AC异构体，并发现心衰患者心肌细胞的AC活性降低，cAMP蓄积