胆碱受体的研究进展

胆碱受体的研究进展
摘要：胆碱受体分为毒蕈碱样乙酰胆碱受体和烟碱样乙酰胆碱受体，来自不同的遗传基因,所形成的受体蛋白结构分属于两类不同的受体家族。

其各自结构与机制都不同，研究其机制与结构对治疗各种疾病都有着重大的意义关键词：胆碱受体；结构；机制
胆碱受体,最初根据其对天然生物碱毒蕈碱(muscarine)和烟碱(nicotine)的药理学反应特性不同,被分为毒蕈碱样乙酰胆碱受体(muscarinicacetylcholinereceptor,mAChR)和烟碱样乙酰胆碱受体(nicotinicacetylcholinereceptor,nAChR)[1]。

直到80年代,随着分子生物学研究技术的发展,才从根本上认识到mAChR与nAChR是来自不同的遗传基因,所形成的受体蛋白结构分属于两类不同的受体家族[2]。

随着近年来对胆碱受体的深入研究，科学家发现胆碱受体与很多疾病有关联，因此，研究胆碱受体的结构与功能，对于开发其高选择性的激动剂或拮抗剂对于治疗阿尔兹海默病、帕金森病、重症肌无力、哮喘、心肌及胃肠道平滑肌功能紊乱等疾患大有裨益。

本文将就胆碱受体的研究进展做一简要综述
一、毒蕈碱样乙酰胆碱受体
1、mAChR的结构
mAChR属G-蛋白偶联的、由第二传导信息介导的受体家族。

在中枢神经系统,参与运动控制,体温、血压调节和学习、记忆等过程;在外周组织,调节平滑肌收缩、腺体分泌及心率和心肌收缩力等功能。

M受体是由460～590个氨基酸组成的一种单链跨膜糖蛋白,分子量大约为51～66Da,属于G蛋白偶联受体超家族。

单链糖蛋白跨膜7次(TM1～7),形成3个细胞外环(o1～o3)、7个A螺旋疏水区域和3个细胞内环(i1～i3),其氨基端位于细胞外侧,羧基端位于细胞内侧。

7个A螺旋跨膜区呈束状排列,中间形成类空腔状结构,该结构的狭窄区即为受体与配体的结合位点,与配体结合有关的跨膜螺旋为TM3、TM5、TM6、TM7。

M受体各亚型基因序列具有高度的同源性,结构也非常相似,差异较大的为连接TM5与TM6的i3环,研究发现,位于i3环氨基端的Tyr254是决定其与G蛋白结合的关键,M受体就是在此与G蛋白结合而引起生物效应的[3]。

2、M受体的调节机理
M受体可以通过不同的生化机理产生作用。

ACh等激动剂和M受体结合,使受体活化使细胞膜上钙离子通道开放,钙离子流入细胞内,与一种专一性蛋白,钙调蛋白结合,然后激活钙调蛋白依存的蛋白激酶。

在ATP的存在下,激活的蛋白激酶可催化专一底物蛋白的磷酸化,从而使底物蛋白失活或活化,最后通过一定的反应步骤引起靶细胞的生理、药理效应。

钙离子十曾被假设作为第二信使,从膜表面向内传递信息。

磷脂酞肌醇占磷脂总量的2~10肠,M受体激活时,使其代谢周转增加,分解为磷酸肌醉和l2一二酞基甘油,之后丙以比激话前更快的速度合成。

磷脂疏肌醇代谢周转的增加与激动剂浓度曲线很一致,阿托品能阻滞这种作用。

磷脂酞肌醇的变化发生在钙离子进入细胞之前或独立于钙离子,因此,RM允hell 认为是细胞内钙离子浓度增加的原因[5]。

他又提出不同于磷脂酞肌醇的多磷酸肌醇磷脂(磷脂酞肌醇一4一磷酸及磷脂酞一4,5一二磷酸)在受体作用机理中更加重要[6],它的两个水解产物三磷酸肌醇和1,2一二酞基甘油都是第二信使,三磷酸肌醇本身能引起钙离子的增加,再产生生理反应,所以钙离子实际上己降级为第三信使。

1,2一二酞基甘油既是肌醇磷脂代谢周期的成员,又能激活蛋白激酶c引起
细胞反应。

M受体激动后也可引起cGMP增加,最大可增加200倍,药物引起或抑制cGMP增加的EC50。

也和它们抑制〔3H〕QNB结合的Ki值相近,说明受体与鸟普酸环化酶偶联。

神经递质引起cGMP增加的高峰是0.5一l分钟内。

很快被3,,5,一环核普酸磷酸二醋酶水解或运出细胞外。

cGMP通过激活有关的蛋白激酶,引起内源性蛋白的磷酸化,产生相应的生理反应。

在中枢神经系统,离子导入cGMP能模拟ACh对皮质神经元的M样作用。

一部分M受体被一部分M受体被激活后,可以经鸟核普酸结合蛋白,抑制腺普酸环化酶,使cAMP的生成减少。

M 受体的性质可受离子、核普酸、核普酸结合蛋白及药物的影响。

含MgZ下、MnZ\的缓冲液使受体处于高亲和性状态,尤其是心脏的M受体。

相反,含EDTA的缓冲液使受体处于低亲和性状态。

GppNHp等明显增加M:受体和〔3H〕QNB的结合,减少〔3H〕CD(激动剂)的结合。

GTP类会引起心脏M受体构象变化,选择性地减少H型受体的亲和性,或者使H型变为L型。

加拉明(gallamine)等药物作用于受体表面,产生别构效应,抑制配体与受体的结合,这是由于加拉明是一种非竞争性变构抑制剂,导致受体发生“负协同效应”。

对氯汞基苯甲酸盐是改变M受体性质的又一例子[9]。

受体与有关的蛋白之间也有交互作用,一种蛋白质的构象会影响其他蛋白质的构象及功能状态。

有关蛋白质在与受体亚单位形成复合物时,以三种方式影响受体:¹作为结合部位的辅助性成分,影响配体的结合,受体亚型不同,与其缔合的蛋白不同,并可被配体所识别。

配体引起有关蛋白,包括受体的构象变化。

受体的构象变化引起有关蛋白的构象变化,受体不同构象间的平衡受有关蛋白的约束[10]。

二、烟碱样乙酰胆碱受体
nAChR属于离子通道偶联的受体家族,主要通过对膜电位的调节而进行信息传导。

近年Lorenzon等[8]认为,nAChR活性也受G-蛋白的调控。

nAChR又分为外周型和中枢型,中枢型nAChR包括神经节nAChR和脑nAChR。

又分为N1受体和N2受体。

外周型nAChR包括成熟型nAChR和胚胎型nAChR[9]。

1、nAChR的分子结构
nAChR蛋白是由5个亚单位组成,以五角形排列,中央形成一个离子通道。

主要调控细胞内外Na+,K+和Ca2+的流动。

构成nAChR的每一个亚单位都含有4个跨膜螺旋结构,分别称为M1,M2,M3和M4。

每个亚单位的M2跨膜区都位于内侧,构成离子通道的内衬面。

因为M2螺旋上含有较多的酸性氨基酸残基,使通道形成负性电位,吸引正性离子,所以nAChR通道是一选择性的阳离子通道。

在哺乳动物中,最先被纯化和克隆出的是外周型nAChR(神经肌肉接头),它由(1)215个亚单位组成。

然而,随后用同样的方法研究中枢nAChR,无论在神经节还是在脑组织中,仅发现有和两类亚单位。

迄今为止,在中枢神经系统(CNS)中已发现和克隆出8个亚单位(2～9)和4个亚单位(2～5)。

中枢nAChR,一般认为是由2个亚单位和3个亚单位组合而成。

所有的亚单位的氨基酸序列上的第192和193位都是半胱氨酸(Cys),而所有亚单位的氨基酸序列的相同位置上都不含Cys〔3〕。

分子物理学研究证明,这个部位恰是烟碱的结合位点。

所以目前公认,nAChR上的亚单位是激动剂的结合亚单位,亚单位被称为结构亚单位。

目前,从人脑组织中也已克隆出2～5,7,2和4亚单位。

Seguela等〔4〕发现,鸡、大鼠和人的中枢nAChR的相同亚单位的遗传基因编码有高度同源性,大于70%的氨基酸序列是完全一致的[10]。

而近年来的研究则发现,许多免疫细胞表面也表达不同程度的nAChR,接受神经信号调控细胞因子的释放。

2、nAChR的药理作用机理
2.1、外周型nAChR，也称肌肉型nAChR,大量存在于神经肌肉接头的突触后膜表面。

其主要功能是将神经冲动转化为肌肉的收缩活动。

受体发育中有一个亚基转换的必须阶段,即由胚胎型nAChR(α2βγ)转化为成熟型nAChR(α2β)。

胚胎型nAChR的γ慢通道具有电导小、开放时间长的特点。

在神经肌肉接头和突触发育成熟以后,持续表达的型慢通道会使细胞内Ca2+超载,导致细胞内Ca2+依赖的蛋白激酶持续激活,破坏细胞的正常代谢,最终引起肌肉收缩,即临床上的“慢通道综合征”。

成年后,受体主要表达成熟型ξnAChR,大量表达于突触后膜表面。

只有眼外肌上仍能发现少量γ亚基的存在(20%肌纤维),其特殊之处在于一个肌纤维细胞可由多个神经末梢支配,形成的运动终板面积较小,形态简单,可分布于肌纤维的全长。

有研究认为,眼外肌γ亚基的表达可能与一些重症肌无力患者首发和突出的眼部症状相关。

在衰老及病理情况下也能检测到γ亚基的表达。

Gomes等[6]报道,老年大鼠萎缩的腓肠肌中能检测到γ亚基的表达,其原因可能是部分肌纤维发生了非损伤性的退行性失神经改变。

病理条件如神经损伤、肌肉长期制动或肌肉废用时,亚基均会再次表达。

肌肉型nAChR的突变是大部分先天性肌无力的病因。

1、1尤其是亚基的突变都可以引起先天性肌无力的发生。

1亚基中Ach结合位点附近的突变常引起对Ach的高亲和性,使通道重复开启,引起肌无力症状的细胞毒性伤害;亚基的胞外结构域单个氨基酸残基的突变可导致受体对Ach的低亲和性和通道开启速率的降低,阻碍神经传递。

后天性重症肌无力(MG)即获得性自身免疫性重症肌无力,一般认为是由于病毒感染胸腺上皮细胞使之成为上皮样细胞,其表面出现新的抗原决定簇,促使机体产生细胞和体液免疫应答反应。

这种新的抗原决定簇与nAchR结构相似,从而发生自身免疫反应,导致nAchR 数量减少或功能不全。

景少巍等[7]发现重症肌无力患者血清中AchR抗体阳性率达464%。

2.2中枢型nAchR中枢型nAchR中只发现α和β两种亚基的存在,分别有8个α亚基(α2~α9)和4个β亚基(β2~β5)。

一般认为,中枢nAchR是由2个α亚基和3个β亚基构成。

不同α亚基和β亚基可以构成数种nAChR,且功能不同,药理学特征也不一样。

仅α7或α8就可形成一个同源五聚体的nAChR,并有功能表达。

但α5和β3亚基被认为是“孤儿受体”,因其不能形成独立的功能性通道,只能与其他功能性α和β组合形成完整的受体。

中枢nAChR主要分布在下列皮层区域:灰质、基底神经节、丘脑、海马、视网膜以及视叶。

它对于神经节传导及控制外周神经系统和中枢神经系统的功能十分重要,在脑中参与多种复杂的识别功能,如注意力、学习、记忆巩固、唤醒、感觉接受以及控制自主活动、痛觉、体温调节等。

不同的受体亚型其神经系统功能不同, α3(α5) β4亚型调节神经传导、α3和β2的基因缺失则诱导了一种与降低神经节传导相关的表型、α4β2亚型控制痛觉、含α4亚型的nAChR控制脑内多巴能神经元释放多巴胺、含α7的亚型控制谷氨酸的释放等。

nAChR与许多神经系统疾病有关。

研究较多的有,神经变性疾病如阿尔茨海默病(Alzheimersdisease,AD)、帕金森病(Parkinsonsdisease,PD)、癫痫、神经分裂症等。

AD患者神经元nAChR水平降低;胆碱能神经和谷氨酸兴奋性神经元的相互作用及其对中枢抑制性神经递质GABA的抑制作用是癫痫发病的可能机制;精神分裂症患者nAChR水平较高;PD 的发生率与吸烟成瘾密切相关,其可能机制尚无一致意见。

2.3、非神经元型nAChR2000年,Borovikova等[8]通过对动物模型和人外周血巨噬细胞培养的研究发现,刺激外周迷走神经及应用胆碱能递质Ach或拟胆碱药物烟碱能抑制内毒素血症导致的全身炎症反应综合征,显著降低细胞因子如TNF-
α、IL-β、IL-6等的释放,并将之命名为“胆碱能抗炎通路”。

他们的进一步研究发现,nAChR的α7亚基是此通路的主要成分, α银环蛇毒素则是其特异性拮抗剂。

对α7亚基基因敲除小鼠进行迷走神经电刺激,这种炎症抑制作用不会发生。

Saeed等[10]发现人血管内皮细胞也表达α7nAChR,胆碱能激动剂烟碱和CAP55能抑制内皮细胞黏附分子的表达,减少内皮细胞活化,抑制白细胞移位和聚集,减轻炎症反应。

胆碱能抗炎通路的定义阐述了神经系统对免疫系统的调节作用,为nAChR的功能研究开辟了一个崭新的领域。

此后,许多学者对这一抗炎通路进行了深入的研究。

nAChR研究的发展方向鉴于nAChR在上述肌肉、神经以及炎症反应中的作用,人们针对此受体提出了各种治疗措施,具有积极的临床意义。

对外周型nAChR的临床研究较多的是重症肌无力的治疗。

由于后天性重症肌无力的主要病因是自身抗体的形成,因此自身抗体的合成抑制、清除以及受体的保护是治疗的主要目标。

目前的临床治疗方法中,抗胆碱酯酶、γ球蛋白、血浆置换均为此病理机制的针对性措施。

而未来的方向则集中于更具针对性的基因水平上的研究,如致病基因的鉴定。

中枢型nAChR的临床应用研究,主要是对AD、PD、癫痫等疾病的临床治疗。

PD的发病与AChR的减少有密切关系,特异性nAChR激动剂既能改善PD的临床症状,还具有长期的神经保护作用(抑制氧化应激等作用)。

一种安全的此类药物研究将是PD治疗潜在的方向。

而在癫痫的发病机制研究中,许多研究表明,nAChR的功能增强是其发病机制之一。

但由于nAChR亚型及功能的复杂性,基于抗nAChR的安全有效的抗癫痫药物尚须进一步研究。

胆碱能抗炎通路概念的提出为nAChR的临床应用研究提出了新的方向。

卡巴胆碱是一种胆碱能激动剂,同时具有M受体和N受体兴奋作用。

胡森等[12]研究发现,卡巴胆碱肠内注射能显著减轻肠缺血再灌注损伤引起的肠麻痹、肠黏膜炎症反应和病理损害,降低动物血和组织中TNFα含量。

由于卡巴胆碱同时具有扩张血管、促进胃肠运动和抑制促炎细胞因子释放的多种作用,因此可以多靶点地干预肠缺血再灌注损伤的基本病理环节。

鉴于烟碱的毒性及卡巴胆碱M样促动作用,卡巴胆碱更有可能成为拮抗全身炎症反应综合征和MODS的临床药物[11]。

胆碱受体与运动、神经及免疫系统的诸多临床疾病有密切的关系。

应用更新的技术对胆碱受体的结构功能与疾病的关系进行深入的研究,将为这些疾病的防治提供更确切、有效的方法,是我们未来研究的发展方向。

参考文献
[1]廖端芳. 药理学[M]. 第2版. 北京：人民卫生出版社，2013
[2]宫泽辉. 中枢烟碱样乙酰胆碱受体的分子药理学研究进展[J]. 国外医学.药学分册,1997,02:65-69.
[3]曾菊绒,臧伟进,臧益民,康新勤. 心脏毒蕈碱样乙酰胆碱受体研究进展[J]. 心脏杂志,2004,04:371-374.
[4]王昊,陆阳,陈红专. 毒蕈碱乙酰胆碱受体新成员:孤儿受体m_5[J]. 生理科学进展,2003,02:156-158.
[5]Mitehell MR et al:Trends Bioehem Sei 1979 ;4 :128
[6] Marx JL : Seienee 1984; 224:271
[7]陈世铭,周廷冲. 毒蕈碱样胆碱受体的研究进展[J]. 国外医学(分子生物学分册),1986,03:129-133.
[ 8] Bo rov i kova LV, Ivanova S , ZhangM, et al . Vagus nerv e
sti mu l ation a ttenuates the sy stem ic i nfla mm ato ry response to
endo tox in[ J] . Nature , 2000 , 405 : 458- 462 .
[9]车鹏,田建英. α7烟碱型乙酰胆碱受体相关疾病及其研究进展[J]. 宁夏医科大学学报,2010,02:308-311.
[9]宫泽辉. 中枢烟碱样乙酰胆碱受体的分子药理学研究进展[J]. 国外医学.药学分册,1997,02:65-69.
[10]陈世铭,周廷冲. 毒蕈碱样胆碱受体的研究进展[J]. 国外医学(分子生物学分册),1986,03:129-133.
[11]周国勇,胡森. 烟碱型乙酰胆碱受体与临床疾病[J]. 基础医学与临床,2007,05:584-587.
[12]胡森, 曹卫红, 孙丹, 等. 卡巴胆碱对肠部分缺血-再灌注损伤所致全身炎症反应和多器官功能障碍的影响[ J]. 中国危重病急救医学, 2005 , 17( 1): 49- 52。