β-arrestin的生物学作用1
汪庆童1, 2, 3，魏伟1, 2, 3
1安徽医科大学临床药理研究所，合肥（230032）
2抗炎免疫药理学安徽省重点实验室，合肥（230032）
3安徽省中药研究与开发重点实验室，合肥（230032）
E-mail: hfwqt727@163
摘要：β-arrestin1和2是一类介导受体脱敏的重要可溶性蛋白质，对绝大部分与受体偶联G蛋白介导的信号转导具有重要调节作用，在G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptors, GPCRs）脱敏、内化、复敏、细胞增殖反应和基因转录中具有重要地位。对β-arrestin介导的复杂信号通路的研究将揭示其调节功能对人类健康的影响，有助于开发新一代影响GPCRs的药物。
关键词：β-arrestin，G蛋白偶联受体，信号转导，受体脱敏
G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptors, GPCRs）是目前所知的最大的细胞表面受体家族，它们将细胞外的各种信号传递到细胞内[1]。GPCRs被激动剂活化后，其连接的G 蛋白α亚基和β、γ亚基解离，活化的G蛋白亚基调节腺苷酸环化酶、磷脂酶和离子通道等，从而放大和传递细胞内信号。β-arrestin是GPCRs信号通路的重要负调节因子，与G蛋白偶联受体激酶（G-protein-coupled receptor kinases, GRK）联合作用，可以使GPCRs对激动剂的敏感性下降，发生受体的脱敏反应，调节受体内吞、信号转导及细胞凋亡等[2]。本综述将概述β-arrestin生物学作用的最新研究进展，探讨GPCRs的调节机制。
1.  β-arrestins的发现过程
β-arrestins是在提纯β-肾上腺素能受体激酶(β-adrenergic receptor kinase, βARK)的过程中发现的。随着Benovic等对牛脑中βARK的逐步纯化，其减弱β2肾上腺素能受体(β2-adrenergic receptor, β2AR)介导的Gαs活化的能力也逐步降低，当将视黄醛蛋白质重新加入纯化的βARK 中时，βARK对受体的脱敏能力又大大的恢复了。这种视黄醛蛋白质最初被称为S-抗原或48K 蛋白质，后来正式改名为arrestin[3]。随后，两个非可视性β-arrestin亚型被克隆出来，命名为β-arrestin1(arrestin2)和β-arrestin2 (arrestin3)，它们之间有78%的氨基酸序列是相同的，都广泛的分布于各个组织中，对GPCRs的特异性比视紫红质强[4,5]。接着，第四个成员，锥体arrestin 被克隆出来[6]。
2.  β-arrestin对GPCRs的调节作用
2.1  β-arrestin与受体的相互作用
在绝大部分的GPCRs中都发现了受体脱敏的现象。首先被激动剂激活的GPCRs与GRK 结合发生磷酸化，促使β-arrestins从非活化的晶体结构转变为对受体高亲和结构，与磷酸化了的活化GPCRs结合，形成三聚体，阻止受体与G蛋白之间的继续作用。活化的β-arrestins 分子释放出C末端，通过与胞吞蛋白（如：网格蛋白（clathrin）、衔接蛋白2（adapter protein2, AP2）等）结合，导致受体内吞[7]。用绿荧光蛋白（green fluorescent protein, GFP）-β-arrestin 融合蛋白可以形象的描述原本均匀分布在胞浆内β-arrestin被募集到位于细胞膜活化的受体
1本课题得到家自然科学基金（No：30572356），高等学校博士学科点专项科研基金（No：20060366003），安徽医科大学校科研基金（No：2005KJ01）项目的资助。
上。对于大部分受体来说，β-arrestin作用的前提条件就是活化的GPCRs呈现的磷酸化状态，因此，如果诱变关键的丝氨酸/苏氨酸残基使受体的磷酸化发生障碍，则会导致β-arrestin的结合降低。此外，过度表达GRKs使受体的磷酸化加强可以促进GFP-β-arrestin复合物募集到一些受体上[8]。
2.2  β-arrestin在受体脱敏中的作用
受体脱敏是受体受到连续刺激后失去反应性的现象，包括同种脱敏(激动剂特异性) 和异种脱敏(激动剂非特异性)。同种脱敏是指脱敏配基的特异性受体反应减弱，而其他受体的效能不受影响；异种脱敏是指当细胞暴露于一种激动剂时，可使多种受体介导的反应减弱。前者可能是因受体自身的变化，如磷酸化、内吞等引起；而后者则可能是由于所有受影响的受体拥有一个共同的反馈调节机制，或共享信号转导通路上的某个环节。β-arrestin1/2在β2AR 的刺激下均可以抑制鸟苷三磷酸酶（guanosine triphosphatase, GTPase）80%的活性[9]。而且，在过表达β2AR的细胞系中，如果转染了β-arrestin则可以加强受体的脱敏。此外，用β-arrestin 小干扰RNA（small interfering RNA, siRNA）方法和反义法能有效的证实HEK293细胞中，由于内源性β-arrestin的表达减少，β2ARs刺激导致了大量cAMP堆积[10]。并且，在小鼠胚胎纤维母细胞系中如果缺乏两个β-arrestin，则β2AR和血管紧张素Ⅱ1A型受体（angiotensin II receptor type 1A, AT1A R）的脱敏都将会受到影响。单独敲除β-arrestin1或β-arrestin2基因也会引起β2AR和AT1A R受体的脱敏障碍[11]。
2.3  β-arrestins的胞吞作用
胞吞作用不仅是受体脱敏所必需的，也是活化的受体去磷酸化和复敏所需要的。GRK 的磷酸化和β-arrestin的结合促进了受体的内吞。GPCRs的内吞是多途径的，包括与网格蛋白包被小体、细胞膜穴样凹陷和未包被的小体的相互作用。特定受体和细胞表达的类型决定了内吞率和重新利用的途径。通常，大多数的GPCRs与β-arrestin结合后，通过网格蛋白包被小体完成内吞[12]。Goodman等通过体
外结合试验首先证实了β-arrestin1或β-arrestin2与网格蛋白之间存在明显和直接的相互作用。β-arrestinsC末端的Leu-Xaa-Glu/Asp序列与网格蛋白重链的89-100位氨基酸残基有高亲和性。β-arrestins也与网格蛋白- AP2复合物相互作用，
Leu-Xaa-Glu/Asp序列下游的两个精氨酸残基对β-arrestin2与AP2的结合至关重要。如果突变缺失了这些残基不会影响其与β2AR的有效结合，但能阻断受体-β-arrestin复合体靶向移动至网格蛋白包被小体。因此，β-arrestin通过与网格蛋白和AP2结合，成为了受体内吞过程中的一个重要连接蛋白[13]。
2.4  GPCR受体的转运和循环财报asp是什么意思
GPCR受体被内吞后有两个结局：部分受体被降解；另一部分循环为活性状态回到细胞膜。被内吞受体的胞内运输模式与受体内吞区域的序列、磷酸化部位的构型和β-arrestin的结合有关。目前发现，β-arrestin的泛素化和去泛素化与受体运输模式有关。虽然，β-arrestin可以调节内吞后GPCRs的运输模式，但最近才发现其在GPCRs循环中起到了特别的作用。
β-arrestin引起GPCRs受体循环的机制尚不清楚，但可以推断与转运调节因子的募集、磷酸酶或促使β-arrestin还原为非活性状态的相关分子有关[14]。
3.  β-arrestin对GPCRs外受体的内吞作用
近期，β-arrestin的内吞功能已经被延伸到其他的受体家族，例如：胰岛素样生长因子-1 (Insulin-like Growth Factor-1, IGF-1)受体和GPCRs的突变家族。β-arrestin1与激活的IGF-1受体结合后，促进了受体通过网格蛋白包被小体途径进行内吞。β-arrestin2也能调节GPCRsFz4(4型突变体)的内吞。Fz4被Wnt家族（有翅或无翅的果蝇）糖蛋白激活，导致细胞质蛋白Dvl 的募集，β-arrestins可以与Dvl相互作用，在体外，Dvl磷酸化后，β-arrestin1和Dvl结合能力增强了好几倍。正常的GPCRs在被激动剂激活后募集β-arrestin，然而，对于Fz4来说，在受Wnt5A 刺激后，Dvl募集β-arrestin。Fz4-GFP的内吞通过网格蛋白包被小体途径实现，利用反义RNA 干扰β-arrestin2基因阻止了Fz4-GFP的内吞，提示激活Fz4受体可以导致蛋白激酶C(Protein kinase C, PKC)介导的Dvl磷酸化，最终使β-arrestin募集到受体-Dvl复合体上，引起Fz4受体的内吞[15]。
4.  β-arrestin对细胞信号转导的作用：
4.1  通过激酶的信号转导
尽管β-arrestin蛋白是在减弱受体信号转导的背景中发现的，但是最近发现，β-arrestin也可以从其要“脱敏”的特定受体上启动信号转导。随后，与任一或同时两个β-arrestin亚型结合的激酶或其他调节蛋白被不断发现。由此，β-arrestin成为了Src家族酪氨酸激酶的调节因子，也是一些细胞外信号调节
激酶（extracellular signal-regulated protein kinase, ERK）、c-Jun氨基端激酶（c-Jun N-terminal kinase, JNK）和p38丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)途径受体的调节平台[16]。
4.2  β-arrestin和非受体酪氨酸激酶的关系
许多GPCRs介导依赖Ras活化的促有丝分裂信号通路，需要Src家族非受体酪氨酸激酶的募集和活化。在募集到细胞膜后，c-Src酪氨酸激酶磷酸化衔接蛋白Shc，导致Ras转化因子Sos和其衔接蛋白Grb2的募集，激活Ras、Raf-1、MEK1，最终导致ERK1/2的活化。在证实c-Src募集到细胞膜上是受异丙肾上腺素激活并依赖β-arrestin的研究中发现β-arrestin充当了
信号接头。C-Src上有两个区域可以与β-arrestin结合，SH3区域（Src同源3）与β-arrestin上富含脯氨酸的区域作用，激酶SH1区域与β-arrestin的N末端区域结合。无活性的c-Src突变体（K298M，在ATP的结合位点上发生点突变）只包含了SH1区域（250-536残基），可以和
β-arrestin结合，但不能募集到细胞膜上。异丙肾上腺素激活β2AR导致细胞膜上发动蛋白两个氨基酸残基Tyr231和Tyr597发生c-Src介导的酪氨酸磷酸化，这是β2AR内吞和异丙肾上腺素激活的ERK介导的磷酸化所必需的[17]。
4.3  β-arrestin和MAPK通路的关系
MAPKs磷酸化多种蛋白底物，调节了大量的细胞信号，包括细胞增殖、基因表达和细胞调亡。MAPKs是丝、苏氨酸激酶，被上游的MAPKKs（MAPK激酶）磷酸化，MAPKKs 又是被其上游的MAPKKKs（MAPKK激酶）磷酸化。真核细胞存在大量的级联激活的蛋白激酶，形成了MAPK级联。在一些情况下，相同的蛋白激酶可能是多种信号途径的组成部分，可以潜在的导致信号通路之间一些不需要的交叉。为了维持信号的特异性，特定通路的组成部分通过有调节功能的支架蛋白联系在一起。研究表明，β-arrestin在JNK3和ERK1/2中起到
了支架蛋白的作用，其使JNK3停留在细胞浆中时间延长，从而延长了JNK3活化状态的寿命；使Raf（MAPKKK）、MEK（MAPKK）和ERK（MAPK）联系起来。β-arrestin对被活化的GPCRs 激活的P38MAPK也起到了调节作用[18]。
5.  β-arrestin对基因转录的影响
β-arrestins至少通过两个途径来调节基因的表达：一是从胞质转移到胞核，在目的基因启动子区为转录因子提供支架，从而直接调节转录；二是通过在胞质内结合转录因子的调节因子，改变它们的活性和亚细胞分布，从而间接调节转录。在募集了ERK2的情况下，
β-arrestin2直接与核受体RAR-β2作用可以加强RAR-β2的转录子活性，因此β-arrestin介导的MAPKs活化可以诱导一些基因的转录。NF-κB通过对二聚转录因子的调节来影响免疫、应激和凋亡相关基因的转录。在非活性状态时，NF-κB二聚体与抑制蛋白IκBα结合稳定的存在于细胞质内。β-arrestin2的作用阻止了IκBα的磷酸化和降解，从而减弱了NF-κB活化和NF-κB
目的基因的转录[19]。β-arrestins将GPCR通路和NF-κB通路联系起来，可能在免疫功能调节上起到重要作用。此外，Wang等发现β-arrestins还与肿瘤坏死因子受体结合蛋白6（tumor necrosis factor receptor-associated factor 6, TRAF6）作用，调节NF-κB和AP-1介导的转录[20]。
6.  β-arrestin的其他生物学作用
β-arrestin的其他生物学作用也被逐步发现，如趋化作用和对细胞凋亡作用等。Fong等发现淋巴细胞向细胞因子的定向移动受到GRK6介导的磷酸化和β-arrestin2与GPCRs CXCR4（一种细胞因子受体，同时也是HIV的共同受体）结合的特异性调节[21]。DeFea等报道激活依赖β-arrestin磷酸化ERK的GPCRs，如 PAR2(一种中性粒细胞、巨噬细胞和肿瘤细胞中富含的GPCRs)，细胞向激动剂的伸展增强了，而激活那些不依赖β-arrestin就能活化ERK的GPCRs，如PAR1，相似的趋化作用没有发现[22]。Wang等报道了β-arrestin通过在p53缺乏的人骨肉瘤细胞（Saos2细胞）中过度表达而在p53介导的细胞调亡中发挥作用。过表达
β-arrestin2减少了Mdm2引起的p53降解，提高了p53介导的细胞调亡。在同样的细胞中，利用RNA干扰技术使内源性β-arrestin表达缺失可以减弱p53介导的细胞调亡[23]。
7. 小结
总之，GPCRs功能的调节是一个非常复杂的过程。β-arrestin是磷酸化的活化GPCR受体的主要结合配体，调节受体的功能。除GPCRs外，β-arrestins调节的靶受体范围还要更大。过去的研究重点在于β-arrestins在脱敏中的作用，现在则聚焦于他们在受体内吞、信号转导及基因表达中的多功能连接作用和支架作用。β-arrestins介导的信号转导是细胞生物学的新发现，也是GPCRs功能失调疾病的新靶点。GPCRs的拮抗剂是当前应用最多的药物，血管紧张素受体阻滞剂(angiotensin receptor blockers, ARBs)和β-肾上腺素阻滞剂(β-adrenergic blockers, β blockers)是此类药物的代表[24]，它们通过拮抗G蛋白介导的信号通路发挥作用。对β-arrestins介导的复杂信号通路的研究将揭示它们的调节功能对人类健康的影响，有助于开发新一代影响GPCRs的药物。
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Biological Role of β-arrestin
Wang Qingtong1, 2, 3，Wei Wei1, 2, 3
1Institute of Clinical Pharmacology，Anhui Medical University，Hefei  (230032) 2Anhui Key Laboratory of Anti-inflammatory and Immunopharmacology，Hefei  (230032)
3Anhui Key Laboratory of Research and Development of Chinese Medicine，Hefei  (230032)
Abstract
β-rrestin1 and β-rrestin2 are cytosolic proteins involved in the termination of signaling. However, β-arrestins also function as scaffold proteins that interact with several cytoplasmic proteins and link GPCRs to intracellular signaling pathways. Β-arrestin-mediated regulation of transcription also appears to play important roles in cell growth, apoptosis and modulation of immune functions. Study of the complicated signaling mediated by β-arrestin will reveal their contribution to human health, and can conduce to develop new GPCRs drugs.
Keywords：β-arrestin；G protein-coupled receptors；Signal transduction；Receptor Desensitization
作者简介：
汪庆童(1979-)，女，医学硕士，主要研究方向为抗炎免疫药理学；
魏伟(1960-)，男，医学博士，主要研究方向为抗炎免疫药理学。

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