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【摘要】 目的 β肾上腺素能受体( β-Adrenergic Receptor, β-AR)在体内多种脏器组织中均有分布，与经典 1、 2-AR在结构和功能上均有着显著的差异， β-AR与G蛋白耦联，经β3-AR/NO、cAMP/PKA信号转导通路参与心血管功能活动的调节，兴奋后能够直接降低心肌收缩力，舒张血管平滑肌，参与组织器官间的血流分配调节。
【关键词】 β3-肾上腺素能受体;心血管调节;信号转导
Cardiovascular regulation and signal transduction of β-adrenergic receptor
DAI Ya-xin.Wuxi Infectious Diseases Hospital, Jiangsu 214005,China
【Abstract】 β3adrenergic receptor (AR) exists in various organs and tissues and is different from β1 and β2-AR in construction and function. β3-adrenergic receptor belongs to the G protein-coupled receptors family (GPCRs) and can regulate the function of cardiovascular by β3-AR/NO and cAMP/PKA signal transduction pathways. Stimulation of the β3-AR by agonists can decrease the myocardial contractility and relax the vascular smooth muscle, thus involves in the regulation of the blood flow distribution in different organs.
【Key words】 β3-adrenergic receptor; cardiovascular regulation;signal transduction
肾上腺素能受体( -Adrenergic Receptor, -AR)的 1、 2两种亚型已被普遍接受， β肾上腺素能受体( β-Adrenergic Receptor, β-AR)发现较晚，是完全不同于 1、 2的另一类β肾上腺素能受体，最初在脂肪组织的脂解作用研究中被发现，它对去甲肾上腺素具有极高的敏感性，大约是对肾上腺素敏感性的10倍，自首次克隆出了基因序列以来，对 β-AR的相关研究引起了科研工作者的极大兴趣，随着研究的深入，人们发现 β-AR在体内多种脏器组织中均有分布，参与了多种病理生理过程，如心血管调节、抗肥胖作用、抗糖尿病作用及胃肠道、泌尿道的解痉和抗炎作用［1］等。本文着重阐述β-AR的心血管调节与信号转导。
1 β3-AR的基本结构
β3-AR基因定位于第八对染色体，与 β、β-AR不同的是， β-AR基因序列中包含有内含子，而 2-AR和大部分 1-AR基因均缺乏内含子。人类 β-AR基因含有2个外显子，第1个外显子编码所有7个跨膜区蛋白的402个氨基酸残基，第2个外显子则编码羧基端的6个氨基酸残基及整个mRNA3′端非翻译序列。
与β、 β-AR一样， β-AR也属于G蛋白耦联受体超家族，包括 3a、 3b两个亚型，由1个N-末端、1个C-末端、3个胞外环、3个胞内环和七个以疏水氨基酸残基为主的跨膜区组成，N-末端位于细胞外，与 1、 β-AR一样，含有多个糖基化位点，与β、 β-AR 不同的是， β-AR位于细胞内的C-末端并不含有蛋白激酶A和 肾上腺素能受体激酶的磷酸化位点；在第2和第3个胞外环中，Cys110 和Cys189的双硫键区是β3-AR与配体结合和激活受体的重要位点，第4个胞内环的Cys361是棕榈酰化区，β3-AR激动剂能够激活此处的腺苷酸环化酶［2,3］；第3～6个跨膜区是配基结合的关键性位点，而第7个跨膜区则参与了兴奋性G蛋白的激活过程［Fig 1］。
2 β-AR的组织分布与药理学作用
β-AR的组织分布具有明显的种属特异性，在啮齿类动物，主要分布于棕色和白色脂肪组织中，人体内的β3-AR主要表达在脂肪细胞，尤其在内脏脂肪细胞，但在脑、心脏、血管、胃、小肠、大肠、胆囊、膀胱和前列腺中都可检出该受体，提示这些器官组织中均有β3-AR的分布。Fig. 1 β3-肾上腺素受体的基本结构
A：β2-AR激动剂；αs：兴奋性G蛋白；TM：跨膜区；in：细胞内区；ex：细胞外区；S-S：二硫键；
Y ：N-端糖基化点；S：棕榈化作用位点 β3-AR是药物、激素、神经递质等配体的膜局限受体，目前已发现了多种选择性激动剂与拮抗剂，由于β3-AR分子结构不同于β1、β2-AR，故它具有一些自己独特的药理学特性：(1) 传统的β-AR阻滞剂与β3-AR比，亲和性低，作用效能差；(2) β3-AR具有很高的失敏性，激活剂长期作用于β3-AR，并不会引起β3-AR脱敏，这可能与β3-AR特殊的C末端结构有关，β3-AR的C-末端缺乏β-AR激酶磷酸化作用所必需的苏氨酸残基，且其3个丝氨酸离C-末端过远，另外，β3-AR的C-末端无PKA磷酸化作用所必需的碱性氨基酸环绕，这些结构特征大大减弱了β-AR激酶和PKA的作用，从而维持了β3-AR较高的失敏性；(3) 与β1、β2-AR相比，β3-AR与内在儿茶酚胺的亲和性较低，只有在较高浓度的儿茶酚胺作用下才会被激活，因而它能长期抵抗β3-AR的下调，当交感神经长期激活，β1、β2-AR介导的反应减弱时，β3-AR介导的反应可以被保留［4］；(4) β3-AR在心脏组织中可被β1、β2-AR阻滞剂部分激活，提示该受体具有内在拟交感活性。
3 β3-AR的心脏调节作用
β-AR信号转导通路是机体在各种生理或病理过程中对心脏的主要调节方式，β3-AR不仅参与心脏调节，也参与了多种心脏疾病的病理过程。近年来，随着β3-AR的研究逐渐深入，β3-AR在心脏中的作用日益受到人们的重视。
与β1、β2-AR在心脏收缩功能调节中的作用相反，β3-AR兴奋后能够引起心肌收缩力的显著降低。当内生性儿茶酚胺、去甲肾上腺素浓度病理性增高，且体内同时存在β1、β2-AR阻断剂时，机体能够产生β3-AR兴奋性效应。康加多尔是对β3-AR亲和力极低的β1、β2-AR拮抗剂，在人移植心脏心内膜、心肌活检研究中，使用康加多尔够将异丙肾上腺素诱导产生的心肌正性变力作用转变成负性变力效应；β3-AR激动剂如BRL37344、SR58611A、CL316243等也能够产生出相似的心肌抑制作用，但部分性β3-AR激动剂CGP12177A同时具有β1、β2-AR拮抗效应和低亲和性β1-AR竞争作用，它的心脏抑制效应要低于选择性β3-AR激动剂（BRL 37344>SR 58611A≈CL 31624>CGP 12177A）［4］。Moniotte S等在人体衰竭与非衰竭心脏的对比研究中发现，衰竭心脏的β3-AR蛋白表达量提高了2～3倍，同时，与β3-AR耦联产生负性肌力作用的Gi蛋白亦升高，提示β3-AR激动能够直接对心肌收缩力产生影响，并不是旁分泌的作用方式，在体外电刺激心肌组织标本，测量其收缩张力，结果显示在衰竭心脏左室中，β1-AR密度降低，而β3-AR密度增高，两者的变力性效应失衡可能是人类衰竭心脏发生功能性退化的病理生理学基础［5］。
4 β3-AR的血管调节作用
β肾上腺素能受体在全身血管调节中的作用早已为人们所重视，激活β-AR能够舒张血管平滑肌，从而实现在不同的组织器官间调节血流分配，Rohrer等观察到，在β1/β2基因双敲除小鼠体内出现了代偿性β3-AR反应现象，与野生型小鼠相比，使用β3-AR激动剂CL316243在能够诱导出非常显著的低血压反应，揭示出β3-AR也是血管调节机制非常重要一个环节［6］。
4.1 体循环动脉系统 研究表明，在大鼠颈动脉及胸主动脉，β1/β2-AR阻断剂并不能完全阻断异丙肾上腺素的血管舒张作用，提示在主动脉中可能存在β3-AR；用苯肾上腺素预处理大鼠胸主动脉形成动脉环后，使用BRL37344能够引起剂量依赖性血管舒张，用SR58611A亦能得到相似的结果，且不受康加多尔预处理的影响，但β3-AR拮抗剂SR59230A却能够拮抗该效应［7］，从而证实了β3-AR的存在；如果剥除血管内皮，这种β3-AR兴奋所引起的血管舒张效应立即显著减弱，提示在大鼠胸主动脉中，β3-AR主要定位于血管内皮细胞［7］。此外，Matsushita M等［8］在研究中发现β3-AR也参与了β-AR介导的大鼠腹主动脉平滑肌舒张作用，但有关这些效应的研究并不全面。在β1-AR或β2-AR亚型基因敲除的小鼠体内，异丙肾上腺素能够在胸主动脉、颈动脉和股动脉中诱导形成血管舒张，但在β1/β2-AR基因双敲除的小鼠体内，异丙肾上腺素却不能舒张血管，说明这种血管舒张效应并不是β3-AR的作用［9］；但如果使用β3-AR激动剂CL316243，则该效应能够得到显著增强［10］，这些结果说明，所有的β-AR亚型在体内都能起血管舒张效应，而β3-AR的效应增强主要发生在β1-AR和β2-AR皆缺失的时候。
4.2 体循环静脉系统 Mallem MY等在研究马前肢趾静脉时发现，β3-AR激动剂SR58611A和ZD2079均可以诱导形成剂量依赖性血管舒张，康加多尔对SR58611A的血管舒张效应没有影响，ZM215001在高剂量((2μM))时可以阻断β3-AR，从而显著降低SR58611A的舒血管效应，如果剥除血管内皮或者给予NO合酶抑制剂预处理也可显著抑制SR58611A的效应，提示在马前肢趾静脉中存在β3-AR［11］。有关静脉系统中β3-AR的研究还有待进一步深入。
4.3 肺循环系统 肺循环与体循环相区别的一个重要方面就是缺氧性肺血管收缩，这种肺血管收缩的确切机制目前还未得到明确的解释，Dumas M等［12］在研究中发现，体外分离灌流大鼠肺血管标本，并诱导形成缺氧性血管收缩后，再使用3种选择性β3-AR激动剂SR59104A、SR59114A、SR58611A，均可形成剂量依赖性血管舒张效应，但再使用一种选择性β3-AR拮抗剂SR59230A，却只能抑制SR59104A的作用，并不能抑制SR59114A和SR58611A的舒血管效应，提示在大鼠肺血管中可能存在着一种不典型β-肾上腺素能受体。在另一项研究中，Pourageaud F等［13］指出，在前列腺素F2α诱导形成的肺叶内血管收缩模型中，即使在康加多尔预处理的条件下，异丙肾上腺素亦能够形成舒血管效应，而SR59230A并不能抑制异丙肾上腺素的作用，β3-AR激动剂BRL37344、SR58611A和CGP12177A不能诱导出血管舒张，提示在肺血管中，β3-AR的分布较少。但Tagaya E等［14］使用去甲肾上腺素诱导离体肺尖叶动脉形成收缩环后，β3-AR激动剂CL316243和BRL37344均能形成剂量依赖性血管舒张，提示在肺尖叶动脉内可能存在有β3-AR，其舒张效应比异丙肾上腺素和沙丁胺醇要低得多。
5 β3-AR在心血管组织中的信号转导通路
β3-AR也是膜表面G蛋白耦联受体，Hutchinson DS等［15］在对β3-AR的亚型研究中发现，β3a-AR仅耦联Gs，β3b-AR不仅耦联Gs蛋白，也能耦联Gi蛋白，兴奋Gs蛋白后能够提高cAMP水平，而兴奋Gi蛋白则降低cAMP水平。进一步的研究发现，β3-AR作用于Gi蛋白，通过某种机制，进而开放K+通道，K+的外流可造成胞膜超极化，从而抑制了L-型Ca2+通道的活化，Ca2+内流以及释放减少，胞浆中游离Ca2+浓度降低，形成心肌细胞动作电位的幅度降低,复极相加速和心肌收缩力降低［16］。在人心室肌细胞和血管内皮细胞中都存在内皮一氧化碳合酶的表达，Gi蛋白的激活并不能抑制腺苷酸环化酶，但却能引起一氧化碳信号转导通路的激活，Varghese P等［17］在实验中证实了β3-AR/NO信号转导通路的存在，他们发现与野生型小鼠相比，给予β3-AR基因敲除小鼠异丙肾上腺素，能够引起心肌收缩力显著提高，NO合酶抑制剂不能影响这种作用，但在野生型小鼠体内，NO合酶抑制剂能够与异丙肾上腺素协同增强心肌收缩力。因而，β3-AR/NO信号通路有可能是心脏中儿茶酚胺正性肌力作用的负反馈机制。
在血管组织中，β3-AR细胞定位及其信号通路根据血管床、血管直径和血管种类的不同而存在多种差异。在大鼠胸主动脉中，β3-AR主要定位于内皮细胞，与β1、β2受体一起通过NO合酶途径提高细胞内cGMP水平［6］，以BKCa、KATP、KV等钾通道为效应器，共同调节血管舒张；在肺血管床中，β3-AR主要通过引起NO释放和激活BKCa、SKCa钾通道而舒张血管［18］；而在大鼠门静脉平滑肌细胞中，β3-AR兴奋则是通过激活Gαs诱导的cAMP/PKA通路而刺激L-型钙通道开放，继而引起其下游靶通道的磷酸化［19］，当然，cAMP通路的参与并不仅限于在门静脉平滑肌细胞，β3-AR选择性激动剂CL316243能在犬肺动脉中引起内皮非依赖性提高细胞内cAMP水平而舒张血管，提示在肺血管中β3-AR也能激活cAMP信号通路［20］；在人胎盘动脉，选择性β3-AR激动剂SR59119A能够提高细胞内cAMP从而诱导内皮非依赖性血管舒张，却并不影响cGMP水平；但在人海绵体中，β3-AR却是通过抑制RhoA/Rho-激酶通路来实现血管舒张。
6 展望
β3-AR使人们对肾上腺素能受体的认识提高到了一个新的阶段，它参与人体多个系统的功能活动，虽然相关研究仍有待进一步深入，但β3-AR无疑已成为新的药物作用靶点。当前心血管病、肥胖症、糖尿病等多种β3-AR相关疾病的发病率逐年上升，对β3-AR的相关研究为进一步阐明这些疾病的发病机制提供了新的线索，也为治疗药物筛选提出了新的作用靶点。目前，临床上选择性作用于β3-AR的激动剂与拮抗剂非常有限，进一步深入研究β3-AR相关药物是β3-AR研究工作的新挑战，对β3-AR的干预将为多种疾病的治疗提供一条新的道路。
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作者单位：214005 江苏无锡,无锡市传染病医院