GPCR的信號轉導

通過(guò)GPCR激活的信號通路取決于GPCR本身的一級序列和三級結構，但最終由特定配體穩定的特定構象以及參與的信號轉導分子決定。目前，GPCR被認為主要使用兩種類(lèi)型的信號轉導分子：G蛋白和β-arrestins [1]。因為β-arrestin僅對磷酸化形式的GPCR具有高親和力，所以大多數信號轉導最終由G蛋白激活介導。同時(shí)，由于GPCR與其他信號轉導分子有相互作用的可能性，因此也存在非G 蛋白介導的信號轉導形式發(fā)生。

處于活性狀態(tài)的GPCR受體蛋白遇到G蛋白，則可能結合并激活G蛋白。 一些證據表明GPCR和G蛋白實(shí)際上是預先偶聯(lián)的 [2]。例如，G蛋白與GPCR受體蛋白的結合會(huì )影響受體對配體的親和力。

進(jìn)一步的信號轉導取決于G蛋白的類(lèi)型。例如，腺苷酸環(huán)化酶可受G蛋白（Gs）調節。 腺苷酸環(huán)化酶在與活化的Gαs亞基結合時(shí)，其活性被激活。當G蛋白返回到GDP結合狀態(tài)時(shí)，腺苷酸環(huán)化酶的激活被終止。腺苷酸環(huán)化酶（其中 9 種為膜蛋白形式，1種為可溶蛋白形式）也可以通過(guò)其他方式被激活或抑制，例如Ca²⁺與鈣調蛋白結合[3]。

G蛋白介導的信號轉導

G蛋白介導的信號通路[4]

目前已知三種主要的G蛋白介導的信號通路，由四類(lèi)G 蛋白（Gαs、Gαi/o、Gαq/11 和 Gα12/13）介導。每一類(lèi)G 蛋白都由多種蛋白質(zhì)組成，每種蛋白質(zhì)都是多個(gè)基因或剪接變異的產(chǎn)物，這些變異可能使它們在信號特性方面存在不同程度的差異，但總的來(lái)說(shuō)，它們大致可以歸為以上四類(lèi)。 由于各種Gβγ 組合的信號轉導特性彼此之間似乎沒(méi)有根本差異，因此這些類(lèi)別是根據其 α 亞基的亞型定義的 [5]。

雖然大多數 GPCR 能夠激活不止一種Gα亞型，但它們也表現出對某一種亞型的偏好。 當激活的亞型取決于與 GPCR 結合的配體時(shí)，這種行為稱(chēng)為功能選擇性，也稱(chēng)為激動(dòng)劑定向傳導(agonist-directed trafficking)或構象特異性激活(conformation-specific agonism)。 然而，由于激動(dòng)劑可能能夠穩定GPCR中GEF結構域的多個(gè)構象，一種激動(dòng)劑也可能激活G 蛋白。 當受體偏好的 Gα亞型濃度較低時(shí)，則可能會(huì )激活另一種。 此外，反饋途徑可能導致受體修飾（例如磷酸化），從而改變G蛋白偏好。 盡管存在這些細微差別，GPCR的首選偶聯(lián)伙伴通常是以在大多數生理或實(shí)驗條件下最明顯被內源配體激活的 G 蛋白來(lái)定義的 [6]。

Gα信號通路

1. 細胞質(zhì) cAMP的水平可能決定各種離子通道的活性以及 ser/thr 特異性蛋白激酶 A (PKA) 家族的成員。 因此，cAMP 被認為是第二信使，而 PKA 是次級效應器。Gαs 和 Gαi/o 途徑的效應物都是生成cAMP的腺苷酸環(huán)化酶（adenylate cyclase, AC）。 雖然哺乳動(dòng)物中有 10 種不同的 AC 基因，每一種在組織分布或功能上都有細微差別，但它們都直接受到Gαs蛋白的刺激，催化細胞質(zhì)中三磷酸腺苷 (ATP) 向cAMP的轉化。相反，與Gαi/o中的Gα亞基結合會(huì )抑制AC產(chǎn)生cAMP。 因此，與Gαs偶聯(lián)的GPCR和與 Gαi/o偶聯(lián)的GPCR的作用相抵消[7]。

cAMP信號通路包含5類(lèi)主要成員：刺激性激素受體（Rs）或抑制性激素受體（Ri）； 刺激性 G 蛋白 (Gs) 或抑制性G 蛋白 (Gi)； 腺苷酸環(huán)化酶（AC）； 蛋白激酶 A (PKA)； 和cAMP磷酸二酯酶。刺激性激素受體（Rs）是一種能與刺激性信號分子結合的受體，與刺激性G 蛋白相偶聯(lián)，其α亞基激活后可刺激酶的活性或其他細胞內代謝。而抑制性激素受體（Ri）是一種能與抑制性信號分子結合的受體，抑制性G 蛋白與其結合后， α 亞基被激活并抑制酶的活性或其他細胞內代謝[8]。

腺苷酸環(huán)化酶是一種12次跨膜糖蛋白，可在 Mg²⁺或 Mn²⁺的幫助下催化ATP轉化為 cAMP， 產(chǎn)生的cAMP 是細胞代謝的第二信使，是蛋白激酶A的變構激活劑。蛋白激酶A是細胞代謝中重要的酶，它能夠通過(guò)將代謝途徑中特定的酶磷酸化來(lái)調節細胞代謝。它還可以調節特定的基因表達、細胞分泌和膜通透性。該酶包含兩個(gè)催化亞基和兩個(gè)調節亞基。 當沒(méi)有 cAMP時(shí)，復合體不活躍。 當cAMP與調節亞基結合時(shí)，其構象發(fā)生改變，導致調節亞基解離，從而激活蛋白激酶A并產(chǎn)生進(jìn)一步的生物學(xué)效應。這些信號可以被 cAMP磷酸二酯酶終止。cAMP 磷酸二酯酶是一種將 cAMP 降解為 5'-AMP 并使蛋白激酶 A 失活的酶。

2. Gαq/11通路的效應物是磷脂酶C-β（PLCβ），它催化磷脂酰肌醇4,5-二磷酸（PIP2）裂解成第二信使肌醇（1,4,5）三磷酸（IP3) 和甘油二酯 (DAG)。 IP3 作用于內質(zhì)網(wǎng) (ER) 膜中的IP3受體，引起Ca²⁺從ER釋放，而DAG沿質(zhì)膜擴散，激活位于膜上的蛋白激酶C(PKC)。 由于許多 PKC 亞型也被細胞內Ca²⁺水平的升高激活，因此這兩種途徑也可以相互匯聚，通過(guò)相同的次級效應器傳遞信號。細胞內升高的Ca²⁺也會(huì )結合并激活鈣調蛋白，后者又會(huì )產(chǎn)生GTP 酶 Rho。 一旦與 GTP 結合，Rho 就可以繼續激活負責細胞骨架調節的各種蛋白質(zhì)，例如 Rho 激酶 (ROCK)。 大多數與 Gα12/13 偶聯(lián)的 GPCR 也與其他亞型的G蛋白偶聯(lián)，通常是 Gαq/11 [9]。

G_βγ 信號傳導

Gβγ介導的信號轉導也很重要，特別是對于與Gαi/o偶聯(lián)的GPCR。Gβγ 的主要效應物是各種離子通道，例如G蛋白調節的內向整流K⁺通道 (GIRK)、P/Q和N型電壓門(mén)控 Ca²⁺ 通道， AC和 PLC的一些亞型，以及一些磷酸肌醇 3 激酶 (PI3K) [10]。

非G蛋白介導的信號通路

盡管傳統上認為GPCR與G蛋白只能一起發(fā)揮功能，但 GPCR 實(shí)際上可能不通過(guò) G 蛋白的機制傳遞信號，并且G 蛋白也可能獨立于 GPCR 發(fā)揮作用。 GPCR 可以通過(guò)許多其他蛋白實(shí)現信號傳遞，例如 β-arrestins、GRKs 和 Srcs。 此類(lèi)信號傳遞已被證明具有生理相關(guān)性。例如，趨化因子受體 CXCR3 介導的 β-arrestin 信號對于活化 T 細胞的有效趨化作用是必需的。 [11] 此外，參與 GPCR 亞細胞定位的其他支架蛋白（例如，含有 PDZ 結構域的蛋白）也可以參與信號轉導。 大多數情況下，其效應物是 MAPK 家族的成員。

參考文獻

1. Lohse MJ, Benovic JL, Codina J, Caron MG, Lefkowitz RJ (June 1990). "beta-Arrestin: a protein that regulates beta-adrenergic receptor function". Science. 248 (4962): 1547–50.

2. Qin K, Dong C, Wu G, Lambert NA (August 2011). "Inactive-state preassembly of G(q)-coupled receptors and G(q) heterotrimers". Nature Chemical Biology. 7 (10): 740–7

3. Sanchez-Collado J, et al. Rev Physiol Biochem Pharmacol. 2021. PMID: 33398503 Review.

4. Lynch JR, et al. Int J Mol Sci. 2016. PMID: 27187360 Free PMC article. Review.

5. Viktoriya Syrovatkina, Kamela O. Alegre, Raja Dey, Xin-Yun Huang, Regulation, Signaling and Physiological Functions of G-proteins, J Mol Biol. 2016 Sep 25; 428(19): 3850–3868.

6. Asuka Inoue, et al. Illuminating G-Protein-Coupling Selectivity of GPCRs, Cell. 2019 Jun 13;177(7):1933-1947.

7. Manuela Zaccolo, Anna Zerio,  Miguel J. Lobo, Subcellular Organization of the cAMP Signaling Pathway, Pharmacol Rev. 2021 Jan; 73(1): 278–309.

8. Kuo Yan et al., The cyclic AMP signaling pathway: Exploring targets for successful drug discovery, Mol Med Rep. 2016 May; 13(5): 3715–3723.

9. Dinesh Kankanamge, Sithurandi Ubeysinghe, Mithila Tennakoon, Priyanka Devi Pantula, Kishalay Mitra, Lopamudra Giri, Ajith Karunarathne, Dissociation of the G protein βγ from the Gq–PLCβ complex partially attenuates PIP2 hydrolysis, J Biol Chem. 2021 Jan-Jun; 296: 100702.

10. Mari Kiyono, Takaya Satoh, and Yoshito Kaziro, G protein βγ subunit-dependent Rac-guanine nucleotide exchange activity of Ras-GRF1/CDC25Mm, Proc Natl Acad Sci USA. 1999 Apr 27; 96(9): 4826–4831.

11. Smith JS, Nicholson LT, Suwanpradid J, Glenn RA, Knape NM, Alagesan P, et al. (November 2018). "Biased agonists of the chemokine receptor CXCR3 differentially control chemotaxis and inflammation". Science Signaling. 11 (555): eaaq1075.