第 8 章：心脏中的 G 蛋白偶联受体（G-Protein-Coupled Receptors in the Heart）

1 引言（Introduction）

心脏是一个功能高度动态的器官，能够快速适应机体不断变化的能量与代谢需求。心脏暴露于激素、神经递质、细胞因子和肽类等动态刺激之下，这些刺激可以调节心率、收缩力、代谢稳态以及能量利用。心脏通过复杂的信号转导系统把这些胞外刺激转化为胞内变化，从而实现对功能的精准调控。研究最广泛、影响最普遍的信号中介是一大类被称为 G 蛋白偶联受体（GPCR）的膜蛋白。GPCR 是一类普遍存在的七次跨膜蛋白受体家族，其独特之处在于能够把胞外信息翻译为生理反应。作为已知最大的膜结合受体超家族，仅在心脏中就有超过 200 种 GPCR，其广泛研究极大推进了对心脏功能与调控机制的理解。然而数十年研究也表明，经由这些受体所介导的、过度的或失调的信号，正是多种慢性心脏疾病中观察到的病理生理过程的核心机制。因此，GPCR 已成为心血管药物最常靶向的分子类别。尽管如此，以心力衰竭（HF）为代表的心脏病——其特征正是异常的 GPCR 信号——仍然是一个巨大的公共健康负担，是美国五分之一以上死亡的原因，凸显出当前长期治疗手段的不足。对 GPCR 结构和功能的研究虽已取得相当进展，进一步阐明其复杂的激活机制、下游信号通路以及新的配体，无疑会增进对正常心脏功能和各类心脏病理机制的理解，并提供开发治疗与预防这些疾病的新型药物的机会。

2 G 蛋白偶联受体信号概述（Overview of G-Protein-Coupled Receptor Signaling）

细胞通过把多种胞外刺激翻译为胞内反应来感知并响应其所处的环境。尽管细胞持续暴露在数百种化学信使中，它只会对那些拥有相应受体的信号做出反应。当胞外信使（配体）与其特异受体结合后，受体发生构象变化，使其胞内表面得以与新一组信号分子（通常称为第二信使）相互作用，从而把信号继续在胞内传递。连续激活一系列胞内分子与酶，把最初的刺激加以放大，最终激活特定酶或改变基因表达，进而调节细胞行为与功能。信号分子的种类和细胞定位因细胞类型而异，受体刺激的持续时间与程度也参与决定最终的生理结果。信号通路虽常被描述为孤立的线性级联反应，但这只是出于简化描述的目的，绝不代表真实的复杂程度。在通路的几乎任一节点上，都可以分叉去调节其它信号分子乃至其所属通路的状态。细胞表达数百种受体，其同时被多种信号激活，形成一个动态而协调的级联通路网络，整合产生与该细胞所接收信号组合相适应的整体反应。

GPCR 作为信号转导的主要中介（G-Protein-Coupled Receptors as Primary Mediators of Signal Transduction）

GPCR 是最大、最多样的、负责将胞外信号转导为胞内事件的膜受体类别。在人类基因组中有超过 800 个 GPCR 基因产物，GPCR 是一类在从酵母到哺乳动物中均高度保守的普遍表达的膜蛋白。GPCR 的巨大多样性和广泛表达赋予了它多方面的适应性，使其能响应不断扩展的配体集合并调控从感觉感知到神经可塑性再到心肌收缩等过程。因此，目前上市药物中超过 40% 都以 GPCR 为靶点。

GPCR 的结构与激活机制（GPCR Structure and Mechanism of Activation）

所有 GPCR 都共享一个共同的基本结构——尽管其功能高度多样。该结构最初于 1986 年通过 β2 肾上腺素能受体（一种参与心脏功能调控的 GPCR）的克隆与测序得以揭示，并于 2000 年通过光敏感 GPCR 视紫红质的 X 射线晶体学得到确认。最近 GPCR 晶体结构的大量涌现，使得其结构和激活机制得以深入分析。其标志性结构包括胞外 N 端和胞内 C 端，由包含七段 20–25 个氨基酸的 α 螺旋的跨膜结构域相连接。根据序列同源性，GPCR 被分为 A、B、C 三个家族，跨膜结构域具有 25% 的序列相似性，并且同一家族成员在配体与效应器结合基序上具有共性。配体通常与 GPCR 的 N 端和胞外环中的残基接触，对较小的配体也会接触跨膜螺旋内部的残基。配体结合稳定受体的某一特定构象：激动剂稳定活性态，反向激动剂稳定失活态，拮抗剂对两态亲和力相等，仅阻断激动剂诱导的受体激活但不影响其基础活性。对各种视紫红质突变体的生物物理分析揭示了跨膜螺旋内发生的特异性构象变化，这些构象变化在激动剂结合时介导受体的激活。一旦进入活化态，受体的胞质表面呈现出能与膜相关异源三聚体鸟嘌呤核苷酸结合蛋白（即异源三聚体 G 蛋白，由 α、β、γ 亚基组成）相互作用的构象。在非活化态，α 亚基紧密结合一分子 GDP。与激动剂结合的 GPCR 相互作用后，α 亚基被刺激释放 GDP——这是 G 蛋白激活循环中的限速步骤——并交换为一分子 GTP。随后 α 亚基从 βγ 二聚体上解离，βγ 仍紧密结合；α 亚基与 βγ 复合物分别调节下游效应器以传递信号并引发特定细胞反应。当 α 亚基结合的 GTP 水解为 GDP 时，受体恢复非活化状态，从而能够重新形成失活的异源三聚体复合物。

与 GPCR 偶联的主要异源三聚体 G 蛋白家族（Major Classes of Heterotrimeric G-Proteins that Couple to GPCRs）

存在多类异源三聚体 G 蛋白负责把受体激活转导为第二信使的产生。不同受体与不同类的 G 蛋白偶联，进而与不同的效应系统偶联，部分地解释了 GPCR 所介导反应的范围之广。一般而言，GPCR 胞内环区中的特定残基集合决定了受体与特定 G 蛋白偶联的选择性。异源三聚体 G 蛋白由 17 种 α 亚基之一、6 种 β 亚基之一和 12 种 γ 亚基之一组合而成。共有 Gs、Gi/o、Gq 和 G12/13 四大 G 蛋白家族，由各自的 α 亚基加以区分。解离后的 Gαs（即"刺激型 G 蛋白"）亚基激活膜结合的腺苷酸环化酶，该酶负责从 ATP 分子生成第二信使环磷酸腺苷（cAMP）。cAMP 的一个主要但非唯一效应器是丝氨酸/苏氨酸激酶 cAMP 依赖性蛋白激酶（PKA），后者可磷酸化并调节多种下游靶标。Gαi（即"抑制型 G 蛋白"）亚基具有相反的功能——降低腺苷酸环化酶活性，从而减弱 cAMP 产生和 PKA 激活。Gαq 亚基激活另一种膜结合酶磷脂酶 Cβ（PLCβ），激活后的酶切割质膜中特定的磷脂——磷脂酰肌醇 4,5-二磷酸（PIP2）——以生成两种第二信使：二酰甘油（DAG）和 1,4,5-三磷酸肌醇（IP3）。IP3 是一种易于扩散的信使，与内质网/肌浆网上的 IP3 受体结合，使钙离子释放进入胞质。结合膜结合的 DAG，钙离子激活蛋白激酶 C（PKC），后者具有众多下游效应器。Gα12/13 蛋白则激活诸如 Rho 之类的小 G 蛋白结合蛋白，这些蛋白主要负责细胞骨架的重排。然而在每一种情况下，βγ 复合物（具有大量可能的 βγ 亚基组合）自身亦可与各自的效应器集合相互作用以启动下游信号。

尽管这些经典 G 蛋白偶联通路看似简单线性，但越来越多地认识到，这些级联实际上只是一个远为复杂的、受体下游信号网络的一小部分。深入阐明这些替代性的 GPCR 信号级联正成为寻找新疗法（包括心血管系统的疗法）的宝贵努力。

GPCR 信号的特异性的决定因素（Determinants of GPCR Signaling and Specificity）

面对即使是单一 GPCR 所激活的庞大通路阵列，细胞如何确保对特定受体激活的信号具有特异性？例如，细胞如何解释两个不同受体（都偶联到 Gs 并引起 PKA 激活）所产生的不同反应？第一，不同的受体可能具有特异的亚细胞定位，从而限制其下游可及靶标。第二，受体后信号的空间组织——通过各种支架蛋白和适配蛋白将单条级联的多个组件聚合在一起——保证了信号的正确区室化和特异性，以及快速的有序传递。同样，那些终止受体信号的酶的正确定位也在调节信号的位置和时机方面发挥重要作用。第三，一些研究已经表明了 GPCR 寡聚化的作用。虽然目前尚不清楚这种受体关联是否为 GPCR 正常功能所必需，但一般认为它可能调节 GPCR 的配体特异性和下游信号，为 GPCR 调控增加了另一层复杂性。

心脏中超过 200 种 GPCR 参与调控大多数心脏生理过程，包括收缩、生长与凋亡，以及诸如肥厚和纤维化之类的病理生理机制。数种主要的心脏 GPCR 已被研究得较为深入，下面将分别讨论以阐明心脏 GPCR 信号、受体交叉、脱敏以及非经典信号通路激活在正常和病变心脏中的基本概念与复杂性；并突出利用复杂的 GPCR 信号来开发更有效的心血管疾病治疗手段的实用价值。

3 心脏 G 蛋白偶联受体（Cardiac G-Protein-Coupled Receptors）

心肌细胞表达 β 肾上腺素能受体（β-AR）的三个亚型——β1、β2 和 β3，但表达程度不同。β1-AR 是最主要的一种，约占 β-AR 总数的 75–80%，尽管其表达水平只有大约 50–70 fmol/mg 膜蛋白。β1-AR 与刺激性 Gs 蛋白偶联，介导心脏中大多数 β-AR 介导的生理效应。β2-AR 占据心脏 β-AR 的剩余部分，可视细胞状态同时与 Gs 和 Gi 偶联。心脏 β3-AR 直至最近才被报道，其对心脏生理的相关性仍不明确。三种 β-AR 亚型都可被内源儿茶酚胺肾上腺素和去甲肾上腺素激活，但结合亲和力因亚型而异。合成的激动剂如异丙肾上腺素以及拮抗剂如普萘洛尔可结合 β-AR，已被用于阐明受体的功能与活性。这三个受体亚型在下游效应器、配体亲和力和定位上的差异使得它们在心脏功能和疾病的调控中存在微妙差别。

4 β 肾上腺素能受体与 β1-AR（β-Adrenergic Receptors and β1-AR）

作为心脏中最主要的 β-AR，β1-AR 在调控心脏生理和功能方面发挥重要作用。β1-AR 属于 A 类 GPCR，其晶体结构最近以拮抗剂结合构象被解析，揭示了典型的 GPCR 结构并确定了负责激活和与同源 G 蛋白 Gαs 偶联的关键残基。对 β1- 和 β2-AR 晶体结构的比较分析揭示了各亚型结合口袋周围的残基差异，这些差异可能造成了配体特异性和亲和力的差异，并证明仅在该关键区域中两个残基的差异就足以实质性地改变配体选择性。两种亚型对异丙肾上腺素和肾上腺素具有相似的亲和力，但 β1-AR 对去甲肾上腺素——交感神经释放的主要儿茶酚胺——的亲和力比 β2-AR 高出 10 至 30 倍。β1-AR 在心肌细胞肌纤维膜上的定位使其紧邻交感神经末梢，暴露于比 β2-AR 更高的内源配体浓度。此外，虽然 β2-AR 可比 β1-AR 更高效地与 cAMP 偶联，但 β1-AR 在心肌细胞膜上相对于 β2-AR 的较高丰度部分解释了 β1-AR 在正常心脏功能中相对于 β2-AR 的更显著生理效应。

β1-AR 在心肌细胞中的功能（β1-AR Function in the Cardiomyocyte）

"战斗或逃跑反应"是大多数人都熟知的现象——伴随身体或情绪压力出现的快速而强烈的心跳。这是身体适应或准备应对代谢和能量需求暂时性增加的主要机制之一。最强大而有效的方式是急性、快速调节心脏功能并相应地调整心输出量，这通过调控控制心脏生理的神经激素机制实现。在代谢需求增加时，心脏的交感神经刺激被大幅增强，导致儿茶酚胺（主要是去甲肾上腺素）从节后神经末梢释放到心脏。交感神经对肾上腺的刺激还引起循环肾上腺素水平的快速上升。儿茶酚胺主要通过与心肌细胞膜上的 β1-AR 结合并激活它，对心脏施加其大部分刺激效应，从而启动所谓的经典 β 肾上腺素信号通路。受体被儿茶酚胺刺激后引发 Gs 介导的 cAMP 产生，最终导致 PKA 激活。PKA 随后磷酸化心肌细胞内的多种靶标，通过对各种离子通道的直接作用增加心率（正性变时效应），并通过增强兴奋-收缩偶联的效率增加收缩力（正性变力效应）。PKA 介导的 L 型钙通道磷酸化与激活可增加钙离子内流和动作电位幅度，而对特定钾离子通道的增强则提高复极化力度，从而缩短动作电位时程。此外，cAMP 还直接增强 HCN 通道活性，从而加快去极化速率促进动作电位生成。这些效应共同介导了儿茶酚胺诱导的正性变时效应。

额外的 PKA 靶标介导了肾上腺素刺激期间心肌收缩的力度和持续时间变化。这一正性变力效应源于 L 型钙通道活性的增强——使收缩期钙离子内流增加。此外，PKA 介导的兰尼碱受体磷酸化增强了其对钙离子内流的敏感性，从而提高了钙诱导的钙释放效率。胞内钙离子浓度的快速上升增强了肌节的缩短和收缩力发展。不仅收缩要在交感驱动下变得更强，更快的心率也需要快速舒张以便在舒张期充分进行心室充盈。这一舒张效应通过 PKA 介导的肌钙蛋白 I 亚基降低钙离子敏感性以及增强受磷蛋白活性而实现：前者加速钙离子从收缩机制上的解离，后者增强肌浆网对钙离子的重摄取。这产生了持续时间更短的收缩并增加了肌浆网钙离子负荷，使随后的动作电位产生更大的钙瞬变和更强的收缩。β1-AR 介导的变力和变时效应共同提供了通过产生更有力（虽然更短促）的心肌收缩而快速调节心功能的能力。

急性与慢性 β1-AR 信号的差异（Acute vs. Chronic β1-AR Signaling）

虽然心脏是一个高度可适应的器官，但长期过度的应激或负担可能使调控机制无法充分补偿心功能的下降。例如心肌梗死后的损伤或慢性高血压削弱了心脏在增加的血流动力学负荷下充分泵血的能力。心功能受损启动了一系列适应性机制，诱导胎儿基因表达、心肌细胞增大以及心肌肥厚，以期恢复正常的心输出量。在持续损伤下，这些最初代偿和适应的反应不再充分，于是出现一个称为心肌重塑的形态与功能变化的复杂过程，试图恢复心肌功能。然而从长远看，这些过程变成病理性和适应不良性的，包括心腔扩大、心肌细胞凋亡、细胞外基质重排和纤维化、收缩力受损以及代谢稳态改变，最终进展为心功能障碍和 HF——大多数心脏疾病的终末期表现。因此衰竭心脏的一个标志性特征是心肌肾上腺素刺激的增强。这最初是一个合乎逻辑的反应，因为循环儿茶酚胺水平升高将增强本已虚弱和功能障碍的心脏的收缩性能。然而肾上腺素能反应是为短期适应而进化出来的。慢性、持续的肾上腺素刺激激活了改变的和病理性的下游 β-AR 信号级联，这些级联遮蔽了任何初始的正性变力效应，同时加剧心肌重塑并加速向心力衰竭的进程。

治疗策略：拟交感药与 β 受体阻滞剂（Therapeutic Approach: Sympathomimetics vs. Beta-Blockers）

自 20 世纪 70 年代首次使用以来，β 受体阻滞剂的临床疗效及其纳入 HF 和其他心血管疾病的标准治疗方案已得到充分确立，尽管这一结果在表面上似乎是矛盾的。HF 是一种心功能和收缩力下降的状态，因此合乎逻辑的思路是使用具有正性变力肾上腺素能效应的拟交感胺类药物。然而，众多利用长期肾上腺素激动剂的临床试验结果显示，HF 患者的死亡率和住院率反而增加，尽管其具有短期的变力益处。因此这些药物仅保留用于对所有其他治疗手段都难治的终末期 HF 患者。相反，许多大规模临床试验一致表明，β 受体阻断相对安慰剂对照能在全因死亡率、住院率和发病率上带来显著改善。临床上可用的 β 受体阻滞剂有三类：第一代对 β1- 和 β2-AR 都不具有选择性；第二代如临床批准的 metoprolol 具有 β1-AR 选择性；第三代如高效能的 carvedilol 可以是选择性或非选择性的，但具有辅助特性——包括抗氧化、抗凋亡、抗心律失常、抗缺血和/或抗高血压特性——可能使它们在临床上更有益处，尽管 metoprolol 和 carvedilol 的比较疗效试验结果并不明确。一般而言，β 受体阻滞剂被认为通过双重机制改善心功能：既防止慢性儿茶酚胺暴露所产生的病理信号，又使 β1-AR 在细胞表面的表达恢复正常。事实上研究表明 β 受体阻滞剂治疗响应中可降低心脏 GRK2（一种参与受体脱敏的酶）的表达，提示受体再敏化。考虑到其初始的负性变力作用，β 受体阻滞剂在治疗时必须缓慢滴定至最佳剂量以减少不良反应。尽管如此，β 受体阻滞剂的临床成功证明了 β1-AR 下游信号的复杂性。

5 β 肾上腺素能信号在心脏疾病中的治疗靶点（Therapeutic Targets in Cardiac Disease）

慢性 β-AR 信号的一个调节因子是钙-钙调蛋白依赖性激酶 II（CaMKII）。β-AR 刺激下游该酶的激活在 20 世纪 90 年代末首次被证实：在用 β-AR 激动剂灌注的心脏中，CaMKII 自磷酸化和对 CaMKII 特异靶标的磷酸化都得到增强。PKA 和 CaMKII 之间共享许多下游效应器，如兰尼碱受体和受磷蛋白。有趣的是，慢性 β-AR 信号会从依赖 PKA 切换到依赖 CaMKII 的机制。把 β-AR 刺激与 CaMKII 激活相联系的机制仍不十分清楚。已有证据表明 cAMP 依赖通路（Gαs 介导的 L 型 Ca 通道激活）和 PKA 依赖通路（cAMP 激活的 Epac/CaMKII）都参与其中。衰竭的人类心脏以及小鼠压力过负荷介导的 HF 相对于其野生型对照均显示 CaMKII 显著增加，而该酶的转基因过表达则导致心肌病和过早死亡。CaMKII 激活在体外已被直接牵涉到 β1-AR 介导的心肌细胞凋亡、胎儿基因表达、肥厚和兴奋-收缩偶联等方面。例如，β-AR 刺激引起 CaMKII 介导的兰尼碱受体超磷酸化，既降低了肌浆网钙离子负荷又增加了舒张期的钙漏，从而形成心律失常和心源性猝死的倾向。重要的是，CaMKII 抑制能在小鼠心肌梗死和缺血-再灌注损伤后显著减弱重塑过程并抑制心律失常的发生，提示了靶向 β1-AR 介导的病理信号进行干预的治疗前景。

受体脱敏与不依赖 G 蛋白的信号（Receptor Desensitization and G-Protein-Independent Signaling）

如任何生物过程一样，细胞内存在系统以确保 GPCR 活性受到控制。细胞内的综合过程旨在适应性地减轻肾上腺素过度激活的心脏毒性效应：（i）受体下调，即通过受体合成减少和/或降解增加导致受体从细胞表面的净损失；（ii）脱敏，即受体在反复刺激下对激动剂失去反应性。由于交感神经系统过度活跃和儿茶酚胺刺激增强，这两个过程在心脏功能障碍和衰竭过程中都大幅激活，衰竭心肌中报告 β1-AR 密度减少 50%。慢性刺激的 β1-AR 引起的受体下调既发生在转录水平，也发生在翻译水平——后者在 β1-AR 刺激诱导 AUF1 等因子时发生，这些因子特异地结合并使 β1-AR mRNA 转录本失稳。

更具治疗意义的是脱敏这一快速过程——在这一过程中 β-AR 被解偶联，从而失去通过同源 G 蛋白进行信号传递的能力。这一激动剂依赖性的过程称为同源脱敏，涉及细胞质酶 G 蛋白偶联受体激酶（GRK）2 通过解离的 Gβγ 亚基被募集到激动剂占据的受体上。GRK2 是一个由七个结构同源的丝氨酸/苏氨酸激酶组成的家族成员之一，其中 GRK2 和 GRK5 在人类心脏中特别重要和丰富，并产生对心脏病理不同的后果。GRK2 在 β-AR 胞质尾部上的特定残基处磷酸化 β-AR，从而募集 β-arrestin 到被磷酸化的受体上并阻止其与 G 蛋白的进一步相互作用。随后发生的是经典 G 蛋白介导信号的终止以及受体内吞——被降解或循环回细胞膜。重要的是，虽然脱敏被认为是一种初始保护机制，但 GRK2 在衰竭人类心脏和多种 HF 小鼠模型中都显著上调，提示它与该疾病存在相关性。事实上，GRK2 过度表达减弱 β-AR 信号并加剧疾病进程，而 GRK2 的基因缺失或抑制则发挥心脏保护作用，在 HF 模型中减弱不良重塑并恢复心功能。病理效应被认为主要通过两个机制发生：第一，β1-AR 的下调和脱敏有效剥夺了心脏急需的交感驱动；第二，Gβγ、GRK2 和 β-arrestin 参与其传统脱敏角色以外的过程日益受到重视。慢性解离的 Gβγ 亚基和 GRK2 都启动有害的 PI3K 信号通路，而 β-arrestin 通过 ERK 和 CaMKII 等介质介导新近被认识到的促肥厚、促纤维化的不依赖 G 蛋白的信号，从而导致心功能障碍。心功能的进一步下降加剧了有害的交感神经支配，解释了疾病的渐进性自然史。

6 新型治疗策略：Gβγ/GRK2 抑制剂与偏向激动（New Therapeutic Strategies: Gβγ/GRK2 Inhibitors and Biased Agonism）

由于 GRK2 在 β-AR 脱敏中发挥关键作用，并且诸如心室辅助装置（VAD）植入等有益干预可使 GRK2 表达水平正常化并伴随心室功能改善，因此该酶已成为心血管疾病（特别是 HF）的有吸引力的治疗靶点。关注起始于 20 世纪 90 年代中期，当时在小鼠模型中证实了 β-AR 诱导的信号与收缩力受 GRK 表达水平的相互调节。此后通过酶的基因过表达或基因缺失，以及更具治疗相关性的 GRK2 抑制剂肽（βARKct，由 GRK2 酶的 C 端 194 个氨基酸构成，含有 Gβγ 结合基序）的递送，已实现了对心脏 GRK2 活性的操控。βARKct 通过对 Gβγ 亚基的简单竞争阻断内源功能性 GRK2 向受体的募集。βARKct 处理在体外能恢复衰竭心肌细胞的收缩力，并在多种心脏损伤和疾病动物模型中减弱心室重塑、改善心功能，包括缺血-再灌注、心肌梗死和心脏停搏。考虑到病毒基因递送大治疗肽的当前障碍，全身性给予小分子抑制剂可能是更合理的方法。为此筛选了一个小分子库以找到能有效结合 Gβγ 结合表面并由此阻断其与下游效应器（包括 GRK2）相互作用的化合物。其中两种被发现的化合物能在小鼠模型中使心脏基因表达正常化，并阻止新发或既有 HF 的发展或进展。尽管这些抑制剂据推测是通过破坏 GRK2 介导的 β-AR 脱敏起作用，但其对一般 Gβγ 信号的抑制效应以及对全球 GRK 功能的更广泛系统效应正在被积极研究。无论如何，抑制 β-AR 关联的病理 Gβγ 信号作为新型心脏治疗手段的潜力已日益得到证明。

偏向激动策略（Therapeutic Approach: Biased Agonism）

历史上药物学方法基于这样一种信念：GPCR 配体是"平衡的"，其与受体的结合导致受体下游所有信号通路的完全激活，效力取决于受体激活的程度。然而最近这一观点受到了挑战，日益增长的对 GPCR 介导的 G 蛋白依赖和不依赖（即 β-arrestin）通路的理解揭示了偏向激动现象的存在。这意味着开发受体特异的配体，使受体稳定在某一特定构象，从而只激活下游通路的一个子集——这一概念已被各种生化学研究和突变"偏向受体"的产生所证实。从治疗角度看，这类配体的目标是有选择地激活有益的通路而舍弃产生副作用或可能造成耐受性的有害信号。

β1-AR 验证了这种方法背后的原理。如前所述，β-arrestin 作为 β1-AR 下游不依赖 G 蛋白的介导信号的支架。已经证明：心脏中各个 GRK（即 GRK 2 和 GRK 5）磷酸化的独特受体残基以及配体诱导的受体本身的构象变化，可在被募集的 β-arrestin 分子中诱导出不同的结构构象。GRK2 介导的 β-arrestin 募集（一个 G 蛋白依赖事件）导致受体内吞和随后的病理信号，而 GRK5 介导的 β-arrestin 募集（一个 G 蛋白不依赖事件）导致表皮生长因子受体（EGFR）的反式激活和随后的 ERK 激活——这一过程在慢性异丙肾上腺素刺激下被证明具有心脏保护作用。理论上开发能阻断有害的 G 蛋白介导信号和内吞同时刺激 β-arrestin 介导的心脏保护通路的 β-arrestin 偏向配体可能对心血管 GPCR 药理学具有前景。有趣的是高效能的 β 受体阻滞剂 carvedilol 被证明能诱导 EGFR 反式激活，这可能部分解释了其增强的临床疗效。尽管开发这样的偏向配体并非没有挑战，偏向激动的概念仍有望成为心血管药物开发的令人振奋的新途径。

7 β1-AR 的药基因组学考虑（Pharmacogenomic Considerations for β1-AR）

尽管 β 受体阻断治疗取得了成功，患者对这类药物反应的多变性早已被认识到。新兴的药基因组学领域试图阐明药物代谢和功能相关基因的遗传变异如何促成这种患者间的差异。事实上已经充分记录了 β-AR 的单核苷酸多态性（SNP），鉴定了 26 个 β1-AR 等位基因和 20 个 β2-AR 等位基因。其中两个 β1-AR 的多态性已通过细胞、动物和临床方法被广泛研究，证明 SNP 可以深刻影响疾病风险、严重程度和治疗反应。389 位氨基酸的变异（可表现为精氨酸或甘氨酸——Arg/Gly389）已被归因于基础及异丙肾上腺素诱导的受体与腺苷酸环化酶偶联以及脱敏倾向的差异，其中 Arg389 变体在两方面都表现更显著。含有 Arg389 等位基因的小鼠显示肥厚基因标志物的表达增加、纤维化和收缩功能障碍，提示对 HF 的更大易感性——可能由于对激动剂刺激的更敏感反应。然而 Arg389 小鼠和纯合此等位基因的人类 HF 患者在 carvedilol 治疗下都表现出更大的心脏改善。同样，相对于具有 Gly 变体的患者，纯合 Arg 等位基因的患者对 bucindolol 治疗反应中的死亡率和住院率降低超过 30%。但在使用其他临床相关的 β 受体阻滞剂（如 metoprolol）治疗时则报告了中性结果。β1-AR 第 49 位氨基酸位置上的第二个变异显示丝氨酸变体比甘氨酸变体对受体脱敏更具抵抗性。临床研究显示抵抗性较差的 Gly 变体导致更高的存活率。此外 β1-AR 和 α2c-AR 的复合突变进一步预后不良。进一步而言，β-AR 下游信号组分的变异已显示具有临床意义的影响。例如，GRK5 中将谷氨酰胺转换为亮氨酸的密码子 41 点突变导致更大的激酶活性，从而在激动剂刺激下增强 β-AR 脱敏和内吞。临床研究表明具有 Leu41 等位基因的非裔美国 HF 患者的心脏移植后存活率与服用 β 受体阻滞剂的纯合 Gln41 患者相似。由于该等位基因在非裔美国人群和欧洲裔美国人群中的频率分别为 25% 和 2%，这表明 GRK5 的遗传变异性可解释不同种族在治疗反应上的差异。关于患者间遗传变异及其对治疗结局影响的研究凸显了个体化医疗的前景——药基因组学的最终目标，即基于患者独特的遗传背景优化或个体化治疗，以期提高药物的安全性和有效性。

8 心脏中的 β2-AR（β2-ARs in the Heart）

β2-AR 被认为是第一个被克隆的 GPCR，至今仍是被最广泛研究的 GPCR 之一。其于 2007 年的晶体化揭示了配体结合和 G 蛋白选择性的关键残基以及赋予内在的、不依赖激动剂的活性的结构特征。虽然 β2-AR 仅占心脏总 β-AR 群体的约 20–30%，但其对心脏功能仍然重要。β2-AR 通常被认为在血管系统中更为重要，而 β1-AR 介导了大多数心脏的交感神经和变力效应。这一区分可由配体亲和力和受体定位的差异来解释。最近的研究显示 β2-AR 与局部 cAMP 偶联，而 β1-AR 似乎激活更广泛的 cAMP 池，这可能引起对兴奋-收缩偶联机制（如肌钙蛋白 I 和受磷蛋白）的 PKA 介导激活的不同模式。此外 β2-AR 已知通过非经典不依赖 G 蛋白的通路进行信号传递。例如 β2-AR 以激动剂依赖的方式直接抑制 Na+/H+ 交换调节因子（NHERF），从而解除对交换器的抑制，并调节 L 型钙通道活性。这些非经典通路的功能意义表明 β2-AR 可能主要通过不依赖 cAMP 的过程介导其温和的变力效应。虽然 β1-AR 仅与 Gαs 偶联，但 β2-AR 已显示可同时与 Gαs 和 Gαi 偶联，从而允许在不同情况下对心脏功能进行对比性调控。Gαs 导致 PKA 激活，而 Gαi 信号降低 cAMP 水平、激活 MAPK 并刺激核转录。此外在大鼠心室肌细胞中已描述了 β2-AR 反应的年龄相关差异。

β2-AR 在心脏疾病中的作用（β2-AR in Cardiac Disease）

虽然 β1-AR 在 HF 期间被慢性下调，β2-AR 的表达水平并未显著变化，从而 β1- 与 β2-AR 的相对表达水平从约 80:20 移位到约 50:50。然而 β2-AR 信号传导的分子组分发生改变：GRK 介导的受体磷酸化增加导致 Gαs-AC 刺激减少并促进 Gαi 偶联。事实上 HF 产生特征性的 Gαi 表达水平两倍增加，通过消除经典 β-AR 信号介导负性变力反应。这些变化的结果是心脏 β-AR 功能反应性下降，即脱敏，其程度与 HF 的严重程度直接相关。有趣的是尽管有证据支持慢性 β1-AR 刺激的病理作用，β2-AR 现在被认为在 HF 期间发挥心脏保护作用。体外研究显示 β1-AR 激动剂刺激诱导显著的心肌细胞凋亡，而 β2-AR 刺激不仅抵抗凋亡，还能防止对缺氧、活性氧和慢性去甲肾上腺素暴露的凋亡反应——这些都是 HF 发病中的常见损伤。这种保护效应通过 Gαi 诱导的 PI3K（一种促存活激酶）激活所介导，因为 Gαi 或 PI3K 的抑制会掩盖抗凋亡反应。此外体内研究表明在相对较高的 β2-AR 表达水平下，缺乏病理的情况下心脏功能得到增强，这与先前描述的 β1-AR 转基因形成鲜明对比。重要的是，β2-AR 适度过表达（30 倍）能够恢复小鼠 HF 模型中的心肌收缩力并缓解心脏重塑，而 β2-AR KO 小鼠相比野生型对照显示增加的异丙肾上腺素诱导的心肌细胞凋亡和死亡率。

治疗策略：β2-AR 激动与联合治疗（Therapeutic Approach: β2-AR Agonism and Combination Therapy）

通过 β2-AR 的心脏保护证据日益积累，引发了对一种新型治疗策略的兴趣——选择性增强 β2-AR 信号同时抑制 β1-AR 信号。临床前研究已显示将 β2-AR 激动剂与 β1-AR 拮抗剂（即 β 受体阻滞剂）联合的治疗潜力，证明联合治疗相比任一单药在心肌梗死后长达一年的生存和心功能、重塑减弱、梗死面积减少以及心肌细胞收缩功能增强方面都有显著改善。此外长期的 β2-AR 激动与 β1-AR 阻断的联合显示了与目前标准方案（β 受体阻断加 ACE 抑制）在降低死亡率和病理性重塑方面相等或更优的疗效。由于比较疗效试验要求新疗法证明对现有治疗（即非安慰剂）更有效，这些令人鼓舞的临床前研究是关键的，并提示在标准 HF 治疗方案中加入 β2 激动剂改善临床结局的可能性。这也表明利用受体亚型差异可能是心血管药物开发中一种有前景的新方法。

clenbuterol 是一种具有强效合成代谢特性的 β2-AR 激动剂，已被显示能改善健康受试者的骨骼肌功能，并在 HF 大鼠缺血模型中减弱重塑。发现它能在整体心脏和细胞水平上通过影响细胞形态、兴奋-收缩偶联和肌丝对钙离子的敏感性而诱导生理性肥厚并改善左心室功能。虽然小型（n≈20）单中心临床试验表明终末期 HF 接受左心室辅助装置支持的患者结合最佳药物治疗和 clenbuterol 可能促进心肌恢复，但最近完成的多中心安全性试验结果不明确。

β2-AR 的药基因组学考虑与偏向激动（Pharmacogenomic Considerations and Biased Agonism）

β-AR 基因中的功能性多态性已与 HF 表型和与 β 受体阻滞剂的不同相互作用相关联。某些多态性增加心血管疾病的风险，而另一些则倾向于具有保护性。最近报道了 β2-AR 多态性对终末期 HF 患者运动能力、生存和结局的影响。HF 患者中 β2-AR 多态性（伴随/不伴随 β1-AR 多态性）显示出对 β 受体阻断的不同治疗反应，这些反应是激动剂和/或剂量依赖性的。因此 β2-AR 药基因组学可能为个体化医疗提供新方法。

类似于 β1-AR，"配体偏向"已在 β2-AR 上被证实，朝向 G 蛋白依赖和不依赖（即 β-arrestin）两条通路。β-arrestin 进而介导 GPCR 信号的非经典组分的支架作用，包括小 GTP 结合蛋白和 MAPK 级联成员。它也已被显示像 β1-AR 一样诱导 EGFR 反式激活。偏向信号的机制已在多种体外实验中被直接研究。激活 β-arrestin 介导的 MAP 激酶信号（即异丙肾上腺素和肾上腺素）的配体被证明能在近端 C 端尾部诱导独特的构象变化。此外使用突变 β2-AR 的细胞研究表明受体与 G 蛋白信号的解偶联和朝向 β-arrestin 激活的 ERK，提示造成信号偏向的独特构象排列。配体偏向现象加上 GPCR 的自然突变可以被利用于以针对这些受体的现有和新药进行靶向治疗。

9 心脏中的血管紧张素 II 受体（Angiotensin II Receptors in the Heart）

血管紧张素 II（Ang II）是肾素-血管紧张素系统（RAS）的主要效应激素，调节盐和水以调节血压。Ang II 刺激影响的生理和病理生理效应范围远超液体稳态，包括胎儿发育、血管张力、心室生长、纤维化、肥厚、凋亡和自噬等。通过其同源 GPCR，Ang II 激活多种胞内信号级联——具体取决于 Ang II 暴露的持续时间、被刺激的细胞类型以及配体-受体相互作用的功能选择性。靶向 Ang II 多效性作用的药物对许多心血管疾病的当前治疗至关重要。

心脏含有产生 Ang II 所需的 RAS 全部组分，意味着心脏功能受到局部产生和系统性 Ang II 的双重调控。一般而言，血管紧张素转换酶（ACE）主要负责将 Ang I 转换为 Ang II；在心脏中，许多局部 Ang II 由糜酶产生。血管紧张素代谢的前体和产物的生理效能表明 RAS 对心功能的影响远超过 Ang II 本身。已克隆出 Ang II GPCR 的两个亚型：AT1 和 AT2。AT1 亚型介导 Ang II 的大多数生理效应，进一步分为 AT1A（心脏中主要）和 AT1B——这两种亚型具有 95% 的序列同源性且功能上无法区分。Ang II 除了通过细胞膜上的 AT1R 发挥作用外，还能在较小程度上通过线粒体和细胞核上的 AT1R 发挥细胞内功能。AT2R 的发育调节表达提示其在器官发生中具有重要作用，并拮抗 AT1R 介导的促生长和细胞增殖反应。有趣的是，Ang II 信号还受到 Ang II 受体与 β 肾上腺素能、缓激肽和多巴胺受体的同源和异源二聚化的调节。此外 AT1R 与 5-HT2B 血清素受体的复合物在异丙肾上腺素刺激下在心脏成纤维细胞中形成，以旁分泌方式导致心肌细胞肥厚。这种受体相互作用可能允许单一药物对 Ang II 和 β 肾上腺素能受体的双重抑制，并可部分解释在 HF 治疗中交感神经系统或 RAS 阻断的疗效。

Ang II 信号通路（Ang II Signaling Pathways）

Ang II 受体存在于心脏组织的多种细胞类型中，包括心肌细胞、成纤维细胞、冠状动脉平滑肌细胞和内皮细胞。Ang II 与 AT1R 的结合激活多样化的胞内信号通路，其刺激的时空调控模式可能决定功能结局。AT1R 经典地与 Gαq 亚基偶联，激活磷脂酶 C 以产生 IP3 和 DAG，引起快速的胞内钙离子释放和蛋白激酶 C 各自激活。Ang II 还以 G 蛋白依赖方式刺激磷脂酶 D 和磷脂酶 A2。在心脏中，急性 Ang II 刺激触发的这些信号通路的净效应是血管平滑肌的收缩和心肌的正性变力和变时作用。

对心脏中 Ang II 暴露的延展性反应包括细胞生长、黏附、纤维化、肥厚、存活、运动和细胞外基质沉积。AT1R 与受体酪氨酸激酶（如 EGFR 和血小板衍生生长因子）和非受体酪氨酸激酶（如 c-Src、黏着斑激酶和 Janus 激酶）之间的交叉对话以及 MAPK 的激活，似乎复杂地参与了这些过程。或许最引人注目的是，不同 Ang II 信号通路可能在不同细胞类型中占主导。例如，Ang II 通过 Gαi 蛋白的 Gβγ 亚基的激活以及下游 Src 和 ERK 的刺激，诱导心脏成纤维细胞增殖；在心肌细胞中，Ang II 通过 Gαq 和 PKC 激活 ERK（独立于酪氨酸激酶）刺激肥厚；在平滑肌细胞中，两条信号通路可能都活跃，导致增生和肥厚。

G 蛋白偶联受体激酶（GRK）、G 蛋白信号调节因子（RGS）和 AT1R 相关蛋白（ATRAP）调节 AT1R 信号的持续时间和强度。在 GRK 的情况下，其传统功能是磷酸化激动剂占据的 GPCR，从而募集 β-arrestin 并使受体对进一步激活不敏感。越来越多的文献现在提示 β-arrestin 在被募集到各种 GPCR 时指导信号通路。类似于 β-AR，AT1R 胞质尾部上的丝氨酸或苏氨酸磷酸化模式可能决定募集何种 arrestin 亚型或其在结合时所采取的构象，从而决定所激活的信号通路。机械牵张甚至已被证明能够在缺乏 Ang II 或 G 蛋白激活的情况下激活 β-arrestin 介导的 ERK 激活。

Ang II 在心血管病理中的作用（Ang II in Cardiovascular Pathologies）

涉及 ACE 抑制剂和 Ang II 受体阻滞剂（ARB）的体内研究和临床试验指出 Ang II 活性在 HF 和心肌梗死相关功能障碍中的核心作用。事实上这些结果与以下观察相一致：增加的 RAS 参与高血压、HF 和动脉粥样硬化的发病机制，并与急性心肌缺血-再灌注损伤相关。在分子水平上，Ang II 刺激内皮细胞或血管平滑肌细胞引起的活性氧增加已与动脉粥样硬化或高血压相联系。Ang II 还似乎增强促炎细胞因子白介素-18 的效应，从而促进动脉粥样硬化。最后，纤维化、坏死、心肌细胞肥厚和心室重塑等病理性心脏后遗症被 Ang II 强力诱导。认识到 Ang II 既局部产生也系统产生，并且 AT1R 存在于全身多种器官中，Ang II 对心功能的贡献既包括直接效应也包括间接效应。复杂性更进一步，最近的数据提示一种源自血管紧张素的七肽 Ang 1-7 具有心脏保护作用，部分通过 Mas 受体进行信号传递。目前 HF 的药物疗法（包括 ACE 抑制剂和 ARB）升高血管紧张素-(1–7)的水平，该物质具有抗高血压、抗肥厚、抗纤维化和抗血栓特性，所有这些都可能在 HF 环境中是有益的。虽然 Ang 1-7 的药代动力学目前尚不理想，但它代表了心脏血管紧张素领域中可能具有治疗前景的另一个方向。仍有许多工作要做以有效理解 Ang II 信号相互关联的网络，希望改善心血管疾病的治疗。

10 血管紧张素与 β 肾上腺素能受体的协同效应与细胞间通讯（Cooperative Effects of Angiotensin and β-Adrenergic Receptors）

虽然心肌细胞历来在心脏相关研究中获得最多关注，最近对心脏成纤维细胞——心脏的主要支持细胞——在介导正常心脏功能和病理性重塑中的作用的认识日益增强，理解其在生理和病理条件下的功能和调控的兴趣也在激增。事实上成纤维细胞占心脏总细胞数的 60–70%。成纤维细胞对正常心脏功能至关重要，其作用范围从通过细胞外基质（ECM）产生维持心脏结构完整性到启动修复过程乃至电学偶联心肌细胞。重要的是成纤维细胞响应并整合来自各种刺激（包括激素、细胞因子和生长因子）的信号，并反过来分泌其自身的自分泌和旁分泌因子集合以适当调节成纤维细胞和心肌细胞的功能。然而在心脏损伤或侵害后，这种细胞间协调的通讯变得失调，导致病理性重塑和心力衰竭的加速。由心肌细胞和入侵的免疫细胞慢性上调和释放血管活性肽（如 Ang II、儿茶酚胺、激素和促炎细胞因子）引起的心脏成纤维细胞过度激活，诱导其释放各种 ECM 蛋白，引起胶原蛋白产生失调和间质纤维化，从而导致心室僵硬、电学异常、缺氧和心肌细胞凋亡。此外它们分泌的细胞因子，特别是单核细胞趋化蛋白 1（MCP1）、白介素-6（IL-6）、IL-1β、转化生长因子-β（TGF-β）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α），进一步加剧心肌细胞肥厚和炎性细胞浸润。这种细胞因子交叉对话在介导心脏病理中的参与已在各种共培养研究（其中在成纤维细胞或成纤维细胞条件培养基存在下心肌细胞肥厚增强）和体内研究（其中过表达各种促炎细胞因子显示病理后果）中得到证实。血浆细胞因子水平也已被显示是人类未来心力衰竭的预测因子。

β-AR 和 AT1R 介导成纤维细胞激活和病理性细胞间交叉对话（β-ARs and AT1Rs Mediate Fibroblast Activation and Pathological Intercellular Crosstalk）

各种研究已经暗示 GPCR 介导的信号传导（特别是来自 β-AR 和 AT1R 的信号）在促进驱动心脏重塑的心脏细胞释放细胞因子中的作用。例如人心脏成纤维细胞上 β2-AR 的异丙肾上腺素刺激引起成纤维细胞增殖增加以及促纤维化介质的产生和分泌，而新生大鼠心脏成纤维细胞的异丙肾上腺素处理增强了这些细胞产生的条件培养基在体外促进心肌细胞肥厚的能力。β-AR 介导的成纤维细胞活性的机制包括 MAPK 激活以及 EGFR 的反式激活。有趣的是对比研究显示成纤维细胞中 GRK2 水平升高减弱 β-AR/cAMP 介导的对肌成纤维细胞形成和胶原合成的抑制，提供了心脏 GRK2 抑制的另一个可能益处。相反细胞因子本身已被显示负向调节肾上腺素能效应。有趣的是过表达 TGF-β 的小鼠被发现 β-AR 表面表达增加同时 GRK2 和 Gαi 水平平行降低，产生 β-AR 信号增强，可能促成 HF 进展特征的慢性肾上腺素能输入。这些发现可能部分解释 β 受体阻滞剂的治疗效能。

同样，AT1R 在体内的持续刺激引起心脏重塑和功能障碍。各种研究直接牵涉血管紧张素介导的细胞因子产生（通常通过 MAPK 激活）驱动心脏病理。在 Ang II 上调的众多细胞因子中，成纤维细胞中 IL-6 和 TGF-β 的诱导和分泌似乎对介导心肌细胞肥厚反应以及成纤维细胞的胶原产生和纤维化特别重要。最近肾上腺素能和 AT1R 之间的受体交叉对话已被牵涉到病理性细胞间通讯中：成纤维细胞的肾上腺素能刺激已被显示引起 Ang II 的产生，然后以自分泌方式作用于 AT1R 和 5-HT2B 血清素受体的复合物以诱导促肥厚的细胞因子释放。这种受体交叉对话可能部分解释联合 ACE 抑制剂/β 受体阻滞剂治疗相比任一单药治疗的增强疗效。

治疗策略：抑制病理性细胞间交叉对话以减弱心脏重塑（Therapeutic Approach: Inhibition of Pathological Intercellular Crosstalk for Attenuation of Cardiac Remodeling）

鉴于心肌细胞-成纤维细胞通讯在心脏重塑中的作用，已尝试通过靶向介导其通讯的各种细胞因子来调节这种细胞间交叉对话。尽管在动物 HF 模型中（特别是 TGF-β 和 TNFα）细胞因子抑制在减弱心脏重塑、改善心肌功能和增加生存方面取得了成功，但这些效应常常是时间依赖性的，在临床试验中关于慢性 HF 患者的临床结局、住院率和死亡率方面不成功。细胞因子靶向作为治疗策略的挑战在于这些信号分子内在的复杂性。由于细胞因子的普遍性质及其在调控各种局部和系统生理效应中的作用，在没有不期望的副作用或毒性效应的情况下以组织特异和时间依赖的方式抑制其功能是一项艰巨任务。此外心脏重塑的复杂性质以及众多相互作用细胞因子和激素的参与很可能使任何单一细胞因子的抑制都不足以中断该过程。需要更精细的靶标来增强对心脏组织特异性重塑的特异性和有效性。阐明各种心脏细胞类型之间的信号和相互作用无疑将提供减弱或预防不良心脏重塑以及干预心功能障碍和衰竭进程的新机会。

除 β-AR 和血管紧张素受体外，心脏还包含一组额外的 GPCR 协同工作以调控心脏功能和行为。表 8.1 列出了心脏中一些更具功能相关性的 GPCR（即 α 肾上腺素能、腺苷、内皮素和毒蕈碱受体）的生理和病理生理特征，下文将分别描述各受体亚型在正常生理以及心肌肥厚和 HF 中的相关性。

11 其他心脏 GPCR（Other Cardiac GPCRs）

α 肾上腺素能受体（α-AR）——α1-AR 或 α2-AR——在被内源儿茶酚胺（NE 和 Epi）刺激时产生不同的心血管反应。心肌细胞 α1-AR 调节心脏对交感神经末梢释放的 NE 的反应，而 α2-AR 局限于突触前神经膜上。突触 NE 浓度升高结合突触前 α2-AR 以通过负反馈环减弱儿茶酚胺释放。

α1-AR

α1-AR 有三个不同亚型：α1A、α1B 和 α1D。心肌细胞（而非成纤维细胞）表达 α1A 和 α1B（β > A），而 α1D 表达于冠状动脉。所有受体亚型被 NE 和 Epi 激活并被合成的 α1 拮抗剂哌唑嗪阻断。α1-AR 与 Gαq/磷脂酶 Cβ 通路偶联以生成 IP3 和 DAG。IP3 介导的钙离子释放在血管平滑肌中引起主要的血管收缩效应，在心脏中引起弱的正性变力反应。DAG 和钙离子激活的 PKC 是增殖信号的重要调节因子。α1B 亚型也可能与 Gαi 偶联。心脏 α1-AR 还能调节 L 型钙通道、钾通道、间隙连接和 Na+/K+-ATP 酶，对心脏生理产生不同效应。

虽然 α1-AR 在非衰竭人类心脏中占总 AR 结合的 2–23%，这在衰竭心肌中增加到 9–41%。这可能是一种适应性反应，因为来自啮齿类动物和人类的洞察提示 α1-AR 介导保护性作用。使用非选择性 α1 阻滞剂 doxazosin 或交感神经切除术的临床试验揭示 HF 发生率增加和因全身性 NE 显著减少而引起的有害效应。此外 α1-AR 刺激可在体外和体内引发缺血预处理并改善 HF 中的心肌功能。体内 α1A 心脏转基因显示增强的收缩力和无肥厚的心脏保护，即使在高过表达水平下也是如此。可能的保护机制包括 ERK、PKC、腺苷释放增加和抗凋亡蛋白的上调。α1-AR 也可能与 β1-AR 交叉对话以通过钝化 β1-AR 对异丙肾上腺素的反应来调节心肌的变力状态。α1A 和 α1B 双基因缺失损害断奶后的发育性肥厚并恶化压力过负荷 HF。这与 β-AR 双敲除小鼠形成鲜明对比——后者没有明显的发育表型并改善压力过负荷肥厚。腺病毒重建 α1A（而非 α1B）通过 ERK 激活挽救了双敲除小鼠的表型。已报道核定位 α-AR 的新兴作用。总之 α1A 介导心脏保护而 α1B 刺激发育性和 α1 诱导的心脏肥厚。α1D 主要参与血管收缩和血压维持。α1-AR 增强强调了其在包括急性心肌缺血和慢性收缩性 HF 在内的心脏疾病中的有益临床应用。未来研究需要阐明 α1A 和 α1B 亚型在这些病理中的角色并确定可能治疗益处的特异性。

α2-AR

α2-AR 亚型包括 α2A、α2B 和 α2C。α2-AR 与 Gαi 偶联，导致腺苷酸环化酶失活和 cAMP 产生减少。功能性研究主要集中于 NE 释放入突触间隙的突触前抑制。这起到调节肾上腺素能驱动增加期间过量 NE 释放的负反馈机制作用。选择性急性刺激突触前 α2-AR 引起全身血管阻力和心输出量降低、心肌变力反应降低和心率抑制。抗高血压药物可乐定是非选择性 α2-AR 激动剂的一个例子。不幸的是慢性 α2-AR 刺激的临床试验显示 α2-AR 儿茶酚胺反馈抑制的脱敏导致较差的心脏结局。类似于这些发现，α2-AR 的基因组缺失破坏儿茶酚胺释放的反馈抑制，引起严重 HF。事实上我们实验室和其他人描述的 Gβγ 抑制剂可能通过抑制 α2-AR 脱敏恢复对儿茶酚胺释放的负反馈从而获得部分有益效应。

腺苷（嘌呤能）受体（Adenosine (Purinergic) Receptors）

腺苷是一种源自 5'-AMP 或由 s-腺苷高半胱氨酸代谢产生的嘌呤能激动剂，通过膜结合的 A1、A2a、A2b 和 A3 受体调节细胞反应。A1 和 A3 亚型的腺苷信号激活 Gαi 通路，抑制 cAMP 产生。相反 A2a 和 A2b 受体与 Gαs 偶联以刺激 cAMP 产生。A1 和 A2a 亚型的不同反应可能限制心脏过度刺激，将代谢能力与肾上腺素能驱动相匹配。A1 受体通常被认为是心脏保护性的，限制凋亡和梗死面积，并改善再灌注后心室功能的恢复。腺苷通过百日咳毒素敏感 G 蛋白依赖的对各种离子通道（包括钾通道 IKAch）的调节减慢 SA 和 AV 节点传导。鉴于其强大的电生理作用，各种 A1 受体激动剂（如 tecadenoson 和 selodenoson）已被尝试作为室上性心动过速和心房颤动的抗心律失常治疗。此外腺苷本身已被用作终止阵发性室上性心动过速的有效抗心律失常药。A2a 和 A2b 受体在内皮和血管平滑肌细胞中表达。这些受体在缺血期间通过诱导冠状血管舒张、增加氧供和抑制自由基介导的细胞损伤而具有心脏保护作用。然而小鼠 A2a 受体缺失导致冠状 A2b 受体表达代偿性增加并因此引起冠状血管舒张。考虑到腺苷受体的血管调节特性，腺苷激动剂已被暗示为心肌缺血期间的潜在治疗手段。

内皮素受体（Endothelin Receptors）

内皮素（ET）是一类首先从内皮细胞中分离出来的肽类血管收缩剂。内皮素-1（ET-1）是最强效的血管收缩剂，存在于心肌细胞中，而 ET-3 介导内皮细胞释放一氧化氮，ET-2 表达于卵巢和胃肠道细胞中，对心血管系统无可识别作用。促进 ET-1 产生的因素包括凝血酶、Epi、Ang II、炎性介质和缺氧。内皮素产生被一氧化氮、前列腺素（通过 cGMP）和利钠肽（通过 cAMP）所抑制。ET 受体的两个亚型 ETA 和 ETB 可通过对三种 ET 同种型肽的亲和力来区分：ETA 对 ET-1 选择性（ET-1 ≥ ET-2 > ET-3），而 ETB 对所有 ET 表现出相似的亲和力。血管平滑肌细胞和心脏中的 ETA 受体与 Gαq 偶联引起磷脂酶 C 激活和 IP3 与 DAG 形成，但也可与 Gαs 偶联以激活 cAMP 和 PKA。ETA 受体分别介导血管收缩和心脏及血管中的心肌收缩力增加。相反 ETB 受体同时与 Gαi（通过减少 cAMP 形成引起血管舒张）和 Gα13（诱导应力纤维形成）偶联。ET-1 水平升高促成动物 HF 模型中血管阻力增加、心肌炎症、心室和血管重塑以及心律失常发生。ET-1 水平与充血性 HF 患者的血流动力学损害和症状严重程度相关。因此虽然 ET-1 受体拮抗剂在肺动脉高压和实验性 HF 中证明有益，但临床试验大体上未能证明任何 HF 益处。

毒蕈碱受体（Muscarinic Receptors）

心脏的副交感迷走神经控制通过神经递质乙酰胆碱被毒蕈碱受体（主要是毒蕈碱受体 2，即 M2）转导。所有五种毒蕈碱受体（M1–M5）都被乙酰胆碱刺激激活，然而 M2 是心肌细胞中主要的毒蕈碱受体并在 SA 和 AV 节点细胞中高度表达。虽然大多数毒蕈碱受体与 Gαq 偶联，M2 受体激活 Gαi 通路，导致胞内 cAMP 产生减少以及在房室组织中的负性变时和变力效应。M2 刺激还导致心房心肌细胞和某些 Purkinje 纤维中内向整流钾通道的激活，对心脏产生负性变时和变力效应。然而由于突触间隙内乙酰胆碱酯酶的存在，这些效应是高度瞬时的。毒蕈碱受体在调节和调控心脏兴奋和收缩中发挥主要作用。体内注射毒蕈碱激动剂 carbachol 在 M2 激活后显示心率下降而不影响基础收缩性。有趣的是人类研究显示乙酰胆碱输注不改变基础收缩性，但防止 β-AR 刺激诱导的收缩力增加。虽然在疾病状态下未显示总毒蕈碱受体密度的变化，但 M2 受体在人类 HF 中被特异地上调。

M1、M4（不存在于心脏中）和 M5 的作用尚不明确。虽然 M3 似乎对心脏没有效应，但在血管平滑肌细胞和内皮细胞中具有重要的差异性效应。乙酰胆碱对平滑肌中 M3 的激活由于磷脂酶 C 通路的激活引起血管收缩。然而这种效应被乙酰胆碱对内皮细胞中 M3R 作用介导的一氧化氮生成和随之而来的血管舒张所掩盖。此外 M3 受体表达在 HF 期间被上调，被认为导致心房颤动。

12 GPCR 药物靶向的未来（The Future of GPCR Drug Targeting）

心血管 GPCR 是药理学靶向最多的一类心血管膜受体，占一些目前最有效的心脏病治疗手段。然而心血管疾病仍然是全球发病率和死亡率的主要原因，凸显了新型疗法的迫切需要。由于 GPCR 家族超过 800 个成员中只有约 30 个是当前上市药物的靶标，因此具有惊人的扩展该药物发现领域的潜力，最近的进展使针对 GPCR 的合理药物设计更加可行和有前景。最近成功结晶了多个新的 GPCR（包括 β2-AR），这是显著的前进一步，提供了高分辨率的结构信息，将有助于深入了解受体激活机制、配体选择性和结构-功能关系。结合诸如计算机内筛选、高通量筛选以及同源性和从头建模等技术，结晶将允许特定地绘制配体结合位点图谱并发现和优化 GPCR 靶向激动剂和拮抗剂以调控多种疾病状态中的 GPCR 功能。此外心脏中约 200 个 GPCR 中约三分之一是"孤儿"受体，没有已知配体，为新药发现提供了充足机会。更深入理解配体与受体之间的结构-活性关系、受体激活期间发生的构象变化以及 GPCR 功能的调控，结合计算机辅助药物发现技术的加速进展，无疑将促成具有更高特异性和亲和力且可能具有更少不期望的靶上和脱靶效应的 GPCR 靶向药物的创造。进一步而言，期望对各种细胞类型中受体下游整合信号传导的复杂网络的阐明以及 GPCR 信号新方面的靶向将有助于定义下一代心血管疗法。

本章个人批注

这一章内容密度极大且非常典型地代表了分子药理学综述文章的写法——把受体、信号通路和疾病治疗机会以"家族+亚型+机制+疗法"的方式分块呈现。我在阅读时主要留意到几个点：

第一，作者反复强调 β1-AR 慢性激活如何从适应变为病理，这点跟前面离子通道章节形成对比。Ch07 描述的是电生理的快速调节（毫秒-秒级），本章则是分钟-小时-天-月的时间尺度上交感驱动和 G 蛋白信号如何重新编程心肌细胞。两个时间尺度的耦合是 HF 进展的核心。

第二，"biased agonism"的概念令人印象深刻。同一个受体，根据配体诱导的构象，可以选择性地激活 G 蛋白通路或 β-arrestin 通路，结局可能完全相反（β1-AR 通过 G 蛋白促凋亡 vs. 通过 β-arrestin/EGFR 反式激活保护）。这意味着传统药理学的"激动 vs 拮抗"二分法在 GPCR 上可能过于粗糙，未来 carvedilol 等"老药"可能通过偏向激动机制解释其超出单纯 β 阻断的疗效。

第三，"受体异二聚化"和"细胞间旁分泌"两层网络化机制特别值得记住：AT1R/5-HT2B 二聚体、β-AR 介导 Ang II 自分泌等。这些不是教科书常强调的内容，但对理解为什么 ACE 抑制剂 + β 阻滞剂联合比单药好提供了机制。

第四，GRK2 的中心地位。GRK2 上调解释了为什么 β1-AR 在 HF 中表面密度下降 50%，而 βARKct（GRK2 抑制剂肽）能在多种动物模型中改善心功能——这是一个从分子机制跨越到基因治疗的概念验证。

最后我承认对几个细节仍需要后续查阅原文献才能完整把握：(a) CaMKII 慢性 β-AR 信号从 PKA 切换到 CaMKII 依赖的具体机制仍不清楚（cAMP-Epac-PKCε-CaMKII 通路的具体接口）；(b) β-arrestin 偏向配体进入临床的具体障碍是什么；(c) 药基因组学方面，非裔美国人 Leu41 vs Gln41 的功能数据规模有限。这些可放入 questions.md。

与上下章的衔接（一段话）

Ch07 处理了心脏电生理的快速事件——单细胞动作电位的离子基础（毫秒级事件）。本章 Ch08 把时间尺度拉长到分钟、小时乃至终生的时间尺度，引入了 G 蛋白偶联受体作为整合胞外信号（神经、激素、细胞因子）到胞内反应的"翻译器"，特别强调了慢性 β-肾上腺素能驱动在 HF 进展中如何从适应变为适应不良。Ch07 谈的是电流，Ch08 谈的是慢性信号网络；两者共同构成了"电+化学"双层调控框架。下一章 Ch09 紧接本章的受体信号话题但切换主角：受体酪氨酸激酶（RTK）——和 GPCR 平行但走不同下游（PI3K/Akt、MAPK、STAT），将进一步丰富心脏信号通路的版图。本章末尾对"非心肌细胞"在心脏病理中角色的强调（成纤维细胞、细胞因子网络）也是过渡到 Ch10 "细胞间通讯：心肌细胞因子作为分子社交网络媒介"和后续 Ch11/Ch12（钙稳态与兴奋-收缩偶联）的桥梁——所有这些后续章节都将在本章建立的受体信号框架上展开。