第 85 章：G 蛋白偶联受体与平滑肌（G-Protein-Coupled Receptors in Smooth Muscle）

引言（INTRODUCTION）

平滑肌（smooth muscle）广泛分布于体内，呈现高度的功能特化。平滑肌细胞调控血管、胃肠道、支气管、泌尿生殖系统及子宫等大多数空腔器官壁的张力与运动。除此之外，平滑肌细胞还存在于瞳孔直径控制、体毛运动等许多其他部位，承担非常特异的功能。与心肌、骨骼肌功能相对均一的特性不同，平滑肌功能的巨大多样性要求其受到多种不同的介质调控。这些介质中的大多数局部或系统性地作为激素发挥作用，或作为神经末梢释放的递质作用于平滑肌组织。调控平滑肌收缩性的绝大多数介质均通过 G 蛋白偶联受体（G-protein-coupled receptors, GPCR）发挥作用——GPCR 是高等生物中最大、也是最多样的受体系统。

哺乳动物基因组编码约 400 种非嗅觉型 GPCR，可被特定的激素、神经递质或其他介质激活。一旦 GPCR 被配体激活，便与异三聚体 G 蛋白偶联，进而调控一种或多种效应子，如第二信使生成酶或离子通道。这种 G 蛋白介导的信号系统的模块化结构，是 GPCR 系统功能多样性的基础。G 蛋白至少包含四个基本家族，依其 α 亚基分别定义为 Gs、Gi/Go、Gq/G11、G12/G13。每一 G 蛋白家族在通过 GPCR 激活后调控特定的效应子，已激活的受体与 G 蛋白亚型的特定子集偶联。此外，G 蛋白 βγ 复合物也参与下游信号过程的调控，通过调节多种效应蛋白发挥作用。在平滑肌细胞中，受体与特定 G 蛋白亚家族的偶联决定了受体激动剂诱导平滑肌张力增加还是减少。

典型的经 GPCR 起作用的平滑肌舒张性激动剂，将激活与 G 蛋白 Gs 偶联的受体；Gs 进一步刺激腺苷酸环化酶（adenylyl cyclases）的活性，从而介导胞内 cAMP 浓度的升高。与之相反，介导平滑肌细胞收缩的 GPCR 通常与 Gq/G11 家族 G 蛋白偶联，将受体与磷脂酶 C 的 β 亚型（β-isoforms of phospholipase C）连接起来，导致二酰甘油（diacylglycerol，蛋白激酶 C 的激活剂）和 1,4,5-三磷酸肌醇（inositol-1,4,5-trisphosphate，从胞内钙库释放 Ca²⁺ 的信使）的形成。许多诱导收缩的受体还与 G12/G13 家族 G 蛋白偶联，通过 Rho 鸟苷酸交换因子（Rho guanine nucleotide exchange factors, RhoGEF）将受体连接到小 GTP 酶 RhoA 的激活上。一些介导平滑肌收缩的受体也偶联至 Gi/Go 型 G 蛋白，介导腺苷酸环化酶的抑制，从而拮抗与 Gs 偶联受体的活性。简言之，介导平滑肌张力的 GPCR 通过四种主要 G 蛋白家族（Gs、Gi/Go、Gq/G11、G12/G13）控制收缩与舒张之间的平衡。

G 蛋白偶联受体（G-PROTEIN-COUPLED RECEPTORS）

GPCR 系统可被划分为四大主要 G 蛋白家族：Gs、Gi/Go、Gq/G11、G12/G13。每一家族在通过 GPCR 激活后调控特定的效应子，受体与 G 蛋白亚型的特定子集偶联。G 蛋白 βγ 复合物则通过调节多种效应蛋白参与下游信号过程的调控。在平滑肌细胞中，受体与特定 G 蛋白亚家族的偶联决定了激动剂诱导的是平滑肌张力的增加还是减少。G 蛋白信号系统的模块化结构是 GPCR 系统功能多样性的基础。

典型介导平滑肌舒张的 GPCR 与 Gs 偶联。Gs 激活腺苷酸环化酶，提升胞内 cAMP 浓度。介导收缩的 GPCR 则与 Gq/G11 偶联，将受体与磷脂酶 C β 亚型连接，导致二酰甘油的形成（激活蛋白激酶 C）以及 1,4,5-三磷酸肌醇的形成（从胞内钙库释放 Ca²⁺）。许多收缩性受体还与 G12/G13 偶联，借 RhoGEF 将受体与小 GTP 酶 RhoA 的激活相连接。此外，部分收缩性受体也偶联至 Gi/Go 型 G 蛋白，介导腺苷酸环化酶的抑制，从而拮抗 Gs 偶联受体的活性。本节在总体层面回顾了哺乳动物 GPCR 与 G 蛋白家族的多样性，并说明偶联特异性如何决定平滑肌张力的方向性变化。

介导平滑肌收缩的 G 蛋白信号通路（G-Protein-Mediated Signaling Pathways Mediating Smooth Muscle Contraction）

肌球蛋白轻链（myosin light chain, MLC）的磷酸化是平滑肌细胞收缩控制中的核心过程。Ca²⁺-钙调蛋白激活的肌球蛋白轻链激酶（MLCK）磷酸化 MLC，而 MLC 的去磷酸化由肌球蛋白轻链磷酸酶（MLCP）催化。Ca²⁺ 是 MLCK 活性的主要调节者，MLCP 的调节则以非 Ca²⁺ 依赖方式进行。GPCR 增强平滑肌收缩的经典通路起始于受体与 Gq/G11 家族 G 蛋白的偶联。Gq/G11 的激活使磷脂酶 C β 亚型活性增加，生成 1,4,5-三磷酸肌醇并从胞内钙库释放 Ca²⁺。Ca²⁺ 与钙调蛋白共同激活 MLCK，使 MLC 磷酸化并增加平滑肌张力。

在多种平滑肌类型中，已有证据表明：导致 MLCK 激活的 Ca²⁺ 并非完全来自胞内钙库，也可经由特定阳离子通道跨膜流入。这由以下事实强力支持：多种平滑肌细胞类型的 GPCR 介导的收缩可被 L 型 Ca²⁺ 通道的阻断或编码 L 型 Ca²⁺ 通道成孔亚基的基因的遗传失活所抑制。L 型 Ca²⁺ 通道的开放源于平滑肌细胞的去极化，可由 GPCR 依赖的瞬时受体电位（transient receptor potential, TRP）通道等阳离子通道的激活诱导。

在上述依赖于 Ca²⁺、经 MLCK 激活引发 MLC 磷酸化的经典通路之外，平滑肌细胞内还存在一条与之并行的、不依赖于 Ca²⁺ 的通路，将 GPCR 与肌球蛋白磷酸酶的调节相连接。该通路涉及小 GTP 结合蛋白 RhoA。RhoA 激活后刺激 Rho 激酶（Rho kinase）活性；Rho 激酶进一步磷酸化并抑制肌球蛋白磷酸酶。已有研究表明：G12/G13 蛋白将受体与平滑肌细胞内的 Rho/Rho 激酶通路相连接。G12 和 G13 的 α 亚基能结合特定 RhoGEF 蛋白，刺激活性 RhoA 的形成，从而激活 Rho 激酶活性。其中 RhoGEF 蛋白 LARG 已被证实在体内将血管平滑肌细胞的 G12/G13 偶联至 Rho/Rho 激酶通路。在若干情形下也有证据显示激活的 Gq/G11 可诱导 RhoA 的激活。Gq/G11 介导 Rho/Rho 激酶通路激活可能涉及多种机制。Gq/G11 的 α 亚基可直接调节 p63 RhoGEF 或 LARG 等 RhoGEF 蛋白的活性。然而也存在间接机制将 Gq/G11 与 RhoA 激活相连接，例如近来在血管平滑肌细胞中描述的、依赖于 Ca²⁺ 和 Jak2 的 p115 RhoGEF 刺激——经血管紧张素 II（AT1）受体启动。

多种介导平滑肌收缩的 GPCR 也偶联至 Gi/Go 家族 G 蛋白。Gi 型蛋白激活对激动剂收缩反应的贡献机制尚未完全清楚。在某些平滑肌系统中，Gi 激活可导致大量自由 G 蛋白 βγ 亚基释放，这些 βγ 亚基进而激活磷脂酶 C β 亚型，引发胞内 Ca²⁺ 浓度的增加——与 Gq/G11 激活后的事件类似。激活的 Gi/Go 型蛋白直接抑制腺苷酸环化酶，导致胞内 cAMP 水平降低，从而促进平滑肌张力的增加。

介导平滑肌舒张的 G 蛋白信号通路（G-Protein-Mediated Signaling Pathways Mediating Smooth Muscle Relaxation）

平滑肌细胞的舒张由环核苷酸 cAMP 和 cGMP 浓度的增加所介导。cGMP 由鸟苷酸环化酶生成，虽不受 GPCR 控制，但 cAMP 的形成源自与 Gs 偶联受体对膜结合腺苷酸环化酶活性的刺激。已描述了多种 cAMP 诱导平滑肌舒张的机制。此过程的主要介质为蛋白激酶 A（PKA）和蛋白激酶 G（PKG），两者均可被 cAMP 激活。PKA 和 PKG 通过多种机制抑制 GPCR 介导的平滑肌收缩，这些机制既影响 Gq/G11 介导的 Ca²⁺ 依赖通路，也影响非 Ca²⁺ 依赖的 Rho/Rho 激酶介导信号通路。

PKA 和 PKG 均可抑制 GPCR 介导的 IP3 形成。cAMP/cGMP 依赖激酶在平滑肌细胞中降低 IP3 形成的主要机制之一，是磷酸化并激活 RGS4（regulator of G-protein signaling 4），从而导致 G 蛋白 Gq/G11 的快速失活、PLC-β 活性以及 IP3 形成的抑制。此外，PKA 通过激活 K⁺ 通道减少 Ca²⁺ 内流，导致平滑肌细胞超极化。PKG（而非 PKA）能磷酸化 IP3 受体的特定同工型，抑制 IP3 受体介导的胞内钙库 Ca²⁺ 释放。PKA 和 PKG 也干扰 Rho/Rho 激酶通路及随后发生的肌球蛋白磷酸酶活性抑制。PKA 和 PKG 能直接磷酸化并灭活 RhoA，从而消除 Rho 激酶的激活。此外，肌球蛋白磷酸酶似乎是 PKG 和 PKA 的重要靶点，两种激酶均可磷酸化肌球蛋白磷酸酶，防止 Rho 激酶依赖性磷酸化对酶的抑制；然而该机制在体内是否运行尚不明确。另外已有报道激活的 PKG 可与肌球蛋白磷酸酶相互作用并激活该酶。Rho 激酶介导的肌球蛋白磷酸酶磷酸化的抑制，以及肌球蛋白磷酸酶的激活，均导致 MLC 去磷酸化的增加以及平滑肌细胞的舒张。也有证据显示，Gs 偶联受体的激活可通过非 cAMP 通路诱导平滑肌舒张，该通路在某些情形下涉及对 Ca²⁺ 激活 K⁺ 通道的调节，然而其确切机制尚未阐明。

经 G 蛋白偶联受体调控的其他平滑肌功能（Other Smooth Muscle Functions Regulated through G-Protein-Coupled Receptors (Migration, Differentiation, etc.)）

GPCR 不仅参与平滑肌张力的调节，在调控平滑肌迁移与分化等其他细胞过程中也扮演重要角色。平滑肌细胞与多数其他分化细胞不同，保留了响应特定刺激而调整其表型的能力。平滑肌细胞的收缩表型以若干编码收缩性及细胞骨架蛋白的基因协调表达为特征。在某些条件下（如血管损伤后新生内膜形成或晚期动脉粥样硬化期间），该基因表达模式将切换为细胞外基质形成增加，同时平滑肌细胞增殖。已有证据显示 GPCR 启动的信号通路在平滑肌细胞的分化与去分化过程中具有关键作用。偶联至 Gq/G11 和 G12/G13 G 蛋白家族的受体倾向于促进收缩性基因的表达并刺激平滑肌细胞分化。其下的信号事件包括不同 MAP 激酶的激活、活性氧的生成或 RhoA/Rho 激酶通路的刺激。

平滑肌细胞的迁移是中空器官（如血管）发育中的基本过程，也可在成体中诱导，例如发生去分化之后。细胞（包括平滑肌细胞）的迁移依赖于若干有序的事件：肌动蛋白丝网络的重组、黏着斑的解体与重建，以及肌球蛋白-肌动蛋白马达（actomyosin motor）的收缩。多种 GPCR 参与这些过程。血管紧张素 II、凝血酶或溶血磷脂等 GPCR 偶联至 Gq/G11、G12/G13、Gi/Go 家族 G 蛋白，能通过各种胞内信号过程刺激平滑肌细胞迁移。因此，通过激活不同的异三聚体 G 蛋白，GPCR 能激活一张错综复杂的信号网络，主要包括 MAPK 级联反应、活性氧的形成以及与不同酪氨酸激酶的交叉对话，从而在平滑肌细胞中引发迁移、增殖、分化等多种细胞效应。

参与平滑肌细胞功能调控的 G 蛋白偶联受体（G-PROTEIN-COUPLED RECEPTORS INVOLVED IN THE REGULATION OF SMOOTH MUSCLE CELL FUNCTION）

多种 GPCR 参与平滑肌调控（表 85.1 和表 85.2）。特定的平滑肌类型通常表达多种不同的 GPCR，从而整合神经递质以及局部与系统性体液因子的多重影响。血管与气道平滑肌器官是被研究得较为充分的实例，它们受到多种不同 GPCR 所感知的调控影响。许多受体的表达局限于特定器官系统的特定平滑肌类型中，在那里介导特定激素或递质对平滑肌收缩的器官特异性调控。然而也存在广泛表达于不同器官平滑肌组织中的 GPCR。由于多数平滑肌器官受自主神经系统控制，多数平滑肌细胞表达肾上腺素能受体，许多也表达毒蕈碱受体。其他生物胺受体，如血清素与组胺受体，也见于许多平滑肌细胞。多数平滑肌细胞也具有响应经典局部介质（如腺苷、核苷酸、前列腺素类）的多种受体。亦有相当数量的肽类和脂质介质（如溶血磷脂酸和 1-磷酸鞘氨醇）作为 GPCR 配体调控平滑肌细胞等多种细胞类型，其受体亚型较新近才被鉴定。

经 GPCR 的平滑肌功能药理调控（PHARMACOLOGICAL REGULATION OF SMOOTH MUSCLE FUNCTION THROUGH GPCRS）

平滑肌张力失调集中参与多种疾病的病理过程。例如，心血管疾病（如冠心病或动脉性高血压）因血管张力增加而加重；胃肠道疾病（如腹泻或便秘）与胃肠道平滑肌对蠕动的调控密切相关。同样，阻塞性肺疾病，尤其是支气管哮喘，源于支气管平滑肌细胞张力的增加。GPCR 在特定平滑肌器官中表达特异性的广泛多样性，使它们成为干扰器官特异性平滑肌功能的理想药物靶点。事实上，许多药物被开发为平滑肌细胞所表达 GPCR 的激动剂或拮抗剂，以调控其功能（表 85.3）。

结论（CONCLUSIONS）

平滑肌细胞具有相当大的异质性，依赖于它们所服务功能的器官系统。其主要作用是控制空腔器官（血管、支气管、胃肠道、泌尿生殖系统以及子宫等）的直径、壁运动与壁硬度。除多种肌源性调控机制外，平滑肌细胞的功能还受来自自主神经、相邻细胞或远端部位释放的外源刺激控制。诸多此类平滑肌调节物经 GPCR 发挥作用以调控平滑肌功能。尽管不同器官间 GPCR 介导的平滑肌张力调控的基本机制非常相似，但器官特异性平滑肌细胞对平滑肌调节物的敏感性可因特定器官平滑肌细胞所表达的受体亚型不同而显著变化。较新近的数据也表明，平滑肌细胞对器官损伤（典型结果是平滑肌细胞去分化以及迁移和增殖倾向增加）的反应，也受由平滑肌细胞所表达特定 GPCR 的多种局部介质调控。未来的工作将涉及更深入地理解 GPCR 在生理与病理生理条件下调控平滑肌功能所使用的下游信号机制；鉴定在病理生理条件下对平滑肌功能调控起关键作用的特定 GPCR；并最终利用这些知识开发新的药理策略，以干预导致常见疾病（如支气管高反应性、动脉性高血压、肠动力障碍）发生或进展的平滑肌功能改变。

本章个人批注

本章是 G 蛋白偶联受体在平滑肌中作用的总体性概览，结构上承接了 Ch82（谱系发育）和 Ch83（超微结构与收缩性）打下的细胞/分子基础，向下衔接 Ch86+ 各论性的受体与疾病章节。Wirth/Offermanns 在本章所采取的论述策略是非常"四家族化"：将整个 GPCR 介导平滑肌张力调控的逻辑全部压到 Gs、Gi/Go、Gq/G11、G12/G13 这四种 G 蛋白上展开，这种模块化处理使读者能直接看到 G 蛋白偶联类型与收缩/舒张方向性之间的对应关系。核心主线是 MLC 磷酸化平衡的两条路径——Ca²⁺ 依赖的 MLCK 激活 vs Ca²⁺ 不依赖的 RhoA/ROCK 介导的 MLCP 抑制——并把 Gq/G11、G12/G13、Gi/Go 各自的连接点（PIP2/IP3/Ca²⁺、RhoGEF/LARG/p115、βγ-PLC-β 间接通路）讲清楚。我对 LARG 介导 G12/G13-RhoA 这条通路的"双重耦合"（AT1 既经 Gq 又经 G12/G13）尤其感兴趣——这呼应了本书 Ch82 所述 SMC 表型可塑性背后的多通路并行机制。

与上下章的衔接（一段话）

本章在 Part IV 平滑肌部分的展开位置处于 Ch83（超微结构与收缩性）和 Ch84（离子通道）之后、Ch86+（受体各论与疾病）之前，承担"信号汇聚层"的角色。Ch83 给出了 MLC 磷酸化的生化装置（MLCK/MLCP、Ca²⁺ 来源、latch 桥），Ch84 给出了 Em 与电机械耦合的膜分子基础，本章则将这两条线上的信号事件系统地挂回到四类 G 蛋白的开关动作上——为后续章节中具体的受体-配体-疾病组合（如 Ch87/88 涉及血管/气道张力异常的受体药理）提供完整的耦合拓扑。本章末尾的表 85.1、85.2、85.3 实质上是把整本 Part IV 后半段的章节以受体为入口的索引交还给读者——这种"中心章节 + 多受体分支"的组织方式，是 Hill et al. 2012 在平滑肌部分采用的标志性编排策略。