摘要RGSs（regulators of G-protein signaling）是最近发现的G-蛋白信号转导的负调节子，大部分RGSs通过GAPs（GTPase activating proteins）方式发挥作用，RGS的作用具有高度特异性，在体内受到严密的调节。对RGS的深入研究有利于对信号转导调节的了解。

学科分类号Q7; R329.2

RGS and the Regulation of G Protein Signal Transduction

CHEN Xing-Yun,ZHOU yuan-Guo

(Molecular Biology Center, Research Institute of Surgery and DaPing Hospital,Third Military Medical University, Chongqing 400042)

AbstractRegulators of G-protein signaling(RGSs）are recently identified negative regulator of G-protein signaling, most of the RGSs act as GTPase activating proteins(GAPs）. RGSs can selectively act on Gαs and their effects are scrupulously regulated in vivo. It is believed that we can learn more about regulation of signal transduction from the development of research on RGSs.

Key words RGS；G-protein；GAP；Signal transduction

配体与细胞表面的G蛋白（Guanine nucleotide-binding protein）偶联受体结合，受体激活后刺激核苷交换和G蛋白α亚基和βγ亚基复合体解离，解离后的亚基激活多种效应器，从而引起生物化学和细胞生理的改变，这是生物体内普遍存在的一种信号转导机制。但机体如何调节信号转导的强度和持续时间以达到对刺激的最适反应？G蛋白信号转导调节子（regulators of G-protein signaling）是最近发现的细胞内GTP酶（GTPase）激活蛋白（GTPase activating proteins，GAPs），它可加速Gα水解GTP，从而限制G蛋白激活的强度和持续时间，调节信号转导过程。随着研究的深入，RGSs在信号转导过程中的作用越来越受到人们的重视。

一、G蛋白循环的激活与失活

激动剂与受体结合，引起受体结构改变，激活G蛋白，Gα亚基释放二磷酸鸟苷(GDP)结合GTP。GTP结合改变了Gα亚基三个“开关”(switch)区的结构，促使Gβγ解离^［1］，同时发生鸟嘌呤核苷交换。激动剂激活的受体可加速鸟嘌呤核苷交换，Gβγ结合减缓鸟嘌呤核苷交换。

失活需要Gα亚基结合的GTP水解，使Gα亚基易于与Gβγ亚基重新结合，阻断信号的进一步转导。GTP水解的重要性促进了对激活Gα亚基GTPase活性因子的研究，尤其是对GAPs的研究。效应器酶可以起这种作用：磷脂酶Cβ在体外可以刺激Gα的GTPase活性^［2］，cGMP磷酸二脂酶γ亚基刺激Gαt水解GTP（Arshavsky等.1992）。最近的研究发现，大部分RGS蛋白是Giα和Goα的GAPs。

二、RGS蛋白家族

Dohlman(1996)等最初发现，啤酒酵母RGS蛋白是G蛋白信号转导的负调节子。随着哺乳动物RGS蛋白与Gαi3相互作用的证实，RGS迅速引起了人们的重视。到目前为止，已经发现20种哺乳动物基因编码具有RGS核心区域的蛋白。通常情况下，这种120氨基酸的核心两端具有高度可变的臂，三者共同构成一个25kD的蛋白质分子^［3］。

RGS4和Gαi1-GDP·ALF^-₄晶体结构中^［3］，只有RGS的核心区域是可见的，已经证实该区域含有RGS4作用的所有元件^［4］，RGS4核心区包含一个典型的右手性反平行4-螺旋束，它与Gαi1的“开关”区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ相互作用。G蛋白的“开关”Ⅰ和Ⅱ区域残基与GTP的结合和水解密切相关，RGS4不提供与GDP或ALF^-₄直接作用的任何残基。但RGS4的保守天冬酰胺（Asn¹²⁸）残基可以在基础状态与水解的水分子或Gαi1的谷氨酰胺（Gln²⁰⁴）残基侧链相互作用，该残基确定方向并使过渡状态中催化反应的水极化，提示RGS4通过稳定过渡状态Gα蛋白结构中的“开关”区起GAP作用，降低激活的能量障碍；Asn¹²⁸可能通过与水或Gln²⁰⁴相互作用进一步促进水解。

Coleman^［5］等发现，在Gαi1*GppNHp的活性部位，一个水分子分别与Glu⁴³侧链和γ磷酸基的氧原子形成氢键。催化残基Gln²⁰⁴侧链的结构与GTP-和GDP*ALF^-₄复合物中的结构明显不同。氢结合和空间作用决定了Gln²⁰⁴的位置，它与亲核的水分子相互作用，呈现一种“自我抑制”状态，RGS可能部分是通过在Gln²⁰⁴占据的位置插入氨基酸侧链释放Gln²⁰⁴，破坏Gα的“自我抑制”状态而启动其GTPase活性。

三、RGS蛋白的作用方式

RGS蛋白是G蛋白信号转导的负调节子，在解离的Gα亚基、Gβγ亚基或以上水平发挥作用（不作用于以下水平）。最容易想到的是，RGS蛋白可能抑制GDP的解离而阻断G蛋白激活或激活GTP酶加速G蛋白失活。目前尚无支持前一种机制的证据，已发现的哺乳动物RGS蛋白大部分以GAPs的方式发挥作用。

（一)RGS蛋白的GAPs作用在无受体状态下，G蛋白水解GTP稳态的限速步骤是产物的释放（即GDP的解离）。要检测RGS对GTP水解的作用，必需绕过限速步骤或使其充分加速。第一种方法需要制备底物（GTP-Gα），在无Mg²⁺状态下孵育Gα蛋白和GTP，然后分别在无RGS和有RGS状态下加入Mg²⁺启动催化反应，通过典型的几秒或几分钟的时间过程监测GTP水解的一个循环。或者在磷脂囊内将G蛋白与受体重新偶联，通过加入受体激动剂加速产物降解，然后就可以测定GAP对GTP水解稳态的加速作用。

目前发现大部分RGS蛋白是Giα和Goα的GAPs^［6］。

（二)RGS蛋白的效应器拮抗作用如前所述，RGS4与Gαi1的“开关”区域结合。从理论上来讲，这些区域也参与了与效应器的结合，这种结合表面的接近或重叠提出了这样一种可能性：RGS蛋白能够与效应器竞争结合Gα。目前已经观察到RGS4可与磷脂酶Cβ竞争结合GTPγS-Gαq^［7］；另外，RGS4和Gα作用蛋白(GAIP)都可以阻断GTPγ-S诱导的百日咳毒素非敏感性磷脂酶Cβ激活。由于RGS不刺激Gα蛋白水解GTPγ-S，GAP机制可能无效。RGS4在COS-7细胞中短暂表达，但它可以阻断ALF^-₄诱导的磷酸肌醇合成，这也与效应器拮抗机制一致^［8］。在RGS蛋白、Gαt和效应器（视网膜cGMP磷酸二酯酶）也观察到类似的结果^［9］。

竞争性阻断效应器与G蛋白的结合并不是RGS蛋白负调节G蛋白信号转导的有效机制。RGS4与G蛋白相互作用的时间是短暂的，并且它本身通过GAP机制足以阻断信号转导。RGS4对GDP结合的Gα蛋白亲和力低，可能不足以阻断Gα的再循环。然而RGS蛋白家族的其它成员很可能对GTP或GDP结合的亚基具有很高的亲和力。这些蛋白在理论上可以作为效应器的拮抗剂或α亚基的螯合剂，从而使α亚基不能与效应器或βγ亚基相互作用。

上述两种机制中的任何一种均有与GAP机制不同的结果：简单刺激GTPase的活性使其失活并与βγ结合，进而阻断下游的相互作用。其它两种机制将会阻断Gα的信号转导，但βγ亚基的信号转导途径是完整的。

但Tapan等（1997）研究发现，尽管RGS4和腺苷环化酶都结合于Gα的“开关”II区，但这两种相互作用可以同时进行，表明在某些情况下，RGS蛋白与效应器结合部位的重叠并不能直接说明RGS蛋白是效应器的拮抗剂。

(三)RGS蛋白与Gβγ的作用在无受体激活状态下，RGS3和RGS4诱导Gβγ调节的K⁺通道内流增加^［10］。用百日咳毒素或胆碱能受体阻断剂消除激动剂诱导的K⁺内流，但不改变RGS的作用。细胞内共转染Gβγ-结合蛋白显著降低RGS4诱导的基础K⁺内流。RGS蛋白也改变另外一种Gβγ效应器N型Ca²⁺通道的性质。提示RGS3和RGS4也具有调节Gβγ二聚体信号转导的作用。

四、RGS蛋白作用的特异性及其结构基础

(一)RGS蛋白作用的特异性RGS蛋白的数量可与Gα亚基相比，因此RGS蛋白与Gα相互作用具有高度的特异性。GAIP和RGS4可以选择性地分别加速Go-和Gi3通路的脱敏作用，GAIP和RGS4抗体可以选择性地减缓上述两通路的脱敏作用^［11］。GAIP可以选择性地作用于Gαi家族成员，对Gαi1、Gαi3和Gαo的作用强，对Gαi2的作用弱，不与Gαs作用^［12］。RGS7为大脑特异性RGS，其mRNA主要在小脑皮质粒细胞层中的高尔基氏细胞内表达，RGS7加速G蛋白偶联内向整流钾通道(GIRK)电流激活的作用与RGS8相同，但加速失活的作用显著弱于RGS8^［13］。RGS_Z1是大脑选择性RGS，它对Gα_Z的选择性比对Gαi1高100倍，RGS_Z1的其它酶学特征与GzGAP和RET-RGS1相同，没有明显的跨膜区，但它在大脑内可与膜牢固结合，这与它本身的疏水特性有关（Wang等.1998;Glick等.1998）。Gα_Z磷酸化抑制RGSZ1的GAP活性，但不改变Gα_Z-GTP水解的基础速率，只是其GAP活性显著降低，GAP抑制可以使Gz信号延长放大许多倍。RGS4以受体特异性方式抑制磷脂酶C活性和Ca²⁺信号的转导。RGS1和RGS16也以受体选择性方式抑制Gq依赖性Ca²⁺信号的转导。RG