毒蕈碱型乙酰胆碱受体M2和M4的内吞及内吞后转运的分子机制研究

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G-蛋白偶联受体(GPCR)的内吞和内吞后的转运对于细胞表面受体含量及信号的控制是十分重要的。在激动剂刺激条件下,大多数的GPCR通过网格蛋白依赖的内吞(CDE)途径进入细胞内部,它们被募集到网格蛋白包被小泡(CCP)中,CCP成熟后形成网格蛋白包被囊泡(CCV)并运送GPCR分子进入到早期内涵体(EEs)中,在此被分选进入降解或者回收的途径。然而,有些 GPCR可以通过非网格蛋白依赖的内吞(CIE)途径进入细胞内部。CIE内吞途径包括依赖驱动蛋白(dynamin)的小窝(caveolae)和一些不依赖dynamin的途径。与CDE途径的机制不同,调控GPCR信号的CIE途径机制仍然存在许多空白。  毒蕈碱型乙酰胆碱受体(mAChRs)属于A家族GPCR。其中结构和功能都类似的两种亚型M2和M4,它们的内吞途径和胞内转运机制都不相同:M4经由CDE途径进入到循含内涵体中(REs)并循环上膜;而M2经由CIE途径进入到溶酶体(lysosomes)中并被降解。本文中通过比较 M2和 M4的第三个胞内环状区域(i3 loop)的序列差异,在HKE293细胞中研究M2和M4的内吞和转运机制,取得了如下结果:  (1)发现了CIE途径内吞也可以是序列依赖的过程。mAChRs含有较短的C-尾部,但具有特别长的第三段胞内环(i3 loop)。I3 loop中含有mAChRs的G-蛋白结合位点和磷酸化位点,同时对于受体的内吞和内吞后转运是至关重要的。据报道,V373-A393序列的切除能够阻止M4的内吞,而将含有21个氨基酸的该段序列进一步缩短,发现其中8个氨基酸的序列R396-A393足以决定M4的内吞。同时,在M2受体中,切除了与V373-A393同一位置的20个氨基酸序列V361-S380,发现M2不能内吞。基于此结果,第一次发现了决定M2的CIE途径的短序列374KKKPPPS380。将374KKKPPPS380置换M4的对应序列,发现M4的内吞由 CDE转变为 CIE模式。同时鉴定了在此序列上游的序列361VARKIVKMTKQPA373能够引导 M2进入 CDE模式,但是该内吞途径被374KKKPPPS380所屏蔽。  (2)发现的决定CIE内吞方式的序列可能参与了mAChR的溶酶体定位和降解。据报道,V373-A393对于M4的循环上膜是必须的。基于以上的发现,设计实验来验证374KKKPPPS380是否影响M2的降解。M2受体切除掉序列374KKKPPPS380导致内吞方式由CIE转变为CDE,但是并不能影响M2被转运到溶酶体的命运。在激动剂刺激下,该缺失突变体显示出与溶酶体标记分子 LAMP-1明显的共定位,而并不与循环内涵体标记分子Rab11共定位。而且,将374KKKPPPS380置换M4的对应序列,发现M4也会定位于LAMP-1标记的溶酶体中。综合上述,揭示了GPCR的内吞和降解都是可能依赖自身序列的。  (3)发现了内吞方式的改变对mAChR的活性可能没有影响。在激动剂的刺激下,ERK1/2在表达有mAChR的细胞中会被磷酸化。在研究中,系统地考察了激动剂刺激5 min的ERK1/2磷酸化水平。构建的一系列基于M2和M4的缺失突变体引起的细胞信号是正常的,表明删除i3 loop的C末端并没有影响受体的活性。同样的检测M2和M4受体及其嵌合体的ERK1/2磷酸化随时间过程变化,我们的数据表明通过序列置换导致M2和M4受体内吞方式的改变并不影响受体的活性,推测其原因可能是M2和M4的内吞动力学特征非常类似的缘故。
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