鈉氫交換蛋白1的結構、功能、磷酸化及抑制劑的研究進展

張歡

【摘要】作為維持體內酸堿平衡、保持體內電解質分布合理的質子泵，鈉氫交換蛋白（Na+/H+ exchanger protein，NHE）不僅可以隨著細胞正常機能狀態變化做出相應地自身調節，也在很多疾癥和腫瘤中參與細胞的凋亡、分化、增殖和遷移。同時，鈉氫交換蛋白家族中第一個被發現的亞型NHE1，還有著特殊的“管家蛋白”的身份，令人棘手的是很多疾病的病理生理離不開它；但是換種角度考慮，臨床上又可以以它作為突破點，發現新的治療思路與藥物。為了更好地認識鈉氫交換蛋白，本文綜述了NHE1的生理功能、致使NHE1磷酸化的因子和信號途徑以及其特異性抑制劑的最新研究。

【中圖分類號】R4 【文獻標識碼】A 【文章編號】1671-8801（2016）03-0004-02

鈉氫交換蛋白（NHE1）家族是一類存在于所有真核細胞、定位于胞膜上的跨膜轉運蛋白，又有“管家蛋白”之稱。一方面它是NHEs家族中的最早被發現的。另一方面，是由于它的功能直接關系到整個細胞的生死存亡：它在正常生理狀態下主要是調節細胞內的酸堿度、維持細胞正常體積；它在異常生理狀態中如在腫瘤中參與調節細胞的偽足形成、增殖、遷移和侵襲；在心血管疾病中與心肌肥大、心肌缺血再灌注造成的損傷有關[1]；在近端腎小管中涉及水鈉的重吸收及腎細胞的凋亡[2]；在腦損傷后神經元缺血缺氧的狀態下抑制NHE1的表達和活性又可以起到保護神經元的作用，等等。在現有的研究中，NHE1發揮作用最主要是自身的活化，最主要的活化形式是磷酸化，完成磷酸化形式除了可以與蛋白結合，它自身還有很多磷酸基團結合位點。當它的生理作用和機制逐一被挖掘出來后，它的特異性抑制劑不斷研發推進，如何讓NHE1揚長避短，變身治療疾癥和腫瘤的利劍，成為臨床醫師最為關注的研究熱點。

1、NHE1的結構和生理功能

1.1 NHE1的結構

1996年，Sardet首次闡述鈉氫交換蛋白（鈉氫泵）NHE1是一種糖蛋白，廣泛表達在細胞膜上。最新的研究表明，NHE1由815個氨基酸組成，其中1-500位氨基酸組成N-terminal疏水膜，而501-815位氨基酸組成C-terminal親水膜。N-terminal由12個α螺旋跨膜結構域構成，行使NHE1的主要職責既通過等比例對換胞內的氫離子和胞外的鈉離子來調節細胞內的酸堿度（pHi），該區域也被認為是NHE1抑制劑的結合區[21]。從以往的文獻來看，對N-terminal研究地比較多，也比較明確。研究發現在N-terminal的氨基酸有突變情況發生的時候，可以導致一些TM發生改變，從而賦予了它抵抗抑制劑的能力，甚至原有功能的喪失。至于C-terminal，它有很多磷酸基團和蛋白結合的結合位點，通過磷酸化和與其他蛋白的作用來調節NHE1的活性。通過剖析它的氨基酸結構我們可以推測它的生理作用遠遠不止調節pHi，可能還有其他重要的功能，影響著細胞的正常運轉和疾病轉歸。

2.1 NHE1的生理功能

2.1.1調節細胞分化和體積

Li等人在 2009闡述了NHE1蛋白的表達有助于胚胎干細胞分化為心肌細胞。這與最近Mark D 闡述的永生化大鼠近端小管細胞（rat proximal tubule cells，RPTCs）的分化過程中，NHE1的表達/激活是增加的結論相一致。但是，還不能肯定NHE1的表達/激活的增加能促進分化。在高滲環境的刺激下NHE1會發揮調節細胞體積的作用來減緩細胞凋亡。綜上所述，NHE1有多種調節細胞的功能如調控細胞分化和體積，但是二者是否互為充分必要條件仍然存在不同見解，需要更多的研究數據解決這一問題。

2.1.2調節細胞的凋亡

Carraro-Lacroix 等人在使用順鉑誘導腎近端小管細胞凋亡的過程中，發現NHE1會通過激活絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶B來抵抗細胞凋亡。這與Manucha和Darmellah等人的結論不謀而合，在輸尿管梗阻的新生大鼠模型中，抑制NHE1的表達加速了小管上皮細胞的凋亡。與此同時，也有與之截然相反的研究結論，Karki 等人在對心肌細胞進行缺氧-復氧的處理后，NHE1的過表達卻推進了心肌細胞的凋亡。在近期的研究中發現干擾一種鳥苷酸激酶，可以改變膜轉運功能，進而影響NHE1介導心肌細胞凋亡的過程。由此可知，NHE1到底在細胞生存凋亡中扮演什么角色還要視細胞種類而定。進而也可推斷，可能存在多種途徑、多種成分調控NHE1參與細胞生存凋亡過程。

可以明確的是，NHE1基因在乳腺癌、黑色素瘤和腎癌等多種腫瘤細胞中呈高表達。進一步發現，NHE1可被各種腫瘤發生刺激因子以及各種化學試劑和藥物過度活化。然后在這種種的刺激因子中，很多都離不開最后一步，就是磷酸化NHE1來達到活化NHE1的目的。

3、NHE1的磷酸化

Salazar率先闡述了在凝血酶和生長因子處理后，NHE1的磷酸化水平顯著提高，Wakabayashi 等隨后也報道了NHE1主要的磷酸結合位點位于C-terminal的636-815位氨基酸。敲除這些結合位點可減少50%生長因子對胞質堿化的作用。有磷酸化就會有去磷酸化，磷酸酶蛋白，如磷酸酶蛋白1、磷酸酶蛋白2A就被Misik等人證明它們均是通過去磷酸化作用來終止NHE1的活性。除了這兩種直接磷酸化/去磷酸化作用，還有很多不同的生化途徑在NHE1的磷酸化/去磷酸化的途徑中發揮了不可小覷的作用。

3.1 MPK-GPCRs 通路

GPCRs（G protein coupled receptors）指的是包含有七種細胞膜表面受體的胞外結構域，與配體結合，通過鳥嘌呤綁定蛋白作為媒介，與胞內結構域傳遞信號。GPCRs由α、β和γ三個亞單位組成。Gα有四個原始家族成員G個s、G個i、G個q、G個11/12組成。Gα與其他兩個亞單位的不同之處在于它可以激活效應器和酶類如腺苷酸環化酶和磷脂酶C。激活Gαq能觀察到NHE1對pHi的敏感性明顯提高，提示NHE1被激活。G2可以被多種αⅠ-AR激動劑激活。

3.2 MARKs

MARKs，尤其是ERK1/2和p38MARKs（p38），在通過GPCRs途徑活化NHE1過程中起著重要作用。有很多刺激因子如 PE和生長因子可以通過激活ERK途徑，最終活化NHE1。Ras是MARKs信號途徑的一個中間蛋白，屬于GDP蛋白的一種，它可能可以同時激活NHE和ERK。在這個過程中ERK就像一個篩子過濾出可以激活NHE1的細胞外刺激因子，這有助于Gγ更好地與ERK結合來磷酸化NHE1，從而激活NHE1。這些充分說明MARKs活化NHE1是通過ERK1/2途徑。另外，近來的研究證實ERK1/2是NHE1的上游因子之一，提示激活ERK1/2會伴隨NHE1的活化。

3.3 RSK家族

RSK是ERK1/2途徑的下游效應器，RSK家族由四個RSK亞型（RSK1-4）構成。雖然Karki 等人在2010年就證實激活RSK1和RSK2可以磷酸化C-terminal的Ser703，它是14-3-3綁定蛋白序列的殘基端，從而激活NHE1；而且，激活如AngⅡ一類的受體同樣也可以通過磷酸化RSK來激活NHE1。既然RSK促使NHE1活化作用已經很明確了，下一步應該更深入地研究RSK是不是在所有的細胞中都能磷酸化NHE1；通過RSK磷酸化的NHE1是不是能起到正確開啟NHE1生理作用。

4、NHE1的抑制劑

至今為止，人們發現了數種NHE1的特異性抑制劑。阿米洛利（Amiloride）衍生物， EIPA是第一代NHE1抑制劑。隨后，第二代NHE1抑制劑也被研發出來，有EMD87850，卡立泊來德，依泊來德和BIIB513。其中BIIB513是這三者中最具特異性的NHE1抑制劑。第二代抑制劑有效的選擇性地抑制NHE1和NHE2，BIIB513的抑制能力是卡立泊來德的八倍左右。第三代為沙泊來德及其衍生物。在大鼠心肌缺血再灌注模型中，第三代抑制劑表現出很好的心肌保護能力。根據資料統計，在體內外研究中，第一代阿米洛利和第二代卡立泊來德是應用最廣的抑制劑，已經被臨床證實有效并在推廣應用。而第三代沙泊來德及其衍生物在動物模型中表現出更加優越的抑制性。綜上所述，需要更多的實驗和臨床數據挑選出最合理有效的抑制劑以用于臨床疾病的治療。

參考文獻

[1]Chang H B， Gao X， Nepomuceno R， et al. Na+/H+ exchanger in the regulation of platelet activation and paradoxical effects of cariporide[J]. Experimental neurology， 2015， 272： 11-16.

[2]Parker M D， Myers E J， Schelling J R. Na+–H+ exchanger-1 （NHE1） regulation in kidney proximal tubule[J]. Cellular and Molecular Life Sciences， 2015， 72（11）： 2061-2074.