G蛋白：基礎與臨床

劉育棕、翁錦興醫師

本章己刊登於臨床醫學民國82年9月第三十二卷第三期，版權為台北榮民總醫院
臨床醫學月刊社所有，本科感謝該社同意轉載。(附註：插圖己省略)

異三元體G蛋 白(heterotrimeric G proteins)最先是在研究腺酸環醜(adenylyl
cyclase)及視網膜光傳遞系統(retinal phototransduction system) 時所發現，
也是二系統中不可或缺的構成要件。它們包括三個次元 (subunits)：α，
β和γ。其命名則根據它們的α次元；α次元具有與guanine nucleotides
結合並便其水解的能力，因此稱之為G-binding proteins， 簡稱G蛋白。β
γ次元在稍後才被發現。目前已知G蛋 白 屬於GTPase超家族(super family)
：一群在演化上保留性(conserve)很高的蛋白質，且具有GTPase活性。

本文將討論異三元體G蛋白(本文簡稱G蛋白)在訊號傳遞的角色，至於同屬
GTPase超家族的小G蛋白(ras等)和轉譯蛋白質所需的起始因子(initiation
factor)及延長因子(elongation factor)則不在本文的範圍內，讀者可參閱參考
資料2，8，9。

經過G蛋白的訊號傳遞系統

1. 細胞外的刺激(stimulus)可能是光子，氣味(odorant)，神經傳導物質或
   激素。

2. 受體(receptor)：目前已知有一百種以上的受體 (如果加上所有的氣味
   受體，則有上千) 經過G蛋白傳訊，其已知cDNA序列者所推演出之胺
   基酸序列嵌入細胞膜的模型特徵為穿越細胞膜七次，這些受體稱為G
   蛋白耦合性受體(G protein coupled receptors)。

3. G蛋白：為異三元體(heterotrimer)，有α，β和γ三種次元(subunit)，
   其中βγ形成緊密而不易分離的複合體。各種G蛋白之α次元都不相
   同，但其βγ複合體的結構和性質相近，可以交換而與各α次元作用。

4. 作用體(effector)：最後產生細胞內次級訊號(second messenger)的蛋白
   質，例如：生成cAMP的adenyIyl cyclase，水解cGMP的cGMP phospho-
   diesterase，生成inositol trisphosphate (IP3)的phospholipase C以及引起
   電位變化的離子通道。

G蛋白和GDP結合時為不活化態；當激素(hormone，也可以是神經傳導物質
或其它結合子，ligands)與受體結合時，即促使GTP與G蛋白上的GDP交換而
造成G蛋白之βγ次元與α次元(有GTP附著)分離，此時的α-GTP複合體代表
G蛋白的激活態，將會活化下游的作用體，進行下一步的細胞內傳訊；因為
G蛋白的α，次元本身即為GTPase，α-GTP複合體的GTP會被水解為GDP(e)
，並且和βγ次元再結合，而回到不活化態(a)。實驗上，可以不被GTPase
水解的GTPγS或Gpp[NH)p來加強反應，也可以用AlF-4來模擬GTP的作用。值
得一提的是，最近的研究發現phospholipase C-β1會促進Gq/11的GTPase活性
，顯示不僅G蛋白會影響作用體，反之亦然。在這個階梯(cascade)似的訊號
傳遞過程中，較早被活化的蛋白質會刺激下一步的反應，這樣的承接關係具
有選擇性，而且有逐漸放大訊號的作用。例如腎上腺素與一個以行腎上腺素
受體結合後，於數秒內活化約10個Gs蛋白，而一個Gs蛋白被活化後又會刺激
adenylyl cyclase產生無數的cAMP；又如一個被光紫刺激的視紫質(rhodopsin)可
以幾乎同時活化約500個Gt蛋白。可以想見，訊號放大的程度和這些蛋白質處
於活化狀態的時間長短有關:持續時間越長，放大程度越大，例如G蛋白的α-
GTP復合體的作用時間取決於GTP被水解時所須的時間，也就是說，α次元的
GTpase活性為控制這個系統的一個定時器。

這個階梯系統的成員，彼此間作用與切換的選擇性非常複雜:單一種受體可與
多種作用體耦合，而多種受體可能活化單一種作用體。這樣的錯宗複雜的關
係可以用來解釋為什麼細胞外形形色色的結合子與細胞內屈指可數的作用體會
產生各式各樣的反應。同時，這樣的專一性與選擇性也是以後的研究者所希望
探索的領域。

G蛋白的分類及其功能

屬於Gs家族(family)者有Gs與Golf。他們活化時都會刺激adenylyl cyclase，增加
細胞內的cAMP；以霍亂毒素(cholera toxin)處理後，他們的α次元在中間的argi-
nine 位置(例如長度較長之αs的第201 arginine)會發生ADP-ribosylation，而破壞
其GTPase活性，造成α次元一但與GTP結合後即持續活化。Golf緊存在於嗅覺
神經上皮細胞，當氣味受體受刺激經由此G蛋白活化adenylyl cyclase而使 cAMP
增加後，將影響其離子通道和膜電位最後產生動作電位，將訊息傳至大腦皮
質。根據研究發現Gs除了刺激adenylyl cyclase外，也會直接刺激骨骼肌上dih-
ydropyridine敏感性鈣離子通道以及抑制心臟上的鈉離子通道。

Gi家族成員的α次元幾乎都可以被百日咳毒素(pertussis toxin)影響而造成其碳
酸的Cysteine發生ADP-ribosylation而阻礙受體活化G蛋白的作用。這個家族中的
Gt(transduction)與Golf相似，存在於感覺器官的視網膜細胞，當光受體被光活化
後即活化Gt而刺激cGMP-specific phosphodiesterae，造成細胞內cGMP的分解，
減少cGMP活化性鈉離子通道的開啟數目，造成細胞的過極化(hyperpolarization)
，接著影響以後的路徑，將訊息傳到大腦皮質。最近又有研究者在味覺細胞上
發現另一種G蛋白Gg(gusducin)其氨基酸序列與Gt的相似性達到80%，詳細的作
用仍待研究。

Gq家族的成員則不受霍亂毒素或百日咳毒素的作用。這個家族的成員大部分與
鈣離子傳訊系統的phospholipase C-β有關，但是其分布的組織則不盡相同，代
表這些G蛋白有其訊號傳遞的個別專一性。當這些G蛋白活化時，即刺激phosp-
holipase C而促進phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate(PIP2)水解為inositol 1,4,5-
trisphosphate (IP3)與diacylglycerol (DAG)；IP3與內質網(endoplasmic reticulum)膜
上的IP3受體結合，開啟通道，釋放內質網中儲存的細胞內鈣離子到細胞質，接
著誘發與鈣離子有關的反應(例如:calmodulin kinase)；同時，DAG會活化蛋白激
脢C(protein kinase c,PKC)，緊接著PKC會去使某些脢磷酸化，引起細胞的許多反
應。

值得一提的是，Gs蛋白(s:stimulatory)的α次元活化會刺激adenylyl cyclase。相
對的，早期的研究者認為Gi蛋白(i:inhibitory)的α次元活化會抑制adenylyl cyclase
，然而，後來的研究發現:純化的Gi蛋白α次元並不能有效抑制adenylyl cyclase
的活性；同時研究者發現βγ次元在Gs蛋白的存在下，會抑制adenylyl cyclase
的活性。所以Gilman提出"次元交換'(subunit exchange)的假說；Gi蛋白被活化後
，其α與βγ次元分開，此時βγ次原即與被活化的Gs蛋白的α次元結合，使
它失去活性，間接抑制adenylyl cyclase 。儘管有些實驗不支持這個假說，目前
仍無適當的模式來解釋所有觀察到的現象。比較沒有爭議的是經由心肌的蕈毒
鹼受體(muscarinic receptor)而活化的Gi蛋白的α次元會活化鉀離子通道而降低心
臟的收縮力。

以往認為G蛋白對作用體的影響來自於其α次元，然而，越來越多的實驗發現
βγ次元也站有一席之地。目前已知至少有6種哺乳動物的adenylyl cyclase
(ACI-VI)，他們都可被Gs蛋白的α次單元刺激而活化，然而他們對βγ的反應
卻不相同:βγ會抑制AC-I，但對於被α3活化的AC-II與AC-IV卻有加強的作用。
值得一提的是，用來調節adenylyl cyclase 活性的β濃度遠高於α3的濃度，
所以Gilman認為額外的βγ可能來自同時活化的Gi或Go，這提供了一個不同
訊號傳遞系統於細胞內交談(cross-talk)的例子。Federman等證實了這個想法:
同時轉殖(tansfect)與Gs和Gi蛋白耦合隻受體細胞株，可以預期的，Gs蛋白刺
激cAMP產生的作用會受到Gi蛋白活化的抑制；然而，當細胞株在轉殖了AC-II
時，Gs蛋白被活化後刺激cAMP產生的能力反而增強。百日咳毒素可以抑制上
述 Gi蛋白引起的cAMP減少或增加的反應。因為Gt的α次元對adenylyl cyclase
沒有影響，但是會清除(scavenge)細胞內的βγ次元，所以更盡一步轉殖α1
到以轉殖了AC-II產生cAMP的作用消失了，證明其作用來自於βγ次元。另一
方面，Gq蛋白和phospholipase C-β亞型間的關係也有類似的情況。

上文提到，儘管β與γ次元個有亞型，通常不同種類的G蛋白的βγ次元彼
此可以交換。最近的研究則發現某些受體活化後經由G蛋白的訊號傳遞必需
有專一性的次元組合。這個發現又再度顯示訊號傳遞的專一性與選擇性。

G蛋白基因突變與內分泌腫瘤

cAMP不僅當作許多激素的次級訓號，也會刺激細胞生長，因此有研究者認為
G蛋白的基因突變也可能變為至癌基因。Boune等分析8為患有之端肥大症病
人手術切除所得到的腦下腺腫瘤之αs基因序列，發現有4位病人的αs產生突
變:其中3個病人在相對餘地201氨基酸(arginine)的密碼組 (codon) 由CGT突變為
TGT(cysteine)或CAT(arginine)。另外一位病人則第227的密碼組CAG(glutamine)突
變為CGG(arginine)。第201的arginine即為霍亂毒素誘發αs蛋白發生ADP-ribos-
ylation的所在。實驗證明這兩處的突變會抑制GTPase的活性，而使αs處於持
續活化的狀態。這種以活化的αs基因稱為gsp oncogene。

他們進一步分別分析了309個人類腫瘤的αs基因和258個α12基因，發現分泌
生長激素的腦下腺腺瘤有43% (18/42) 發生上述αs蛋白第201 (arginine ) 或227
(glutamine)位置的突變，另外有4% (1/25) 的甲狀腺腫瘤發生αs的突變。他們偵
測α12相對於αs的上述突變位置密碼組，第179和205，結果發現有30% (3/10)
的卵巢基質腫瘤 (ovarian sex cord stromal tumors) 與27% (3/11) 的腎上腺皮質腫
瘤發生第179胺基酸 (arginine) 這些抑制α12的GTPase活性的突變會促進某些特
定細胞的生長分裂，其基因稱為gip2。儘管gip2的表現可能會降低細胞cAMP的
濃度，然而許多研究顯示其促進生長作用可能經由其它訊號傳遞徑路，而和
cAMP無關。

G蛋白基因突變與疾病症候群

目前已知因為G蛋白基因突變所引起的遺傳疾病有Albright遺傳性骨發育不全症
，為一種體染色體顯性疾病，其臨床表現為：身材短小，肥胖，圓臉，皮下骨
化現象和短指(尤其是掌部與蹠部)；大部分的病人有pseudohypoparathyroidism
，Ia (PHP-Ia)﹐其代謝異常表現為副甲狀腺作用組織對副甲狀腺素產生抗性，
同時併有其它經由adenylyl cyclase傳訊之激素的抗性(例如：TSH, FSH，LH，
昇糖素)。另外，部分的病人則表現pseudopseudohypoparathyroidism (pseudo-
PHP)，這些病人則沒有多重激素抗性的表現。

Albright遺傳性骨發育不全症患者之Gs蛋白的活性僅為正常人的50%。最近的研
究發現三個不相關的家族各有不同的αs的突變：有一對母子發生αs蛋白起始
碼(initiator codon)的點突變，由ATG變為GTG而產生長度不同的蛋白質，而失去
其功能。另外兩個家族的患者則分別發生架構移轉性突變(frame shift mutation)
與RNA剪接異常。值得注意的是﹐同一家內無論是PHP或pseudo-PHP的病人，
其突變完全相同；這些病人同時具有正常與突變的基因，而αs基因位於第20
號染色體，所以符合體染色體顯性疾病。但是有些病人有激素抗性的表現，有
些則沒有的現象，目前還不清楚，可能與其它訊號傳遞功能的變異有關(例如
：cAMP phosphodiesterase)。

McCune-Algright症候群的臨床表現為多處骨頭纖維化異生(polyostotic fibrous
dysplasia)，皮膚咖啡牛奶樣色素斑(cafe au lait)與多種內分泌異常，包括性徵
早熟，甲狀腺機能亢進，生長淚素分泌性腦下腺腺瘤和自發性腎上腺增生。
有趣的是，病人的皮膚斑呈現特別的形態：通常不穿過身體的中線、具有不
規則的邊緣，並且沿著胚胎發育時的Blaschko線出現。此外，此病的發生是
偶發的，所以研究者為這是一種胚胎發育早期的顯性體細胞突變 (dominant
somatic mutation)的疾病。故呈現鑲嵌(mosaic)的現象，也就是說，病變區取
決於突變細胞的分佈區域。他們相信：如困是發生生殖轡胞突變 (germline
mutation)，則會致命。

由發生內分泌異常的腺體來看，一個合理的解釋就是cAMP系統的訊號傳遞
過度活化。分析14位McCune-Albright症候群病人的αs基因(gsp)發現全部病
人都發生負責轉譯第201胺基酸(arginine)的核甘酸的點突變，由CGT變為CAT
(histidine)或TGT(cysteine)。如上文所提﹐第201位置的arginine的突變會破壤
αs蛋白的GTPase活性，而造成αs蛋白的過度活躍。這個分子層次的突變
與臨床表現相吻合。

結論

Alberts等將細胞表面的受體分成三大類：1. 離子通道連結性(ion channel linked)
：例如nicotinic受體，NMDA受體，GABA受體。2. G蛋白連結性(G protein linked)
3. 催化性(catalytic)：例如胰島素受體，EGF受體和PDGF受體等本身即為tyrosine
kinase，夕如ANP受體為guanylyl cyclase。G蛋白連結性受體的蛋白質結構特色
為穿越細胞膜7次，包括許多激素，神經傳導物質與感官(視覺，嗅覺等)受體。
各種不同的G蛋白傳遞不同受體的訊號到各種不同的作用體，形成錯綜複雜的
網路系統。作用體則包括離子通道，adenylyl cyclase，phospholipase C, cGMP
phosphodiesterase 與細胞內的次級訊號(cAMP，cGMP，鈣離子等)的調節息息相關。

以往認為G蛋白的功能決定於α次元，最近的研究不僅顯不βγ也扮演重要的
角色，其亞型的組合也影響訊號傳遞的專一性和選擇性。愈來愈多的證據顯示
訊號傳遞不僅是一對一的傳遞，這些直線連結間也有很多交談(cross-talk)，所
以細胞的反應是取決於這些訊號的總和。由於基礎研究的快速進步，使得許多
臨床上的現象得以解答：我們不僅知道霍亂毒素與百日咳毒素對G蛋白的作用
與影響，最近透過基因選殖和定序，也使我們了解到pseudohypoparathyroidism
與某些內分泌腫瘤的突變，也證實突變的G蛋白基因是一種致癌基因。其它類
似的研究也顯示基礎與臨床工作的結合不但對疾病的診斷和致病原因的瞭解有
很大的幫助，對以後的基因治療也將是一個重要的里程碑。

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