β3-AR 基因多态性与高原缺氧、耐缺氧的相关性研究

林梦娇，魏 玲

缺氧(hypoxia) 是很多疾病共有的一个病理过程，例如慢性阻塞性肺部疾病、呼吸衰竭、先天性心脏病、急慢性心力衰竭、失血性休克、一氧化碳中毒等，均可以引起缺氧。 而在军事医学中，缺氧这一课题也越来越受到重视，如缺氧引起的急慢性高原反应如今已成为很多人研究的课题[1]。 高原地区具有特殊的自然气候，如低氧、低气压、紫外线强等，而低氧对人体的影响最大[2]。 人体当中血流最丰富、耗氧量最大的器官之一是心脏，因此，对缺血缺氧十分敏感，长时间的缺血缺氧会严重损害心肌，最终导致心肌重构、心力衰竭[3]。

人体进入高原后，机体会出现一系列的代偿性改变，缺氧刺激的主要表现为心率加快，激活交感肾上腺髓质醛固酮系统， 使血中儿茶酚胺量增加，作用于心肌β1- 肾上腺素受体(AR)，可使心率增快，心肌收缩力增强；作用于心肌β2-AR，可使血管平滑肌扩张，以此来调节机体的血液动力学平衡[4]。 以前认为心肌只有β1-AR 和β2-AR，但近年来根据药理学和分子克隆的方法，发现心脏内还有β3-AR[5-6]。最新研究表明，激活β3-AR 可抵制β1-AR 和β2-AR激动剂长期刺激导致的β1-AR 和β2-AR 下调[7]。β3-AR 与内源性儿茶酚胺的亲和性较低，因此，只有在高浓度的儿茶酚胺作用下，β3-AR 才会被激活，当交感神经长期激活、β1-AR、β2-AR 介导的反应减弱时，β3-AR 介导的反应才可以被保留[8]。 故机体长期处于缺氧环境， 心肌对β1-AR、β2-AR 的反应性下降，对β3-AR 反应性则增强。新近研究表明，β1-AR、β2-AR 兴奋对心脏产生正性变力和变时效应，而β3-AR 兴奋则使心脏产生负性变力和变时效应[9]，两者结构与功能特性的不同将有助于深入了解缺氧条件下，心脏对儿茶酚胺的反应规律。 大量的研究结果表明，心衰、高血压、冠心病等心血管疾病均与β3-AR 基因多态性存在一定相关性[10-11]。 研究证实，高脂血症、糖尿病、高血压均是发生心血管疾病的高危因素[12]。 因此，在心血管疾病的众多危险因素中，β3-AR 起着重要的作用。

1 β3-AR 的组成、结构、分布与功能

1.1 β3-AR 的组成及结构 Emorine 等[13]在1989年最先从人体脂肪细胞中克隆了β3-AR，β3-AR 属于G 蛋白耦联受体超家族的一部分，β3-AR 克隆基因编码氨基酸的长度， 在大鼠和小鼠当中没有区别，均为400 个，而人类为408 个。 在8 号染色体上存在的β3-AR 基因， 位于鼠的8A2-A4， 人的位于8q11-q12， 人与鼠的β3 受体基因结构与β1、β2 受体基因结构不同的地方是缺乏cAMP 和β-AR 激酶的识别位点，但均含有内含子。β3-AR 的儿茶酚胺结合位点是由细胞膜外氨基酸N 端的糖基化构成，而蛋白激酶磷酸化的位置可能位于细胞膜内氨基酸C端，β3-AR 脱敏作用可能与该位置有着密切的相关性[5]。

1.2 β3-AR 的分布及功能 目前一致认为人类β3-AR 主要分布于骨骼肌、肠道平滑肌、白色脂肪组织、棕色脂肪组织、心脏及呼吸道[14]。 β3-AR 的功能： （1）在心肌组织，β3-AR 激活产生负性肌力，减弱心肌收缩力[9]。 （2）在白色和棕色脂肪组织，参与产热和脂溶效应[15]。

2 β3-AR 基因多态性

Walston[16]在1995 年第一次发现β3-AR 基因存在错义突变， 即核苷酸C 替代了位于β3-AR 基因190 位核苷酸的T，从而引起精氨酸密码子(CGG)替代了64 位上的色氨酸密码子(TGG)，导致了β3-AR基因的多态性。 在众多人群当中，肥胖、非胰岛素依赖型糖尿病、胰岛素抵抗发病率很高，其病因之一与β3-AR 基因Trp64Arg 突变有密切关系， 该位置的突变是其唯一的功能性突变，导致了β3-AR 活性的下降，从而降低了机体脂肪分解的能力，减弱了脂肪的产热作用[17-18]。

3 缺氧与β3-AR 基因多态性的相关性

3.1 β3-AR 基因多态性与高原心血管疾病的相关性 β3-AR 主要参与调解脂肪分解产热[16]，国外已有报道，β3-AR Trp64Arg 突变致使人类脂肪细胞β3-AR 的功能障碍[19]。 Moens 等[16]使用β3-AR 激动剂时， 观察到Arg 携带者的脂肪细胞受体敏感性较Trp 携带者明显降低， 该现象提示基因突变可致β3-AR 活性下降，使脂肪分解减少，导致肥胖。

高原地区最典型的特点就是海拔过高，大气氧浓度低，长期生活在高原地区的人群心肌收缩能力比平原地区的人群强[20]。 当人们长期生活在高原环境中，氧浓度过低将导致冠脉血氧分压下降，同时冠脉血流量减少， 以及缺氧对心肌的直接抑制作用，最终出现心功能不全，容易引起心脑血管病的发生。 许多研究指出，因为缺氧所诱导的氧化应激反应，与高脂血症、动脉粥样硬化、高血压、缺血性心脏病等许多心血管疾病密切相关[21]。由此分析，当携带β3-AR Trp64Arg 基因变异的人进入高原后，无疑会加重高血压、冠心病、糖尿病、心衰等心血管疾病的发生率。

3.2 β3-AR 基因多态性与肥胖的相关性 国外的调查称，血脂水平和海拔相关，海拔越高的人群，TG、TC 及LDL-C 水平越低[22]，其原因可能为高海拔地区天气寒冷，需要消耗大量能量；低氧环境下，应激作用使儿茶酚胺分泌增多，交感神经兴奋导致了脂肪动员增加； 同时肾素- 血管紧张素- 醛固酮（RASS）系统在高原缺氧环境中激活，增强了血脂的分解及转运[23]。 Jacopo 等[24]研究提示，海拔大于2000 m 的地区， 当地新生儿的出生体重明显降低；在2000～4500 m，随着海拔高度的增加，体重明显降低，这个现象与社会经济因素无关。 当长期生活在平原地区的人进入高原地区，体重也会逐渐下降[25]。Tripathy 等[26]发现，生活在低海拔高度的藏族人群，相较于久居高海拔地区，体重明显增加，从平原进入高原的人群普遍有体重减轻的现象。 但李正等[27]认为，高原地区人群血脂水平应该较内地高，可能是因为海拔高的地区气温低下，当地居民比平原地区居民的活动量少，饮食主要为高脂肪和高热量的食物；低氧环境致使机体脂质代谢紊乱，同时高原地区人群前列腺素的分泌增加对脂肪分解有抑制作用，亦可导致血脂升高。

研究表明，在长期缺氧、心功能衰竭的人群，由于mRNA 下降所致的心肌β1-AR 和β2-AR 密度下调，且β1 受体减少比β2 受体减少更明显。 和心肌β1-AR 和β2-AR 不同，β3-AR 在心衰患者肥厚或缺血的心肌中表达水平明显增加[28]，并且β3-AR 能够抑制其受体激动剂引起的β3-AR 脱敏现象，能够保护心肌细胞。β3-AR 一方面影响心肌收缩效应，另一方面可以降低周围血管阻力；心肌内β3-AR 兴奋的同时，使得一氧化氮释放增加，其功能为增强心脏前负荷，继而加强心脏的舒张期贮备，最终使得心肌耗氧量减少[29]。由于β3-AR 主要分布在人体内脏脂肪，参与调解脂肪分解与产热，缺氧刺激可使β3-AR 数量代偿性上调，从而增加对机体脂肪的分解，导致体重减轻。 而部分携带β3-AR Trp64Arg 基因变异的人进入高原后，因β3-AR Trp64Arg 突变导致人类脂肪细胞β3-AR 功能障碍[30]，可能通过能量消耗降低、脂肪分解下降和体脂分布异常导致肥胖。

氧气是人类正常生存必不可少的物质，高原缺氧严重危害人类的健康, 高原心血管疾病已成为常驻高原人群和进驻高原官兵死亡的重要原因之一，故探究高原缺氧反应对心血管系统的损害以及如何提高耐高原缺氧反应意义重大。 在高原缺氧的众多危险因素中，β3-AR 起着重要的作用。高原缺氧可能与β3-AR 基因多态性有着相关性，当携带β3-AR Trp64Arg 基因变异的人进入高原后， 因β3-AR Trp64Arg 突变导致人类脂肪细胞β3-AR 功能障碍，导致肥胖，最终可能会诱发或加重高血压、冠心病、糖尿病、心衰等心血管疾病的发生。 因此，进一步探讨β3-AR 基因多态性与高原缺氧、 耐缺氧的相关性，对高原反应和高原心血管疾病的预防、治疗和预后都有重大意义。

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