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蛋白质构象病

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蛋白质构象病

周剑涛
( 黄冈卫生学校生化教研室,湖北黄州 438000 )

关键词:构象病;朊病毒;抑丝酶;β-淀粉样蛋白
中图分类号:Q51;R373

蛋白质结构生物学既从蛋白质一级结构序列,也从蛋白质空间结构及其动态变化去研究蛋白质的性质和功能。生物医学研究表明蛋白质空间构象发生异常变化会引起疾病发生,形成了蛋白质构象病(Protein conformational diseases)这一新的病理学概念[1]。
1. 蛋白质构象病及其分子构象病理学
一般讲,引起构象疾病的蛋白质分子与正常蛋白质同时存在于机体内,至少部分蛋白质具有正常折叠的空间构象,并以正常形态释放。当蛋白质构象异常变化时可导致其生物功能丧失,或者引起其后发生的蛋白质聚集与沉积,使组织结构出现病理性改变。
1.1 蛋白质分子纤维化与聚集 (1)血红蛋白(Hb) 红细胞内Hb分子构象异常改变,可致镰形红细胞性贫血、不稳定血红蛋白包含体溶血和药源性包含体溶血。镰形红细胞性贫血由异常HbS引起。HbS中珠蛋白二条β链N末端第6位Glu被疏水性Val取代。在低氧张力下,脱氧HbS因分子表面的疏水或静电作用,分子构象改变,易直线聚合成细丝,电镜下可见6条细丝进一步平行聚合成凝胶状态的螺旋链索状结构,使红细胞膜受牵张而变成镰形。
(2)朊病毒蛋白(PrP) 与朊病毒蛋白构象相关的疾病称为朊病毒病,人类有克雅氏病(CJD)、新型变种CJD(vCJD)、格斯特曼综合征(GSS)、致死性家族嗜睡症(FFI)、库鲁病(Kulu)等。不论是散发、遗传还是传染性朊病毒病都与PrP构象转换有关,即由生理性PrPc转变为病理性PrPsc[2]。PrPsc是正常细胞表面蛋白质(PrPc)的构象异构体,两者之间没有任何共价键差异。PrPc至PrPsc的构象变化是α螺旋减少,β片层结构量增加,导致生物化学性质改变。在非变性去垢剂中PrPc可溶,PrPsc不溶;PrPc容易被蛋白酶消化,PrPsc则表现部分抗性,得到N末端称为PrP27~30的碎片。这些性质被用于鉴别PrPc与PrPsc。PrPsc构象不稳定化致使分子成聚集状态。患者脑组织在光镜下可见大量针状孔洞,伴有星形细胞胶质化。临床表现为与痴呆相关的神经系统退行性疾病。
(3)抑丝酶(serpins)[1,3] 抑丝酶是抑制丝氨酸蛋白酶的蛋白质家族,包括α1抗胰蛋白酶、抗凝血酶、C1抑制剂和纤维蛋白溶解抑制剂等等。它们选择性作用于不同丝氨酸蛋白酶,其功能丧失将导致种种疾病。如:α1抗胰蛋白酶缺陷肺气肿或肝硬变;抗凝血酶缺陷血栓病;C1抑制剂缺陷血管水肿;神经抑丝酶包含体家族性脑病(FENIB)等。
分子内两个结构特征对抑丝酶抑制蛋白酶具有重要作用,一是显露的16氨基酸肽环,能被蛋白酶分解;二是由5 条肽链构成的β片层结构。抑丝酶发挥催化功能经过显著的构象变化。亚稳态活性状态的抑丝酶在同系蛋白酶的作用下形成酰基-酶,显露的肽环作为第6股肽链插入5肽链构成的β片层结构中。抑丝酶以这种非常稳定的分子构象不可逆地将丝氨酸蛋白酶锁定在一起。
抑丝酶分子内活性肽环过早转换将导致抑制活性丧失,已发现许多抑丝酶变异分子,即使未被蛋白酶作用也容易发生构象改变。抑丝酶的构象异常去稳定化作用,可能是一个抑丝酶的活性肽环插入到第二个分子的β片层结构,此过程能无限地连续进行,导致分子多聚化或者聚集。正如同FENIB中所见。α1抗胰蛋白酶的去稳定化变异与两种严重病变有关。其一,在合成抑丝酶的肝细胞内形成蛋白聚集,出现肝硬变。其二,对弹性蛋白酶抑制作用丧失,最终导致肺损伤和肺气肿。
(4)谷氨酰胺重复序(glutamine-repeats)蛋白质 目前认为亨廷顿舞蹈病(HD)与遗传性神经退行性障碍;脊髓小脑性共济失调等遗传性神经退行性病,是由于基因CAG重复扩展,导致其蛋白产物如亨廷顿蛋白N-端谷氨酰胺重复延长[4],而具有类似于抑丝酶分子间联结机制的构象异常。这几种疾病分别与不同蛋白质有关,但是所有相关蛋白质的肽链结构中共同存在谷氨酰胺重复序。当蛋白质分子内谷氨酰胺重复数量超过37~41时,分子间谷氨酰胺重复序能形成β-折叠链的重叠片层。证据表明,这些疾病表现的异常性是形成了分子间β折叠链-片层联结,或许相当于抑丝酶的环-片层联结[5]。
(5)β-淀粉样蛋白(β-amyloid protein,Aβ)[6] 老年性痴呆(AD)和Down氏综合征的病理特征是大脑皮层出现老年斑(SP)和神经原纤维缠结(NFT)。β-淀粉样前体蛋白(APP)的水解产物Aβ是构成SP的主要细胞外蛋白质成分,由39~43个氨基酸组成,具有β折迭构型。NFT则是由超磷酸化tau蛋白自聚成不溶性的双螺旋丝(PHF)形成的。tau蛋白是一种含磷糖蛋白,其一级结构中Pro和Gly含量较高,所以二级结构很少有α螺旋和β折叠,而是形成伸展的分子构象,容易自聚成反平行二聚体和丝状结构。
1.2 淀粉样变性(amyloidosis)[1] 即便是蛋白纤维自身无毒性,蛋白质或多肽能借助β- 折叠链联结,容易自我聚集形成不溶性巨大结构。“淀粉样变性”一词用于这些构象病。组织中有这些巨大结构沉积物,表现出明显的组织学特征。虽然,初始蛋白异质性,但形成的淀粉样变性具有结合刚果红染料的共同性质。变异性蛋白质与正常蛋白质都能形成淀粉样蛋白。例如,血浆浓度持续升高的急性时相蛋白——血清淀粉样蛋白;慢性炎症期的免疫球蛋白;以及长期血液透析保留的β2微球蛋白。
2. 蛋白质构象病相关因素
2.1 基因型相关性 虽然蛋白质分子自我联结与聚集不一定与遗传缺陷有关,但蛋白质遗传变化的确能增加构象变异的危险性。目前已知的构象病大多数与染色体、基因变异有关。如Down氏综合征系21号染色体三倍体畸形,分析21q染色体发现有3个APP基因拷贝,于是APP产生过多,Aβ沉积量亦增加。又如,转基因动物实验证实突变后的PrP基因会生成致病蛋白PrPSc,并自发患病。遗传性CJD病人,由于PrP基因发生突变,其编码蛋白质Leu102→Pro[7]。再如,Davis等研究的二个FENIB家族中,一个家族的抑丝酶发生Ser49→Pro变异,相似于α1抗胰蛋白酶变异体(Ser53→Phe)。另一家族的抑丝酶出现Ser52→Arg变异。从丝氨酸在肽链中的位置可以预想这些变异蛋白质具有的构象去稳定化作用[3]。
2.2 相关蛋白质 除了构象变异的蛋白质,其它许多蛋白质与构象病的发生也有关系。已发现早老蛋白1和2(PS-1、PS-2)及APP的变异与早老型AD密切相关,apoE的出现则是晚发型AD的危险因素。PS 基因突变通过影响APP异常水解,促进Aβ聚集。载脂蛋白E对AD表现出明显基因型相关性[8]。ApoE4同可溶性Aβ有高亲和力结合(apoE4>>apoE3),促进淀粉样斑块的形成。apoE4表达或过量表达促进Aβ沉积,加速AD发病进程。ApoE在AD发病中的另一作用机制是调节tau蛋白磷酸化。ApoE3与tau蛋白高亲和力结合,阻止其磷酸化,起到保护细胞骨架的作用。所以,带有apoE4基因的个体,由于缺乏apoE3对tau蛋白的保护而导致AD发病风险增高。
还有α2巨球蛋白(α2M)。α2M作为脑内清洁工能结合神经元间隙的毒性蛋白(如Aβ),并与周围表面的apoE受体结合,将这些毒性蛋白运入细胞内降解。突变的α2M失去清扫功能,从而导致Aβ沉淀和神经细胞死亡。而apoE4蛋白可竞争结合apoE受体,阻止α2M-Aβ复合物进入细胞内降解,导致AD。
2.3 化学修饰 tau蛋白翻译后修饰包括泛素化、糖基化、聚糖化和最值得注意的超磷酸化[6]。目前普遍认为,tau蛋白超磷酸化是导致AD脑NFT形成的重要原因。tau蛋白质的超磷酸化不仅降低与微管的结合而且自身聚合成稳定的PHF,从而增强了抵抗需钙蛋白酶的作用。
2.4 酶与生长因子 与构象病有关的蛋白质作为酶的底物被调节。如HD相关蛋白htt是胱天蛋白酶裂解的底物,胱天蛋白酶裂解htt导致其毒性N-端碎片的产生,抑制胱天蛋白酶裂解htt就清除了变异htt蛋白的毒性[4]。又如,蛋白激酶与蛋白磷酸化酶的平衡对tau蛋白是否发生磷酸化至关重要。正常人脑内,两者处于一定的平衡之中,tau不能被磷酸化。而在AD病理条件下或蛋白激酶激活剂或磷酸酶抑制剂的作用,平衡被打破,tau蛋白被高度磷酸化,失去结合微管的能力,积聚并形成PHFs。在中枢神经系统,转化生长因子β1(TGF-β1)可能间接促进或介导Aβ的沉积,这是因为TGF-β1可以导致与Aβ相结合的蛋白质生成,而这些蛋白质可能为Aβ的沉积起种子或伴侣作用。
2.5 温度[1] 温度对蛋白质是个很敏感的因素,温度升高使分子内振动增强,构象变得不稳定。如感染性发热,体温由生理性37 ℃上升到40~41 ℃,使变异α1抗胰蛋白酶分子内环-片层多聚化快速形成。在严重血栓病史家族中研究表明,37 ℃孵化变异抗凝血酶的过程中,仅有极缓慢的构象转换发生,而在39 ℃转换过程大大加快,环-片层多聚体迅速形成。
认识蛋白质构象与人类疾病的关系,为治疗目前人类所困惑的疾病带来了希望。由于蛋白质分子构象与疾病间的关系极为复杂,如何定义蛋白质构象疾病还有待探讨。

参考文献
[1] Carrell RW et al. Lancet,1997,350:136—138
[2] Soto C et al. Lancet,2000,355:192—197
[3] Miller RT et al. Lancet,2000,355:590—591
[4] 张春翌等. 生命的化学,2001,21(1):76—79
[5] Perutz MF. Curr Opinion Struct Biol,1996;6:848—858
[6] Banks RE et al. Lancet,2000,356:1749—1756
[7] Ironside JW. J pathol,1998,186:227—234
[8] 孙明增等. 生理科学进展,1999,30(1):57—59
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