宋士娜 王廷華

(昆明醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所,昆明650500)

吡哆醛激酶(pyridoxal kinase,PL K),作為一種核糖激酶是100多種酶反應(yīng)的關(guān)鍵輔助因子。研究發(fā)現(xiàn)很多的微生物有機(jī)體內(nèi)都有PL K的存在,在酶研究日益發(fā)展的今天,它在調(diào)控生物代謝方面起著越來(lái)越重要的作用,作為一種藥物學(xué)研究的潛在靶而備受關(guān)注。PL K與21-三體綜合癥、帕金森病及癲癇有聯(lián)系,但是與這些神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究還處在一個(gè)相對(duì)比較初級(jí)的階段。國(guó)外已經(jīng)有關(guān)于不同來(lái)源的PL K及其應(yīng)用的文獻(xiàn)報(bào)道,但在國(guó)內(nèi)幾乎沒有。本文綜述了PL K結(jié)構(gòu)、分類、生物學(xué)效能及其與某些神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究進(jìn)展。

1 分布、分類和結(jié)構(gòu)

1.1 分布

目前已從部分哺乳動(dòng)物、微生物和植物中分離鑒定了PL K基因[1～5]。

1.2 分類

1.2.1 大腸吡哆醛激酶1、2和羊吡哆醛激酶 在大腸桿菌中,鑒定了兩種 PL K,分別命名為Pdx Y[6,7]和Pdx K[6]。Pdx K編碼大腸桿菌吡哆醛激酶1(pyridoxal kinase 1,ePL kinase 1)和羊磷酸吡哆醛激酶,Pdx Y編碼大腸埃希桿菌吡哆醛激酶2 (ePL kinase 2),它是ePL kinase 1的同工型[8]。Pdx Y類似于Pdx K,在PLP補(bǔ)救合成途徑中有所涉及,但是它不能磷酸化吡哆醇和吡多胺。Pdx Y基因表達(dá)產(chǎn)物ePL kinase 2具有部分吡哆醛激酶的活性,但與Pdx Y基因表達(dá)產(chǎn)物相比,Pdx Y基因表達(dá)產(chǎn)物的吡哆醛激酶活性水平大幅度下降[9,10]。ePL kinase 1蛋白的功能比較強(qiáng)大,每個(gè)ePL kinase 1單體是由8個(gè)α單環(huán)和9個(gè)β線性結(jié)構(gòu)組成,包括三個(gè)重要的結(jié)合位點(diǎn):A TP結(jié)合位點(diǎn)、金屬離子結(jié)合位點(diǎn)及吡哆醛結(jié)合位點(diǎn),充分發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng),每個(gè)ePL kinase 1單體含有很重要的loop I和loopⅡ區(qū)域,當(dāng)酶底物缺乏時(shí)loop I可以填滿激活位點(diǎn),loopⅡ是吡哆醛蛋白上的重要的區(qū)域,決定著底物特異性和酶的活力,loop Iand loopⅡ在吡哆醛激酶的功能機(jī)制中發(fā)揮了重要的作用[8]。ePL kinase 1和ePL kinase 2及羊磷酸吡哆醛激酶這三種激酶顯示了典型的核糖激酶超家族中心結(jié)構(gòu),由α單環(huán)環(huán)繞的β線性結(jié)構(gòu)構(gòu)成(β-strands surrounded byα-helices)[11～13]。ePL kinase 2和羊磷酸吡哆醛激酶,有37%的序列鑒定同源性,因此這兩種蛋白具有相似的空間構(gòu)造。

1.2.2 人吡哆醛激酶 人吡哆醛激酶(human pyridoxal kinase,HPLK)是一種同型二聚體,非結(jié)晶構(gòu)造的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。每一個(gè)HPLK單體包括9個(gè)α單環(huán)(分別命名為α1-9)和12個(gè)β線性結(jié)構(gòu)(分別命名為β1-10、β5a、β5b)構(gòu)成,與核糖激酶超家族“αβα三明治”結(jié)構(gòu)是相符的[14]。在體內(nèi),PLP在肝臟由HPLK合成,然后釋放到血液與白蛋白結(jié)合,PLP通過(guò)膜介導(dǎo)的磷酸酶脫磷酸重新進(jìn)入靶細(xì)胞,再次由吡哆醛激酶合成釋放到血液發(fā)揮生物學(xué)作用,這是一個(gè)循環(huán)過(guò)程[15,16]。

1.2.3 HPL K與羊腦PL K結(jié)構(gòu)比較 利用大腸桿菌表達(dá)HPL K與天然羊腦PL K的晶體結(jié)構(gòu)比較后發(fā)現(xiàn),一段在活性位點(diǎn)處起關(guān)鍵作用的12個(gè)殘基肽段在羊腦PL K中呈現(xiàn)“l(fā)oop”狀態(tài),而在HPL K中呈現(xiàn)β-折疊/loop/β-折疊“flap”的構(gòu)象。此外,HPL K擁有更加疏水的A TP結(jié)合口袋。該晶體結(jié)構(gòu)的解析將有助于人們對(duì) HPL K生化性質(zhì)的深入了解并開展以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的相關(guān)藥物設(shè)計(jì)[14]。

1.3 結(jié)構(gòu)

吡哆醛激酶能結(jié)合具有不同大小的4′-化學(xué)基團(tuán)的多種維生素B6形式和衍生物。這個(gè)酶的活性位點(diǎn)具有一個(gè)由12個(gè)殘基構(gòu)成的loop區(qū)域,以防止A TP的過(guò)早水解。結(jié)合A TP后,這個(gè)loop區(qū)域上的兩個(gè)保守殘基,A sp 118和 Tyr 127能夠移動(dòng)至A TP分子的上面,減少了水溶液環(huán)境中的A TP發(fā)生水解的可能性?？紤]到激酶的進(jìn)化趨勢(shì),根據(jù)吡哆醛激酶的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和催化機(jī)制,這個(gè)loop區(qū)域的存在可以被歸為一類獨(dú)立的進(jìn)化方式。

2 生物學(xué)功能

2.1 PL K與維生素B6

PL K是維生素B6(VB6)的關(guān)鍵代謝酶,VB6是一類2-甲基-3-羥基吡啶類化合物的總稱。游離型的VB6有吡哆醇(pyridoxine,PN)、吡哆胺(pyridoxamine,PM)和吡哆醛(pyridoxal,PL),相應(yīng)磷酸酯型為磷酸吡哆醇(pyridoxine phosphate,PNP)、磷酸吡哆胺(pyridoxine phosphate,PM P)和磷酸吡哆醛 (pyridoxal phosphate,PLP)[17,18]。PL K在Zn2+和A TP存在下,催化PN、PM及PL生成相應(yīng)的磷酸酯型[19],另外PL K可以磷酸化底物4氨基-5羥甲基-2甲嘧啶(HM P)(見圖1)。PL K和PND氧化酶決定PLP的合成,兩者和磷酸酶一起調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)PLP濃度變化,PLP是VB6的主要輔酶形式,在氨基酸的合成、分解和轉(zhuǎn)換代謝中發(fā)揮重要作用, PLP也是生物體內(nèi)一種非常重要的輔酶,參與氨基酸代謝的很多種酶都需要以它作為輔因子[20～22],許多神經(jīng)遞質(zhì)例如多巴胺、去甲腎上腺素、5-羥色胺、γ-氨基丁酸是通過(guò) PLP依賴的酶合成的[23]。對(duì)于不能自己從頭合成PLP而需要外源前體的哺乳動(dòng)物, PLK在VB6的吸收和利用方面起著不可替代的作用。

2.2 基因組學(xué)功能

在細(xì)胞生長(zhǎng)周期中,PL K有效的抑制總?cè)旧w重排,通過(guò)減少DNA損傷的發(fā)生來(lái)實(shí)現(xiàn)的。抑制PL K作用是產(chǎn)生 DNA雙鏈斷裂并且可以激活DNA的損傷位點(diǎn)。在PL K分泌不足的細(xì)胞內(nèi),核DNA內(nèi)可以蓄積尿嘧啶,從而對(duì)核苷酸還原酶的抑制作用變得不敏感,PL K可以維持基因組的穩(wěn)定性,減少DNA雙鏈斷裂,從而減少DNA損傷的蓄積[24]。DNA損傷后可導(dǎo)致某些生物學(xué)功能喪失甚至細(xì)胞凋亡或死亡[25～28]。

3 PL K在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的研究進(jìn)展

3.1 PL K在21-三體綜合癥的研究進(jìn)展

21-三體綜合癥(DS)是最常見的人類染色體結(jié)構(gòu)畸變所致的疾病,DS的表現(xiàn)型是編碼在21號(hào)染色體上基因過(guò)表達(dá)導(dǎo)致的。PLP在氨基酸的合成分解和代謝中作為一種輔助因子發(fā)揮著重要的作用,并且作為一種神經(jīng)遞質(zhì)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)也發(fā)揮著重要的作用[23],改變PL K的量而使得PLP的含量發(fā)生變化,可能會(huì)導(dǎo)致大腦功能失常。盡管 Coburn等[29]還沒發(fā)現(xiàn)PL K和DS之間的聯(lián)系,同時(shí)他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也沒有發(fā)現(xiàn)該酶在DS發(fā)病中起作用,但是在DS患者的舌組織中PL K活性增加,可能作為器官相關(guān)性的印證結(jié)果。盡管對(duì)PL K在DS的研究較少,人們對(duì)PL K在DS中的作用認(rèn)識(shí)還處在初級(jí)階段,但是我們可以從已有的研究中發(fā)現(xiàn)PL K在DS的發(fā)病中發(fā)揮重要的作用,對(duì)其進(jìn)一步深入研究將會(huì)對(duì)DS的發(fā)病機(jī)制有新的認(rèn)識(shí),并對(duì)DS的防治找到新的干預(yù)靶點(diǎn)。

圖1 PDXK催化的四種激酶反應(yīng)。引用自Joseph A.et al.Acta Cryst.(2006).F62,1006-1009

3.2 PL K與帕金森病研究進(jìn)展

帕金森病(Parkinson’s disease,PD)又稱“震顫麻痹”。該病是一種常見于中老年的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病,多在60歲以后發(fā)病,它的臨床表現(xiàn)型隨著時(shí)間的推移而加重,嚴(yán)重影響病人的生活質(zhì)量[30,31]。PD與紋狀體內(nèi)的多巴胺(DA)含量顯著減少有關(guān),使得抑制乙酰膽堿的功能降低,則乙酰膽堿的興奮作用相對(duì)增強(qiáng)。兩者失衡的結(jié)果便出現(xiàn)了“震顫麻痹”。對(duì)于帕金森病的易感因素,有大量關(guān)于家族遺傳相關(guān)性研究以及基因表達(dá)鑒定相關(guān)研究,這些研究已經(jīng)提供了許多和帕金森病相關(guān)的基因,其中就包括PL K基因[32]。Zentrum等科學(xué)家研究大腦中的神經(jīng)元,以確定哪些基因改變其在帕金森病的活動(dòng),研究小組發(fā)現(xiàn)PL K基因的活性增加。在隨后的國(guó)際合作項(xiàng)目,他們發(fā)現(xiàn)了一種基因變體增加了帕金森氏癥的風(fēng)險(xiǎn),這可能是上調(diào)了大腦中的PL K活性。Elstner[33]報(bào)道PDXK基因變異會(huì)增加患帕金森病風(fēng)險(xiǎn),他們用一種全新方法,從帕金森患者的黑質(zhì)中分離出細(xì)胞來(lái)檢測(cè)整個(gè)基因表達(dá)圖譜。然而還有報(bào)道PL K rs2010795變異體與帕金森病無(wú)相關(guān)性的研究[34]。因此更進(jìn)一步的研究是需要探討在帕金森病中PL K的作用機(jī)制。

3.3 PL K與癲癇的研究進(jìn)展

吡多醇依賴性癲癇又可以稱為維生素B6依賴性癲癇,是一種能引起新生兒頑固性癲癇的分子背景仍不十分清楚的常染色體隱性遺傳疾病。吡多醇依賴性癲癇患者的腦組織和腦脊液(cerebrospinal fluid,CSF)中γ-氨基丁酸(gamma-amino-butyric acid,GABA)減少而谷氨酸水平升高。谷氨酸可在谷氨酸脫羧酶(glutamic acid decarboxylase,GAD)的作用下生成 GABA。GAD要發(fā)揮作用則需要PLP,PLP是吡多醇的生物活性輔酶形式。抑制PLP可引起能被吡多醇逆轉(zhuǎn)的癲癇發(fā)作。有假設(shè)提出,吡多醇依賴性癲癇患者先天性PLP和 GAD-65結(jié)合異常導(dǎo)致的GABA神經(jīng)遞質(zhì)合成減少,從而引起癲癇發(fā)作閾值的降低,導(dǎo)致癲癇發(fā)作[35]。

3.4 在其它研究中的應(yīng)用

PL K具有廣泛的酶底物特異性,PL K被抑制對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)有多種副作用,例如茶堿和普羅加胺可以抑制PL K的活性,進(jìn)而導(dǎo)致維生素B6功能受到抑制[36]。另外,一些藥物可以刺激PL K的活性來(lái)抑制互利素[37]。最近的研究數(shù)據(jù)顯示,PLP具有抗增殖和抗腫瘤活性的生理作用[38]。

4 結(jié)語(yǔ)

PL K的某些三維空間構(gòu)象還沒完全研究清楚,但相信它的功能和調(diào)控機(jī)制將會(huì)隨著研究工作的逐步深入越來(lái)越清晰,隨著對(duì)PL K的分子結(jié)構(gòu)和功能研究的不斷深入,很可能會(huì)為多種疾病的發(fā)生、發(fā)展機(jī)制提供新思路,為疾病治療的新方法尤其是神經(jīng)系統(tǒng)的靶向基因治療提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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