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        傳染性蛋白的“負(fù)面”和“正面”(5)

        2018-03-26 13:52:46朱欽士美國南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院
        生物學(xué)通報(bào) 2018年8期

        朱欽士 (美國南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院)

        (上接2018年第7 期第13 頁)

        2.15 載脂蛋白A-I 引起的淀粉樣變性病 載脂蛋白(apolipoproteins)能結(jié)合脂性分子例如甘油三脂和膽固醇,形成脂蛋白(lipoproteins),在血液運(yùn)輸脂肪的過程中起重要作用。 載脂蛋白有多種,其中的載脂蛋白A-I(Apolipoprotein A-I,ApoA-I)是血漿中高密度脂蛋白(high density lipoprotein,HDL)的主要蛋白成分(約占70%),在膽固醇的運(yùn)輸中起重要作用。

        ApoA-I 由肝臟和腸道細(xì)胞合成,由243 個(gè)氨基酸殘基組成。 在血液中,大約95%的ApoA-I 結(jié)合在高密度脂蛋白中,其分子構(gòu)造的80%為α-螺旋,沒有β-折疊。 其余的5%以不結(jié)合脂肪分子的形式存在,分子中也有大約60%的肽鏈部分在α-螺旋中,沒有β-折疊。 這部分游離的ApoA-I 分子,特別是其中氨基端的100 個(gè)左右的肽鏈部分,易改變折疊情況。 基因突變也會(huì)改變ApoA-I 的折疊狀況,形成β-折疊,像Prion 蛋白那樣形成分子聚合物,在身體各處沉積,引起淀粉樣變性病。

        從患者身上的淀粉樣沉積提取到的ApoA-I一般不是完整的蛋白分子,而只是氨基端的幾十個(gè)氨基酸殘基組成的肽鏈,長度從83~100 個(gè)氨基酸殘基。有些片段并不含有氨基酸序列的變化,但也有許多含有個(gè)別氨基酸殘基的變化。 根據(jù)有無氨基酸序列的變化和變化的具體情形,癥狀的差別也很大。有的是全身性的,有的僅限于某個(gè)器官(通常是腎臟); 有的影響神經(jīng)系統(tǒng),有的與神經(jīng)系統(tǒng)無關(guān),說明沉積處和致病性與片段的性質(zhì)有關(guān)。 ApoA-I 的例子在這方面很有代表性,因此在下面詳細(xì)介紹。

        第26 位的甘氨酸變?yōu)榫彼幔℅ly26Arg)能引起全身性的淀粉樣變性病,包括影響外周神經(jīng)的多發(fā)性神經(jīng)病變(polyneuropathy)。 從一位死于該病患者的肝臟和脾臟提取的淀粉樣沉積物,發(fā)現(xiàn)其主要成分為ApoA-I 蛋白的氨基端部分(殘基1~83),其中含有第26 位變化了的氨基酸,從甘氨酸變?yōu)榫彼?,肽鏈?huì)增加一個(gè)正電荷。

        第50 位的氨基酸殘基從色氨酸變?yōu)榫彼幔═rp50Arg),肽鏈也會(huì)增加一個(gè)正電荷,但是這樣的改變并不影響神經(jīng)系統(tǒng),而主要影響腎臟。從患者腎臟提取的淀粉樣沉積物含有ApoA-I 的氨基端部分(殘基1~86、1~92、1~93),自然也含有第50位變化了的氨基酸。患者腎病綜合癥日趨嚴(yán)重,最后不得不進(jìn)行腎移植。

        第60 位的亮氨酸殘基變?yōu)榫彼幔↙eu60Arg),肽鏈也增加一個(gè)正電荷。該變化不影響神經(jīng)系統(tǒng),對(duì)腎臟影響也不大,而主要影響肝臟和脾臟。在患者的肝臟和脾臟中都發(fā)現(xiàn)大量的ApoA-I 淀粉樣沉積,其中的ApoA-I 也不是全長,而是氨基端部分(殘基1~88、1~92、1~93、1~94),且都含有第60位的氨基酸變化。

        第64 位的氨基酸殘基從亮氨酸變?yōu)楦彼幔↙eu64Pro),不引起肽鏈電荷變化。 該突變只影響腎臟,其淀粉樣沉積物中的ApoA-I 含有蛋白的氨基端部分(殘基1~96)。

        第75 位的氨基酸殘基從亮氨酸變?yōu)楦彼幔↙eu75Pro)也不引起肽鏈的電荷變化。 該變化主要影響肝臟和腎臟?;颊吒闻K指標(biāo)(堿性磷酸酶和γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶)持續(xù)升高。 一些患者發(fā)展至腎衰竭。

        第90 位的亮氨酸變?yōu)楦彼?(Leu90Pro)會(huì)引起心肌和皮膚的淀粉樣病變?;颊咴?4 歲時(shí)死于心臟衰竭。生前心功能受損,稍活動(dòng)即呼吸困難(excertional dyspnea)。 皮膚出現(xiàn)潰瘍,從前額開始逐漸擴(kuò)散至臉部、頸部、肩部和上臂。 心臟中的淀粉樣沉積可用剛果紅染色,其中蛋白為ApoA-I蛋白的氨基端(最長為殘基1~94)。該肽鏈部分也含有第90 位的氨基酸殘基改變,此改變不造成ApoA-I 蛋白的電荷變化。

        在一些情況下,基因突變不限于單個(gè)核苷酸的變化,而是若干堿基的缺失。例如在英國發(fā)現(xiàn)一個(gè)家族的3 代人中都有人患腎病,有人因此死亡,也有人在做腎移植后存活。 檢查受影響成員的DNA,發(fā)現(xiàn)患有腎病的成員在ApoA-I 基因中有9個(gè)堿基缺失,造成ApoA-I 蛋白中3 個(gè)氨基酸殘基的缺失,即第70 位的谷氨酸、第71 位的苯丙氨酸和第72 位的色氨酸(Glu70Phe71Trp72del)。 此變化也使得ApoA-I 蛋白減少了一個(gè)負(fù)電荷。

        另一種堿基缺失并伴有堿基插入的例子是在一個(gè)西班牙家族中發(fā)現(xiàn)的。受影響的成員通常在50多歲即死于肝臟衰竭?;颊吣I臟中的淀粉樣沉積含有ApoA-I 蛋白的氨基端部分(殘基1~83/92)。 檢查患者的ApoA-I 基因,發(fā)現(xiàn)ApoA-I 蛋白中第60到第71 的12 個(gè)氨基酸殘基缺失(Leu60Arg61-Glu62Gln63Leu64Gly65Pro66Val67Thr68Gln69Glu7-0Phe71del),同時(shí)又在缺失處添加了另外2 個(gè)氨基酸殘基纈氨酸/蘇氨酸。 此變化也減少一個(gè)負(fù)電荷。

        以上所列舉的氨基酸殘基變化都發(fā)生在ApoA-I 蛋白氨基端的100 個(gè)殘基內(nèi)。 但在這100氨基端殘基外的氨基酸殘基變化,雖不包含在沉積物中的ApoA-I 氨基端肽鏈內(nèi),也能引起淀粉樣變性病。

        第172 位的谷氨酰胺變?yōu)楦彼幔℅ln172Pro)會(huì)引起心肌病變,而第173 位的精氨酸變?yōu)楦彼幔ˋrg173Pro)除造成心肌病變外,也會(huì)造成皮膚病變。 從心肌提取的淀粉樣沉積發(fā)現(xiàn)沉積物為ApoA-I 蛋白的氨基端部分(1~90/100)。 同樣是在173 位上的氨基酸殘基改變,但精氨酸不是變?yōu)楦彼?,而是變?yōu)榘腚装彼幔ˋrg173Cys),不但不引起疾病,反而會(huì)增加人的壽命。該變化是在意大利的Milano 地方發(fā)現(xiàn)的,稱為Milano 型變異(apolipoprotein A-1 Milano)。

        第174 位上的亮氨酸變?yōu)榻z氨酸(Leu174Ser)會(huì)造成心肌病變。 從心臟提取的淀粉樣沉積物含有ApoA-I 蛋白的氨基端(殘基1~93)。從ApoA-I蛋白結(jié)構(gòu)的3D 模型來看,殘基174 的位置靠近第93 位的纈氨酸殘基,也許是這個(gè)氨基酸殘基的變化使得ApoA-I 蛋白容易從第93 位被切斷。

        第178 位的亮氨酸變?yōu)榻M氨酸(Leu78His)會(huì)造成心肌、咽喉和皮膚病變。 有趣的是,從皮膚提取到的淀粉樣沉積不僅含有ApoA-I 蛋白的氨基端,還含有完整的甲狀腺素和視黃醇轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(transthyretin,TTR)。 TTR 蛋白自身就可引起淀粉樣變性?。ㄒ娚衔模琓TR 蛋白在ApoA-I 蛋白沉積物中,說明引起淀粉樣變性病的蛋白之間可相互作用,促進(jìn)沉積物的形成。

        即使沒有ApoA-I 的基因突變,其蛋白的氨基端仍然可引起淀粉樣變性病,說明其氨基端本身就有變?yōu)镻rion 型結(jié)構(gòu)的傾向。

        例如一種ApoA-I 基團(tuán)突變,在第107 位上形成的一個(gè)轉(zhuǎn)譯終止信號(hào),結(jié)果只合成氨基端的106 個(gè)氨基酸殘基。 該片段能形成淀粉樣沉淀,沉積于主動(dòng)脈(aorta)的內(nèi)壁。ApoA-I 蛋白沉積或單獨(dú)存在,或存在于動(dòng)脈粥樣硬化的斑塊中。

        膝蓋淀粉樣病變也可以由沒有突變的ApoAI 蛋白的氨基端沉積引起。 從患者膝蓋半月板(meniscus)提取的沉積物含有ApoA-I 蛋白的氨基端(殘基1-60/77),可被剛果紅染色并在偏振光顯微鏡上呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。

        無變異的ApoA-I 蛋白也發(fā)現(xiàn)于有神經(jīng)淀粉樣病變的患者中。 患者腿部皮膚失去感覺,睡覺時(shí)小腿肌肉發(fā)生痙攣,后發(fā)生站立困難。 神經(jīng)周圍的單核細(xì)胞(mononuclear cell)和巨噬細(xì)胞(macrophage)內(nèi)含有淀粉樣沉積。 這些沉積中的蛋白為沒有變異的ApoA-I 蛋白,能被剛果紅染色并在偏振光顯微鏡上呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象,說明是ApoA-I 蛋白形成的淀粉樣沉積。

        這些實(shí)例說明,即使是同一種蛋白,是否有氨基酸殘基的變化,變化的位置和情形,都會(huì)影響Prion 型結(jié)構(gòu)的細(xì)微特征,以及在身體中沉淀的位置,對(duì)蛋白致病的情形有很大的影響。

        2.16 載脂蛋白A-II 引起的淀粉樣變性病 另一個(gè)載脂蛋白,ApoA-II,也能引起淀粉樣變性病。ApoA-II 是高密度脂蛋白中第2 多的蛋白(約占20%),分子量比ApoA-I 小得多,只含有77 個(gè)氨基酸殘基,大小與ApoA-I 形成淀粉樣沉積的氨基端部分的大小差不多。 然而ApoA-II 很少引起淀粉樣變性病,原因也許是ApoA-II 分子高度親脂,不容易從高密度脂蛋白上解離,即不容易形成游離的ApoA-II 分子,也就很少有改變分子結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)。

        但是有一種基因突變改變了這種情形。 在為ApoA-II 蛋白最后一個(gè)氨基酸殘基(谷氨酰胺)編碼的DNA 序列后面,是一個(gè)轉(zhuǎn)譯終止碼TGA。 在這里,一個(gè)G 到T 的突變使得TGA 變成了TTA,變?yōu)榱涟彼峋幋a的三聯(lián)碼,原來的終止碼消失。這樣,ApoA-II 的轉(zhuǎn)譯就不在這里終止,而是再多合成21 個(gè)氨基酸殘基,直到遇到后面的轉(zhuǎn)譯終止碼為止(稱為78Leuext21)。 這多出來的21 個(gè)氨基酸殘基會(huì)改變ApoA-II 的折疊狀況,從幾乎全部為α-螺旋變?yōu)棣拢郫B。 這個(gè)形狀改變也會(huì)影響ApoA-II 分子組入高密度脂蛋白的情形,使它變成聚積物,在身體器官中沉積下來引起疾病。

        有此基因變化的患者為一位45 歲的女性,血液中肌酐(creatinine)水平升高,有蛋白尿,高血壓,雙腿腫脹,很快就需要腎透析。 為控制病情,醫(yī)生切除了她的左腎,在換腎之后又切除了她的右腎。腎臟中的淀粉樣沉積能被剛果紅染色,并在偏振光顯微鏡下呈雙折射現(xiàn)象。 抗體實(shí)驗(yàn)證明淀粉樣沉積是由ApoA-II 蛋白組成的。 淀粉樣沉積只在腎臟中發(fā)現(xiàn),其他組織和器官中都沒有發(fā)現(xiàn)ApoA-II 蛋白沉積。

        即使沒有基因突變,隨著年齡的增加,蛋白合成和代謝途徑發(fā)生變化,ApoA-II 也能引起疾病。一位68 歲的日本男性被發(fā)現(xiàn)有ApoA-II 蛋白沉積引起的腎病。 他沒有腎病家族史,說明不是經(jīng)由遺傳獲得的疾病,而是后天的。 他尿中的蛋白量逐漸增加。 腎臟活檢發(fā)現(xiàn)有ApoA-II 蛋白沉積,但是沒有其他更常見的引起腎病的蛋白例如抗體輕鏈等。

        有趣的是,ApoA-II 蛋白在老年狗中引起淀粉樣變性病的比例很高,且不需要基因突變即可引起疾病。 全長的ApoA-II 蛋白沉積在狗的重要器官,例如在肝臟、心臟、腎臟、肌肉中都有發(fā)現(xiàn)。

        2.17 載脂蛋白A-IV 也能夠引起淀粉樣變性病

        載脂蛋白A-IV(ApoA-IV)是結(jié)合在乳糜微粒(chylomicron)上的載脂蛋白。 ApoA-IV 在腸細(xì)胞中合成,由376 個(gè)氨基酸殘基組成,幾乎全部肽鏈都在β-螺旋中。然而,從一位92 歲死于淀粉樣變性病的男性心臟中,卻發(fā)現(xiàn)了ApoA-IV 蛋白的氨基端片段(大約殘基1~70)。檢查患者的ApoA-IV的基因,發(fā)現(xiàn)為蛋白編碼的DNA 序列沒有任何變化。 這位患者的心臟中同時(shí)有甲狀腺素和視黃醇轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(transthyretin,TTR,見上文)的沉積,但這2 種蛋白并不沉積在一起,而是各自形成自己的沉積。

        上面介紹的,只是迄今為止發(fā)現(xiàn)的淀粉樣變性病的一部分,但從這些病例,已經(jīng)可以看到這類蛋白的致病機(jī)制:雖然它們的氨基酸序列不同,但通過肽鏈折疊方式改變形成的結(jié)構(gòu)卻是高度相似的,都是橫向的β-折疊重疊在一起,形成小纖維狀的結(jié)構(gòu)。正是這樣的結(jié)構(gòu),或這些結(jié)構(gòu)形成過程中的低度聚合物,對(duì)細(xì)胞和組織有傷害性。

        雖然這些小纖維的總體結(jié)構(gòu)相似,但根據(jù)蛋白原來的表達(dá)位置,具體的蛋白氨基酸序列,以及人體的狀況,都能影響這些聚合物沉積的位置,引起不同的疾病。 例如Prion 蛋白和Aβ 片段、α-突觸核蛋白和Huntingtin 蛋白本來就是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中高度表達(dá)的,它們引起的淀粉樣沉積也主要在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中,在那里引起疾病。而抗體輕鏈和重鏈、血漿A 蛋白,β-微球蛋白、甲狀腺素和視黃醇轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(TTR)、胰島淀粉樣蛋白Amylin、纖維蛋白原、胱抑素蛋白、載脂蛋白都是存在于血漿中的,它們可以沉積在體內(nèi)各種組織和器官內(nèi),引起疾病。 溶菌酶、超氧化物歧化酶中的SOD3 存在于細(xì)胞外,它們也沉積于細(xì)胞外。

        從多種蛋白都能改變折疊狀況,形成致病性的Prion 類型的蛋白沉積物來看,蛋白的結(jié)構(gòu),或者說肽鏈的折疊狀況,是很容易受到擾亂而改變的。 脫離原來結(jié)合的分子(例如抗體的輕鏈和重鏈、β-微球蛋白、載脂蛋白A)、有形成Prion 型結(jié)構(gòu)能力的肽鏈段從整體分子中脫離出來(例如Aβ肽鏈、載脂蛋白和血清蛋白A 的氨基端部分)、基因突變?cè)斐傻陌被岣淖儭㈦逆溠娱L(例如ApoAII 蛋白)、肽鏈縮短(例如ApoA-I 肽鏈的合成提前終止)、老年時(shí)肌體維持蛋白正確折疊的功能下降(例如ApoII 在沒有基因突變的情況下在老年人身上引起淀粉樣變性?。┑龋寄芨淖冸逆溨须姾傻南嗷プ饔们樾?,導(dǎo)致折疊方式改變。

        以上介紹的引起淀粉樣變性病的蛋白都是存在于哺乳動(dòng)物中,特別是人體中的。既然許多蛋白都有改變折疊方式的可能性,傳染性蛋白就不應(yīng)該只在高等動(dòng)物中才出現(xiàn),而應(yīng)該在比較低等的生物中就已經(jīng)存在。 近年來的科學(xué)研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。 例如在酵母中,就有能形成Prion 結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì),即傳染性蛋白質(zhì)。

        (待續(xù))

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