苑劍銳, 風(fēng) 英, 張曉慧, 汲廣東

哺乳動(dòng)物類(lèi)白蛋白家族的結(jié)構(gòu)、功能與演化

苑劍銳, 風(fēng) 英, 張曉慧, 汲廣東

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院海洋生物多樣性與進(jìn)化研究所, 山東 青島 266003)

哺乳動(dòng)物類(lèi)白蛋白家族成員包括白蛋白(albumin, ALB)、維生素 D 結(jié)合蛋白(vitamin D binding protein, DBP)、甲胎蛋白(alpha-fetoprotein, AFP)和alpha-白蛋白(afamin, AFM)以及甲胎蛋白相關(guān)蛋白(alpha-fetoprotein related protein, ARG), 以含有白蛋白結(jié)構(gòu)域?yàn)橹饕卣鳌Ｇ?種蛋白都存在于血清中, 參與脂肪酸或激素等的轉(zhuǎn)運(yùn), 后一種可能存在于細(xì)胞中。文中就類(lèi)白蛋白家族的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、相關(guān)功能及進(jìn)化圖式等進(jìn)行闡述, 為后續(xù)探索該家族成員的演化和應(yīng)用提供了參考。

白蛋白; 結(jié)構(gòu); 生理功能; 進(jìn)化

白蛋白(albumin, ALB)一詞來(lái)源于德語(yǔ)里面對(duì)蛋白的稱(chēng)呼albumen, 其起源于拉丁語(yǔ)albus(白色), 這個(gè)顏色是禽蛋被煮熟時(shí)圍繞蛋黃的蛋清所顯示的白色。現(xiàn)在, albumen一詞仍然用于卵清蛋白以及尿液中的蛋白等, 而albumin是指血漿中的特定蛋白或具有相似性質(zhì)的蛋白。

白蛋白的研究歷史非常悠久, 遠(yuǎn)在約公元前400年, 希波克拉底就指出, 慢性腎病可以通過(guò)泡沫尿的存在來(lái)判斷, 產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是白蛋白的存在。16世紀(jì)一名瑞士醫(yī)生Paracelsus用醋在尿液中沉淀出白蛋白, 而在18世紀(jì)戴克(Frederick Dekkers)通過(guò)煮沸的方法也在尿液中沉淀出白蛋白, 直到1894年白蛋白被A. Gürber結(jié)晶出來(lái), 人們認(rèn)識(shí)到白蛋白是一種單一的可再生物質(zhì), 隨后在1926年科學(xué)家通過(guò)超速離心法確定了其分子量為70 000 Da。之后, 關(guān)于這個(gè)蛋白的研究不斷推向前進(jìn), 從蛋白片段的測(cè)序, 對(duì)蛋白結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí), 到20世紀(jì)80年代左右人類(lèi)白蛋白基因的分離, 90年代其晶體蛋白結(jié)構(gòu)確立, 是一個(gè)波瀾壯闊的研究和認(rèn)識(shí)過(guò)程[1]。

在這一過(guò)程中, 人們還發(fā)現(xiàn)了其他的與白蛋白相似的維生素D結(jié)合蛋白(vitamin D-binding protein, DBP)[2], 甲胎蛋白(alpha-fetoprotein, AFP)[3], alpha-白蛋白(alpha-albumin, afamin, AFP)[4-6]。在2010年, 有研究者通過(guò)生物信息學(xué)方法從某些哺乳動(dòng)物中獲得了甲胎蛋白相關(guān)蛋白(alpha-fetoprotein related gene, ARG)基因, 但并非在所有哺乳動(dòng)物種中存在[7]。至此, 已有上述5種類(lèi)白蛋白家族成員被發(fā)現(xiàn), 本文主要論述類(lèi)白蛋白家族的蛋白結(jié)構(gòu)、執(zhí)行的生理功能以及可能的分子演化圖式。

1 類(lèi)白蛋白家族的蛋白結(jié)構(gòu)

以小鼠(Mus musculus)為例, 其類(lèi)白蛋白家族的5個(gè)成員在結(jié)構(gòu)上有明顯的相似性, 除了DBP含有2個(gè)串聯(lián)重復(fù)的白蛋白結(jié)構(gòu)域(albumin domain)以及一個(gè)維生素D結(jié)合域, 其他都含有3個(gè)串聯(lián)重復(fù)的白蛋白結(jié)構(gòu)域, 如圖1所示。在蛋白一級(jí)結(jié)構(gòu)上, 我們發(fā)現(xiàn), 除了ARG外, 其他4個(gè)序列都在氨基端含有信號(hào)肽, 說(shuō)明DBP, ALB, AFP以及AFM都是分泌蛋白, 而ARG很有可能在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)。盡管蛋白質(zhì)序列比對(duì)發(fā)現(xiàn)這5個(gè)旁系同源蛋白同源性不高(17.5%～37.6%), 然而當(dāng)其基因結(jié)構(gòu)上的內(nèi)含子時(shí)相映射到對(duì)應(yīng)的蛋白序列上, 發(fā)現(xiàn)在albumin 結(jié)構(gòu)域上存在保守的2-0-2模式, 而且結(jié)構(gòu)域之間都是保守的0模式, 除了說(shuō)明對(duì)應(yīng)基因結(jié)構(gòu)的保守性, 也暗示了其蛋白高級(jí)結(jié)構(gòu)的保守性。在蛋白三維結(jié)構(gòu)上, 上述結(jié)構(gòu)域內(nèi)部被一系列二硫鍵連接, 形成了C-(X)18-44-CC-(X)5-9-C-(X)12-14-CC-(X)9-C-(X)20-26-C- (X)39-43-CC-(Xs)7-C等模式, 每個(gè)結(jié)構(gòu)域都含有大量α-螺旋, 除 DBP 在第 3 個(gè)結(jié)構(gòu)域被截?cái)嘁酝? 其余成員的三維結(jié)構(gòu)分析顯示呈一個(gè)球狀的心形蛋白。這一系列保守的二硫鍵使得類(lèi)白蛋白家族成員形成非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。有報(bào)道表明在生理?xiàng)l件下, 當(dāng)白蛋白在結(jié)合配體使分子形狀發(fā)生改變時(shí), 眾多的二硫鍵會(huì)幫助分子恢復(fù)到原來(lái)的形狀[8]。

圖1 類(lèi)白蛋白家族成員結(jié)構(gòu)域組成及三維結(jié)構(gòu)

A. 類(lèi)白蛋白家族成員結(jié)構(gòu)域組成, 由SMART在線分析網(wǎng)站(http: //smart.embl-heidelberg.de/)預(yù)測(cè); B. 人DBP(1J78)的三維結(jié)構(gòu); C. 人ALB(1AO6)的三維結(jié)構(gòu)

A. The domain composition of albumin multigene family, predicted by the SMART online analysis website (http://smart.embl-heidelberg. de/); B. The three-dimensional structure of human DBP (1J78); C. The three-dimensional structure of human ALB (1AO6)

2 類(lèi)蛋白家族的表達(dá)和調(diào)控

類(lèi)白蛋白家族成員主要在肝臟中表達(dá), 除此以外, 在其他組織(如AFP和AFM在腎臟, DBP在膽囊等)也有不同程度的表達(dá), 受到不同程度的調(diào)節(jié)。ALB和AFP在胎兒肝臟發(fā)育早期開(kāi)始表達(dá), 出生后ALB在成人肝臟中繼續(xù)高水平表達(dá), AFP的轉(zhuǎn)錄卻迅速被抑制到幾乎檢測(cè)不到的水平, 但在肝臟再生期和肝癌發(fā)生時(shí)可以被重新激活。AFM基因圍產(chǎn)期被激活, DBP的表達(dá)在妊娠中期, 二者在胎兒出生后中繼續(xù)高水平表達(dá)。小鼠中, ARG在胎肝中的表達(dá)水平較低, 表達(dá)時(shí)期與AFM類(lèi)似[7]。

ALB、AFP、AFM和ARG這4種基因串聯(lián)排布, 轉(zhuǎn)錄方向相同, DBP位于ALB的5’端上游, 與其他4種基因轉(zhuǎn)錄方向相反, 它們位于同一條染色體上[7, 9], 如圖2所示。類(lèi)白蛋白家族之間在染色體上緊密聯(lián)系以及它們主要在肝臟中的表達(dá)模式表明它們可能存在共同的調(diào)節(jié)因子。在啟動(dòng)子調(diào)節(jié)方面, ALB、AFP、AFM和DBP啟動(dòng)子附近均含有肝細(xì)胞核因子1 (HNF1)結(jié)合位點(diǎn), HNF1α和HNF1β能夠特異性結(jié)合這些結(jié)合位點(diǎn), 激活啟動(dòng)子活性, 而ARG附近沒(méi)有HNF1結(jié)合位點(diǎn), 這解釋了ARG表達(dá)量如此低的原因[1, 8]。在增強(qiáng)子調(diào)控方面, ALB增強(qiáng)子在胎肝中表達(dá)活性較低, ALB的表達(dá)需要AFP增強(qiáng)子進(jìn)行調(diào)控, 在妊娠后期ALB增強(qiáng)子被激活, 胎兒出生后AFP增強(qiáng)子影響逐漸被消除, 而 AFP增強(qiáng)子是其在卵黃囊、胎肝和發(fā)生肝病時(shí)表達(dá)所必需的[10]。在肝癌發(fā)生時(shí), AFP表達(dá)上升的同時(shí)AFM表達(dá)量下調(diào), 表明AFP和AFM啟動(dòng)子可能對(duì)AFP增強(qiáng)子有競(jìng)爭(zhēng)性作用, 但仍需進(jìn)一步的研究[11]。

3 類(lèi)白蛋白家族的生物學(xué)功能

3.1 白蛋白(ALB)

ALB又稱(chēng)清蛋白, 是哺乳動(dòng)物血漿中主要的蛋白質(zhì)成分, 由肝臟實(shí)質(zhì)細(xì)胞合成, 占了血漿總蛋白的55%～60%。ALB在生物體中發(fā)揮著重要的功能, 目前已知具有維持膠體滲透壓、結(jié)合和轉(zhuǎn)運(yùn)配體(如脂肪酸和荷爾蒙等)、參與內(nèi)源性或外源性物質(zhì)代謝、抗氧化和自由基清除、抗凋亡作用、抗凝血和抗血栓作用等一系列的生理生化功能[12], 對(duì)一些底物具有酯酶和烯醇酶活性[13]。

圖2 小鼠類(lèi)蛋白家族基因在5號(hào)染色體上的排列

數(shù)字代表基因以及基因間的間隔大小(kb), 箭頭代表轉(zhuǎn)錄方向, 改自文獻(xiàn)[7]

Numbers below indicate the size of the genes and intergenic regions(in kb). The arrows represent the direction of transcription, adapted from the literature[7]

人體內(nèi)ALB濃度是最常被檢測(cè)的健康指標(biāo)之一, 在營(yíng)養(yǎng)不良、肝臟合成受損、大面積燒傷或皮膚病造成的損失增加、組織分解代謝增加等情況下會(huì)引起血清ALB濃度降低, 如在新冠肺炎患者經(jīng)常觀察到ALB水平降低[14-15]產(chǎn)生低蛋白血癥, 已經(jīng)成為檢測(cè)病癥嚴(yán)重程度的一個(gè)非特異性指標(biāo), 低濃度的ALB預(yù)示患者的低康復(fù)率[16], 可以通過(guò)直接補(bǔ)充ALB進(jìn)行治療[12]。

由于ALB具有多種配體(脂肪酸、甲狀腺素、細(xì)菌蛋白以及金屬離子等)結(jié)合位點(diǎn)[17], 可以與一系列內(nèi)源性和外源性分子結(jié)合, 使得ALB成為人體內(nèi)新藥設(shè)計(jì)中不可忽視的重要載體/轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。通過(guò)ALB與藥物的結(jié)合使藥物濃度超過(guò)其天然血漿溶解度, 降低其毒性, 降低清除率和增加循環(huán)半衰期, 已廣泛應(yīng)用到二型糖尿病、血友病和胃癌等疾病的治療中去[18]。已有多種基于ALB的藥物遞送系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)出來(lái), 根據(jù)藥物附著方法可分為通過(guò)非共價(jià)/共價(jià)結(jié)合ALB產(chǎn)生的對(duì)蛋白質(zhì)具有增強(qiáng)親和力的藥物衍生物, 與多肽類(lèi)藥物形成融合蛋白以及通過(guò)ALB與納米粒子結(jié)合進(jìn)行靶向治療等, 以利用其藥物轉(zhuǎn)運(yùn)特性[19], 如金納米粒子與ALB結(jié)合用作姜黃素的藥物載體, 使復(fù)合物具有更高的穩(wěn)定性, 增加釋放量和提高抗菌活性[20]。因此, ALB作為一種豐富、安全、非免疫原性和穩(wěn)定的蛋白質(zhì), 具有超長(zhǎng)的循環(huán)半衰期, 是未來(lái)藥物載體研究的有效候選。

3.2 甲胎蛋白(AFP)

AFP于1956年在胎兒血清中發(fā)現(xiàn), 其在胎兒早期發(fā)育的肝臟和卵黃囊中表達(dá), 是胎兒血漿中的主要蛋白質(zhì), 其在胎兒出生后其表達(dá)水平迅速降低。后來(lái)的研究表明AFP在胎兒體內(nèi)的部分功能與成人體內(nèi)的ALB類(lèi)似, 亦具有維持胎兒早期血漿滲透壓的作用, 并作為運(yùn)輸載體能與脂肪酸、類(lèi)固醇、重金屬離子和各種藥物結(jié)合, 在出生后其功能逐漸被白蛋白所取代。

高濃度的AFP還在肝癌患者體內(nèi)被發(fā)現(xiàn), 認(rèn)為AFP是重要的腫瘤標(biāo)志物, 對(duì)早期肝癌的診斷及治療評(píng)估都具有非常重要的作用[21]。這促使人們把AFP與細(xì)胞的生長(zhǎng)聯(lián)系起來(lái)?，F(xiàn)在認(rèn)為, AFP可能通過(guò)多種機(jī)制調(diào)節(jié)正常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)。已發(fā)現(xiàn), AFP具有免疫抑制作用。在胎兒中高濃度的AFP不僅具有載體運(yùn)輸功能, 還可以保護(hù)胎兒免受母體的免疫攻擊。在肝癌發(fā)生時(shí), AFP與巨噬細(xì)胞相互作用, 降低其吞噬活性和表面Ia抗原的表達(dá), 抑制自然殺傷細(xì)胞的活性, 減少T淋巴細(xì)胞的增殖, 促進(jìn)T抑制細(xì)胞的活性。通過(guò)與AFP受體結(jié)合、PI3K/AKT信號(hào)通路激活、癌基因蛋白刺激及PTEN抑癌基因蛋白功能紊亂等起到對(duì)腫瘤細(xì)胞增殖的促進(jìn)作用, AFP 既可以促進(jìn)肝癌細(xì)胞增生, 又抑制了患者對(duì)腫瘤產(chǎn)生的免疫應(yīng)答。AFP還保護(hù)癌細(xì)胞起到抗凋亡作用, 抑制caspase3介導(dǎo)的凋亡信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[22-24]。迄今, AFP已成為肝癌治療的新靶點(diǎn), 通過(guò)免疫治療阻斷AFP可抑制肝癌細(xì)胞增殖, 誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡, 有望為肝癌治療帶來(lái)廣闊的前景。

3.3 alpha-白蛋白(AFM)

AFM于1994年被確定為類(lèi)白蛋白家族成員[6], 在此之前一直與類(lèi)白蛋白家族的其他成員劃分開(kāi)來(lái), 由于蛋白序列中沒(méi)有色氨酸, 因此被描述為一種色氨酸缺乏的α球蛋白[5]。AFM只在哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn), 主要在肝臟合成, 不僅存在于血液中, 還存在于其他組織和體液中, 包括卵巢卵泡、精液以及腦脊液中, 很可能與繁殖和神經(jīng)保護(hù)有關(guān)。研究表明AFP有維生素E結(jié)合功能, 對(duì)α-生育酚和γ-生育酚有極高的親和力, 也被稱(chēng)作維生素E結(jié)合蛋白。在人血漿中, 維生素E通過(guò)脂蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行非特異性轉(zhuǎn)運(yùn)。而在脂蛋白缺乏時(shí), alpha-白蛋白負(fù)責(zé)結(jié)合維生素E參與轉(zhuǎn)運(yùn)[25-26]。此外, 血清中AFM與Wnt蛋白能緊密結(jié)合, 形成具有生物活性的復(fù)合物, 有助于各種Wnt配體運(yùn)輸及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[27]。

病理狀態(tài)下, 血漿中AFM的濃度升高被認(rèn)為與多種代謝綜合征, 如肝癌、卵巢癌、妊娠并發(fā)癥、多囊卵巢綜合征、肥胖、II型糖尿病、高血壓和血脂異常等有關(guān)[28]。

3.4 甲胎蛋白相關(guān)蛋白(ARG)

ARG是2010年在小鼠、大鼠()、狗()和馬()的基因組中發(fā)現(xiàn)的, 由于其同源性與AFP更相近而得名。在靈長(zhǎng)類(lèi)()里面, 這一基因變成了沒(méi)有功能的假基因。初步的研究表明, ARG表達(dá)模式類(lèi)似于AFM, 亦在小鼠的胎肝, 腎臟等組織中表達(dá), 且其表達(dá)量很低[7]。我們發(fā)現(xiàn), 這個(gè)基因編碼的蛋白不像家族其他成員一樣含有信號(hào)肽, 因此它可能并不能分布在血漿中, 而是表達(dá)于細(xì)胞內(nèi), 具體功能還有待于進(jìn)一步研究。

3.5 維生素D結(jié)合蛋白(DBP)

維生素D結(jié)合蛋白最早由HIRSCHFELD[2]在1959年發(fā)現(xiàn), 基于其免疫學(xué)活性被命名為Gc(group- specific component)蛋白, 同時(shí)期, THOMAS[29]等發(fā)現(xiàn)一種血清蛋白被鑒定為具有運(yùn)輸維生素D及其代謝產(chǎn)物的功能, 被稱(chēng)為維生素D結(jié)合蛋白(DBP), 但直到1975年才發(fā)現(xiàn)Gc/DBP是相同的蛋白質(zhì)[30]。DBP主要由肝臟細(xì)胞合成和分泌, 在腎臟、睪丸、膽囊、胰腺細(xì)胞和脂肪細(xì)胞中也有少量表達(dá)。

由于DBP對(duì)維生素D有極高的親和力, 對(duì)維生素D及其代謝產(chǎn)物的結(jié)合和運(yùn)輸是DBP的主要功能。人體中維生素D的主要來(lái)源是皮膚在陽(yáng)光下照射后產(chǎn)生的, 皮膚中的維生素D需要DBP來(lái)完成運(yùn)輸, 進(jìn)入到血漿或其他組織中執(zhí)行生理功能[31]。

然而, 在血漿中結(jié)合維生素D的DBP只占其中的一小部分, DBP還參與很多其他的生理功能: DBP能與肌動(dòng)蛋白單體結(jié)合, 形成DPB肌動(dòng)蛋白復(fù)合物, 避免組織損傷后血清中肌動(dòng)蛋白聚合; 結(jié)合脂肪酸特別是不飽和脂肪酸; 轉(zhuǎn)運(yùn)內(nèi)毒素; DBP結(jié)合 T細(xì)胞參與免疫反應(yīng); DBP可通過(guò)翻譯后修飾和巨噬細(xì)胞活化因子形成DBP-MAF復(fù)合體, 影響骨代謝; DBP與白細(xì)胞結(jié)合參與補(bǔ)體C5系統(tǒng)活化等[32-33]。

DBP是一個(gè)具有高度多態(tài)性的血清蛋白, 除了3種主要的等位基因型(DBP1F、DBP1S和DBP2)外, 已經(jīng)報(bào)導(dǎo)有超過(guò)120個(gè)獨(dú)特的變異, 主要等位基因型的差異與種族地理位置的不同分布有關(guān)。DBP的多態(tài)性還與許多慢性疾病(如骨質(zhì)疏松癥、I型和II型糖尿病、甲狀腺自身免疫性疾病、炎癥性腸病和慢性阻塞性肺病等)的易感性或抵抗力有關(guān)。DBP的多態(tài)性還與新冠肺炎患者對(duì)COVID-19的抵抗性有關(guān), DBP1等位基因頻率高會(huì)降低COVID-19感染導(dǎo)致的患病率和死亡率, 猜測(cè)可能與DBP 1表型患者含有更高濃度的維生素D代謝物有關(guān), 維生素D可能在抵抗COVID‐19感染過(guò)程中起作用[34]。DBP在肝病、腎病綜合征、營(yíng)養(yǎng)不良、嚴(yán)重急性創(chuàng)傷或疾病患者血清濃度降低[33, 35], 可用于臨床檢測(cè); DBP還被發(fā)現(xiàn)是淋巴管肌瘤病病情嚴(yán)重程度的一種新的生物標(biāo)志物[36]。然而, DBP在這些疾病中的確切作用尚未完全明了。

上述類(lèi)蛋白家族成員功能總結(jié)見(jiàn)表1。

表1 類(lèi)蛋白家族成員的功能簡(jiǎn)介

續(xù)表

4 類(lèi)白蛋白家族進(jìn)化分析

從20世紀(jì)70年代末到80年代, 人們根據(jù)部分哺乳動(dòng)物的類(lèi)蛋白家族成員序列信息的比對(duì)和進(jìn)化分析結(jié)果, 提出了類(lèi)白蛋白家族進(jìn)化的假設(shè), 認(rèn)為它們是從同一個(gè)祖先基因進(jìn)化而來(lái)的。類(lèi)白蛋白家族祖先基因最初編碼190個(gè)左右的氨基酸, 在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中經(jīng)過(guò)基因重組形成目前3個(gè)結(jié)構(gòu)域的基因[42]。在距今約7億年前分化為兩個(gè)基因, 其一編碼DBP, 另一個(gè)是ALB和 AFP的祖先基因, 它經(jīng)過(guò)約3億～5億年的進(jìn)化而又進(jìn)一步分化為兩個(gè)基因, 分別編碼ALB和 AFP, AFP之后分化形成了AFM。

自從這個(gè)假說(shuō)提出以后, 人們?cè)噲D在現(xiàn)存的物種中尋找假說(shuō)中所述的不同時(shí)期祖先基因存在的分子證據(jù)。自2010年來(lái)基因組測(cè)序技術(shù)的廣泛應(yīng)用, 許多物種的基因組和轉(zhuǎn)錄組已被測(cè)序, 為解析基因和基因組的進(jìn)化提供了豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[43], 也為解答類(lèi)蛋白家族的進(jìn)化提供了契機(jī)。生信分析發(fā)現(xiàn), 在靈長(zhǎng)類(lèi)出現(xiàn)之前, ARG出現(xiàn)在部分哺乳動(dòng)物基因組中, 緊靠AFP基因的3′端, 而靈長(zhǎng)類(lèi)中, ARG發(fā)生了假基因化從而失去功能, 具體是由哪個(gè)基因復(fù)制分化而來(lái)尚不明確[7, 44]。我們用蛋白同源性搜索(Blastp)發(fā)現(xiàn), 鳥(niǎo)類(lèi)中存在3種類(lèi)白蛋白(DBP, ALB和AFP); 爬行類(lèi)中有的出現(xiàn)了DBP, ALB和AFP, 而有的只出現(xiàn)ALB和AFP, 其中ALB會(huì)出現(xiàn)2～3次的復(fù)制; 兩棲類(lèi)中有兩種類(lèi)白蛋白(DBP, ALB)出現(xiàn); 在硬骨魚(yú)類(lèi)中, 許多物種中出現(xiàn)部分類(lèi)白蛋白缺失, 甚至完全丟失的情況, 像斑馬魚(yú)()中只存在DBP, 鱒魚(yú)()中存在ALB2和ALB2 like蛋白, 而在鱗頭犬牙南極魚(yú)()、鰻魚(yú)()中未分離出具有白蛋白特征的蛋白質(zhì)[45-47], 推測(cè)魚(yú)體內(nèi)的高密度脂蛋白可以代替白蛋白結(jié)合脂肪酸來(lái)降低血液黏度, 這種替代可能與環(huán)境引起的進(jìn)化選擇有關(guān)。

比硬骨魚(yú)()更低等的鯊魚(yú)()胎兒體內(nèi)發(fā)現(xiàn)一種類(lèi)似于AFP的蛋白質(zhì), 具有與哺乳動(dòng)物中AFP非常相似的特征, 在胎兒發(fā)育的早期表達(dá), 且在胎兒分娩后迅速消失, 合成部位與分子量與哺乳動(dòng)物相似, 這些都說(shuō)明鯊魚(yú)胎兒甲胎蛋白是哺乳類(lèi)和鳥(niǎo)類(lèi)甲胎蛋白的同源物[48]。作者通過(guò)蛋白同源性搜索也發(fā)現(xiàn)了新近測(cè)序的點(diǎn)紋斑竹鯊()和白點(diǎn)竹鯊()基因組都存在AFP的同源片段, 尤其是后者基因組已經(jīng)達(dá)到了染色體水平的組裝[49], 類(lèi)蛋白家族的成員中只有AFP基因在白點(diǎn)竹鯊基因組中找到同源片段, 說(shuō)明鯊魚(yú)體內(nèi)可能只存在AFP。AFP的這種表達(dá)規(guī)律可能與鯊魚(yú)卵胎生等的生殖方式有關(guān), 胎兒在母體中需要AFP來(lái)維持血漿滲透壓和運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 作為生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子確保生物體完成孕期。

在無(wú)頜類(lèi)七鰓鰻()中也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)白蛋白家族成員的存在。與高等脊椎動(dòng)物的血清白蛋白不同, 七鰓鰻的類(lèi)白蛋白含有7個(gè)白蛋白結(jié)構(gòu)域[50-52], 雖然與人們預(yù)想的無(wú)頜類(lèi)中可能出現(xiàn)單一或者兩個(gè)白蛋白結(jié)構(gòu)域不同, 但仍沒(méi)能否認(rèn)前面的假說(shuō), 只是在無(wú)頜類(lèi)中出現(xiàn)了物種特異的基因復(fù)制現(xiàn)象, 表明在更低等的無(wú)脊椎動(dòng)物如文昌魚(yú)()中, 比較原始的白蛋白不排除以多結(jié)構(gòu)域的形式存在, 上述進(jìn)化圖式總結(jié)如圖3所示。由于類(lèi)白蛋白成員之間序列保守性比較低, 但半胱氨酸殘基比較保守, 提示可以通過(guò)其排列模式在低等物種中進(jìn)行序列搜索, 從而為類(lèi)蛋白家族的進(jìn)化提供新的例證。

圖3 類(lèi)白蛋白家族進(jìn)化樹(shù)

ABL. 七鰓鰻白蛋白; ARG. 甲胎蛋白相關(guān)蛋白; AFM. alpha白蛋白; AFP. 甲胎蛋白; ALB. 白蛋白; DBP. 維生素D結(jié)合蛋白?；【€代表分歧時(shí)間不確定, 脊椎動(dòng)物的分化時(shí)間選自http://timetree.org/,進(jìn)化樹(shù)改自文獻(xiàn)[52]

ABL. Lamprey albumin; ARG. alpha fetoprotein; AFM. alpha albumin, AFP. alpha fetoprotein; Alb. albumin; DBP. vitamin D binding protein. The arcs represent the uncertain time of divergence. The time of vertebrate radiations were selected from http://timetree. org/. The phylogenetic tree was modified from the literature[52]

5 展望

類(lèi)白蛋白家族的研究歷史非常悠久, 基本上伴隨了人們從蛋白到基因的認(rèn)識(shí)過(guò)程, 尤其從20世紀(jì)50年代起, 新的類(lèi)白蛋白家族成員被不斷發(fā)現(xiàn), 對(duì)這一基因家族的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深入。例如, 先天性ALB缺陷的人和大鼠是存活的[53-54], 小鼠被靶向AFP敲除后能存活但雌性不育[55], 但還沒(méi)有見(jiàn)到對(duì)這一基因家族其他成員如AFM、DBP以及這一家族基因聯(lián)合敲除的研究。另外, 由于這一家族基因(AFP、AFM、DBP)都和腫瘤等疾病相關(guān), 因此利用模式動(dòng)物進(jìn)行轉(zhuǎn)基因相關(guān)研究也很有必要。

在功能應(yīng)用研究方面, 以ALB較為成熟。由于ALB是哺乳動(dòng)物血漿的主要蛋白成分, 半衰期長(zhǎng)達(dá)19 d左右, 含有多種配體結(jié)合位點(diǎn), 可與許多體內(nèi)外分子結(jié)合并延長(zhǎng)這些分子在體內(nèi)的半衰期, 是體內(nèi)重要的轉(zhuǎn)運(yùn)載體候選。利用這些特點(diǎn), 已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了許多與ALB結(jié)合的藥物遞送平臺(tái)并在臨床取得了比較好的效果。最近發(fā)現(xiàn), 人ALB能與Fc受體以pH依賴(lài)的方式結(jié)合, 以此人們可以研發(fā)通過(guò)調(diào)控pH值來(lái)影響與ALB結(jié)合的藥物或者蛋白的半衰期的策略, 達(dá)到藥物高效利用的目的。另外, 利用人ALB 結(jié)構(gòu)域進(jìn)行血液排毒, 以及血紅蛋白-ALB作為紅細(xì)胞替代等都在不斷研究中[56]。因此, 結(jié)合基因工程技術(shù)以及分子和結(jié)構(gòu)生物學(xué)知識(shí), 充分開(kāi)發(fā)ALB作為一種天然生物材料的潛能, 具有十分誘人的應(yīng)用前景。

在進(jìn)化上, 盡管前人提出了類(lèi)蛋白家族進(jìn)化的假說(shuō), 但是這一家族的進(jìn)化歷程并沒(méi)有人們預(yù)期的那么簡(jiǎn)單。例如, 哺乳動(dòng)物中ARG假基因化的原因是什么, 魚(yú)類(lèi)中是否廣泛存在類(lèi)蛋白家族基因的丟失？七鰓鰻中是否還存在其他的含有多個(gè)白蛋白結(jié)構(gòu)域的蛋白, 其他低等無(wú)脊椎動(dòng)物(文昌魚(yú))、海鞘()、海膽()等基因組已測(cè)序的物種)是否存在類(lèi)白蛋白結(jié)構(gòu)域的蛋白等都是進(jìn)化上值得探索的問(wèn)題。

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The structure, function and evolution of mammalian albumin multigene family

YUAN Jian-rui, FENG Ying, ZHANG Xiao-hui, JI Guang-dong

(Ocean University of China, College of Marine Life Sciences, Institute of Evolution & Marine Biodiversity, Qingdao 266003, China)

albumin; structure; physiological function; evolution

Albumin multigene family in mammals consists of albumin (ALB), Vitamin D binding protein (DBP), alpha-Fetoprotein (AFP), alpha-albumin (AFM) and alpha-fetoprotein related protein (ARG), with the main characteristics of containing albumin domain. The former four proteins are present in the serum and are involved in transporting fatty acids or hormones, while ARG is probably localized in cell. This review will focus on the main structural characteristics, related functions and evolution of albumin family.

Mar. 17, 2021

The National Natural Science Foundation of China, No. 31970429; Shandong Provincial Natural Science Foundation, No. ZR2020MC050]

苑劍銳(1995—), 男, 山東東營(yíng)人, 碩士研究生, 主要從事文昌魚(yú)發(fā)育與進(jìn)化研究, 電話: 15066870710, E-mail: yuanjianrui@ stu.ouc.edu.cn; 汲廣東(1976—), 通信作者, 電話: 0532-82031665, E-mail: jamesdong@ouc.edu.cn

Q512+.1

A

1000-3096(2021)08-0089-09

10.11759/hykx20210317001

2021-03-17;

2021-04-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31970429); 山東省自然科學(xué)基金(ZR2020MC050)

(本文編輯: 譚雪靜)