蛋白質(zhì)羰基的形成、降解及其與相關(guān)疾病的關(guān)系,病理學(xué)論文

蛋白質(zhì)羰基的形成、降解及其與相關(guān)疾病的關(guān)系,病理學(xué)論文氧化應(yīng)激是指機(jī)體在病理狀態(tài)下，體內(nèi)高活性分子如活性氧自由基(reactiveoxygenspecies，ＲOS)產(chǎn)生太多，氧化程度超出氧化物的去除，氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)失衡，進(jìn)而導(dǎo)致組織損傷［1］。ＲOS主要包括O2+與OH－及其活性衍生物如H2O2、HOCl、O2、LO、LOO及LOOH等。ＲOS反響活性高，能迅速與細(xì)胞內(nèi)各種生物大分子反響，引起細(xì)胞水平上的損傷，華而不實(shí)包括DNA、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的氧化損傷［2］。蛋白質(zhì)在生物體正常生命活動(dòng)中擔(dān)負(fù)著催化、調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)運(yùn)、儲(chǔ)存、運(yùn)動(dòng)和支架作用等重要功能。因此，有學(xué)者以為蛋白質(zhì)的氧化損傷在疾病的病理生理經(jīng)過中起著至關(guān)重要的介導(dǎo)作用［3］。蛋白質(zhì)羰基化是蛋白質(zhì)氧化損傷中的一種，其本身是氧化應(yīng)激中的一種不可逆的化學(xué)修飾，指的是氨基酸殘基側(cè)鏈遭到氧自由基攻擊最后轉(zhuǎn)變成羰基產(chǎn)物［4］。蛋白質(zhì)的羰基化修飾后會(huì)引起蛋白質(zhì)構(gòu)造的改變，使其失去原有的生物學(xué)功能，最終導(dǎo)致細(xì)胞和組織功能紊亂，出現(xiàn)機(jī)體病理生理改變。已有研究表示清楚，蛋白質(zhì)羰基化聚集介入了衰老、凋亡以及多種神經(jīng)退行性疾病的病因和病理生理演變。本文將重點(diǎn)綜述蛋白質(zhì)羰基的構(gòu)成和降解及其在多種相關(guān)疾病中的可能作用。一、羰基化蛋白質(zhì)構(gòu)成的機(jī)制蛋白質(zhì)羰基化是蛋白質(zhì)的非酶促的不可逆羰基修飾，根據(jù)能否有ＲOS的介入將羰基蛋白的生成途徑分為兩大類:(1)ＲOS直接氧化蛋白質(zhì)側(cè)鏈氨基酸生成羰基蛋白(即自由基氧化);(2)蛋白質(zhì)在脂質(zhì)氧化和非酶糖基化經(jīng)過后生成羰基蛋白(即糖基化)［5］。在體內(nèi)金屬離子(鐵離子或銅離子)催化氧化系統(tǒng)幫助下，ＲOS能直接氧化蛋白質(zhì)側(cè)鏈的賴氨酸、精氨酸、脯氨酸和蘇氨酸等殘基構(gòu)成羰基［4-6］。除此之外，羥基自由基還可直接作用于肽鍵，使肽鍵斷裂，在斷裂處產(chǎn)生羰基，此途徑又稱酰胺化。其主要的原理是羥基自由基抽提碳原子上的氫，使碳原子氧化，在這里基礎(chǔ)上水解斷裂。非酶糖基化蛋白質(zhì)的非酶糖基化反響(簡(jiǎn)稱糖基化反響)是羰基蛋白生成的另一重要途徑。脂質(zhì)氧化和非酶糖氧化經(jīng)過后構(gòu)成的活性羰基類物質(zhì)(reactivecarbonylspecies，ＲCS)，主要是一些不飽和醛，如:4-羥基壬烯醛(4-hydroxy-trans-2-nonenal，HNE)、丙烯醛(acrolein，ACＲ)、丙二醛(malondialdehyde，MDA)，這些活性羰基分子本身含有羰基，能夠通過羰氨交聯(lián)直接結(jié)合到蛋白質(zhì)側(cè)鏈上半胱氨酸、組氨酸以及賴氨酸上構(gòu)成羰基［6-7］。糖基化反響的顯著特征是:它是復(fù)原糖與氨基之間的反響，不依靠于脂類和氧。這樣，即便所有的自由基攻擊能被抗氧化系統(tǒng)所阻止，只要機(jī)體內(nèi)存在ＲCS，它就能進(jìn)一步反響生成羰基蛋白?，F(xiàn)有的研究表示清楚，ＲCS介入了心血管疾病(如動(dòng)脈粥樣硬化)、神經(jīng)退行性疾病(如阿爾茨海默病、帕金森病)、腦缺血、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、局部缺血再灌注等很多疾病和應(yīng)激的啟動(dòng)和發(fā)展經(jīng)過，甚至還介入和啟動(dòng)了衰老經(jīng)過［3，7］。多數(shù)學(xué)者以為在氧化劑和自由基攻擊生物體系而引起的細(xì)胞毒性經(jīng)過中，ＲCS是直接的致病因子［3-4］。體外的前期研究也發(fā)現(xiàn)抑制脂質(zhì)氧化途徑能夠減少蛋白質(zhì)羰基化的構(gòu)成，表示清楚蛋白質(zhì)羰基化主要是通過脂質(zhì)氧化這條途徑［8］。二、羰基化對(duì)蛋白質(zhì)的選擇性在不同疾病誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激下，羰基化對(duì)蛋白質(zhì)具有一定的選擇性，即有些蛋白質(zhì)容易羰基化，而有些卻不易羰基化［9-10］。以細(xì)胞骨架為例，膠質(zhì)纖維酸性蛋白(glialfibrillaryacidicprotein，GFAP)是多發(fā)性硬化［11］、皮克?。?2］和衰老［13］中最容易遭到氧化損傷攻擊的蛋白質(zhì)，其羰基化水平提高，然而，在阿爾茨海默病患者中其羰基化水平降低［13］(表1)。除此之外，另一個(gè)細(xì)胞骨架分子-actin羰基化水平在阿爾茨海默?。?3］和多發(fā)性硬化［11］中提高，但是在衰老中卻是減少的。研究表示清楚，羰基化修飾在不同病理狀態(tài)下對(duì)蛋白質(zhì)的不同選擇性，并不是由蛋白質(zhì)的相對(duì)數(shù)量決定的［14］;盡管果蠅飛行肌線粒體中有很多種蛋白質(zhì)，但只要順烏頭酸酶和腺嘌呤核苷酸移位酶的羰基化程度會(huì)隨年齡而增加，并相應(yīng)地失去活性;而細(xì)胞色素C，盡管其含量豐富，羰基化修飾水平并沒有提高。羰基化修飾對(duì)蛋白質(zhì)選擇性的機(jī)制至今仍未完全清楚。Stadtman［15-16］以為，蛋白質(zhì)能否具有過渡金屬結(jié)合位點(diǎn)對(duì)于其能否能通過金屬催化氧化途徑構(gòu)成羰基至關(guān)重要。蛋白質(zhì)與過渡金屬結(jié)合是產(chǎn)生自由基的重要來源，而自由基一旦產(chǎn)生，將啟動(dòng)一系列連鎖反響，最終發(fā)生羰氨反響構(gòu)成羰基［17］。除此之外，蛋白質(zhì)的分子構(gòu)象、半衰期以及金屬催化氧化敏感型氨基酸殘基含量，也是影響蛋白質(zhì)羰基化修飾的選擇性的重要因素［18-19］。而能否位于ＲOS產(chǎn)生的附近，也是其羰基化修飾的重要決定因素［6］。三、蛋白質(zhì)羰基化后去路機(jī)體內(nèi)的蛋白質(zhì)損傷后，通常的去路有3種，即:被修復(fù)、被蛋白質(zhì)降解系統(tǒng)分解和聚積。蛋白質(zhì)羰基化后很有可能會(huì)失去其原有的生物學(xué)功能，由于羰基化是一個(gè)不可逆的化學(xué)反響，蛋白質(zhì)羰基化后無法被修復(fù)，通常被直接運(yùn)送到蛋白質(zhì)降解系統(tǒng)降解［20-21］。病理狀態(tài)下，當(dāng)羰基化蛋白質(zhì)生成太多或者蛋白酶體活性降低無法降解羰基化蛋白質(zhì)，羰基化蛋白質(zhì)就會(huì)聚集在細(xì)胞內(nèi)。羰基化(損傷)蛋白質(zhì)的累積和聚合，將會(huì)損傷細(xì)胞和組織的功能，誘導(dǎo)病理生理改變。一般以為哺乳動(dòng)物體內(nèi)存在溶酶體蛋白酶、鈣依靠蛋白酶和蛋白酶體3種蛋白質(zhì)降解途徑［20］。已有研究表示清楚羰基化蛋白質(zhì)主要是通過20S蛋白酶體本身降解的，而且這個(gè)經(jīng)過并不需要ATP和泛素的介入［20-21］。多個(gè)體外實(shí)驗(yàn)也表示清楚使用蛋白酶體抑制劑能夠?qū)е卖驶鞍拙鄯e［20］。Shringarpure等［22］以為，蛋白質(zhì)羰基化后可導(dǎo)致蛋白質(zhì)側(cè)鏈的開鏈和變性，進(jìn)而增加了其疏水外表，這些疏水片段正好為20S蛋白酶體提供了辨別位點(diǎn)。同時(shí)，體外研究表示清楚鈣依靠蛋白酶降解氧化包括羰基化蛋白的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常狀態(tài)下蛋白的速度［23］。除此之外，學(xué)者以為只要稍微羰基化的蛋白質(zhì)才能被蛋白酶體降解，而過度羰基化和交聯(lián)的蛋白質(zhì)不僅不能被蛋白酶體降解，反而具有抗蛋白酶體水解的特性［24］。比方HNE本身就能結(jié)合到蛋白酶體導(dǎo)致其活性降低。此時(shí)，就需要溶酶體蛋白酶來降解這些過度羰基化的蛋白質(zhì)［24］。四、蛋白質(zhì)羰基化與疾病1．蛋白質(zhì)羰基化與衰老:早在1987年Oliver等［25］發(fā)現(xiàn)了羰基蛋白含量隨年齡的增長(zhǎng)而增加。此后科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，羰基蛋白含量與家蠅的預(yù)期壽命或生理壽命有關(guān)［16］。在培養(yǎng)的人類皮膚成纖維細(xì)胞中，羰基蛋白含量與該細(xì)胞捐贈(zèng)者的年齡有關(guān)，并呈指數(shù)增加［9］。早老癥患者成纖維細(xì)胞的羰基蛋白含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于培養(yǎng)的與患者年齡相符的正常個(gè)體的成纖維細(xì)胞的羰基蛋白含量［9］。有學(xué)者［6］以為，蛋白質(zhì)羰基化介入了蛋白質(zhì)的質(zhì)量控制，它標(biāo)記異常的、損傷的蛋白質(zhì)，使其被降解;而在衰老經(jīng)過中，機(jī)體對(duì)羰基蛋白的降解減弱伴隨羰基蛋白的生成加快，羰基蛋白對(duì)蛋白質(zhì)、細(xì)胞乃至機(jī)體的危害逐步暴露出來，導(dǎo)致蛋白質(zhì)和細(xì)胞功能的降低和喪失，最終加快衰老的進(jìn)程。研究也表示清楚羰基化蛋白質(zhì)的主要降解細(xì)胞器蛋白酶體的活性在多種衰老模型中都是降低的［16］，而氧化應(yīng)激早就被以為是衰老的一個(gè)主要分子機(jī)制之一［9］，這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無疑支持著以上的學(xué)講。然而，近期研究發(fā)現(xiàn)，組蛋白的羰基化程度在衰老經(jīng)過中降低而不是升高，該研究組至今不清楚其潛在的生物學(xué)意義，但是他們以為，組蛋白羰基化可能導(dǎo)致其與DNA的綁定減弱，進(jìn)而影響了基因的表示出［26］。因此，衰老經(jīng)過中的蛋白質(zhì)羰基化修飾可能不單單是由于其本身具有毒性，可能還牽涉對(duì)基因表示出的調(diào)節(jié)，而這些有可能在衰老的病理生理經(jīng)過中起著重要的作用。2．蛋白質(zhì)羰基化與凋亡:研究發(fā)現(xiàn)凋亡誘導(dǎo)因子(apoptosis-inducingfactor，AIF)在氧化應(yīng)激狀態(tài)下被羰基化，鈣蛋白酶辨別并降解羰基化的AIF，進(jìn)而誘導(dǎo)了細(xì)胞凋亡［27］。在一氧化氮誘導(dǎo)的凋亡經(jīng)過中也發(fā)現(xiàn)抗凋亡蛋白Bcl-2先是被羰基化，然后才有了凋亡的啟動(dòng)［28］。高爾基體伴侶蛋白的羰基化修飾能使其失去功能，導(dǎo)致?lián)p傷或錯(cuò)誤折疊的蛋白集聚，這本身就是誘導(dǎo)凋亡的信號(hào)之一［29］。除此之外，線粒體腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)體作為線粒體膜上的離子通道，其羰基化后將導(dǎo)致線粒體膜的開放，膜電勢(shì)喪失，凋亡因子釋放，進(jìn)而誘導(dǎo)了凋亡［30］。3．蛋白質(zhì)羰基化與神經(jīng)退行性疾病:阿爾茨海默病是常見的神經(jīng)退行性疾病，主要臨床表現(xiàn)為進(jìn)行性記憶喪失和癡呆［31］。研究發(fā)現(xiàn)阿爾茨海默病患者的海馬回和海馬旁回組織切片中羰基蛋白水平升高［13］。帕金森病是另一種較常見的神經(jīng)退行性疾病，以進(jìn)行性運(yùn)動(dòng)障礙為主要臨床表現(xiàn)［32］。有研究指出，老年癡呆患者腦黑質(zhì)、基底神經(jīng)節(jié)、蒼白球、額部皮質(zhì)、小腦等腦部組織中羰基蛋白水平均升高［33］。多發(fā)性硬化是一種病因不明的、以中樞神經(jīng)系統(tǒng)脫髓鞘為特征的神經(jīng)免疫退行性疾?。?4］，最新國(guó)外研究也發(fā)現(xiàn)多發(fā)性硬化患者大腦白質(zhì)和灰質(zhì)中羰基蛋白的水平均比正常對(duì)照組高［11］。在多種神經(jīng)退行性疾病中，均發(fā)現(xiàn)蛋白酶體活性減弱，這可能也是其羰基蛋白水平提高的原因之一［21，35-36］。4．蛋白質(zhì)羰基化與其他疾病:氧化應(yīng)激是創(chuàng)傷性腦損傷繼發(fā)性損傷中已經(jīng)被廣泛認(rèn)同的分子機(jī)制之一［37］。研究表示清楚氧化應(yīng)激在顱腦創(chuàng)傷的同時(shí)就出現(xiàn)，也是顱腦損傷后神經(jīng)元、血管損傷的主要病理生理基礎(chǔ)［38］。顱腦損傷動(dòng)物模型研究發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)羰基化水平在腦損傷后就升高，腦損傷3個(gè)月后，損傷對(duì)側(cè)大腦的羰基蛋白水平也增高［39］。另一研究組在動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)輕型腦損傷后羰基蛋白水平提高，而重型腦損傷后羰基蛋白水平反而正常［40］。除此之外，在一些疾病如類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、膿毒血癥、肌萎縮性(脊髓)側(cè)索硬化、呼吸困難綜合征、肌肉萎縮癥、白內(nèi)障、動(dòng)脈硬化癥［7-8］等，其羰基蛋白的含量明顯高于相應(yīng)的對(duì)照組。這些都表示清楚蛋白質(zhì)羰基化修飾不單單是一個(gè)細(xì)胞氧化程度的一個(gè)標(biāo)志，而是介入了疾病的病理生理經(jīng)過。五、結(jié)論細(xì)胞內(nèi)氧化水平和抗氧化水平的失衡導(dǎo)致了氧化應(yīng)激，氧化應(yīng)激的情況下蛋白質(zhì)側(cè)鏈和ＲOS或ＲCS反響構(gòu)成羰基。由于蛋白質(zhì)羰基化是一個(gè)不可逆的化學(xué)反響，蛋白質(zhì)羰基化后無法被修復(fù)，通常被直接運(yùn)送到蛋白質(zhì)降解系統(tǒng)降解。大量實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)證實(shí)蛋白質(zhì)羰基化不僅僅僅是生物體內(nèi)氧化損傷的一個(gè)指標(biāo)，事實(shí)上也介入了多種疾病的生理病理經(jīng)過，比方蛋白質(zhì)羰基化啟動(dòng)凋亡的經(jīng)過。將來的研究將能進(jìn)一步揭開蛋白質(zhì)羰基化在各種疾病的作用。參考文獻(xiàn)1BizzozeroOA，ZhengJ．IdentificationofmajorS-nitrosylatedproteinsinmurineexperimentalautoimmuneencephalomyelitis［J］．NeurosciＲes，2018，87(13):2881-2889．2Dalle-DonneI，AldiniG，CariniM，etal．Proteincarbonylation，cellulardysfunction，anddiseaseprogression［J］．CellMolMed，2006，10(2):389-406．3Fernndez-ChecaJC，F(xiàn)ernndezA，MoralesA，etal．Oxidativestressandalteredmitochondrialfunctioninneurodegenerativediseases:lessonsfrommousemodels［J］．CNSNeurolDisordDrugTargets，2018，9(4):439-454．4ZhengJ，BizzozeroOA．Traditionalreactivecarbonylscavengersdonotpreventthecarbonylationofbrainproteinsinducedbyacuteglutathionedepletion［J］．FreeＲadicＲes，2018，44(3):258-266．5BizzozeroOA．ProteinCarbonylationinneurodegenerativeanddemyelinatingCNSdiseases［M］∥LajthaA，BanikN，ＲayS．HandbookofNeurochemistryandMolecularNeurobiology．SpringerUS，2018:543-562．6李國(guó)林．蛋白質(zhì)羰基化與衰老［J］．中國(guó)老年學(xué)雜志，2008，28(20):62-67．7KoenitzerJＲ，F(xiàn)reemanBA．Ｒedoxsignalingininflammation:interactionsofendogenouselectrophilesandmitochondriaincardiovasculardisease［J］．Ann