蛋白質(zhì)錯誤折疊與蛋白質(zhì)構(gòu)象病

蛋白質(zhì)錯誤折疊與蛋白質(zhì)構(gòu)象病王明;李學(xué)周;符兆英【摘要】@@蛋白質(zhì)折疊(proteinfolding)是指多肽鏈在核蛋白體上合成的同時或合成之后,根據(jù)熱力學(xué)與動力學(xué)的原理，或在分子伴侶的輔助下，卷曲形成特定的三維結(jié)構(gòu)或構(gòu)象的過程.【期刊名稱】《延安大學(xué)學(xué)報(醫(yī)學(xué)科學(xué)版)》【年(卷)，期】2009(007)002【總頁數(shù)】3頁(P12-13,16)【作者】王明;李學(xué)周;符兆英【作者單位】延安大學(xué)醫(yī)學(xué)院，陜西，延安,716000;延安大學(xué)醫(yī)學(xué)院膜西，延安716000;延安大學(xué)醫(yī)學(xué)院，陜西，延安,716000【正文語種】中文［中圖分類】R3蛋白質(zhì)折疊(proteinfolding)是指多肽鏈在核蛋白體上合成的同時或合成之后，根據(jù)熱力學(xué)與動力學(xué)的原理，或在分子伴侶的輔助下，卷曲形成特定的三維結(jié)構(gòu)或構(gòu)象的過程。盡管一條多肽鏈在理論上可以折疊成多種不同的構(gòu)象，但在一定條件下只有一種構(gòu)象才是穩(wěn)定的和具有生理活性的。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)錯誤折疊(proteinmisfolding)或構(gòu)象出現(xiàn)異?？蓪?dǎo)致疾病，稱為蛋白質(zhì)錯誤折疊病或構(gòu)象病(conformationaldisease)［1］。構(gòu)象病概念的建立，是自從認識到蛋白質(zhì)氨基酸序列的改變會導(dǎo)致疾病的發(fā)生(分子病)以來，人類在疾病認識上的一次新的飛躍。對蛋白質(zhì)錯誤折疊與疾病關(guān)系的研究是目前分子生物學(xué)領(lǐng)域的前沿課題之一。本文綜述蛋白質(zhì)錯誤折疊及其所導(dǎo)致的幾種疾病。機體避免蛋白質(zhì)錯誤折疊的質(zhì)控機制包括兩個步驟。首先是發(fā)現(xiàn)與識別那些折疊出現(xiàn)異?；蚴艿搅藫p傷的蛋白質(zhì)；然后是對能修復(fù)的異常折疊或損傷，在分子伴侶的幫助下恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)，而對不能修復(fù)的，則通過泛素-蛋白酶體(ubiquitin-proteasome)系統(tǒng)或自噬體-溶酶體(autosomelysosome)途徑降解清除[2]。1.1泛素-蛋白酶體蛋白降解系統(tǒng)泛素-蛋白酶體系統(tǒng)是細胞降解異常折疊蛋白質(zhì)的主要機制。錯誤折疊或受損傷的蛋白質(zhì)首先被泛素標(biāo)記然后在蛋白酶體中降解。泛素是由76個氨基酸組成的小分子蛋白質(zhì)，在各種類型的細胞中廣泛表達，故稱泛素。蛋白酶體是由多個蛋白質(zhì)亞單位組成的大分子復(fù)合體(~2000kD,26S)，在電鏡下看到的是一個中空的桶狀結(jié)構(gòu)，依賴于ATP在桶狀結(jié)構(gòu)中對蛋白質(zhì)進行降解。錯誤折疊的蛋白質(zhì)首先被泛素化(ubiquitination)，然后在蛋白酶體中降解。泛素化是一種級聯(lián)反應(yīng)，第一步反應(yīng)是依賴ATP使泛素羧基末端的甘氨酸以硫酯鍵與泛素激活酶(E1)的半胱氨酸殘基的蔬基結(jié)合。在第二步中與E1結(jié)合的泛素經(jīng)轉(zhuǎn)硫基反應(yīng)以硫酯鍵與泛素結(jié)合酶(E2)連接。第三步是在泛素連接酶(E3)的催化下，泛素羧基末端的甘氨酸與靶蛋白的賴氨酸殘基的￡-氨基以偽肽鍵共價結(jié)合，從而使泛素由E2轉(zhuǎn)移至靶蛋白。第一個泛素分子與靶蛋白分子結(jié)合后，另一泛素分子可與第一個泛素分子共價連接，第三個又可和第二個連接，如此可形成個多泛素鏈。一般需要有4個以上泛素分子的泛素鏈與靶蛋白結(jié)合后，才可被蛋白酶體識別而使靶蛋白降解。1.2自噬體-溶酶體蛋白降解途徑溶酶體在細胞內(nèi)的功能主要是清除老化的細胞器和消化經(jīng)吞噬或吞飲進入細胞的異物，但也可降解半衰期長的異常折疊的蛋白質(zhì)。溶酶體通過形成自噬體的機制而進行蛋白質(zhì)降解。自噬體最初是在原核細胞中發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)細胞營養(yǎng)缺乏時，胞質(zhì)內(nèi)會出現(xiàn)有雙層膜結(jié)構(gòu)的小囊泡，這些小囊泡包裹了一部分的細胞溶質(zhì)和細胞器而形成自噬囊泡，后者與溶酶體融合形成成熟的自噬小體。溶酶體內(nèi)的酸性水解酶，使囊泡中所含的蛋白質(zhì)等內(nèi)含物被降解。自噬體-溶酶體途徑在不溶性的蛋白質(zhì)凝聚體的降解中起著重要的作用，而可溶性的錯誤折疊蛋白則主要通過泛素-蛋白酶體途徑而降解。如果機體避免蛋白質(zhì)錯誤折疊的機制出現(xiàn)故障，比如錯誤折疊的蛋白質(zhì)所暴露的疏水或異常表面不能被分子伴侶或泛素連接酶所識別；或錯誤折疊的蛋白質(zhì)形成的速度，超過了分子伴侶修復(fù)和泛素-蛋白酶體系統(tǒng)降解的速度，則那些錯誤折疊的蛋白質(zhì)，就會相互聚集而導(dǎo)致蛋白質(zhì)構(gòu)象病。天然的蛋白質(zhì)構(gòu)象包括a-螺旋、B-折疊或片層及無規(guī)則卷曲，而錯誤折疊的蛋白質(zhì)構(gòu)象則主要由B-折疊/片層組成。比如亨廷頓病的發(fā)病機制主要就是谷氨酰胺重復(fù)序列增長，使蛋白質(zhì)構(gòu)象轉(zhuǎn)化為以B-片層為主。蛋白質(zhì)錯誤折疊形成的聚合體主要是由反平行的B-折疊/片層不斷增加、堆積而形成的，a-螺旋向B-折疊的轉(zhuǎn)換可導(dǎo)致蛋白質(zhì)內(nèi)部的疏水基團暴露，而親水基團則被埋在蛋白質(zhì)內(nèi)部，引起蛋白質(zhì)分子之間形成交叉的P-折疊結(jié)構(gòu)°B-折疊由側(cè)鏈和主鏈(backbone)形成的氫鍵將其連結(jié)在一起。由于所有多肽鏈的主鏈結(jié)構(gòu)相同，一級結(jié)構(gòu)/氨基酸序列完全不同的蛋白質(zhì)錯誤折疊所形成的纖維具有相同的形式，其主要結(jié)構(gòu)由垂直于纖維縱軸的許多B-折疊層疊而成。多肽鏈似乎普遍地具有形成淀粉樣纖維的能力，但不同氨基酸序列的多肽鏈形成淀粉樣纖維的傾向性不同。多肽鏈在核糖體合成后所呈現(xiàn)的狀態(tài)取決于不同環(huán)境下的熱力學(xué)與動力學(xué)因素。溶液環(huán)境如pH和溫度的改變，可導(dǎo)致側(cè)鏈間的相互作用不穩(wěn)定，原有結(jié)構(gòu)的折疊可能會被打開并在另一種狀況下組成新的結(jié)構(gòu)或聚合體。目前認為，開始很可能是輕度的構(gòu)象改變導(dǎo)致了錯誤折疊中間體的形成，由于疏水基團暴露使中間體很難溶于水性環(huán)境，這種不穩(wěn)定的中間體的疏水基團之間可以相互作用，亦可與其他分子的疏水基團相互作用，形成比較穩(wěn)定的小的亞聚體，進一步的發(fā)展則可導(dǎo)致蛋白質(zhì)錯誤折疊的聚集體的形成或淀粉樣纖維沉積的形成[4]。雖然因蛋白質(zhì)錯誤折疊而引起的疾病早就存在，但構(gòu)象病做為一類疾病的概念，是由英國劍橋大學(xué)的Carrell等[10],在1996-1997年間首先提出并系統(tǒng)描述的。迄今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有20多種疾病是由蛋白質(zhì)錯誤折疊引起的，以下介紹幾種常見的蛋白質(zhì)構(gòu)象病。3.1阿爾茨海默病阿爾茨海默病(Alzheimer1sdisease)是導(dǎo)致老年人癡呆的最主要原因。無論是散發(fā)性還是家族性(遺傳性)的病例，臨床表現(xiàn)基本一致。阿爾茨海默病的病變主要位于大腦皮質(zhì)、海馬、某些皮層下核團如杏仁核、前腦基底神經(jīng)核和丘腦，其大體病理主要表現(xiàn)為腦重減輕、腦萎縮、腦溝回增寬和腦室擴大。顯微病理基礎(chǔ)主要為兩個方面[3],—是神經(jīng)斑(neuriticplaque)，另一是神經(jīng)纖維纏結(jié)(neurofibrillarytangle)。神經(jīng)斑位于細胞間質(zhì)，其中央為p淀粉樣蛋白(amyloidpprotein)異常折疊而形成的沉積物，其間可有神經(jīng)末梢、周圍包繞有小膠質(zhì)細胞和星狀細胞。神經(jīng)纖維纏結(jié)見于神經(jīng)細胞內(nèi)，是成雙的螺旋狀纖維，現(xiàn)已證實，神經(jīng)纖維纏結(jié)主要由高度磷酸化的微管相關(guān)蛋白Tau異常折疊聚集而成。神經(jīng)纖維纏結(jié)主要見于神經(jīng)元細胞核的周圍，亦可見于神經(jīng)斑部位的神經(jīng)元突起內(nèi)。阿爾茨海默病的神經(jīng)斑大小不一，其中的主要成分P淀粉樣蛋白斑塊是由含32-43個氨基酸殘基的P折疊的多肽片段聚合和沉積而成。這些多肽片段是淀粉樣前體蛋白(amyloidprecursorprotein,APP)的酶解產(chǎn)物，其中含42個氨基酸殘基的片段最易導(dǎo)致斑塊的形成。淀粉樣前體蛋白是一種正常的細胞膜結(jié)合蛋白，在生理狀態(tài)下淀粉樣前體蛋白可被酶解而產(chǎn)生小分子多肽片段即P淀粉樣蛋白，主要是含40個氨基酸殘基的片段，但這些片段在正常情況下不會沉積。阿爾茨海默病患者體內(nèi)特別是腦內(nèi)的B淀粉樣蛋白濃度顯著升高，特別是42個氨基酸殘基的片段不成比例的含量升高，B折疊增加，故易于積聚而形成淀粉樣斑塊［4］。3.2帕金森病帕金森病(Parkinson1sdisease)的特征是神經(jīng)元細胞質(zhì)路易小體(Lewybody)的形成和腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的過早死亡［5］。路易小體的主要成分為a共核蛋白(a-synuclein)亦稱a-連核素，是由140個氨基酸組成的酸性蛋白，天然狀態(tài)下是一種未折疊的胞內(nèi)和突觸前多肽，在與突觸囊泡連接時其分子的部分區(qū)域變成螺旋狀態(tài)。帕金森病患者腦中的a共核蛋白呈P折疊結(jié)構(gòu)，易于積聚并形成纖維狀結(jié)構(gòu)。一部分家族性帕金森病的發(fā)生是由a共核蛋白基因突變弓I起的。a共核蛋白基因的變異，增加了該蛋白寡聚體的數(shù)量從而促使路易小體的形成。B淀粉樣蛋白、氧化應(yīng)激以及線粒體抑制劑均可促進a共核蛋白多聚體的產(chǎn)生。凝聚的a共核蛋白可與26S蛋白酶體19S蛋白帽的S6'亞基結(jié)合，從而抑制了蛋白酶體功能，使蛋白酶體-泛素蛋白降解途徑對a共核蛋白的降解不足。由于多巴胺能神經(jīng)元在代謝多巴胺的過程中會產(chǎn)生較多的自由基，蛋白質(zhì)易受氧化損傷而產(chǎn)生構(gòu)型異常，所以多巴胺能神經(jīng)元對a共核蛋白的突變比較敏感而易受損。3.3亨廷頓病亨廷頓病(Huntington1sdisease)是一種遲發(fā)的神經(jīng)變性疾病，其特征是運動功能失調(diào)，故又稱亨廷頓舞蹈病。亨廷頓病的發(fā)生是由huntingtin蛋白(Huntingtinprotein,Htt)的N-末端的多聚谷氨酰胺序列的延長引起的，致病機制與突變的Htt多聚谷氨酰胺片段聚集形成核內(nèi)包涵體有關(guān)［6］。Htt中多聚谷氨酰胺的長度在正常人群中短于35個，而在亨廷頓病患者中突變Htt的谷氨酰胺長度超過36個。體外試驗延長Htt氨基末端的谷氨酰胺序列長度可使Htt構(gòu)象轉(zhuǎn)化成以p折疊為主，這種反平行的B折疊通過主鏈和側(cè)鏈的氨基之間相互連接，在轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的作用下，多聚谷氨酰胺發(fā)生交聯(lián)，溶解度降低，最后在胞質(zhì)中形成聚合體或在核內(nèi)形成包涵體。多聚谷氨酰胺聚集形成Htt聚集體，具細胞毒性，可封閉轉(zhuǎn)錄因子，抑制泛素-蛋白酶體系統(tǒng)，導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。3.4傳染性海綿狀腦病傳染性海綿狀腦病(transmissiblespongiformencephalopathies,TSEs)又稱朊蛋白病或朊粒病是由傳染性蛋白質(zhì)致病因子朊蛋白或朊粒(prionprotein,PrP)引起的一類致死性的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，包括人類的庫魯(Kuru)病、克-雅(Creuzfeldt-Jacob)病、腦軟化病和致死性家族性失眠癥，牛的海綿狀腦病(即瘋牛病)和羊的瘙癢病。其共同病理特征是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中有神經(jīng)元空泡形成和異常的抗蛋白酶解的朊蛋白聚集，傳染性強，死亡率高。PrP是一種由糖基磷脂酰基醇(GPI)與細胞膜表面相連的一種糖蛋白，分子量為27kD至30kD。宿主細胞存在兩種形式的PrP，正常型的PrPc和異常型的PrPsc。二者由同一基因編碼，氨基酸順序相同但構(gòu)象不同。PrPc以a-螺旋結(jié)構(gòu)為主，p-折疊僅占3%,若PrPc中的構(gòu)象發(fā)生轉(zhuǎn)換，變成以P-折疊為主的構(gòu)象，則成為異常型的PrPsc。PrPsc中p-折疊占43%，易于聚集，形成具有細胞毒性的高分子量的不溶性復(fù)合物沉積而引起病變［7~9］。具有完整氨基酸序列的多肽鏈，只有折疊形成正確的三維空間結(jié)構(gòu)才可能具有正常的生物學(xué)功能。一旦形成了錯誤的空間結(jié)構(gòu)，該蛋白質(zhì)不僅將喪失其生物學(xué)功能，還會引起相關(guān)疾病。蛋白質(zhì)折疊的機制和蛋白質(zhì)異常折疊所導(dǎo)致的疾病近年來廣受重視，特別是隨著社會人口結(jié)構(gòu)的改變和老齡人口的增加，阿爾茨海默病和帕金森病等這些主要見于老年群體的與蛋白質(zhì)錯誤折疊相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病在人群中的發(fā)病率相對升高，使對蛋白質(zhì)異常折疊及其與疾病關(guān)系的研究的醫(yī)學(xué)意義和社會意義益顯突出?！鞠嚓P(guān)文獻】[1]LeeC,YuMH.Proteinfoldinganddiseases[J].JBiochemMolBiol.2005;38(3):275-80.[2]DobsonCM.Thestructuralbasisofproteinfoldinganditslinkswithhumandisease[J].PhilosTransRSocLondBBiolSci.2001Feb28;356(1406):133-45.[3]ArmstrongRA.PlaquesandtanglesandthepathogenesisofAlzheimer1sdisease[J].FoliaNeuropathol.2006;44(1):1-11.[4]HardingJJ.Cataract,Alzheimer1sdisease,andotherconformationaldiseases[J].CurrOpinOphthalmol.1998;9(1):10-3.[5]LimKL,DawsonVL,DawsonTM.Parkin-mediatedlysine63-linkedpolyubiquitination:alinktoproteininclusionsformationinParkinson1sandotherconformationaldiseases[J].NeurobiolAging.2006;27(4):524-9.[6]LandlesC,BatesGP.HuntingtinandthemolecularpathogenesisofHuntington1sdisease.Fourthinmolecularmedicinereviewseries[J].EMBORep.2004;5(10):958-63.[7]RongaL,PalladinoP,CostantiniS,etal.Co