结构生物学第六章生物大分子的结构与功能

1、第六章 生物大分子的结构与功能,肌红蛋白和血红蛋白 酶的催化作用 糖蛋白的结构与功能 蛋白质与核酸的相互作用 生物膜的结构与功能 朊病毒与疯牛病 免疫系统的分子识别 信号传导 球形病毒,朊病毒与疯牛病,朊病毒的概念 朊病毒与疯牛病 朊病毒的研究概况 朊病毒的结构与功能 朊病毒的致病机理,朊病毒（Prion）的概念,Prion一词创于1982年，用来命名可转移性海绵状脑病的致病因子。80年代中期我国学者译之为朊病毒。 朊病毒是一种新型的蛋白感染因子，与经典的病毒不同，它不含核酸。1983年“植物和动物亚病毒病源：类病毒和朊病毒国际会议”正式把朊病毒归入亚病毒领域。 朊病毒能引起人和动物的可转移性

2、神经退化疾病，如人的震颤病（KURU）、克雅氏病（CJD）、吉斯综合症（GSS）和致死性家族失眠症（FFI）以及动物的羊瘙痒病（Scrapie）、牛海绵脑病（BSE 俗称疯牛病）和鹿、猫、水貂等的海绵脑病。 这些疾病的共同特征是使生物体产生认知和运动功能的严重衰退直至死亡。其临床表现为脑组织的海绵体化、空泡化、星形胶质细胞和微小胶质细胞的形成以及致病型蛋白质的积累,患疯牛病的牛脑切片,正常大脑（上左）：大脑皮层中染色深的神经细胞周围的组织没有海绵状改变 典型CJD（上右）：大脑皮层中含有许多小空泡，呈海绵状 新型CJD（下左）：大脑皮层海绵状化不严重，但含有显著的斑块 新型CJD中的斑块（下右

3、）：prion蛋白染成棕色,不同的朊病毒影响大脑的不同区域,Prions影响大脑的不同区域，当神经细胞死亡时，就出现海绵状形态，感染的大脑区域不同，产生的症状也不同。 大脑皮层：记忆丧失，痴呆或神经错乱，视觉模糊（CJD） 丘脑： 失眠 (FFI). 小脑：运动失调，行动困难(kuru, GSS). 脑干：疯牛病 (BSE,朊病毒与疯牛病,疯牛病于1985年底首次在英国发现.这是一种传染性海绵状脑病，其症状是病牛烦燥不安，好斗，无法控制自己的动作，动作失去平衡。病牛一般在2个星期到6个月后死去。人们通过解剖发现，病牛的神经细胞已受到破坏，脑组织成了海绵状，出现了无数的微细孔洞，最后因脑组织功能

4、衰竭而死亡,英国自l985年发现疯牛病到1996年，已确诊有l6l412头牛患病，数以万计的牛被扑杀、焚烧、处理，使英国蒙受巨大的经济损失，同时欧洲其它国家如丹麦、法国、爱尔兰等国也相继发生疯牛病。特别是英国连续出现12个青年患新型克雅氏病，人们怀疑该病是食用患疯牛病的牛肉引起的，在欧洲引起了极大的恐慌，疯牛病已成为欧洲严重的经济和政治问题,流行病学研究发现，疯牛病的起病原因既不是传染性病毒，也不是细菌，更不是真菌或寄生虫。它是一种能起传播作用的物质，这种物质影响牛脑和脊髓，用普通显微镜即可观察到脑部的海绵状变化。这一物质非常稳定，用普通的烹调温度无法将其杀死，甚至连消毒、冷冻和干燥也无法将其

5、消灭，它就是朊病毒。 目前对疯牛病以及其他朊病毒疾病还没有有效的治疗手段，只能采取预防措施,朊病毒的研究概况,早期研究 朊病毒研究的最早模型是羊搔痒症（scrapie）病原因子，这种因子的滤过性和传染性曾被认为是由慢病毒引起，但它不同于大多数病毒，福尔马林溶液不能使其完全失活，一定剂量的254nm紫外线也不能使其失活，相反它对237nm紫外线却非常敏感。 与此同时，在人身上也发现了震颤病（kuru）和克雅氏病（CJD），这两种病与scrapie相似，都是神经系统疾病，都可人工感染实验动物，它们是同一类型的疾病，根据它们的可传递性和宿主病理变化命名为可传递性海绵状脑病（TSE）。Gajdusek

6、因为发现震颤病的发病机制而荣获1976年诺贝尔生理和医学奖,试验模型的建立和致病性蛋白质的提纯 1961年Chandle将scrapie病原因子感染小鼠成功，自此，遗传性质均一的小鼠取代了昂贵的绵羊、山羊做实验。Prusiner又将scrapie感染金黄地鼠成功，地鼠的潜伏期比小鼠短得多，而且实验需用的动物数量也很少，从而显著提高了工作效率。 1982年Prusiner从感染羊搔痒scrapie的金黄地鼠中纯化出致病因子，并分别经过核酸酶和蛋白酶消化，紫外线以及其它化学试剂的处理，证实羊搔痒病的感染因子是不含有核酸的蛋白质，并命名为Prion (proteinaceous infectious

7、 particle), 缩写为PrP (Prion Protein)。Prusiner因为提出了朊病毒假说以及一系列的工作而荣获1997年诺贝尔生理和医学奖,PrP的一般性质 朊病毒蛋白(PrP)是由宿主基因编码的，其编码蛋白有两种形式，一种是正常的细胞型PrP(PrPc)，属蛋白酶敏感型，是细胞的正常组分；另一种是异常的致病型PrP (PrPsc)，具有一定的抗蛋白酶消化特性，是TSE的致病因子。 PrPsc经蛋白酶消化后剩下的核心部分分子量约27-30kD (称PrP27-30)仍具感染性。 PrPC是一种膜蛋白，分子量3335kD， N端含有22个残基的信号肽序列，C端含有1对二硫键和2

8、个N型复合寡糖链，以及1个糖基磷脂酰肌醇（GPI）结合位点。 PrPc与PrPsc具有相同的氨基酸顺序和共价修饰，但三维结构却差异很大，傅里叶变换红外光谱和圆二色谱研究表明，PrPc主要由螺旋构成，PrPsc则含有40%的折叠。 血清学研究表明，特异的抗体只与PrpSC有血清反应，而与PrpC无反应,由朊病毒引起的疾病近年来不断被发现并相继被确认，不论在人群中还是在动物群中的发病率在全球范围内呈上升趋势，朊病毒的结构与功能，朊病毒的致病机理，朊病毒的复制等已成为当前病毒学研究的一个热点,朊病毒的结构与功能,根据傅里叶变换红外光谱（FTIR）和圆二色谱（CD）的研究，PrPC和PrPSC的二级结

9、构差异很大，PrPC中含43%的a螺旋，而PrPSC中含有30%的a螺旋和43%的b片层。 对PrPSC的免疫原性分析表明，构象的变化主要发生在90145或175的残基区域。 目前已获得鼠、羊、人和牛全长PrPC的NMR结构，不同种属的PrPC的结构都很类似；PrPSC是纤维状的多聚体，在非变性溶液中是不溶解的，目前还没有实验结构,PrPC的溶液结构,蛋白的C端（121231）是一个球形结构域，有3个a-螺旋和1个反平行b-片层；N端有一个柔性的无序区，处于舒展的无规则卷曲状态，缺少确定的二级结构,小鼠PrPC C端结构域(121-231)的NMR结构,包括三个螺旋和两股反平行折叠。其中两个螺

10、旋（螺旋2和3）通过一个二硫键锚 定在一起组成V形骨架，另一个a螺旋（螺旋1）和2条b折叠链附着在此骨架上,糖基化的人PrPC蛋白模型：两个 N-连接的寡糖(蓝色)，一个二硫键连接螺旋2和3，和糖基磷脂酰肌醇（GPI）的“锚”（它将蛋白锚定在细胞膜外表面,不溶性的PrPSC形成的纤维状聚集体,酵母Sup35蛋白（酵母细胞中的prion蛋白）形成的纤维的电子显微像，右侧是一根放大的纤维,用分子模拟方法预测的PrPSC的结构,推测的PrPC向PrPSC转变时的结构变化,PrPC在人和动物的中枢神经系统、淋巴组织和神经肌肉接头等组织中表达，它的生理功能还不清楚，目前的研究发现PrPC的功能具有多样性

11、，如Cu2+转运、信号传导、抗氧化等。 缺失PrPC的小鼠在昼夜节律和睡眠方式上发生改变，长期记忆能力减弱 PrPC参与了T淋巴细胞的激活 PrPC缺失的鼠中Cu/Zn超氧化物歧化酶活性降低，对细胞内氧化压力更敏感，导致细胞更快死亡。 PrPC片段106-126能调节小胶质细胞内的Ca2+浓度从而激活小胶质细胞,PrPSC多聚体对高温、紫外线和蛋白水解酶都有很高的抗性，这种不溶性物质由于不能被蛋白酶降解而在细胞中积累起来，损害神经细胞，导致出现海绵状脑病,朊病毒的致病机理,朊病毒的三种感染途径： 遗传突变：细胞型PrPC易于折叠成致病型PrPSC 医源性感染：移植手术或注射激素 饮食感染：食用

12、朊病毒患者或动物的脑组织 朊病毒的增殖机制 朊病毒的构象转换,朊病毒的增殖机制,朊病毒可能的增殖机制：Largely -helical cellular isoforms of the prion protein (PrPC) proceed via an unfolded state (A) to refold into a largely -sheet form, -PrP (B). -PrP is prone to aggregation in physiological salt concentrations. Prion replication may require a criti

13、cal seed size. Further recruitment of -PrP monomers (C) or unfolded PrP (D) then occurs as an essentially irreversible process,朊病毒的构象转换,PrPCPrPSC构象转换的两种模型： 模板辅助模型（重折叠模型） “种子”模型 According to the template assistance (or heterodimer) model, PrPc monomer adds to PrPSc monomer to form PrPSc -PrPC heterdi

14、mer, which rapidly converts to PrPSc homodimer. The homodimer may then dissociate, releasing new PrPSc monomer. The nucleated polymerization mechanism proposed that a PrPSc oligomer or polymer recruits PrPc, which then converts to PrPSc,The prion protein exists in two forms. The normal, innocuous pr

15、otein (PrPc) can change its shape to a harmful, disease-causing form (PrPSc). The conversion from PrPc to PrPSc then proceeds via a chain-reaction. When enough PrPSc proteins have been made they form long filamentous aggregates that gradually damage neuronal tissue. The harmful PrPSc form is very re

16、sistant to high temperatures, UV-irradiation and strong degradative enzymes,蛋白质构象病,蛋白质结构生物学既从蛋白质一级结构序列,也从蛋白质空间结构及其动态变化去研究蛋白质的性质和功能。生物医学研究表明蛋白质空间构象发生异常变化会引起疾病发生,形成了蛋白质构象病(Protein conformational disease)这一新的病理学概念。 一般讲,引起构象疾病的蛋白质分子与正常蛋白质同时存在于机体内,至少部分蛋白质具有正常折叠的空间构象,并以正常形态释放。当蛋白质构象异常变化时可导致其生物功能丧失,或者引起其后发

17、生的蛋白质聚集与沉积,使组织结构出现病理性改变,分子构象病理学,蛋白质分子纤维化与聚集 (1)血红蛋白(b) (2)朊病毒蛋白(PrP) (3)抑丝酶(Serpins) (4)谷氨酰胺重复序(Glutamine repeats)蛋白质 (5)- 淀粉样蛋白(-amyloid protein ,) 淀粉样变性(Amyloidosis,蛋白质构象病相关因素,基因型相关性 相关蛋白质 化学修饰 酶与生长因子 温度,蛋白质构象病提示的疾病防治思路,既然蛋白质构象病是由于生理蛋白质发生构象改变所致,如果能够抑制或逆转此过程,不让病理性蛋白质构象生成,或许能够防治和缓解某些疾病,折叠形成阻断肽,构象病的临床和病理表现各异,但具有一个共同的特征：异常蛋白质中都含有较高的折叠结构，启发