铜蓝蛋白生理功能及其和疾病的关系-模板

1、铜蓝蛋白生理功能及其和疾病的关系1铜蓝蛋白的研究概况铜蓝蛋白(EC 1. 16. 3.)又称铜氧化酶,是Holmberg和Laurell 于1948年首先从人血清a2 -球蛋白中纯化出的一种外观呈蓝色的含铜糖蛋白，命名为铜蓝蛋白(Ceruloplasmin,Cp),随后人们陆续在其他哺乳动物和鱼类中发现了 Cp的存在，而植物中也存在结构及功能相似的其他多铜氧化酶家族的成 员，真菌中有Cp的同源基因Fet3.因此,Cp是广泛分布于各种真核生物中的 一种含铜氧化酶，具有催化多种底物如铜、铁以及其他有机底物的氧化功能。脊 椎动物中Cp合成于肝脏并参与生物体铁的代谢，也在胚胎以及神经系统发育中 起作用

2、；在医学上Cp是各种炎症、感染及月中瘤疾病的标志性蛋白；与人类Wilson病、遗传性铜蓝蛋白缺乏症等有十分密切的。因此，长期以来一直受到人 们的关注.2铜蓝蛋白的结构人的Cp基因位于8号染色体，基因定位3q23 - q25,基因长度为 65 kb,包含19个外显子。人的Cp蛋白是一条单一的多肽链，由1046个氨基酸和附着在上面的4个寡糖一氨基葡萄糖组成，相对分子质量约为132 kDa. 二级结构测定表明，Cp肽链中的B-片层和无规卷曲约各占 50%，几乎没有 a -螺旋结构。单一的多肽链可被蛋白酶水解为 3组异体同形的单元，相对分 子量分别为67 KD( 480个氨基酸残基)、50 KD( 4

3、05个氨基酸残基)及19 KD (159个氨基酸残基)，在完整的多肽链中,3个单元分别由单个氨基酸残基精氨 酸R、赖氨酸K连接.Cp有6个紧凑的结构域能够结合6个铜原子，位于一、 六域交界面上的3个铜原子形成一个三核铜簇，其他3个铜原子以单核形式分 别存在于二、四、六域(图1).三核铜簇不仅对于Cp的催化活性有着重要作 用，而且有助于Cp结构的稳定.3铜蓝蛋白的组织合成与分布脊椎动物Cp主要是由肝脏合成的，其他如大脑、胎盘、卵黄囊、乳 腺及睾丸的支持细胞也可独立合成 Cp.在肝细胞的内质中首先合成前铜蓝蛋白 (apo-cemloplasmin)，进而在高尔基体中与 Cu结合形成全铜蓝蛋白 (h

4、olo-cemloplasmin)，随后Cp从肝脏经胆汁转运并由其他组织器官摄取.正 常生理条件下，肝铜储备的增加可引起 Cp浓度持续性的增加，当铜储备量缺乏时会引起Cp浓度的显着降低。脑内合成的Cp主要为磷酸肌醇锚定形式(glycosylph-osphatidylinositolanchored Cp,GPI - Cp),结合在星形胶质细胞膜上.研究发现雌激素可增加 Cp的合成，怀孕期动物雌激素浓度升高时,Cp 的浓度可增加34倍.铜蓝蛋白主要在分布于血清当中，上述合成部位也有一 定分布,在不同物种中这种分布可能会有差异。4铜蓝蛋白的生理功能4. 1铜蓝蛋白具有氧化酶功能铜蓝蛋白本身属于多铜

5、氧化酶家族，具有氧化酶的功能，可在其单铜 离子中心接受底物电子，并将之转移到多铜离子中心，以便分子氧结合并将其还 原成水.在此过程中，金属离子如铜和铁离子都可以作为其底物，铜蓝蛋白可以将Fe2 +和Cu1 +分别氧化为Fe3 +和Cu2 +,从而使其在体内可以进行转运与 代谢(图2).在体内，铜蓝蛋白的胺氧化酶作用可将分子氧氧化生成水或者过 氧化氢，对机体内的其他有机底物如苯二胺有胺氧化酶作用11,对邻苯二酚及其类似物如多巴胺、肾上腺素、去甲肾上腺素、5-羟色胺及色氨酸等具有邻苯二酚氧化酶的作用。2铜蓝蛋白调节铜的代谢铜是机体必需的微量元素,Cp在铜的代谢过程中发挥重要的作用。 铜在十二指肠被

6、吸收后，由铜转运蛋白相关蛋白(铜蓝蛋白、白蛋白、铜转运蛋 白、某些铜复合物及组氨酸等低分子量蛋白)转运到肠上皮细胞，经过血液循环迅 速进入肝、肾中。铜的分子伴侣ATOX1 ( ATPases-ATP7AandB)将铜原子传递给肝肾细胞合成的Cp13.结合铜的Cp是血清中铜的主要载体，当铜蓝蛋白 到达靶细胞表面时，会与其相应的受体相互作用释放铜，这些铜被靶细胞吸收和 利用。通过铜蓝蛋白对铜离子的结合和释放，实现了铜在机体内的分布。除此以外，铜对机体Cp的合成和代谢也有调节作用，例如，加铜螯合剂培养的C6神 经胶质细胞阻碍了 GPI - Cp的表达并导致细胞中Cp的减少，说明铜能调节Cp 的合成。

7、Gitlin D 等发现Cp的半衰期为5. 5 d14,机体内未结合铜的apo-Cp其半衰期为5小时，表明铜能调控Cp的代谢。更进一步地研究发现，无铜 结合的Cp是一种变构蛋白，与铜结合时会导致其沉降率及电泳动度特性发生改 变，但二级结构不变；这种变构活性不仅可以使其从肝细胞内质中释放，而且还可使其不受到胆汁所造成的酸性环境的破坏，在后续过程中，该结构仍可与铜相 结合，说明脱铜铜蓝蛋白的结构也会影响铜的代谢15.4. 3 铜蓝蛋白参与铁的代谢Cp -转铁蛋白系统(ceruloplasmin-ferroportinsystem,Cp - Fpn ) 是细胞内铁的主要输出途径16.铁在体内的跨膜运

8、输需要特定的蛋白质载体 即铁转运蛋白(Ferroportin,Fpn).虽然有许多蛋白参与细胞铁的吸收，但目前 被确认的细胞铁输出系统只有 Cp - Fpn系统。哺乳动物体内由小肠吸收Fe2 +, 然后以Fe3 +的形式贮藏；之后Fe3 +再次被铁释放蛋白还原为Fe2 + 进入血液 循环；血浆中的Cp利用其亚铁氧化酶活性将Fe2 +氧化成能与Fpn结合的Fe3 +,Fe3 +结合Fpn后被转运至靶细胞，经内吞后进行代谢或贮存。研究表明，在星形胶质细胞中表达的以 GPI锚定形式的Cp能促进铁从神经细胞中输出。 而在Cp基因缺失的小鼠，在状内皮细胞和肝细胞中铁输出过程发生障碍，中枢神经系统出现铁的

9、沉积。另外,具有Cp缺陷基因和患有遗传性 Cp缺乏症的个体铜水平正常，但铁代谢严重失调17 -18.这些都说明Cp在铁转运过程中不可或缺的作用。4. 4 铜蓝蛋白具有抗氧化作用Cp是一种重要的抗氧化剂，可以抑制由亚铁离子介导产生的活性氧； 同时,Cp还可以进一步利用抗氧化作用，减少体内金属毒性，避免组织损伤及机 体功能障碍。有研究发现,Cp能抑制黄喋吟氧化酶，具有类似于超氧化物歧化酶 对阴离子自由基的清除功能；Cp不仅能与血液及组织液中Cu2 +结合，具有显着 抑制Cu2 +诱发的脂质过氧化作用，而且还可有效拮抗Cu2 +诱发的红细胞水解 19.当氧化应激毒物三硝基甲苯(TNT)进入小鼠体内，

10、经还原产生的O2 -可 由超氧化物歧化酶作用生成 H2O2，一般情况下H2O2可与Fe2 +发生Fenton反 应(Fe2 + H2 O2 Fe3 + OH-+OH+),但当Cp存在时可通过其铁氧化酶活性 竞争利用上述反应环境中的Fe2 +并将其氧化为Fe3 +,于是Fenton反应被消 除,抗氧化作用得以实现20.此外,Cp在体内还可诱导一氧化氮合成酶的表达， 促进机体NO的合成，通过NO清除自由基的途径而间接发挥抗氧化的作用 21.5铜蓝蛋白与疾病5. 1 铜蓝蛋白与遗传性铜蓝蛋白缺乏症遗传性铜蓝蛋白缺乏症(aceruloplasminemia)是一种罕见的常染色体上Cp基因的突变引起的疾

11、病23. Cp 基因的错义突变使Cp的亚铁氧化 酶的活性丧失，致使Fe2 +无法氧化成Fe3 +,进而不能与铁转运蛋白(Fpn)结 合进行铁的输出17.同时，也会引起神经系统中Fe2 +大量沉积和Fe3 + 缺乏， 从而造成神经细胞因营养缺乏和自由基累积，导致组织损伤以致最终引起神经系统退行性变性17.尽管Cp因错义突变会导致其铜结合能力缺失,如D58H,G631R,Q692K和G969S等突变24; 但仍 有一些突变体残存部分亚铁氧化酶活性，能与Fpn相结合，但比野生型Cp结合 Fpn 效率低（I9F,Q146E,F198S,W264S,A331D,G606E,G876A）;在一位年轻的杂

12、合的重度锥体外运动失调患者身上发现了Cp R701W突变，该突变导致Cp不能结合铜，但是当含铜的谷胱甘肽或含铜的三磷酸腺甘酶（Ccc2p,为ATP7B的同源基因）与其一起表达时，Cp R701W可以产生holo - Cp 并使Fpn分子稳定， 但这种稳定状态需要一定的 Cp活性水平才能维持25,说明如果参与金属结合 的ATP7B基因不受损伤,Cp基因的活性可以恢复。Cp R701W也会造成大量活性 氧的产生，但其具体机制仍不清楚。治疗遗传性铜蓝蛋白缺乏症的关键是有效地 进行铁清除，通过注射静脉含Cp的血浆和去铁胺，可使肝中铁的浓度下降。5. 2 铜蓝蛋白与Wilson 疾病威尔逊氏病（WD肝豆

13、状核变性）归因于ATP7B（位于13号染色体 上）的突变，它编码一个ATP依赖型的铜跨膜运输蛋白，该蛋白主要负责将铜转 运到两条途径中，一条途径用来与apo- Cp相结合形成holo - Cp;另一条是将 肝中多余的铜随胆汁排出肝脏，因而ATP7B功能的缺陷不仅会影响Cp的合成， 还导致铜在肝脏和脑等器官中积累.研究发现,ATP7B基因突变热点在不同人群 之间有显着差别。在西方患者中主要是 3207位的碱基 gA的点突变导致组氨酸被谷氨酰胺所替代，而在中国主要的基因突变位点则是第八外显子上的 2333基因GT的点突变，使精氨酸被亮氨酸所取代26.传统的WD病理学认为ATP7B突变会造成铜从细胞

14、排出障碍，从而 发生肝铜过载、肝细胞凋亡以及铜溢出到脑脊髓液中，造成中枢神经系统氧化损伤27.但也有其他的病理学理论指出，在星形胶质细胞中ATP7B障碍可能导 致产生受损 Cp进而导致Fe的流出17,情况类似于遗传性 Cp缺乏症28. 威尔逊氏病必须进行药物终身治疗，严重者可以进行肝移植。5. 3 铜蓝蛋白与其他相关疾病Cp的超氧阴离子自由基清除作用，使它具有一定的抗炎效应，因而 被作为急性时相反应蛋白，在炎症反应、外科创伤或者感染时 Cp的浓度将会加 倍。许多病理条件下Cp可以升高，如1型和2型糖尿病、严重不稳定型心绞 痛等心血管疾病、风湿性关节炎。而在某些病理情况下（如Wilson病中）C

15、p却 下降.近期研究显示,Cp也介导房颤的炎症通路29.阿尔茨海默病是由氧化 应激效应对机体造成氧化损伤而产生的疾病，当Cp功能障碍或其合成紊乱时， 势必引起体内铜的蓄积，因此Cp也与阿尔茨海默病有关30.另外，月中瘤生长 需要血管生成，新血管的形成需要大量的铜，高浓度的Cp是铜离子的最好来源 13.因此,Cp在恶性月中瘤的形成中有重要的作用，从癌症的临床治疗研究方面也证实Cp是一个有用的癌症治疗指标31.临床上，铜蓝蛋白对某些肝、胆、肾 等疾病的诊断也具有一定意义。例如,Wilson病患者血清铜蓝蛋白含量降低,超过50%的肝转移瘤、月中瘤引起胆道阻塞及胆石症病人血清铜蓝蛋白增高。肾 病综合征

16、时，血清铜蓝蛋白降低。其他如一些传染病、白血病、缺铁性贫血病也 可引起铜蓝蛋白增高。现在已经有商品化的测定铜蓝蛋白含量的诊断试剂盒在使用。6铜蓝蛋白的演化含铜结合位点的氧化酶家族分为单铜和多铜氧化酶家族。单铜氧化酶包括菌蓝蛋白（Rusticya-nin）和杯蛋白cupredoxin （ 如根瘤素nodulins和dinodulins）,它们都只含有一个铜结合位点 T1Cu（亦称之为blue copperbinding domain,BCB do-main）,已发现菌蓝蛋白主要介导细胞色素 C和终端的 细胞色素氧化酶之间电子传递，而杯蛋白在植物根部发育起作用。铜蓝蛋白是属于多铜氧化酶蛋白家族（M

17、CP）的成员，含有BCB位点以及结构域之间呈三角形状的铜离子连接位（interdo-main copperbinding site,IDCB site）,主要包括1个T2Cu和两个T3Cu以及8个组氨酸残基.这个家族成员根据蓝铜结合位点结构域（BCB）的组成和功能分为3大类,一类是亚硝酸还原酶（含有2个结构域），一类是漆酶和抗坏血酸氧化酶 （含有3个结构域），一类是铜蓝蛋白（含有6个结构域）.进化分析显示铜 蓝蛋白的6个结构域主要聚为两簇，1、3、5结构域聚为1簇,2、4、6结构域 聚为1簇,提示它们的祖先可能为2域蛋白29.根据单铜和多铜氧化酶结构 比较分析的结果，认为多铜氧化酶家族最初始于单铜结构域的复制，形成含有两 个结构域的MCO同时伴随BCB位点的复制以及T2Cu和T3Cu的产生，后两者 组成了 IDCB位点。其进化的路径如下：单铜氧化酶最先出现，然后出现2域 蛋白，包含2个BCB位点和1个IDCB位点。随后，第一结构域中的BCB位点 缺失，形成2dMCO B.如果一个单独结构域插入，则形成AAQ漆酶等三域MCO, 而2dMCO - B经过两