蛋白质错误折叠与蛋白质构象病

蛋白质错误折叠与蛋白质构象病王明;李学周;符兆英【摘要】@@蛋白质折叠(proteinfolding)是指多肽链在核蛋白体上合成的同时或合成之后,根据热力学与动力学的原理，或在分子伴侣的辅助下，卷曲形成特定的三维结构或构象的过程.【期刊名称】《延安大学学报(医学科学版)》【年(卷)，期】2009(007)002【总页数】3页(P12-13,16)【作者】王明;李学周;符兆英【作者单位】延安大学医学院，陕西，延安,716000;延安大学医学院膜西，延安716000;延安大学医学院，陕西，延安,716000【正文语种】中文［中图分类】R3蛋白质折叠(proteinfolding)是指多肽链在核蛋白体上合成的同时或合成之后，根据热力学与动力学的原理，或在分子伴侣的辅助下，卷曲形成特定的三维结构或构象的过程。尽管一条多肽链在理论上可以折叠成多种不同的构象，但在一定条件下只有一种构象才是稳定的和具有生理活性的。近年来的研究发现，蛋白质错误折叠(proteinmisfolding)或构象出现异常可导致疾病，称为蛋白质错误折叠病或构象病(conformationaldisease)［1］。构象病概念的建立，是自从认识到蛋白质氨基酸序列的改变会导致疾病的发生(分子病)以来，人类在疾病认识上的一次新的飞跃。对蛋白质错误折叠与疾病关系的研究是目前分子生物学领域的前沿课题之一。本文综述蛋白质错误折叠及其所导致的几种疾病。机体避免蛋白质错误折叠的质控机制包括两个步骤。首先是发现与识别那些折叠出现异常或受到了损伤的蛋白质；然后是对能修复的异常折叠或损伤，在分子伴侣的帮助下恢复正常结构，而对不能修复的，则通过泛素-蛋白酶体(ubiquitin-proteasome)系统或自噬体-溶酶体(autosomelysosome)途径降解清除[2]。1.1泛素-蛋白酶体蛋白降解系统泛素-蛋白酶体系统是细胞降解异常折叠蛋白质的主要机制。错误折叠或受损伤的蛋白质首先被泛素标记然后在蛋白酶体中降解。泛素是由76个氨基酸组成的小分子蛋白质，在各种类型的细胞中广泛表达，故称泛素。蛋白酶体是由多个蛋白质亚单位组成的大分子复合体(~2000kD,26S)，在电镜下看到的是一个中空的桶状结构，依赖于ATP在桶状结构中对蛋白质进行降解。错误折叠的蛋白质首先被泛素化(ubiquitination)，然后在蛋白酶体中降解。泛素化是一种级联反应，第一步反应是依赖ATP使泛素羧基末端的甘氨酸以硫酯键与泛素激活酶(E1)的半胱氨酸残基的蔬基结合。在第二步中与E1结合的泛素经转硫基反应以硫酯键与泛素结合酶(E2)连接。第三步是在泛素连接酶(E3)的催化下，泛素羧基末端的甘氨酸与靶蛋白的赖氨酸残基的£-氨基以伪肽键共价结合，从而使泛素由E2转移至靶蛋白。第一个泛素分子与靶蛋白分子结合后，另一泛素分子可与第一个泛素分子共价连接，第三个又可和第二个连接，如此可形成个多泛素链。一般需要有4个以上泛素分子的泛素链与靶蛋白结合后，才可被蛋白酶体识别而使靶蛋白降解。1.2自噬体-溶酶体蛋白降解途径溶酶体在细胞内的功能主要是清除老化的细胞器和消化经吞噬或吞饮进入细胞的异物，但也可降解半衰期长的异常折叠的蛋白质。溶酶体通过形成自噬体的机制而进行蛋白质降解。自噬体最初是在原核细胞中发现的，当细胞营养缺乏时，胞质内会出现有双层膜结构的小囊泡，这些小囊泡包裹了一部分的细胞溶质和细胞器而形成自噬囊泡，后者与溶酶体融合形成成熟的自噬小体。溶酶体内的酸性水解酶，使囊泡中所含的蛋白质等内含物被降解。自噬体-溶酶体途径在不溶性的蛋白质凝聚体的降解中起着重要的作用，而可溶性的错误折叠蛋白则主要通过泛素-蛋白酶体途径而降解。如果机体避免蛋白质错误折叠的机制出现故障，比如错误折叠的蛋白质所暴露的疏水或异常表面不能被分子伴侣或泛素连接酶所识别；或错误折叠的蛋白质形成的速度，超过了分子伴侣修复和泛素-蛋白酶体系统降解的速度，则那些错误折叠的蛋白质，就会相互聚集而导致蛋白质构象病。天然的蛋白质构象包括a-螺旋、B-折叠或片层及无规则卷曲，而错误折叠的蛋白质构象则主要由B-折叠/片层组成。比如亨廷顿病的发病机制主要就是谷氨酰胺重复序列增长，使蛋白质构象转化为以B-片层为主。蛋白质错误折叠形成的聚合体主要是由反平行的B-折叠/片层不断增加、堆积而形成的，a-螺旋向B-折叠的转换可导致蛋白质内部的疏水基团暴露，而亲水基团则被埋在蛋白质内部，引起蛋白质分子之间形成交叉的P-折叠结构°B-折叠由侧链和主链(backbone)形成的氢键将其连结在一起。由于所有多肽链的主链结构相同，一级结构/氨基酸序列完全不同的蛋白质错误折叠所形成的纤维具有相同的形式，其主要结构由垂直于纤维纵轴的许多B-折叠层叠而成。多肽链似乎普遍地具有形成淀粉样纤维的能力，但不同氨基酸序列的多肽链形成淀粉样纤维的倾向性不同。多肽链在核糖体合成后所呈现的状态取决于不同环境下的热力学与动力学因素。溶液环境如pH和温度的改变，可导致侧链间的相互作用不稳定，原有结构的折叠可能会被打开并在另一种状况下组成新的结构或聚合体。目前认为，开始很可能是轻度的构象改变导致了错误折叠中间体的形成，由于疏水基团暴露使中间体很难溶于水性环境，这种不稳定的中间体的疏水基团之间可以相互作用，亦可与其他分子的疏水基团相互作用，形成比较稳定的小的亚聚体，进一步的发展则可导致蛋白质错误折叠的聚集体的形成或淀粉样纤维沉积的形成[4]。虽然因蛋白质错误折叠而引起的疾病早就存在，但构象病做为一类疾病的概念，是由英国剑桥大学的Carrell等[10],在1996-1997年间首先提出并系统描述的。迄今已经发现有20多种疾病是由蛋白质错误折叠引起的，以下介绍几种常见的蛋白质构象病。3.1阿尔茨海默病阿尔茨海默病(Alzheimer1sdisease)是导致老年人痴呆的最主要原因。无论是散发性还是家族性(遗传性)的病例，临床表现基本一致。阿尔茨海默病的病变主要位于大脑皮质、海马、某些皮层下核团如杏仁核、前脑基底神经核和丘脑，其大体病理主要表现为脑重减轻、脑萎缩、脑沟回增宽和脑室扩大。显微病理基础主要为两个方面[3],—是神经斑(neuriticplaque)，另一是神经纤维缠结(neurofibrillarytangle)。神经斑位于细胞间质，其中央为p淀粉样蛋白(amyloidpprotein)异常折叠而形成的沉积物，其间可有神经末梢、周围包绕有小胶质细胞和星状细胞。神经纤维缠结见于神经细胞内，是成双的螺旋状纤维，现已证实，神经纤维缠结主要由高度磷酸化的微管相关蛋白Tau异常折叠聚集而成。神经纤维缠结主要见于神经元细胞核的周围，亦可见于神经斑部位的神经元突起内。阿尔茨海默病的神经斑大小不一，其中的主要成分P淀粉样蛋白斑块是由含32-43个氨基酸残基的P折叠的多肽片段聚合和沉积而成。这些多肽片段是淀粉样前体蛋白(amyloidprecursorprotein,APP)的酶解产物，其中含42个氨基酸残基的片段最易导致斑块的形成。淀粉样前体蛋白是一种正常的细胞膜结合蛋白，在生理状态下淀粉样前体蛋白可被酶解而产生小分子多肽片段即P淀粉样蛋白，主要是含40个氨基酸残基的片段，但这些片段在正常情况下不会沉积。阿尔茨海默病患者体内特别是脑内的B淀粉样蛋白浓度显著升高，特别是42个氨基酸残基的片段不成比例的含量升高，B折叠增加，故易于积聚而形成淀粉样斑块［4］。3.2帕金森病帕金森病(Parkinson1sdisease)的特征是神经元细胞质路易小体(Lewybody)的形成和脑黑质多巴胺能神经元的过早死亡［5］。路易小体的主要成分为a共核蛋白(a-synuclein)亦称a-连核素，是由140个氨基酸组成的酸性蛋白，天然状态下是一种未折叠的胞内和突触前多肽，在与突触囊泡连接时其分子的部分区域变成螺旋状态。帕金森病患者脑中的a共核蛋白呈P折叠结构，易于积聚并形成纤维状结构。一部分家族性帕金森病的发生是由a共核蛋白基因突变弓I起的。a共核蛋白基因的变异，增加了该蛋白寡聚体的数量从而促使路易小体的形成。B淀粉样蛋白、氧化应激以及线粒体抑制剂均可促进a共核蛋白多聚体的产生。凝聚的a共核蛋白可与26S蛋白酶体19S蛋白帽的S6'亚基结合，从而抑制了蛋白酶体功能，使蛋白酶体-泛素蛋白降解途径对a共核蛋白的降解不足。由于多巴胺能神经元在代谢多巴胺的过程中会产生较多的自由基，蛋白质易受氧化损伤而产生构型异常，所以多巴胺能神经元对a共核蛋白的突变比较敏感而易受损。3.3亨廷顿病亨廷顿病(Huntington1sdisease)是一种迟发的神经变性疾病，其特征是运动功能失调，故又称亨廷顿舞蹈病。亨廷顿病的发生是由huntingtin蛋白(Huntingtinprotein,Htt)的N-末端的多聚谷氨酰胺序列的延长引起的，致病机制与突变的Htt多聚谷氨酰胺片段聚集形成核内包涵体有关［6］。Htt中多聚谷氨酰胺的长度在正常人群中短于35个，而在亨廷顿病患者中突变Htt的谷氨酰胺长度超过36个。体外试验延长Htt氨基末端的谷氨酰胺序列长度可使Htt构象转化成以p折叠为主，这种反平行的B折叠通过主链和侧链的氨基之间相互连接，在转谷氨酰胺酶的作用下，多聚谷氨酰胺发生交联，溶解度降低，最后在胞质中形成聚合体或在核内形成包涵体。多聚谷氨酰胺聚集形成Htt聚集体，具细胞毒性，可封闭转录因子，抑制泛素-蛋白酶体系统，导致神经元死亡。3.4传染性海绵状脑病传染性海绵状脑病(transmissiblespongiformencephalopathies,TSEs)又称朊蛋白病或朊粒病是由传染性蛋白质致病因子朊蛋白或朊粒(prionprotein,PrP)引起的一类致死性的神经系统退行性疾病，包括人类的库鲁(Kuru)病、克-雅(Creuzfeldt-Jacob)病、脑软化病和致死性家族性失眠症，牛的海绵状脑病(即疯牛病)和羊的瘙痒病。其共同病理特征是中枢神经系统中有神经元空泡形成和异常的抗蛋白酶解的朊蛋白聚集，传染性强，死亡率高。PrP是一种由糖基磷脂酰基醇(GPI)与细胞膜表面相连的一种糖蛋白，分子量为27kD至30kD。宿主细胞存在两种形式的PrP，正常型的PrPc和异常型的PrPsc。二者由同一基因编码，氨基酸顺序相同但构象不同。PrPc以a-螺旋结构为主，p-折叠仅占3%,若PrPc中的构象发生转换，变成以P-折叠为主的构象，则成为异常型的PrPsc。PrPsc中p-折叠占43%，易于聚集，形成具有细胞毒性的高分子量的不溶性复合物沉积而引起病变［7~9］。具有完整氨基酸序列的多肽链，只有折叠形成正确的三维空间结构才可能具有正常的生物学功能。一旦形成了错误的空间结构，该蛋白质不仅将丧失其生物学功能，还会引起相关疾病。蛋白质折叠的机制和蛋白质异常折叠所导致的疾病近年来广受重视，特别是随着社会人口结构的改变和老龄人口的增加，阿尔茨海默病和帕金森病等这些主要见于老年群体的与蛋白质错误折叠相关的神经系统退行性疾病在人群中的发病率相对升高，使对蛋白质异常折叠及其与疾病关系的研究的医学意义和社会意义益显突出。【相关文献】[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