神經(jīng)退行性疾病的蛋白質(zhì)錯誤折疊病

神經(jīng)退行性疾病的蛋白質(zhì)錯誤折疊病

蛋白質(zhì)是生物的組成部分之一，在物質(zhì)代謝、身體防御、血液凝縮、肌肉收縮、細胞信息傳播、個體生長發(fā)育和組織修復(fù)等方面發(fā)揮著不可替代的作用。具有完整一級結(jié)構(gòu)的多肽或蛋白質(zhì),只有當其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功能。一旦蛋白質(zhì)形成了錯誤的空間結(jié)構(gòu),將喪失其生物學功能,還會引起相關(guān)疾病,迄今已發(fā)現(xiàn)20多種蛋白質(zhì)的錯誤折疊與疾病相關(guān),神經(jīng)退行性疾病如阿爾茨海默病(Alzheimer’sdisease,AD),帕金森病(Parkinson’sdisease,PD),亨廷頓舞蹈病(Huntington’sdisease,HD),朊蛋白病(priondisease),家族性肌萎縮側(cè)索硬化癥(familialamyotrophiclateralsclerosis,ALS)等均與錯誤折疊的蛋白質(zhì)聚合和沉積有關(guān)。分子中蛋白折合體的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)是其特定空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),此外,肽鏈還需經(jīng)過與翻譯同時進行的和翻譯完成后的化學加工,如形成二硫鍵,完成糖基化、羥基化、磷酸化等化學修飾。這些化學修飾以及蛋白質(zhì)亞基的非共價鍵聚合、蛋白質(zhì)的靶向輸送等均與肽鏈的折疊密切相關(guān)。在細胞內(nèi)大多數(shù)天然蛋白質(zhì)能自發(fā)形成比較穩(wěn)定的天然結(jié)構(gòu),或被配體和代謝因子所穩(wěn)定。但約10%～20%新合成的多肽鏈需要分子伴侶的幫助才能正確折疊。此外,約有20%新合成的多肽鏈不能形成正確的三維結(jié)構(gòu)而被蛋白酶降解,包括由于錯誤轉(zhuǎn)錄和翻譯形成的不完全蛋白質(zhì),翻譯后受到化學損傷或其他因素引起的失活、去折疊或折疊錯誤的蛋白質(zhì)。在真核細胞中,多余的蛋白質(zhì)主要通過泛素化(ubiquitination)過程降解。分子伴侶和蛋白酶系統(tǒng)是保證蛋白質(zhì)正常功能的兩大質(zhì)量控制系統(tǒng)。分子伴侶分子伴侶是與其他蛋白不穩(wěn)定構(gòu)象相結(jié)合并使之穩(wěn)定的蛋白,它們通過控制結(jié)合和釋放來幫助被結(jié)合多肽在體內(nèi)的折疊、組裝、轉(zhuǎn)運或降解等。在真核細胞中,許多蛋白質(zhì)在胞內(nèi)合成后分泌至細胞外。在經(jīng)高爾基體分泌之前這些蛋白質(zhì)先轉(zhuǎn)移至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中(endoplamicreticulum,ER)。ER中含有大量的分子伴侶和蛋白折疊的催化劑以促進有效的折疊。這些蛋白質(zhì)均嚴格遵守內(nèi)質(zhì)網(wǎng)質(zhì)量控制機制來進行折疊。該機制包含了一系列糖基化和脫糖基化的過程,可以防止錯誤折疊的蛋白質(zhì)從細胞中分泌出來。分子伴侶可逆地與未折疊肽段的疏水部分結(jié)合隨后松開,如此反復(fù)進行可防止錯誤的聚集發(fā)生,使肽鏈正確折疊。分子伴侶也可與錯誤聚集的肽段結(jié)合,使之解聚后再誘導其正確折疊。分子伴侶主要分為伴侶素家族(chaperonin,Cpn)、應(yīng)激蛋白70家族(Stress-70family)、應(yīng)激蛋白90家族(Stress-90family)及核質(zhì)素、T受體結(jié)合蛋白(TRAP)等。蛋白酶系統(tǒng)大部分細胞內(nèi)蛋白降解均通過泛素-蛋白酶體途徑(圖1)。錯誤折疊或已損傷的蛋白質(zhì)經(jīng)泛素標記后被蛋白酶體所降解。泛素是由76個氨基酸組成的蛋白質(zhì),在所有類型細胞中均有表達。蛋白質(zhì)與泛素分子共價結(jié)合得以降解。第一個泛素分子與蛋白質(zhì)結(jié)合后,可連接另一泛素分子,如此繼而形成多泛素鏈。多泛素標記的蛋白質(zhì)含4個或更多的泛素,可被26S蛋白酶體識別并降解。Proteasome是由多個亞單位組成的大分子復(fù)合物,是依賴于ATP的蛋白質(zhì)降解系統(tǒng),大約有40種相對分子質(zhì)量為20000～110000的多肽組成兩種具有相同酶解活性的復(fù)合物:20S和26Sproteasomes。泛素化是級聯(lián)反應(yīng),由泛素激活酶E1,泛素結(jié)合酶E2,泛素連接酶E3催化。該過程的第一步是ATP依賴的反應(yīng),通過硫酯鍵將泛素的羧基末端甘氨酸與E1連接。第二步,通過轉(zhuǎn)硫基反應(yīng),泛素由E1轉(zhuǎn)移至E2。第三步,在E3催化下,泛素由E2轉(zhuǎn)移至目標蛋白質(zhì)(底物)。通過泛素化過程,目標蛋白質(zhì)上的賴氨酸殘基的ε-氨基與泛素末端甘氨酸殘基結(jié)合。E3分為HECTE3和RINGE3。HECTE3通過與泛素形成硫酯中間產(chǎn)物從而催化底物的泛素化,而RINGE3s則直接將泛素從E2轉(zhuǎn)移至底物。隨著接連的泛素化在底物上形成了多肽鏈,在該過程中有時需要特定的多泛素鏈聚集因子E4。另一蛋白質(zhì)分解途徑是溶酶體(lysosome)途徑。一般認為長半衰期的蛋白質(zhì)由溶酶體途徑降解。溶酶體運用自噬體(autophagy)的機制來進行蛋白質(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,這些小囊泡在形成過程中包裹了一部分胞質(zhì)和細胞器形成自噬囊泡,這些囊泡然后與溶酶體融合形成成熟的自噬小體。溶酶體酸化以激活溶酶體內(nèi)的水解酶,使囊泡中所含的蛋白質(zhì)等內(nèi)含物在封閉的場所內(nèi)被溶酶體酶降解。泛素-蛋白酶體途徑和自噬體-溶酶體途徑均在蛋白聚集體(如huntingtin蛋白)的降解中起了很大作用?？扇苄缘膯误w形式可通過蛋白酶體途徑降解,而聚合體形式則通過自噬體途徑降解。谷氨酰胺的作用機制如果保證蛋白質(zhì)正常折疊的質(zhì)量控制系統(tǒng)發(fā)生障礙,例如錯誤折疊的蛋白質(zhì)所暴露的表面不能被分子伴侶或蛋白酶所識別,或形成聚合的速度大于被分子伴侶、蛋白酶識別的速度,那些未被分子伴侶保護又未被蛋白酶降解的錯誤折疊分子就可能發(fā)生聚合。到目前為止已發(fā)現(xiàn)近20種蛋白能發(fā)生病理性的聚合,形成淀粉樣沉淀。蛋白質(zhì)構(gòu)型的改變是蛋白質(zhì)錯誤折疊的主要原因。一般而言,天然構(gòu)象主要由α-螺旋和無規(guī)卷曲組成,而錯誤折疊的構(gòu)象富含β-折疊結(jié)構(gòu)。例如:亨廷頓舞蹈病的發(fā)病機制主要與多聚谷氨酰胺的延長有關(guān),當谷氨酰胺重復(fù)序列增長時,可促使蛋白質(zhì)構(gòu)型從隨機纏繞(randomcoil)向β-sheet轉(zhuǎn)化。聚合體是由反向排列的β-折疊不斷增加形成的,α-螺旋/β-折疊的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換導致疏水基團暴露而親水基團埋在蛋白質(zhì)內(nèi)部,引起蛋白質(zhì)分子之間形成交叉的β-折疊結(jié)構(gòu)。β-折疊之間由側(cè)鏈和主鏈中的氫鍵將其連結(jié)在一起。由于多肽的主鏈結(jié)構(gòu)相同,完全不同的氨基酸序列形成的纖維具有相同的表象,其主要結(jié)構(gòu)是以β-折疊為主垂直于纖維軸。側(cè)鏈影響了纖維聚集的細節(jié)而不是主要結(jié)構(gòu)。很長一段時間以來大家都認為這些蛋白質(zhì)在淀粉樣中心結(jié)構(gòu)中存在有特定模序。最近的研究發(fā)現(xiàn),與疾病無關(guān)的蛋白也可以形成纖維,比如肌紅蛋白。蛋白質(zhì)形成淀粉狀纖維的能力看似普遍,但不同的序列形成淀粉狀纖維的傾向卻不盡相同。多肽鏈在核糖體合成后所呈現(xiàn)的狀態(tài)取決于不同狀態(tài)時的熱力學穩(wěn)定性和互變時的動力學因素。對寡聚體(oligomers)和聚合體(aggregates)來說熱力學穩(wěn)定性是很重要的參數(shù)。如果溶液環(huán)境(如pH、溫度)發(fā)生改變,側(cè)鏈間的相互作用則不再穩(wěn)定,該結(jié)構(gòu)可能會打開折疊并在某些狀況下重新聚集。根據(jù)現(xiàn)有證據(jù),很可能是輕度的構(gòu)象變化導致了錯誤折疊的中間體的形成,由于疏水部分暴露而難溶于水性環(huán)境中,不穩(wěn)定的中間體通過與其他分子的相互作用,形成小的亞聚體而穩(wěn)定,進一步發(fā)展形成淀粉樣纖維。生物體可在特定的時間和條件對多肽鏈的狀態(tài)進行調(diào)控,就象細胞內(nèi)的化學轉(zhuǎn)化一樣,后者通過酶來調(diào)控,前者通過分子伴侶和蛋白酶降解機制來調(diào)控。正如酶功能異常會導致代謝性疾病一樣,分子伴侶或調(diào)控多肽構(gòu)象機制的異常也會導致蛋白質(zhì)構(gòu)象異常及聚集體疾病。-synuclein和蛋白藥物的關(guān)系越來越多的證據(jù)表明,細胞分泌,免疫應(yīng)答、循環(huán)調(diào)控中均直接依賴于蛋白質(zhì)的折疊狀態(tài)。故折疊錯誤將導致生物體發(fā)生故障從而產(chǎn)生疾病。神經(jīng)退行性疾病如AD、PD、HD、朊蛋白病、ALS等均與錯誤折疊的蛋白質(zhì)聚合和沉積有關(guān),這些蛋白的聚合和沉淀具有細胞毒性,可導致神經(jīng)元功能失常。天然蛋白質(zhì)的基因突變是錯誤折疊最常見的原因,此外,錯誤翻譯、環(huán)境因素、離子強度、pH、金屬離子、氧化還原狀態(tài)改變以及蛋白質(zhì)本身的濃度也在蛋白質(zhì)聚集沉淀中發(fā)揮了很重要的作用。AD的神經(jīng)組織病理有兩大特征:淀粉樣斑塊(amyloidplaque)和神經(jīng)纖維纏結(jié)(neurofibrillarytangle)。淀粉樣斑塊的形成是由淀粉樣肽(β-amyloid,Aβ)在細胞外沉積形成的,神經(jīng)纖維纏結(jié)是由神經(jīng)微纖維蛋白和過度磷酸化的Tau蛋白在細胞內(nèi)沉積引起的。Aβ是跨膜淀粉樣肽前體蛋白(amyloidprecursorprotein,APP)的降解產(chǎn)物。APP由α-,β-,γ-分泌酶(secretase)進行剪切。目前已找到3個與AD發(fā)病相關(guān)的基因:淀粉樣肽前體蛋白(APP),早老素1(presenilin-1,PS-1)和早老素2(presenilin-2,PS-2),載脂蛋白E(apoliproproteinE,ApoE)對遲發(fā)性AD也是很重要的危險基因,也有報道認為AD中存在著蛋白泛素化缺陷。這些在分泌酶(secretase)附近位點的變異將改變APP的蛋白水解途徑,產(chǎn)生過多溶解性較差的Aβ或使Aβ42/Aβ40的比值上升。Aβ42是淀粉樣斑塊的主要成分,它更容易發(fā)生聚合和成纖維狀蛋白。PD的特征是細胞質(zhì)路易小體(lewybody)的形成和中腦黑質(zhì)多巴胺神經(jīng)元的過早死亡。一部分家族性PD的發(fā)生是由α-synuclein和Parkin基因突變引起的。其發(fā)病與α-synuclein蛋白和Parkin蛋白的沉積有關(guān),在路易小體中發(fā)現(xiàn)有α-synuclein蛋白和Parkin蛋白。α-synuclein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(lewybodies)形成。氧化應(yīng)激、Aβ以及線粒體抑制劑均可促進α-synuclein多聚體的產(chǎn)生。同時,α-synuclein與26S蛋白酶體上19SCAP的S6’亞基結(jié)合,從而抑制了蛋白酶體的功能,使其對synuclein降解不足。有證據(jù)提示,Parkin突變可能影響α-synuclein的代謝使α-synuclein蓄積。Parkin也能協(xié)助清除內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)異常構(gòu)型的蛋白質(zhì),因此Parkin突變使α-synuclein及其他構(gòu)型異常的蛋白蓄積,高濃度的α-synuclein容易形成聚合體和纖維狀蛋白,在細胞內(nèi)沉淀。由于多巴胺神經(jīng)元在代謝多巴胺過程中產(chǎn)生較多的自由基,蛋白質(zhì)易受氧化損傷而產(chǎn)生蛋白構(gòu)型異常,所以多巴胺神經(jīng)元對α-synuclein和Parkin的突變比較敏感而受損。神經(jīng)退行性多聚谷氨酰胺疾病的特征是運動功能失調(diào),如HD和Machado-Joseph病。谷氨酰胺蛋白形成反平行的β-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)形成細胞內(nèi)的蛋白聚集。HD的發(fā)生是由huntingtin蛋白的N-末端的多聚谷氨酰胺序列的延長引起的,致病原因與突變hungtingtin多聚谷氨酰胺片段聚集形成核內(nèi)包涵體有關(guān)。Hungtingtin蛋白中多聚谷氨酰胺的長度在正常人群中短于35個,而在HD患者中突變Htt的谷氨酰胺長度超過36個。多聚谷氨酰胺聚集形成huntingtin聚集體,具細胞毒性,可封閉轉(zhuǎn)錄因子,抑制泛素-蛋白酶系統(tǒng)(UPS),導致神經(jīng)元死亡。人類的紋狀體脊髓變性病(creutzfeldtJakobdisease,CJD)、庫魯病(Kuru)、腦軟化病(gerstmann-strussler-scheinkersyndrome,GSS),致死性的家族性失眠癥(fatalfamilialinsomnia,FFI)以及動物的羊瘙癢病(scrapie)和牛海綿狀腦炎(bovinespongiformencephalopathy,BSE)即瘋牛病,均屬于傳染性海綿狀腦炎,統(tǒng)稱朊蛋白病。為致死性的神經(jīng)退行性疾病,其共同特征是中樞神經(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(prionprotein)聚集,極具傳染性,死亡率很高。PrPc是朊蛋白在細胞內(nèi)的正常形式,PrPsc是其致病形式,朊蛋白由17種氨基酸,246個分子組成,正常細胞中的PrPc序列以α-螺旋結(jié)構(gòu)為主,β-折疊僅占11.9%,若PrPc中的α-螺旋發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成β-折疊,則變?yōu)楫惓Ｐ偷腜rPsc,結(jié)構(gòu)中β-折疊占43%。PrPc蛋白聚集沉積引起病狀并有傳染性。ALS是一種進行性的運動神經(jīng)元退行性疾病,現(xiàn)已證實編碼超氧化物歧化酶(superoxided