蛋白错误折叠与构象病

错误折叠与蛋白质构象病

生物物理系 2005级硕士研究生刘莹

摘要：许多疾病的发生是由蛋白质错误折叠引起的,这类疾病被称为蛋白质错误折叠病。蛋白质突变、泛素-蛋白酶和自噬功能的失常与蛋白质错误折叠的发生,异常蓄积和聚集有关。本文综述了蛋白质错误折叠和聚集的机制和部分蛋白质构象病产生的机理。

关键词：蛋白质错误折叠；分子伴侣；泛素-蛋白酶系统；溶酶体途径；Prion；

蛋白质是生物体的组成成分之一,在物质代谢、机体防御、血液凝固、肌肉收缩、细胞信息传递、个体生长发育、组织修复等方面均有不可替代的重要作用。具有完整一级结构的多肽或蛋白质,只有当其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。一旦蛋白质形成了错误的空间结构,将丧失其生物学功能,还会引起相关疾病,迄今已发现20 多种蛋白质的错误折叠与疾病相关,神经退行性疾病如阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease , AD) , 帕金森病(Parkinson’s disease , PD) ,亨廷顿舞蹈病(Huntington’sdisease ,HD) ,朊蛋白病(prion disease) ,家族性肌萎缩侧索硬化症(familial amyotrophic lateral sclerosis ,ALS) 等均与错误折叠的蛋白质聚合和沉积有关。

一蛋白质折叠与降解的机制

蛋白质的一级结构是其特定空间结构的基础,此外,肽链还需经过与翻译同时进行的和翻译完成后的化学加工,如形成二硫键,完成糖基化、羟基化、磷酸化等化学修饰。这些化学修饰以及蛋白质亚基的非共价键聚合、蛋白质的靶向输送等均与肽链的折叠密切相关。在细胞内大多数天然蛋白质能自发形成比较稳定的天然结构, 或被配体和代谢因子所稳定。但约10 %～20 %新合成的多肽链需要分子伴侣的帮助才能正确折叠。此外,约有20 %新合成的多肽链不能形成正确的三维结构而被蛋白酶降解,包括由于错误转录和翻译形成的不完全蛋白质,翻译后受到化学损伤或其他因素引起的失活、去折叠或折叠错误的蛋白质。在真核细胞中,多余的蛋白质主要通过泛素化(ubiquitination) 过程降解。分子伴侣和蛋白酶系统是保证蛋白质正常功能的两大质量控制系统。

1）分子伴侣：分子伴侣是与其他蛋白不稳定构象相结合并使之稳定的蛋白,它们通过控制结合和释放来帮助被结合多肽在体内的折叠、组装、转运或降解等。在真核细胞中,许多蛋白质在胞内合成后分泌至细胞外。在经高尔基体分泌之前这些蛋白质先转移至内质网中(endoplamic reticulum , ER) 。ER 中含有大量的分子伴侣和蛋白折叠的催化剂以促进有效的折叠。这些蛋白质均严格遵守内质网质量控制机制来进行折叠。该机制包含了一系列糖基化和脱糖基化的过程,可以防止错误折叠的蛋白质从细胞中分泌出来。分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开,如此反复进行可防止错误的聚集发生,使肽链正确折叠。分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合,使之解聚后再诱导其正确折叠。分子伴侣主要分为伴侣素家族(chaperonin ,Cpn) 、应激蛋白70 家族(Stress270 family) 、应激蛋白90 家族(Stress290 family) 及核质素、T 受体结合蛋白(TRAP) 等。

2）蛋白酶系统：大部分细胞内蛋白降解均通过泛素2蛋白酶体途径。错误折叠或已损伤的蛋白质经泛素标记后被蛋白酶体所降解。泛素是由76 个氨基酸组成的蛋白质,在所有类型细胞中均有表达。蛋白质与泛素分子共价结合得以降解。第一个泛素分子与蛋白质结合后,可连接另一泛素分子,如此继而形成多泛素链。多泛素标记的蛋白质含4 个或更多的泛素,可被26 S 蛋白酶体识别并降解。Proteasome 是由多个亚单位组成的大分子复合物,是依赖于ATP 的蛋白质降解系统, 大约有40 种相对分子质量为20 000～110 000 的多肽组成两种具有相同酶解活性的复合物:20 S 和26 S proteasomes。

泛素化是级联反应,由泛素激活酶E1 ,泛素结合酶E2 ,泛素连接酶E3 催化。该过程的第一步是ATP依赖的反应,通过硫酯键将泛素的羧基末端甘氨酸与E1 连接。第二步,通过转硫基反应,泛素由E1 转移至E2。第三步,在E3 催化下,泛素由E2 转移至目标蛋白质(底物) 。通过泛素化过程,目标蛋白质上的赖氨酸残基的ε-氨基与泛素末端甘氨酸残基结合。E3分为HECT E3 和RING E3。HECT E3 通过与泛素形成硫酯中间产物从而催化底物的泛素化,而RING E3s 则直接将泛素从E2 转移至底物。随着接连的泛素化在底物上形成了多肽链,在该过程中有时需要特定的多泛素链聚集因子E4。

另一蛋白质分解途径是溶酶体( lysosome) 途径。一般认为长半衰期的蛋白质由溶酶体途径降解。溶酶体运用自噬体(autophagy) 的机制来进行蛋白质降解。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,这些小囊泡在形成过程中包裹了一部分胞质和细胞器形成自噬囊泡,这些囊泡然后与溶酶体融合形成成熟的自噬小体。溶酶体酸化以激活溶酶体内的水解酶,使囊泡中所含的蛋白质等内含物在封闭的场所内被溶酶体酶降解。

泛素2蛋白酶体途径和自噬体2溶酶体途径均在蛋白聚集体(如huntingtin 蛋白) 的降解中起了很大作用。可溶性的单体形式可通过蛋白酶体途径降解,而聚合体形式则通过自噬体途径降解。

二 蛋白质的错误折叠与聚集：如果保证蛋白质正常折叠的质量控制系统发生障碍,例如错误折叠的蛋白质所暴露的表面不能被分子伴侣或蛋白酶所识别,或形成聚合的速度大于被分子伴侣、蛋白酶识别的速度,那些未被分子伴侣保护又未被蛋白酶降解的错误折叠分子就可能发生聚合。到目前为止已发现近20 种蛋白能发生病理性的聚合,形成淀粉样沉淀。蛋白质构型的改变是蛋白质错误折叠的主要原因。一般而言,天然构象主要由α-螺旋和无规卷曲组成,而错误折叠的构象富含β-折叠结构。例如:亨廷顿舞蹈病的发病机制主要与多聚谷氨酰胺的延长有关,当谷氨酰胺重复序列增长时,可促使蛋白质构型从随机缠绕(random coil) 向β-sheet 转化。聚合体是由反向排列的β-折叠不断增加形成的,α-螺旋/β-折叠的结构转换导致疏水基团暴露而亲水基团埋在蛋白质内部,引起蛋白质分子之间形成交叉的β-折叠结构。β-折叠之间由侧链和主链中的氢键将其连结在一起。由于多肽的主链结构相同,完全不同的氨基酸序列形成的纤维具有相同的表象,其主要结构是以β-折叠为主垂直于纤维轴。侧链影响了纤维聚集的细节而不是主要结构。很长一段时间以来大家都认为这些蛋白质在淀粉样中心结构中存在有特定模序。最近的研究发现,与疾病无关的蛋白也可以形成纤维,比如肌红蛋白。蛋白质形成淀粉状纤维的能力看似普遍,但不同的序列形成淀粉状纤维的倾向却不尽相同。多肽链在核糖体合成后所呈现的状态取决于不同状态时的热力学稳定性和互变时的动力学因素。对寡聚体(oligomers) 和聚合体(aggregates) 来说热力学稳定性是很重要的参数。如果溶液环境(如pH、温度) 发生改变,侧链间的相互作用则不再稳定,该结构可能会打开折叠并在某些状况下重新聚集。根据现有证据,很可能是轻度的构象变化导致了错误折叠的中间体的形成,由于疏水部分暴露而难溶于水性环境中,不稳定的中间体通过与其他分子的相互作用,形成小的亚聚体而稳定,进一步发展形成淀粉样纤维。生物体可在特定的时间和条件对多肽链的状态进行调控,就象细胞内的化学转化一样,后者通过酶来调控,前者通过分子伴侣和蛋白酶降解机制来调控。正如酶功能异常会导致代谢性疾病一样,分子伴侣或调控多肽构象机制的异常也会导致蛋白质构象异常及聚集体疾病。

三与蛋白质错误折叠有关的疾病

翻译后的质量控制失败可能导致病理性的聚合 , 到目前已经发现有15～20 种蛋白质能形成淀粉样沉淀, 与人的纹状体脊髓变性病(Creutzfeld2J akob Disease , CJD ) , 老年痴呆症(Alzhemer) , 亨丁顿氏舞蹈病(Huntington) , 帕金森氏病( Parkingson) 和淀粉样蛋白