蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶的生物學(xué)功能研究進(jìn)展*

潘黎明、盛夢(mèng)婷、黃子芮綜述， 李俊明審校

蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶的生物學(xué)功能研究進(jìn)展*

潘黎明、盛夢(mèng)婷、黃子芮綜述， 李俊明審校

蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶由多種細(xì)胞分泌，在生物學(xué)代謝過(guò)程中具有重要作用，其與糖尿病缺血性心臟病、腦缺血性疾病、血栓性疾病、阿爾茨海默病、白血病、腫瘤等多種疾病的發(fā)生發(fā)展機(jī)制密切相關(guān)，現(xiàn)針對(duì)蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶的定義、功能及與相關(guān)疾病的關(guān)系做一論述。

蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶；糖尿病缺血性心臟?。荒X缺血性疾?。谎ㄐ约膊?；阿爾茨海默??；腫瘤

近年來(lái)，醫(yī)學(xué)各方面技術(shù)不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的疾病能被及早的發(fā)現(xiàn)，但因其發(fā)病機(jī)制復(fù)雜而沒(méi)能找到很好的治療策略。隨著國(guó)內(nèi)外研究的不斷深入，我們發(fā)現(xiàn)了一種酶——蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶（protein disulfide isomerase，PDI）在許多復(fù)雜機(jī)制的疾病中共同存在，并扮演了一個(gè)重要的角色，例如：糖尿病缺血性心臟病、腦缺血性疾病、血栓性疾病、阿爾茨海默病、白血病、肌萎縮性側(cè)索硬化癥、病毒感染和腫瘤等，而成為了近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

1 蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶定義

PDI于50年前由Goldberger及Venetainer等學(xué)者同時(shí)發(fā)現(xiàn)，后來(lái)由Anfinsen等學(xué)者分離、純化，并測(cè)定了其結(jié)構(gòu)[1]。PDI分子大小為57-kDa[1,2]，由517個(gè)氨基酸組成，具有abb'xa'c結(jié)構(gòu)域的一種氧化還原酶，其中a和a'結(jié)構(gòu)域具有催化功能，它們被b與b'結(jié)構(gòu)域和一個(gè)X連接體隔開(kāi)，同時(shí)連接著一個(gè)C-酸性末端。PDI主要由內(nèi)皮細(xì)胞、血小板、角蛋白細(xì)胞以及單核巨噬細(xì)胞、纖維細(xì)胞等分泌[3-6]，并濃縮駐留于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)的一種氧化還原酶，其催化許多新生蛋白質(zhì)二硫鍵的形成，并充當(dāng)分子伴侶[7]，也參與了蛋白質(zhì)折疊[8]，幫助新生蛋白質(zhì)正確折疊，使錯(cuò)誤折疊與未折疊蛋白質(zhì)恢復(fù)[9]。

2 蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶的生物學(xué)功能

2.1 蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶與糖尿病缺血性心臟病

缺血性心臟病是導(dǎo)致人類(lèi)死亡的主要病因之一[10]，合并糖尿病患者死亡率明顯增加[11]。近期研究中發(fā)現(xiàn)，PDI的表達(dá)上調(diào)能降低心肌梗死面積，減少心肌細(xì)胞凋亡[12，13]。糖尿病的并發(fā)癥缺血性心臟病，可以產(chǎn)生缺血缺氧、炎癥反應(yīng)、高糖環(huán)境等因素激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（ERS）并持續(xù)存在，進(jìn)而干擾蛋白質(zhì)的折疊、復(fù)折疊[8]，也有研究表明ERS可以誘導(dǎo)PDI表達(dá)。而且，研究發(fā)現(xiàn)，在糖尿病急性缺血心肌中，PDI氧化還原態(tài)的改變，可以使未折疊及錯(cuò)誤折疊蛋白堆積，從而心肌損傷加重[12]。從以上表明，在糖尿病缺血性心臟病中PDI通過(guò)ERS扮演了一個(gè)重要的角色。

2.2 蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶與腦缺血性疾病

人們發(fā)現(xiàn)，PDI的表達(dá)可以抵抗腦缺血帶來(lái)的損傷[14]。例如，原代星形膠質(zhì)細(xì)胞的PDI過(guò)表達(dá)后，腦血管缺血耐受明顯增加[15]；神經(jīng)母細(xì)胞瘤SK-N-MC 細(xì)胞中的PDI表達(dá)上

調(diào)同樣可以明顯降低低氧導(dǎo)致的細(xì)胞死亡[16]。

同樣，在腦缺血性疾病中，氧化應(yīng)激反應(yīng)也是其損傷的關(guān)鍵病理環(huán)節(jié)，是引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）細(xì)胞死亡與功能障礙的一個(gè)主要途徑[17]。在腦缺血時(shí)，線(xiàn)粒體損傷，產(chǎn)生過(guò)多氧自由基聚集，出現(xiàn)ERS，誘導(dǎo)神經(jīng)元的死亡。因此，PDI與腦缺血疾病密切相關(guān)。

2.3 蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶與血栓性疾病

血栓性疾病存在于各個(gè)臨床科室，外傷、手術(shù)等原因使其發(fā)病率逐年增高。在血栓的形成過(guò)程中，PDI是一個(gè)不可缺少的成員[18，19]。研究證實(shí)了組織因子是凝血的主要啟動(dòng)因子[20]。但是只有組織因子暴露的二硫鍵轉(zhuǎn)變成為巰基了才具有活性來(lái)發(fā)揮凝血作用[21]。而PDI具有促進(jìn)蛋白質(zhì)二硫鍵的形成及異構(gòu)化的作用，還具有氧化還原、分子伴侶等作用。

血栓形成的初始過(guò)程是血管損傷，首先激活了血管內(nèi)皮細(xì)胞與血小板分泌PDI；損傷后，一旦PDI減少，就會(huì)減少血小板血栓形成和纖維蛋白的產(chǎn)生，說(shuō)明了PDI在血栓性疾病中的關(guān)鍵性和重要性[22]。

2.4 蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶與阿爾茨海默病

我們都知道阿爾茨海默病是神經(jīng)退行性變疾病，主要表現(xiàn)為認(rèn)知和記憶能力下降。阿爾茨海默病的特點(diǎn)之一是產(chǎn)生過(guò)多的一氧化氮（NO），誘導(dǎo)PDI的S-亞硝基化（S-nitrosated PDI，SNO-PDI）抑制其活性，導(dǎo)致多聚泛素的堆積，并激活未折疊蛋白應(yīng)答[23]。

另有研究報(bào)告，在阿爾茨海默病病理改變-老年斑中Aβ（amyloid β-peptide）是其重要成員，是阿爾茨海默病發(fā)病的重要機(jī)制之一[24,25]。在阿爾茨海默病時(shí)，Aβ對(duì)腦細(xì)胞有毒性，導(dǎo)致細(xì)胞出現(xiàn)氧化損傷、NO增加，進(jìn)一步引起SNO-PDI的增加，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，引起阿爾茨海默病的發(fā)生發(fā)展。

2.5 蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶與白血病

急性髓性白血?。ˋML）中有一個(gè)亮氨酸拉鏈轉(zhuǎn)錄因子CEBPA，對(duì)中性粒細(xì)胞的分化至關(guān)重要[26]，在急性髓性白血病發(fā)生和骨髓的正常分化過(guò)程中起到重要作用[27]。而PDI是CEBPA翻譯的關(guān)鍵，研究也證實(shí)了CEBPA的表達(dá)依賴(lài)于PDI的表達(dá)[27]?？梢?jiàn)，PDI也參與了急性髓性白血病的發(fā)生。

2.6 蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶與腫瘤

PDI具有通過(guò)介導(dǎo)氧化蛋白的折疊來(lái)維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的作用，越來(lái)越多的證據(jù)表明PDI支持多種癌癥的生存和發(fā)展[28]。目前已經(jīng)有許多有關(guān)癌癥PDI表達(dá)增強(qiáng)的報(bào)道，包括卵巢癌、前列腺癌、肺癌、淋巴瘤、神經(jīng)膠質(zhì)瘤、黑色素瘤等[29]。PDI活性的抑制可以引起癌癥細(xì)胞凋亡[30]?？梢?jiàn)PDI在癌癥領(lǐng)域是一個(gè)很有前途的研究目標(biāo)。

2.7 蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶與其他疾病

此外，還有報(bào)道小分子PDI抑制劑能進(jìn)入細(xì)胞抑制HIV-1病毒[31]，以及與其他病毒感染、霍亂毒素、微生物感染（如弓形蟲(chóng)、杜氏利什曼原蟲(chóng)等）、生育能力等相關(guān)的研究[32-35]。

PDI具有氧化還原、促進(jìn)二硫鍵的形成與異構(gòu)化、促進(jìn)蛋白質(zhì)正常折疊與恢復(fù)未折疊和錯(cuò)誤折疊等多功能來(lái)指導(dǎo)眾多蛋白的合成、成熟，在人體健康與疾病中起到了很重要的作用。雖然很多機(jī)制還不完善，但這正是說(shuō)明了針對(duì)PDI研究的巨大潛力。比如PDI與糖尿病缺血性心臟病、急性心肌梗死、1型糖尿病等疾病的關(guān)系有待進(jìn)一步研究，該研究的進(jìn)行直接關(guān)系到PDI能否應(yīng)用到糖尿病缺血性心臟病等疾病的診斷，以及能否盡早為篩查相關(guān)疾病高危人群提供幫助。又比如目前PDI對(duì)眾多疾病影響的下游機(jī)制還知之甚少，這關(guān)系到PDI增敏劑或者PDI受體激動(dòng)劑能否應(yīng)用到例如糖尿病缺血性心臟病等疾病中的預(yù)防和治療?？梢钥隙ǖ氖?，PDI的研究為以上疾病將來(lái)的診療提供了新的思考方向。

[1] Wang C, Yu J, Huo L, et al. Human protein-disulfide isomerase is a redox-regulated chaperone activated by oxidation of domain a'. J Biol Chem, 2012, 287: 1139-1149.

[2] Xu S, Butkevich AN, Yamada R, et al. Discovery of an orally active small-molecule irreversible inhibitor of protein disulfide isomerase for ovarian cancertreatment. Proc Natl Acad Sci USA, 2012, 109: 16348-16353.

[3] Furlan-Freguia C, Marchese P, Gruber A, et al. P2X7 receptor signaling con-tributes to tissue factor-dependent thrombosis in mice. J Clin Invest, 2011, 121: 2932-2944.

[4] Ahamed J, Versteeg HH, Kerver M, et al. Disulfide isomerisation switches tissue factor from coagulation to cell signaling. Proc Natl Acad Sci USA, 2006, 103: 13932-13937.

[5] Langer F, Spath B, Fischer C, et al. Rapid activation of monocyte tissue factor by antithymocyte globulin is dependent on complement and protein disulfide isomerase. Blood, 2013, 121: 2324-2335.

[6] Popescu NI, Lupu C, Lupu F. Extracellular protein disulfide isomerase regulates coagulation on endothelial cells through modulation of phosphatidylserine ex-posure. Blood, 2010, 116: 993-1001.

[7] Araki K, Nagata K. Functional in vitro analysis of the ERO1 protein and protein-disulfide isomerase pathway. J Biol Chem, 2011, 286: 32705-32712.

[8] Muller C, Bandemer J, Vindis C, et al. Protein disulfide isomerase modification and inhibition contribute to ER stress and apoptosis induced by oxidizedlow density lipoproteins. Antioxid Redox Signal, 2013, 18: 731-742.

[9] Song JL, Wang CC, Tsou CL. Chaperone-like activity of protein disulfide isomerase in the refolding of rhodanese. Eur J Biochem, 1995, 231: 312-316.

[10] 趙亞玲, 敖虎山. 心肌缺血再灌注損傷的研究進(jìn)展. 中國(guó)循環(huán)雜志, 2011, 26: 396-398.

[11] 趙振燕, 劉冰, 吳永健, 等. 急性心肌梗死應(yīng)激性高血糖發(fā)生的危險(xiǎn)因素分析及對(duì)近期預(yù)后影響的初步研究. 中國(guó)循環(huán)雜志, 2010, 25: 170-173.

[12] Toldo S, Boccellino M, Rinaldi B, et al. Altered oxido-reductive state in the diabetic heart: loss of cardioprotection due to protein disulfideisomerase. Mol Med, 2011, 17: 1012-1021.

[13] Toldo S, Severino A, Abbate A. The role of PDI as a survival factor in cardiomyocyte ischemia. Methods Enzymol, 2011, 489: 47-65.

[14] Yu SJ, Kim JR, Lee CK, et al. Gastrodia elata blume and an active component, p-hydroxybenzyl alcohol reduce focal ischemic brain injury through antioxidant related gene expressions. Biol Pharm Bull, 2005, 28: 1016-1020.

[15] Ko HS, Uehara T, Nomura Y. Role of ubiquilin associated with protein-disulfide isomerase in the endoplasmic reticulum in stressinduced apoptotic cell death. J Biol Chem, 2002, 277: 35386-35392.

[16] Tanaka S, Uehara T, Nomura Y. Up-regulation of protein-disulfide

isomerase in response to hypoxia/brain ischemia and its protective effect against apoptotic cell death. J Biol Chem, 2000, 275: 10388-10393.

[17] Moskowitz MA, Lo EH, Iadecola C. The science of stroke: mechanisms in search of treatments. Neuron, 2010, 67: 181-198.

[18] Cho J. Protein disulfide isomerase in thrombosis and vascular inflammation. J Thromb Haemost, 2013, 11: 2084-2091.

[19] Kim K, Hahm E, Li J, et al. Platelet protein disulfide isomerase is required for thrombus formation but not for hemostasis in mice. Blood, 2013, 122: 1052-1061.

[20] 門(mén)劍龍, 任靜. 組織因子在血栓形成機(jī)制中的研究進(jìn)展. 天津醫(yī)藥, 2012, 40: 1078-1081.

[21] Ruf W. Role of thiol pathways in TF procoagulant regulation. Thromb Res. 2012, 129: 511-512.

[22] Cho J, Kennedy DR, Lin L, et al. Protein disulfide isomerase capture during thrombus formation in vivo depends on the presence of β3 integrins. Blood, 2012, 120: 647-655.

[23] Honjo Y, Horibe T, Torisawa A, et al. Protein disulfide isomerase P5-immunopositive inclusions in patients with Alzheimer's disease. J Alzheimers Dis, 2014, 38: 601-609.

[24] Loo DTC, Qpani A, Pike CJ, et al. Apoptosis is induced by betaamyloid in cultured central nervous system neurons. Proc NatlAcad Sci USA, 1993, 90: 7951-7955.

[25] S u J H, A n d e r s o n A J, C u m m i n g s B J, e t a l. Immunohistochemicalevidence for apoptosis in Alzheimer's disease. Neuroreport, 1994, 5: 2529-2533.

[26] Tenen DG. Disruption of differentiation in human cancer: AML shows the way. Nat Rev Cancer, 2003, 3: 89-101.

[27] Haefliger S, Klebig C, Schaubitzer K, et al. Protein disulfide isomerase blocks CEBPA translation and is up-regulated during the unfolded protein responsein AML. Blood, 2011, 117: 5931-5940.

[28] Xu S, Sankar S, Neamati N. Protein disulfide isomerase: a promising target for cancer therapy. Drug Discov Today, 2014, 19: 222-240.

[29] Xu S, Butkevich AN, Yamada R, et al. Discovery of an orally active small-molecule irreversible inhibitor of protein disulfide isomerase for ovarian cancer treatment. Proc Natl Acad Sci USA, 2012, 109: 16348-16353.

[30] Lovat PE, Corazzari M, Armstrong JL, et al. Increasing melanoma cell death using inhibitors of protein disulfide isomerases to abrogate survival responses to endoplasmic reticulum stress. Cancer Res, 2008, 68: 5363-5369.

[31] Khan MM, Simizu S, Lai NS, et al. Discovery of a small molecule PDI inhibitor that inhibits reduction of HIV-1 envelope glycoprotein gp120. ACS Chem Biol, 2011, 6: 245-251.

[32] Diwaker D, Mishra KP, Ganju L. Potential roles of protein disulphide isomerase in viral infections. Acta Virol, 2013, 57: 293-304.

[33] Taylor M, Burress H, Banerjee T, et al. Substrate-induced unfolding of protein disulfide isomerase displaces the cholera toxin A1 subunit from itsholotoxin. PLoS Pathog, 2014, 10: e1003925.

[34] Kushawaha PK, Gupta R, Tripathi CD, et al. Evaluation of Leishmania donovani protein disulfide isomerase as a potential immunogenic protein/vaccinecandidate against visceral Leishmaniasis. PLoS One, 2012, 7: e35670.

[35] Tokuhiro K, Ikawa M, Benham AM, et al. Protein disulfide isomerase homolog PDILT is required for quality control of sperm membrane protein ADAM3 andmale fertility [corrected]. Proc Natl Acad Sci USA，2012, 109: 3850-3855.

2014-05-03）

（編輯：漆利萍）

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（81270280 ）

443002 湖北省宜昌市，三峽大學(xué)人民醫(yī)院 心內(nèi)科

潘黎明 住院醫(yī)師 碩士研究生 主要從事心血管臨床研究 Email: plmok_8249.student@sina.com 通訊作者：李俊明

Email：lijunming@medmail.com.cn

R541

A

1000-3614（2015）01-0092-03

10.3969/j.issn.1000-3614.2015.01.026