傳染性蛋白的“負(fù)面”和“正面”（5）

朱欽士 （美國(guó)南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院）

（上接2018年第7 期第13 頁(yè)）

2.15 載脂蛋白A-I 引起的淀粉樣變性病 載脂蛋白（apolipoproteins）能結(jié)合脂性分子例如甘油三脂和膽固醇，形成脂蛋白（lipoproteins），在血液運(yùn)輸脂肪的過(guò)程中起重要作用。 載脂蛋白有多種，其中的載脂蛋白A-I（Apolipoprotein A-I，ApoA-I）是血漿中高密度脂蛋白（high density lipoprotein，HDL）的主要蛋白成分（約占70%），在膽固醇的運(yùn)輸中起重要作用。

ApoA-I 由肝臟和腸道細(xì)胞合成，由243 個(gè)氨基酸殘基組成。 在血液中，大約95%的ApoA-I 結(jié)合在高密度脂蛋白中，其分子構(gòu)造的80%為α-螺旋，沒(méi)有β-折疊。 其余的5%以不結(jié)合脂肪分子的形式存在，分子中也有大約60%的肽鏈部分在α-螺旋中，沒(méi)有β-折疊。 這部分游離的ApoA-I 分子，特別是其中氨基端的100 個(gè)左右的肽鏈部分，易改變折疊情況。 基因突變也會(huì)改變ApoA-I 的折疊狀況，形成β-折疊，像Prion 蛋白那樣形成分子聚合物，在身體各處沉積，引起淀粉樣變性病。

從患者身上的淀粉樣沉積提取到的ApoA-I一般不是完整的蛋白分子，而只是氨基端的幾十個(gè)氨基酸殘基組成的肽鏈，長(zhǎng)度從83～100 個(gè)氨基酸殘基。有些片段并不含有氨基酸序列的變化，但也有許多含有個(gè)別氨基酸殘基的變化。 根據(jù)有無(wú)氨基酸序列的變化和變化的具體情形，癥狀的差別也很大。有的是全身性的，有的僅限于某個(gè)器官（通常是腎臟）； 有的影響神經(jīng)系統(tǒng)，有的與神經(jīng)系統(tǒng)無(wú)關(guān)，說(shuō)明沉積處和致病性與片段的性質(zhì)有關(guān)。 ApoA-I 的例子在這方面很有代表性，因此在下面詳細(xì)介紹。

第26 位的甘氨酸變?yōu)榫彼幔℅ly26Arg）能引起全身性的淀粉樣變性病，包括影響外周神經(jīng)的多發(fā)性神經(jīng)病變（polyneuropathy）。 從一位死于該病患者的肝臟和脾臟提取的淀粉樣沉積物，發(fā)現(xiàn)其主要成分為ApoA-I 蛋白的氨基端部分（殘基1～83），其中含有第26 位變化了的氨基酸，從甘氨酸變?yōu)榫彼幔逆湑?huì)增加一個(gè)正電荷。

第50 位的氨基酸殘基從色氨酸變?yōu)榫彼幔═rp50Arg），肽鏈也會(huì)增加一個(gè)正電荷，但是這樣的改變并不影響神經(jīng)系統(tǒng)，而主要影響腎臟。從患者腎臟提取的淀粉樣沉積物含有ApoA-I 的氨基端部分（殘基1～86、1～92、1～93），自然也含有第50位變化了的氨基酸。患者腎病綜合癥日趨嚴(yán)重，最后不得不進(jìn)行腎移植。

第60 位的亮氨酸殘基變?yōu)榫彼幔↙eu60Arg），肽鏈也增加一個(gè)正電荷。該變化不影響神經(jīng)系統(tǒng)，對(duì)腎臟影響也不大，而主要影響肝臟和脾臟。在患者的肝臟和脾臟中都發(fā)現(xiàn)大量的ApoA-I 淀粉樣沉積，其中的ApoA-I 也不是全長(zhǎng)，而是氨基端部分（殘基1～88、1～92、1～93、1～94），且都含有第60位的氨基酸變化。

第64 位的氨基酸殘基從亮氨酸變?yōu)楦彼幔↙eu64Pro），不引起肽鏈電荷變化。 該突變只影響腎臟，其淀粉樣沉積物中的ApoA-I 含有蛋白的氨基端部分（殘基1～96）。

第75 位的氨基酸殘基從亮氨酸變?yōu)楦彼幔↙eu75Pro）也不引起肽鏈的電荷變化。 該變化主要影響肝臟和腎臟?；颊吒闻K指標(biāo)（堿性磷酸酶和γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶）持續(xù)升高。 一些患者發(fā)展至腎衰竭。

第90 位的亮氨酸變?yōu)楦彼?（Leu90Pro）會(huì)引起心肌和皮膚的淀粉樣病變。患者在54 歲時(shí)死于心臟衰竭。生前心功能受損，稍活動(dòng)即呼吸困難（excertional dyspnea）。 皮膚出現(xiàn)潰瘍，從前額開(kāi)始逐漸擴(kuò)散至臉部、頸部、肩部和上臂。 心臟中的淀粉樣沉積可用剛果紅染色，其中蛋白為ApoA-I蛋白的氨基端（最長(zhǎng)為殘基1～94）。該肽鏈部分也含有第90 位的氨基酸殘基改變，此改變不造成ApoA-I 蛋白的電荷變化。

在一些情況下，基因突變不限于單個(gè)核苷酸的變化，而是若干堿基的缺失。例如在英國(guó)發(fā)現(xiàn)一個(gè)家族的3 代人中都有人患腎病，有人因此死亡，也有人在做腎移植后存活。 檢查受影響成員的DNA，發(fā)現(xiàn)患有腎病的成員在ApoA-I 基因中有9個(gè)堿基缺失，造成ApoA-I 蛋白中3 個(gè)氨基酸殘基的缺失，即第70 位的谷氨酸、第71 位的苯丙氨酸和第72 位的色氨酸（Glu70Phe71Trp72del）。 此變化也使得ApoA-I 蛋白減少了一個(gè)負(fù)電荷。

另一種堿基缺失并伴有堿基插入的例子是在一個(gè)西班牙家族中發(fā)現(xiàn)的。受影響的成員通常在50多歲即死于肝臟衰竭?；颊吣I臟中的淀粉樣沉積含有ApoA-I 蛋白的氨基端部分（殘基1～83/92）。 檢查患者的ApoA-I 基因，發(fā)現(xiàn)ApoA-I 蛋白中第60到第71 的12 個(gè)氨基酸殘基缺失（Leu60Arg61－Glu62Gln63Leu64Gly65Pro66Val67Thr68Gln69Glu7－0Phe71del），同時(shí)又在缺失處添加了另外2 個(gè)氨基酸殘基纈氨酸/蘇氨酸。 此變化也減少一個(gè)負(fù)電荷。

以上所列舉的氨基酸殘基變化都發(fā)生在ApoA-I 蛋白氨基端的100 個(gè)殘基內(nèi)。 但在這100氨基端殘基外的氨基酸殘基變化，雖不包含在沉積物中的ApoA-I 氨基端肽鏈內(nèi)，也能引起淀粉樣變性病。

第172 位的谷氨酰胺變?yōu)楦彼幔℅ln172Pro）會(huì)引起心肌病變，而第173 位的精氨酸變?yōu)楦彼幔ˋrg173Pro）除造成心肌病變外，也會(huì)造成皮膚病變。 從心肌提取的淀粉樣沉積發(fā)現(xiàn)沉積物為ApoA-I 蛋白的氨基端部分（1～90/100）。 同樣是在173 位上的氨基酸殘基改變，但精氨酸不是變?yōu)楦彼?，而是變?yōu)榘腚装彼幔ˋrg173Cys），不但不引起疾病，反而會(huì)增加人的壽命。該變化是在意大利的Milano 地方發(fā)現(xiàn)的，稱為Milano 型變異（apolipoprotein A-1 Milano）。

第174 位上的亮氨酸變?yōu)榻z氨酸（Leu174Ser）會(huì)造成心肌病變。 從心臟提取的淀粉樣沉積物含有ApoA-I 蛋白的氨基端（殘基1～93）。從ApoA-I蛋白結(jié)構(gòu)的3D 模型來(lái)看，殘基174 的位置靠近第93 位的纈氨酸殘基，也許是這個(gè)氨基酸殘基的變化使得ApoA-I 蛋白容易從第93 位被切斷。

第178 位的亮氨酸變?yōu)榻M氨酸（Leu78His）會(huì)造成心肌、咽喉和皮膚病變。 有趣的是，從皮膚提取到的淀粉樣沉積不僅含有ApoA-I 蛋白的氨基端，還含有完整的甲狀腺素和視黃醇轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（transthyretin，TTR）。 TTR 蛋白自身就可引起淀粉樣變性?。ㄒ?jiàn)上文），TTR 蛋白在ApoA-I 蛋白沉積物中，說(shuō)明引起淀粉樣變性病的蛋白之間可相互作用，促進(jìn)沉積物的形成。

即使沒(méi)有ApoA-I 的基因突變，其蛋白的氨基端仍然可引起淀粉樣變性病，說(shuō)明其氨基端本身就有變?yōu)镻rion 型結(jié)構(gòu)的傾向。

例如一種ApoA-I 基團(tuán)突變，在第107 位上形成的一個(gè)轉(zhuǎn)譯終止信號(hào)，結(jié)果只合成氨基端的106 個(gè)氨基酸殘基。 該片段能形成淀粉樣沉淀，沉積于主動(dòng)脈（aorta）的內(nèi)壁。ApoA-I 蛋白沉積或單獨(dú)存在，或存在于動(dòng)脈粥樣硬化的斑塊中。

膝蓋淀粉樣病變也可以由沒(méi)有突變的ApoAI 蛋白的氨基端沉積引起。 從患者膝蓋半月板（meniscus）提取的沉積物含有ApoA-I 蛋白的氨基端（殘基1-60/77），可被剛果紅染色并在偏振光顯微鏡上呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。

無(wú)變異的ApoA-I 蛋白也發(fā)現(xiàn)于有神經(jīng)淀粉樣病變的患者中。 患者腿部皮膚失去感覺(jué)，睡覺(jué)時(shí)小腿肌肉發(fā)生痙攣，后發(fā)生站立困難。 神經(jīng)周?chē)膯魏思?xì)胞（mononuclear cell）和巨噬細(xì)胞（macrophage）內(nèi)含有淀粉樣沉積。 這些沉積中的蛋白為沒(méi)有變異的ApoA-I 蛋白，能被剛果紅染色并在偏振光顯微鏡上呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，說(shuō)明是ApoA-I 蛋白形成的淀粉樣沉積。

這些實(shí)例說(shuō)明，即使是同一種蛋白，是否有氨基酸殘基的變化，變化的位置和情形，都會(huì)影響Prion 型結(jié)構(gòu)的細(xì)微特征，以及在身體中沉淀的位置，對(duì)蛋白致病的情形有很大的影響。

2.16 載脂蛋白A-II 引起的淀粉樣變性病 另一個(gè)載脂蛋白，ApoA-II，也能引起淀粉樣變性病。ApoA-II 是高密度脂蛋白中第2 多的蛋白（約占20%），分子量比ApoA-I 小得多，只含有77 個(gè)氨基酸殘基，大小與ApoA-I 形成淀粉樣沉積的氨基端部分的大小差不多。 然而ApoA-II 很少引起淀粉樣變性病，原因也許是ApoA-II 分子高度親脂，不容易從高密度脂蛋白上解離，即不容易形成游離的ApoA-II 分子，也就很少有改變分子結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)。

但是有一種基因突變改變了這種情形。 在為ApoA-II 蛋白最后一個(gè)氨基酸殘基（谷氨酰胺）編碼的DNA 序列后面，是一個(gè)轉(zhuǎn)譯終止碼TGA。 在這里，一個(gè)G 到T 的突變使得TGA 變成了TTA，變?yōu)榱涟彼峋幋a的三聯(lián)碼，原來(lái)的終止碼消失。這樣，ApoA-II 的轉(zhuǎn)譯就不在這里終止，而是再多合成21 個(gè)氨基酸殘基，直到遇到后面的轉(zhuǎn)譯終止碼為止（稱為78Leuext21）。 這多出來(lái)的21 個(gè)氨基酸殘基會(huì)改變ApoA-II 的折疊狀況，從幾乎全部為α－螺旋變?yōu)棣拢郫B。 這個(gè)形狀改變也會(huì)影響ApoA-II 分子組入高密度脂蛋白的情形，使它變成聚積物，在身體器官中沉積下來(lái)引起疾病。

有此基因變化的患者為一位45 歲的女性，血液中肌酐（creatinine）水平升高，有蛋白尿，高血壓，雙腿腫脹，很快就需要腎透析。 為控制病情，醫(yī)生切除了她的左腎，在換腎之后又切除了她的右腎。腎臟中的淀粉樣沉積能被剛果紅染色，并在偏振光顯微鏡下呈雙折射現(xiàn)象。 抗體實(shí)驗(yàn)證明淀粉樣沉積是由ApoA-II 蛋白組成的。 淀粉樣沉積只在腎臟中發(fā)現(xiàn)，其他組織和器官中都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)ApoA-II 蛋白沉積。

即使沒(méi)有基因突變，隨著年齡的增加，蛋白合成和代謝途徑發(fā)生變化，ApoA-II 也能引起疾病。一位68 歲的日本男性被發(fā)現(xiàn)有ApoA-II 蛋白沉積引起的腎病。 他沒(méi)有腎病家族史，說(shuō)明不是經(jīng)由遺傳獲得的疾病，而是后天的。 他尿中的蛋白量逐漸增加。 腎臟活檢發(fā)現(xiàn)有ApoA-II 蛋白沉積，但是沒(méi)有其他更常見(jiàn)的引起腎病的蛋白例如抗體輕鏈等。

有趣的是，ApoA-II 蛋白在老年狗中引起淀粉樣變性病的比例很高，且不需要基因突變即可引起疾病。 全長(zhǎng)的ApoA-II 蛋白沉積在狗的重要器官，例如在肝臟、心臟、腎臟、肌肉中都有發(fā)現(xiàn)。

2.17 載脂蛋白A-IV 也能夠引起淀粉樣變性病

載脂蛋白A-IV（ApoA-IV）是結(jié)合在乳糜微粒（chylomicron）上的載脂蛋白。 ApoA-IV 在腸細(xì)胞中合成，由376 個(gè)氨基酸殘基組成，幾乎全部肽鏈都在β-螺旋中。然而，從一位92 歲死于淀粉樣變性病的男性心臟中，卻發(fā)現(xiàn)了ApoA-IV 蛋白的氨基端片段（大約殘基1～70）。檢查患者的ApoA-IV的基因，發(fā)現(xiàn)為蛋白編碼的DNA 序列沒(méi)有任何變化。 這位患者的心臟中同時(shí)有甲狀腺素和視黃醇轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（transthyretin，TTR，見(jiàn)上文）的沉積，但這2 種蛋白并不沉積在一起，而是各自形成自己的沉積。

上面介紹的，只是迄今為止發(fā)現(xiàn)的淀粉樣變性病的一部分，但從這些病例，已經(jīng)可以看到這類(lèi)蛋白的致病機(jī)制：雖然它們的氨基酸序列不同，但通過(guò)肽鏈折疊方式改變形成的結(jié)構(gòu)卻是高度相似的，都是橫向的β-折疊重疊在一起，形成小纖維狀的結(jié)構(gòu)。正是這樣的結(jié)構(gòu)，或這些結(jié)構(gòu)形成過(guò)程中的低度聚合物，對(duì)細(xì)胞和組織有傷害性。

雖然這些小纖維的總體結(jié)構(gòu)相似，但根據(jù)蛋白原來(lái)的表達(dá)位置，具體的蛋白氨基酸序列，以及人體的狀況，都能影響這些聚合物沉積的位置，引起不同的疾病。 例如Prion 蛋白和Aβ 片段、α-突觸核蛋白和Huntingtin 蛋白本來(lái)就是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中高度表達(dá)的，它們引起的淀粉樣沉積也主要在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，在那里引起疾病。而抗體輕鏈和重鏈、血漿A 蛋白，β-微球蛋白、甲狀腺素和視黃醇轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（TTR）、胰島淀粉樣蛋白Amylin、纖維蛋白原、胱抑素蛋白、載脂蛋白都是存在于血漿中的，它們可以沉積在體內(nèi)各種組織和器官內(nèi)，引起疾病。 溶菌酶、超氧化物歧化酶中的SOD3 存在于細(xì)胞外，它們也沉積于細(xì)胞外。

從多種蛋白都能改變折疊狀況，形成致病性的Prion 類(lèi)型的蛋白沉積物來(lái)看，蛋白的結(jié)構(gòu)，或者說(shuō)肽鏈的折疊狀況，是很容易受到擾亂而改變的。 脫離原來(lái)結(jié)合的分子（例如抗體的輕鏈和重鏈、β-微球蛋白、載脂蛋白A）、有形成Prion 型結(jié)構(gòu)能力的肽鏈段從整體分子中脫離出來(lái)（例如Aβ肽鏈、載脂蛋白和血清蛋白A 的氨基端部分）、基因突變?cè)斐傻陌被岣淖儭㈦逆溠娱L(zhǎng)（例如ApoAII 蛋白）、肽鏈縮短（例如ApoA-I 肽鏈的合成提前終止）、老年時(shí)肌體維持蛋白正確折疊的功能下降（例如ApoII 在沒(méi)有基因突變的情況下在老年人身上引起淀粉樣變性?。┑?，都能改變肽鏈中電荷的相互作用情形，導(dǎo)致折疊方式改變。

以上介紹的引起淀粉樣變性病的蛋白都是存在于哺乳動(dòng)物中，特別是人體中的。既然許多蛋白都有改變折疊方式的可能性，傳染性蛋白就不應(yīng)該只在高等動(dòng)物中才出現(xiàn)，而應(yīng)該在比較低等的生物中就已經(jīng)存在。 近年來(lái)的科學(xué)研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。 例如在酵母中，就有能形成Prion 結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，即傳染性蛋白質(zhì)。

（待續(xù)）