什么是前体蛋白
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发布时间：2022-04-25 04:19
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时间：2023-10-25 12:35
生物化学与生物物理进展1999年第26卷第2期
北京医科大学生化与分子生物学系，北京（100083）
陈培利 童坦君 张宗玉
摘 要 Alzheimer氏病（AD）是一种发生于老年人群的原发性退行性脑病，其特征性病变为细胞内神经纤维缠绕（NFT）及细胞外老年斑（SP）．构成SP的主要成分β淀粉样多肽（βA）为一由淀粉样前体蛋白（APP）剪切而来的分子质量约为4ku的多肽，其神经毒性可能由其氧化作用和在脂质双层中形成的Ca2＋通道所致．APP的功能目前尚未完全明了，可能具有促进细胞粘附、维护突触膜稳定性等功能．APP主要通过两种途径进行加工修饰：一为分泌途径，由一些假定的分泌酶催化；另一为胞内体-溶酶体途径．在形成SP的βA中，较长者比短者更易聚集，因此一些APP突变由于能够释放出更多的较长的βA或者使较短的βA生成量增加而致发家族性AD．一些可能在APP的代谢中起着重要作用的因素，如早衰蛋白的突变，也可通过增加βA的生成量而致发AD．
关键词：Alzheimer病 β淀粉样前体蛋白 β淀粉样多肽
Alzheimer氏病（Alzheimer sdisease，AD）是发生于老年人群的一种原发性退行性脑病，65岁以上的老年人口发病率约为5％～10％．患者的思维及记忆功能首先受累，而后出现情感及行为的异常．随着病情的加重，患者日常生活不能自理，直至病程后期卧床不起．该病自然病程约为3～15a（年），自1907年Alois alzheimer首次描绘该病病例以来，有诸多研究者对其危险因素和发病机理进行了深入的探讨，但至今尚无确切的说明．该病的病理学改变主要有广泛的神经元的减少或丢失（尤其在皮层及海马）、细胞内神经纤维缠绕（neurofibrillary tangles，NFT）、细胞外老年斑（senile plaque，SP）及嗜刚果红的淀粉样脑血管病变（cerebral amyloid angiopathy，CAA）（主要累及软脑膜和皮层血管）．目前，随着社会人口预期寿命的延长，该病越来越成为影响老年人精神健康的重要问题之一．
近年来关于淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein，APP）对AD影响的研究报道甚多．APP的剪切产物，β淀粉样多肽（β-amyloidpeptide，βA），是构成ADSP的主要成分．APP作为一种管家基因在人体的多种组织中均有表达，但其功能目前尚不清楚．APP的高表达及某些突变可以引发某些家族的早发性AD，故此APP的致病作用受到了充分的重视．
1 APP剪切产物———βA及其在AD中的作用
构成SP及CAA的主要成分是由APP剪切而来的分子质量约为4ku的多肽，因其呈β片层结构（β-pleated sheet），故文献中将其称为Aβ、βA或βA4．βA由39～42／43个氨基酸残基组成，体外人工合成的βA可以自发聚集成为呈淀粉样结构的纤维．免疫组织化学实验证明，在SP（及NFT）中尚存在有其他蛋白质成分，如α1抗糜蛋白酶（α1-antichymotrypsin）、载脂蛋白（apolipoprotein，Apo）E、载脂蛋白J（ApoJ）等．这些蛋白质成分可以促进βA的聚集过程，故被称之为陪伴蛋白（chaperone protein）．
虽然目前对于βA聚集物在AD中的作用尚未取得一致意见，有些实验确实观察到其对神经元细胞具有直接或间接的毒性作用．这种毒性作用可能由：a.氧化作用所致〔1〕．此氧化作用可能由高级糖基化终产物受体（receptor for advanced glycation end procts，RAGE）所介导〔2〕．b.βA能够在脂质双层中形成独特的Ca2＋通道．这种通道可以影响或消除膜两侧的离子梯度进而影响神经元的功能〔3〕．c.βA尚能够诱导培养的神经元细胞发生凋亡．组织学检测也发现AD的脑组织具有细胞凋亡 的某些形态学特征，如染色质固缩、核碎裂等．并且，上述凋亡现象与bcl-2基因的表达异常相关．然而Yamatsuji等〔4〕却发现高达50μmol／L的βA（1～40或42）并不能引起COS-NK1细胞发生凋亡，而由于APP发生London突变（APP695：V642-I／F／G）所致的功能异常则可能是引起凋亡原因．故而Yamatsuji〔4〕及Ikezu等〔5〕认为异常的APP-G0信号传递作用可能是致发AD的原因，而由βA聚集形成的淀粉样斑块则不过作为附属产物，仅为AD的表现之一而已．后一组研究者随后的研究进一步证实突变的APP695（V642-I／F／G）可以通过与G0（V642-F）羧基端耦联而对cAMP反应元件（cAMP response element，CRE）具有负性*作用．
在形成SP的βA中，含42～43个氨基酸残基者比含40个氨基酸残基的βA更易形成淀粉样纤维，因此某些APP的突变体（如London突变体）由于能够释放出更多的较长的βA〔6〕，而导致其携带个体发生早发性家族性AD（EOAD）．这些较长的β*段可能首先聚集而后在其基础上较短的β*段进一步沉积而形成SP．因此，另外一些APP突变体则可能是通过增加含40个氨基酸残基的βA的生成量而致发EOAD的〔7〕．
除了上述APP自身基因外，某些基因的突变也可影响其剪切过程及βA的生成．早衰蛋白（或早衰素，pre senilin，PS）1及PS2均为跨膜蛋白，其基因分别定位于14q24.3及1号染色体上，结构高度同源（67％）．同APP一样，PS在人体的多种组织也有广泛的表达，但其功能亦尚未确定．在已知的EOAD家族中，70％以上的病例含有PS1及PS2的突变．目前已检出的PS1及PS2的误义突变分别有40余种和2种之多．虽然PS（PS1）的这些突变发生在遍布PS的各区域中，但目前为止尚未发现其对PS自身的剪切具有广泛的影响．由于PS的突变，其携带者βA42的生成量增加，从而导致其携带者在较早的年龄（40～50岁）即发生AD，这在转染细胞及转基因鼠中也均已得到证实〔8〕．究其原因，可能在于：PS在APP的正确折叠和细胞中的分拣（sorting）、定位中起着重要作用〔9〕，其结构或功能的缺陷影响了APP的转运和酶切加工，从而导致βA42的生成增加；或者，PS作为一种可能的离子通道（Ca2＋）其突变导致通道的开放异常〔10〕，从而导致细胞的功能异常，甚至凋亡．
2 APP及其功能
如前所述βA是由其前体蛋白APP剪切生成的，APP为一跨膜糖蛋白，结构类似于细胞表面受体．APP基因定位于21q21.2，与遗传学连锁分析定位的EOAD基因位点相重叠．APP基因至少由18个外显子组成，其转录产物的剪接方式不同可以生成若干种APP的亚型．其中最主要的三种为APP695，APP751，APP770（数字表示氨基酸残基数目）．以上三种亚型中均包含了βA多肽的部分．三者的差别在于后两者分别包含了Kanitz蛋白酶抑制物序列（Kanitz protease inhibitor，KPI，exon7）和KPI及MRCox-2抗原序列（exon8）．APP作为一种管家基因（housekeeping gene）在多种组织中均有所表达，但不同组织的APP亚型有所不同，如脑组织中主要为APP695，并且有实验证明在AD患者的脑组织中有APP亚型分布失调的现象．
综合目前资料，APP可能具有促进细胞粘附、维护突触膜稳定性、抑制丝氨酸蛋白酶活性及参与中枢神经系统免疫反应等功能．APP可能以位于氨基端的96～110位氨基酸残基的肝素结合区与细胞外基质中的硫酸类肝素蛋白多糖（hepran sul-phate proteoglycans），层粘连蛋白（laminin，LN）及胶原Ⅳ等相结合而具有参入细胞粘附的功能．在培养细胞中APPs（soluble aPP）具有保护神经元免受βA毒性和促进细胞存活、生长以及刺激神经元轴突长成的作用．严重的脑外伤可致APP表达增加，提示APP可能在脑组织损伤后的修复中发挥一定的作用．但是令人费解的是脑外伤同时又是AD的危险因素之一，因此APP表达增高在神经组织修复中的意义有待于进一步研究．存在于血小板α颗粒中的APP在血小板被激活时可以释放出APPs，后者是否参入组织修复目前亦尚属未知．另外，APPs中包含的丝氨酸蛋白酶抑制物（KPI）（或NexinⅡ蛋白酶）序列具有抑制血小板凝血因子Ⅺa及激肽释放酶（Kallikrein）活性的作用，APPs由此可能参入凝血进程的调节．APP（APPs）另一重要的功能是其可以调节神经元细胞内的Ca2＋浓度，从而影响神经元对谷氨酸（GLU）的应答过程〔11〕．GLU是一种对发育过程中突触发生及*的学习记忆过程起重要作用的兴奋性神经递质．AD患者早期出现的思维及记忆功能障碍是否与APP未能有效抑制βA形成的Ca2＋通道的作用相关目前尚无说明．
3 APP的加工及代谢
APP主要通过两种途径进行加工修饰：一为分泌途径，另一为胞内体-溶酶体途径．APP的初级翻译产物经硫酸化、磷酸化及糖基化等加工修饰后成为成熟的APP分子．分泌方式的剪切发生在相当于βA的16～17位氨基酸残基之间，由假定的α分泌酶（secretase）催化裂解成为由膜外部分构成的分泌片段（APPs）和仍与膜相连的分子质量为10ku的羧基端片段（P10）．因两片段均不含完整的βA，故该方式不会导致SP的形成．另外一种不同于α分泌酶的β分泌酶则可在毗邻βA氨基端的位置切断APP，生成一截短的APPs和一包含βA的分子质量约为11ku的羧基端片段（P11），后者又可被γ分泌酶在βA的羧基端降解释放出βA．一些引起EOAD的APP突变，如London突变（APP695：V642-I／F／G），Swedish突变（APP695：L595-N，M596-L）等，因其发生在邻近βA处分泌酶的作用位点上，致使生成β*段延长或生成量增加而引发EOAD．如在α分泌酶的作用位点处引入双突变可使APP的分泌下降．以该突变的APP基因制备的转基因鼠在皮质、海马等区出现神经细胞坏死等病变，实验动物出现随转移的APP基因表达增高而加重的多种精神症状〔12〕．在正常培养细胞的培养液及无智力障碍者的脑脊液中均有βA的存在不仅改变了即往认为βA只来自APP异常剪切的概念，而且也支持上述β，γ分泌酶剪切活性的存在．这些“正常”的βA氨基端及羧基端的氨基酸构成都有显著的异质性，这或许是不同分泌酶作用的序列特异性不同或者是一类酶作用的结果〔13，14〕．近年来对上述各种（类）分泌酶进行了众多的研究并获得一些成果，如β分泌酶的序列特异性较高，仅作用于锚定于质膜上的底物；γ分泌酶的序列特异性则较低等等〔15〕．以上发现或许能够说明为何βA的羧基端更具异质性．此外，也发现了一些具有上述活性的酶，如明胶酶（geltinase）A就具有β分泌酶的活性〔16〕．但目前为止这些分泌酶的细胞定位及作用方式尚不清楚．
由于细胞表面标记的APP可被细胞摄取，并且在胞内体-溶酶体中有完整的APP及P10等更大的羧基端片段的存在，因而有理由认为APP及其与膜相连的羧基端剪切产物可被内化摄取并进一步降解．由于亮抑酶肽等溶酶体酶抑制剂可以使包含βA的一系列羧基端片段生成量增加，故此这一系列的羧基端片段可能是在溶酶体中剪切形成的．这些羧基端片段可能被溶酶体中的其他酶，如组织蛋白酶（cathepsin）S等，进一步降解而释放出βA〔17〕．由于删除胞质内段的APP分子仍可产生APPs及βA，部分APP分子也可能直接由反式Golgi网定向于胞内体-溶酶体而进行加工剪切．布雷菲得菌素（brefeldin）A可完全抑制βA的产生也表明APP在Golgi体中转送为产生βA所必需．但究其何种机制调节APP分子的分拣和细胞内的定位并进而影响βA的生成目前未见报道．
关于影响或调节βA生成的机制目前知之甚少，跨膜信号传递可以影响APP的不同剪切方式．如蛋白激酶A（PKA）〔18〕、蛋白激酶C（PKC）〔19〕激活时可以使APPs的释放增加，βA的生成减少．但由于APP本身并无磷酸化状态的改变（PKC），该过程可能是通过激活另一种蛋白（可能是α分泌酶）而发挥作用．上述跨膜信号可由神经递质、生长因子及细胞因子与相应的受体结合后介导．如乙酰胆碱及5-羟色胺（serotonin）在与相应的受体（分别为muscarinic receptors M1 and M3及5-HT2aand5-HT2c〔20〕）结合后即表现出上述效应．但该方面的详细机制尚有待于进一步阐明．
总之，随着对APP生理功能的了解及代谢加工机制的研究，APP及βA在AD中的作用将日渐明了，从而可能找到一些治疗和预防措施以阻断或减缓AD进程．
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时间：2023-10-25 12:36
