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蛋白质羰基的形成、降解及其与相关疾病的关系

更新时间:2020-07-23 08:21点击:

    [摘要]蛋白质羰基化水 平在很长-段时间内只是 被用于评价生物有机体的氧化程度,作为衡量蛋白质氧化损伤的一种指标。然而,最新研究表明由活性氧弓|起的蛋白质羰基化参与了衰老、凋亡以及多种神经退行性疾病病理生理过程。
 
    [关键词]自 由基;蛋白酶体内肽酶复合物;蛋白质羰基化;活性羰基类物质
 
氧化应激是指机体在病理状态下,体内高活性分子如活性氧自由基( reactive oxygen species,ROS) 产生过多,氧化程度超出氧化物的清除,氧化系统和抗氧化系统失衡,从而导致组织损伤[1]。ROS 主要包括 O2 +与 OH-及其活性衍生物如 H2O2、HOCl、O2、LO、LOO 及 LOOH 等。ROS 反应活性高,能迅速与细胞内各种生物大分子反应,引起细胞水平上的损伤,其中包括 DNA、脂质和蛋白质的氧化损伤[2]。蛋白质在生物体正常生命活动中担负着催化、调节、转运、储存、运动和支架作用等重要功能。因而,有学者认为蛋白质的氧化损伤在疾病的病理生理过程中起着至关重要的介导作用[3]。
 
  蛋白质羰基化是蛋白质氧化损伤中的一种,其本身是氧化应激中的一种不可逆的化学修饰,指的是氨基酸残基侧链受到氧自由基攻击最后转变成羰基产物[4]。蛋白质的羰基化修饰后会引起蛋白质结构的改变,使其失去原有的生物学功能,最终导致细胞和组织功能紊乱,出现机体病理生理改变。
 
  已有研究表明,蛋白质羰基化聚集参与了衰老、凋亡以及多种神经退行性疾病的病因和病理生理演变。本文将重点综述蛋白质羰基的形成和降解及其在多种相关疾病中的可能作用。
 
  一、羰基化蛋白质形成的机制
 
  蛋白质羰基化是蛋白质的非酶促的不可逆羰基修饰,根据是否有 ROS 的参与将羰基蛋白的生成途径分为两大类:
 
  ( 1) ROS 直接氧化蛋白质侧链氨基酸生成羰基蛋白( 即自由基氧化) ; ( 2) 蛋白质在脂质氧化和非酶糖基化过程后生成羰基蛋白( 即糖基化)[5]。
 
  在体内金属离子( 铁离子或铜离子) 催化氧化系统帮助下,ROS 能直接氧化蛋白质侧链的赖氨酸、精氨酸、脯氨酸和苏氨酸等残基形成羰基[4-6]。此外,羟基自由基还可直接作用于肽键,使肽键断裂,在断裂处产生羰基,此途径又称 α 酰胺化。其主要的原理是羟基自由基抽提碳原子上的氢,使碳原子氧化,在此基础上水解断裂。非酶糖基化蛋白质的非酶糖基化反应( 简称糖基化反应) 是羰基蛋白生成的另一重要途径。脂质氧化和非酶糖氧化过程后形成的活性羰基类物质( reactive carbonyl species,RCS) ,主要是一些不饱和醛,如: 4-羟基壬烯醛( 4-hydroxy-trans-2-nonenal,HNE) 、丙烯醛( acrolein,ACR) 、丙二醛( malondialdehyde,MDA) ,这些活性羰基分子本身含有羰基,能够通过羰氨交联直接结合到蛋白质侧链上半胱氨酸、组氨酸以及赖氨酸上形成羰基[6-7]。糖基化反应的显着特征是: 它是还原糖与氨基之间的反应,不依赖于脂类和氧。这样,即使所有的自由基攻击能被抗氧化系统所阻止,只要机体内存在 RCS,它就能进一步反应生成羰基蛋白。
现有的研究表明,RCS 参与了心血管疾病( 如动脉粥样硬化) 、神经退行性疾病( 如阿尔茨海默病、帕金森病) 、脑缺血、类风湿关节炎、局部缺血再灌注等许多疾病和应激的启动和发展过程,甚至还参与和启动了衰老过程[3,7]。多数学者认为在氧化剂和自由基攻击生物体系而引起的细胞毒性过程中,RCS 是直接的致病因子[3-4]。体外的前期研究也发现抑制脂质氧化途径能够减少蛋白质羰基化的形成,表明蛋白质羰基化主要是通过脂质氧化这条途径[8]。
 
  二、羰基化对蛋白质的选择性
 
  在不同疾病诱导的氧化应激下,羰基化对蛋白质具有一定的选择性,即有些蛋白质容易羰基化,而有些却不易羰基化[9-10]。以细胞骨架为例,胶质纤维酸性蛋白( glial fibrillaryacidic protein,GFAP) 是多发性硬化[11]、皮克病[12]和衰老[13]中最容易受到氧化损伤攻击的蛋白质,其羰基化水平提高,然而,在阿尔茨海默病患者中其羰基化水平降低[13]( 表 1) 。
 
  此外,另一个细胞骨架分子 β-actin 羰基化水平在阿尔茨海默病[13]和多发性硬化[11]中提高,但是在衰老中却是减少的。研究表明,羰基化修饰在不同病理状态下对蛋白质的不同选择性,并不是由蛋白质的相对数量决定的[14]; 尽管果蝇飞行肌线粒体中有很多种蛋白质,但只有顺乌头酸酶和腺嘌呤核苷酸移位酶的羰基化程度会随年龄而增加,并相应地失去活性; 而细胞色素 C,尽管其含量丰富,羰基化修饰水平并没有提高。羰基化修饰对蛋白质选择性的机制至今仍未完全清楚。
 
  Stadtman[15-16]认为,蛋白质是否具有过渡金属结合位点对于其是否能通过金属催化氧化途径形成羰基至关重要。蛋白质与过渡金属结合是产生自由基的重要来源,而自由基一旦产生,将启动一系列连锁反应,最终发生羰氨反应形成羰基[17]。除此之外,蛋白质的分子构象、半衰期以及金属催化氧化敏感型氨基酸残基含量,也是影响蛋白质羰基化修饰的选择性的重要因素[18-19]。而是否位于 ROS 产生的附近,也是其羰基化修饰的重要决定因素[6]。
 
  三、蛋白质羰基化后去路
 
  机体内的蛋白质损伤后,通常的去路有 3 种,即: 被修复、被蛋白质降解系统分解和聚积。蛋白质羰基化后很有可能会失去其原有的生物学功能,由于羰基化是一个不可逆的化学反应,蛋白质羰基化后无法被修复,通常被直接运送到蛋白质降解系统降解[20-21]。病理状态下,当羰基化蛋白质生成过多或者蛋白酶体活性降低无法降解羰基化蛋白质,羰基化蛋白质就会聚集在细胞内。羰基化( 损伤) 蛋白质的累积和聚合,将会损伤细胞和组织的功能,诱导病理生理改变。
 
  一般认为哺乳动物体内存在溶酶体蛋白酶、钙依赖蛋白酶和蛋白酶体 3 种蛋白质降解途径[20]。已有研究表明羰基化蛋白质主要是通过 20S 蛋白酶体本身降解的,而且这个过程并不需要 ATP 和泛素的参与[20-21]。多个体外实验也表明使 用 蛋 白 酶 体 抑 制 剂 能 够 导 致 羰 基 蛋 白 聚 积[20]。
 
  Shringarpure 等[22]认为,蛋白质羰基化后可导致蛋白质侧链的开链和变性,从而增加了其疏水表面,这些疏水片段正好为 20S 蛋白酶体提供了识别位点。同时,体外研究表明钙依赖蛋白酶降解氧化包括羰基化蛋白的速度远远大于正常状态下蛋白的速度[23]。此外,学者认为只有轻微羰基化的蛋白质才能被蛋白酶体降解,而过度羰基化和交联的蛋白质不仅不能被蛋白酶体降解,反而具有抗蛋白酶体水解的特性[24]。比如 HNE 本身就能结合到蛋白酶体导致其活性降低。此时,就需要溶酶体蛋白酶来降解这些过度羰基化的蛋白质[24]。
 
  四、蛋白质羰基化与疾病
 
  1. 蛋白质羰基化与衰老: 早在 1987 年 Oliver 等[25]发现了羰基蛋白含量随年龄的增长而增加。此后科学家们还发现,羰基蛋白含量与家蝇的预期寿命或生理寿命有关[16]。在培养的人类皮肤成纤维细胞中,羰基蛋白含量与该细胞捐赠者的年龄有关,并呈指数增加[9]。早老症患者成纤维细胞的羰基蛋白含量远远高于培养的与患者年龄相符的正常个体的成纤维细胞的羰基蛋白含量[9]。有学者[6]认为,蛋白质羰基化参与了蛋白质的质量控制,它标记异常的、损伤的蛋白质,使其被降解; 而在衰老过程中,机体对羰基蛋白的降解减弱伴随羰基蛋白的生成加快,羰基蛋白对蛋白质、细胞乃至机体的危害逐渐暴露出来,导致蛋白质和细胞功能的降低和丧失,最终加快衰老的进程。研究也表明羰基化蛋白质的主要降解细胞器蛋白酶体的活性在多种衰老模型中都是降低的[16],而氧化应激早就被认为是衰老的一个主要分子机制之一[9],这些实验数据无疑支持着以上的学说。然而,最近研究发现,组蛋白的羰基化程度在衰老过程中降低而不是升高,该研究组至今不清楚其潜在的生物学意义,但是他们认为,组蛋白羰基化可能导致其与 DNA 的绑定减弱,从而影响了基因的表达[26]。因而,衰老过程中的蛋白质羰基化修饰可能不单单是因为其本身具有毒性,可能还涉及对基因表达的调节,而这些有可能在衰老的病理生理过程中起着重要的作用。
 
  2. 蛋白质羰基化与凋亡: 研究发现凋亡诱导因子( apoptosis-inducing factor,AIF) 在氧化应激状态下被羰基化,钙蛋白酶识别并降解羰基化的 AIF,从而诱导了细胞凋亡[27]。在一氧化氮诱导的凋亡过程中也发现抗凋亡蛋白Bcl-2 先是被羰基化,然后才有了凋亡的启动[28]。高尔基体伴侣蛋白的羰基化修饰能使其失去功能,导致损伤或错误折叠的蛋白集聚,这本身就是诱导凋亡的信号之一[29]。此外,线粒体腺苷酸转运体作为线粒体膜上的离子通道,其羰基化后将导致线粒体膜的开放,膜电势丧失,凋亡因子释放,从而诱导了凋亡[30]。
 
  3. 蛋白质羰基化与神经退行性疾病: 阿尔茨海默病是常见的神经退行性疾病,主要临床表现为进行性记忆丧失和痴呆[31]。研究发现阿尔茨海默病患者的海马回和海马旁回组织切片中羰基蛋白水平升高[13]。帕金森病是另一种较常见的神经退行性疾病,以进行性运动障碍为主要临床表现[32]。有研究指出,老年痴呆患者脑黑质、基底神经节、苍白球、额部皮质、小脑等脑部组织中羰基蛋白水平均升高[33]。多发性硬化是一种病因不明的、以中枢神经系统脱髓鞘为特征的神经免疫退行性疾病[34],最新国外研究也发现多发性硬化患者大脑白质和灰质中羰基蛋白的水平均比正常对照组高[11]。在多种神经退行性疾病中,均发现蛋白酶体活性减弱,这可能也是其羰基蛋白水平提高的原因之一[21,35-36]。
 
  4. 蛋白质羰基化与其他疾病: 氧化应激是创伤性脑损伤继发性损伤中已经被广泛认同的分子机制之一[37]。研究表明氧化应激在颅脑创伤的同时就出现,也是颅脑损伤后神经元、血管损伤的主要病理生理基础[38]。颅脑损伤动物模型研究发现蛋白质羰基化水平在脑损伤后就升高,脑损伤 3个月后,损伤对侧大脑的羰基蛋白水平也增高[39]。另一研究组在动物模型实验中发现轻型脑损伤后羰基蛋白水平提高,而重型脑损伤后羰基蛋白水平反而正常[40]。除此之外,在一些疾病如类风湿关节炎、脓毒血症、肌萎缩性( 脊髓) 侧索硬化、呼吸困难综合征、肌肉萎缩症、白内障、动脉硬化症[7-8]等,其羰基蛋白的含量明显高于相应的对照组。这些都表明蛋白质羰基化修饰不单单是一个细胞氧化程度的一个标志,而是参与了疾病的病理生理过程。
 
  五、结论
 
  细胞内氧化水平和抗氧化水平的失衡导致了氧化应激,氧化应激的情况下蛋白质侧链和 ROS 或 RCS 反应形成羰基。由于蛋白质羰基化是一个不可逆的化学反应,蛋白质羰基化后无法被修复,通常被直接运送到蛋白质降解系统降解。大量实验研究已经证实蛋白质羰基化不仅仅是生物体内氧化损伤的一个指标,事实上也参与了多种疾病的生理病理过程,比如蛋白质羰基化启动凋亡的过程。未来的研究将能进一步揭开蛋白质羰基化在各种疾病的作用。
 
  参 考 文 献
 
  1 Bizzozero OA,Zheng J. Identification of major S-nitrosylated proteinsin murine experimental autoimmune encephalomyelitis[J]. NeurosciRes,2009,87( 13) : 2881-2889.
 
  2 Dalle-Donne I,Aldini G,Carini M,et al. Protein carbonylation,cellular dysfunction,and disease progression[J]. Cell Mol Med,2006,10( 2) : 389-406.
 
  3 Fernández-Checa JC,Fernández A,Morales A,et al. Oxidative stressand altered mitochondrial function in neurodegenerative diseases:lessons from mouse models[J]. CNS Neurol Disord Drug Targets,2010,9( 4) : 439-454.
 
  4 Zheng J,Bizzozero OA. Traditional reactive carbonyl scavengers donot prevent the carbonylation of brain proteins induced by acuteglutathione depletion[J]. Free Radic Res,2010,44( 3) : 258-266.
 
  5 Bizzozero OA. Protein Carbonylation in neurodegenerative anddemyelinating CNS diseases[M]∥ Lajtha A,Banik N,Ray S.Handbook of Neurochemistry and Molecular Neurobiology. SpringerUS,2009: 543-562.
 
  6 李国林. 蛋白质羰基化与衰老[J]. 中国老年学杂志,2008,28( 20) : 62-67.
 
  7 Koenitzer JR,Freeman BA. Redox signaling in inflammation:interactions of endogenous electrophiles and mitochondria incardiovascular disease[J]. Ann N Y Acad Sci,2010,1203: 45-52.
 
  8 Bizzozero OA,Reyes S,Ziegler J,et al. Lipid peroxidation scavengersprevent the carbonylation of cytoskeletal brain proteins induced byglutathione depletion [J]. Neurochem Res,2007,32 ( 12 ) :2114-2122.
 
  9 杨锐南,张恺,龚慕辛. 羰基蛋白与疾病[J]. 中国医学理论与实践,2007,17( 2) : 225-227.

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