人類蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶家族研究進(jìn)展*

黃子芮，潘黎明，盛夢婷綜述，李俊明審校（三峽大學(xué)人民醫(yī)院，湖北宜昌443000）

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人類蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶家族研究進(jìn)展*

黃子芮，潘黎明，盛夢婷綜述，李俊明△審校（三峽大學(xué)人民醫(yī)院，湖北宜昌443000）

蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶；內(nèi)質(zhì)網(wǎng)；基因；綜述

蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶（protein disulfide isomerase，PDI）家族是硫氧還蛋白（thioredoxin，TRX）超家族中的成員，均含有TRX樣結(jié)構(gòu)域，主要存在于細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，促蛋白巰基-二硫鍵轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)二硫鍵的氧化還原狀態(tài)，幫助二硫鍵形成、破壞與重排。PDI家族主要在促蛋白折疊、翻譯后修飾上發(fā)揮重要作用，與未折疊蛋白反應(yīng)（unfolded protein response，UPR）密切相關(guān)，而UPR與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展密不可分，如2型糖尿病、阿爾茨海默病、帕金森、腫瘤等。進(jìn)一步認(rèn)識蛋白折疊的機(jī)制，尤其是PDI家族成員對蛋白質(zhì)成熟中二硫鍵的形成，可能給UPR導(dǎo)致的疾病治療途徑提供新思路。

目前，持續(xù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（endoplasmic reticulum stress，ERS）、UPR依然是研究熱點(diǎn)，UPR與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)，如糖尿病、神經(jīng)退行性疾病、癌癥等［1］。ERS時(shí)未折疊與錯(cuò)誤折疊蛋白的累積，引起的UPR又會(huì)導(dǎo)致ERS加??；而二硫鍵的形成是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)多肽折疊和蛋白翻譯后修飾的重要步驟［2］，是影響未折疊蛋白的關(guān)鍵步驟之一。二硫鍵為形成半胱氨酸殘基側(cè)鏈間的共價(jià)鍵，對于蛋白成熟至關(guān)重要，其可以影響1/3的真核生物蛋白形成［3-4］。大部分PDI家族成員則主要通過改變蛋白質(zhì)二硫鍵的狀態(tài)發(fā)揮相應(yīng)生理學(xué)功能［5］。本文將對部分人類PDI家族蛋白的結(jié)構(gòu)、表達(dá)、生物學(xué)功能及PDI家族蛋白與相關(guān)疾病的研究進(jìn)展展開闡述。

1　PDI家族成員結(jié)構(gòu)及功能特征

PDI家族是TRX超家族中的成員，均含有TRX樣結(jié)構(gòu)域，其中包含有催化活性的a結(jié)構(gòu)域，與無催化活性的b結(jié)構(gòu)域。a結(jié)構(gòu)域中CXXC催化中心的2個(gè)半胱氨酸殘基的側(cè)鏈?zhǔn)亲杂蓭€基，也可以形成1對二硫鍵。b結(jié)構(gòu)域不含催化中心，無氧化還原酶活力，但有與底物結(jié)合等功能［6-7］。目前，PDI家族包含了21個(gè)基因編碼的蛋白［5］，但是其蛋白大小、表達(dá)、定位及蛋白功能上不盡相同，PDI家族蛋白翻譯信息見表1。

PDI家族蛋白主要在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中大量表達(dá)，也有少量成員在其他亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中被檢測到［8］。由于其定位均存在短的NH2末端信號肽。它們的典型多肽擁有15～30個(gè)氨基酸長度，并被分裂后進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)［9］，這就導(dǎo)致了許多PDI蛋白家族在序列上的不同，既有相似的生物學(xué)結(jié)構(gòu)和功能又有各自細(xì)微不同的差別。那么，提高對該家族各個(gè)成員從結(jié)構(gòu)到生物學(xué)功能的認(rèn)識，也將成為治療相關(guān)疾病的新靶點(diǎn)。

2　人類PDI家族成員

2.1PDIPDI是Goldberger等于1963年發(fā)現(xiàn)的，為最早被研究的PDI家族成員，由位于染色體上17q25的P4HB基因編碼表達(dá)而來［10］。PDI由508個(gè)氨基酸組成，包含了17個(gè)氨基酸信號肽和4個(gè)TRX樣結(jié)構(gòu)域［6］。PDI幾乎存在于人體所有組織，而且在細(xì)胞蛋白中以0.8%高表達(dá)［11］。目前對于PDI的結(jié)構(gòu)研究比較詳細(xì)，多種生物學(xué)功能逐步被發(fā)現(xiàn)，主要是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中由其催化活性位點(diǎn)完成二硫鍵的氧化還原、異構(gòu)及促蛋白正確折疊的分子伴侶功能［12］。近期研究提示，PDI在rs876016和rs2070872位點(diǎn)的單核苷酸多態(tài)性與退行性神經(jīng)病變之一散發(fā)性肌萎縮側(cè)索硬化癥密切相關(guān)［13-14］。PDI作為分子伴侶，有氧化還原活性，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中影響蛋白的正確折疊，促進(jìn)退行性神經(jīng)疾病的發(fā)生，已經(jīng)證明LOC14作為PDI抑制劑可以在細(xì)胞層面促PDI氧化態(tài)的發(fā)生，從而發(fā)揮其對神經(jīng)細(xì)胞的保護(hù)作用［15］。Androwiki等［16］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PDI通過對阻力血管氧化應(yīng)激Nox1 NADPH信號通路來影響高血壓疾病發(fā)展。目前，就PDI在心血管及神經(jīng)系統(tǒng)里面的生理作用依然是研究熱點(diǎn)。

2.2PDIA2PDIA2由位于染色體16p13.3的PDIA2基因編碼，含有525個(gè)氨基酸。PDIA2在胰腺組織中高表達(dá)，與PDI比較，其氧化還原酶與異構(gòu)酶活性稍弱［17］。PDIA2可以增加嚙齒類動(dòng)物及胰腺組織雌激素受體介導(dǎo)的一系列轉(zhuǎn)錄活動(dòng)，對內(nèi)源性雌激素有富集作用［18］。

2.3PDIA3PDIA3由位于染色體15p15的PDIA3基因編碼，含有505個(gè)氨基酸。PDIA3在多種組織中均有表達(dá)，如肝、胎盤、胰腺、肺、心臟與骨骼等。1，25二羥維生素D3是骨骼發(fā)育的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，PDIA3發(fā)揮多種蛋白酶功能與前者在細(xì)胞膜表達(dá)相關(guān)，通過PDIA3-PKC信號通路作用，高表達(dá)的PDIA3激活1，25二羥維生素D3及下游PKC信號促進(jìn)骨骼生長［19-20］。

2.4PDIA4PDIA4由位于染色體7q35的PDIA4基因編碼，含有645個(gè)氨基酸。PDIA4主要在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中表達(dá)，也在細(xì)胞膜被檢測到，與PDIA3結(jié)構(gòu)上高度相似，但擁有5個(gè)TRX樣結(jié)構(gòu)域。目前，對于PDIA4生理學(xué)功能研究并不透徹，有研究提示，ERS可以誘發(fā)其表達(dá)，能與NOX-1相互作用；實(shí)驗(yàn)提示，ERp72通過直接綁定霍亂毒素，防止毒素被胰蛋白酶消化；ERp72可能通過共價(jià)二硫鍵綁定突變的甲狀腺球蛋白［21］。

表1　人類PDI家族成員表

2.5AGR2AGR2也是一個(gè)被研究較透徹的PDI家族成員之一，由位于染色體7p21.3的AGR2基因編碼，含有175個(gè)氨基酸，在肺、氣管、胃、胰腺、結(jié)腸、小腸及前列腺均有表達(dá)。AGR2表達(dá)失衡對哺乳動(dòng)物疾病影響是其研究熱點(diǎn)，尤其在癌癥和耐藥性、哮喘、炎癥性腸病鄰域［22］。AGR2與乳腺癌狀態(tài)下雌激素受體表達(dá)和抗腫瘤轉(zhuǎn)移性密切相關(guān)，通過和胰島素樣生長因子1的相互作用有望成為抗乳腺癌的治療靶點(diǎn)［23］。

2.6calsequestrin-1calsequestrin-1由CASQ1基因編碼，含有396個(gè)氨基酸，只在骨骼肌的肌漿網(wǎng)中檢測到其表達(dá)。其是一個(gè)有意思的PDI家族成員，不含有催化二硫鍵氧化還原與異構(gòu)的活性位點(diǎn)，但是類似一些PDI家族成員擁有與儲(chǔ)存Ca2+密切相關(guān)的能力；而Ca2+主要在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中存在，與蛋白折疊、翻譯后修飾、脂類和甾醇合成功能密切相關(guān)［24］。體外研究提示，calsequestrin-1通過肌漿網(wǎng)上ryanodine受體（RYR）相互作用，直接影響Ca2+釋放，與惡性高熱的發(fā)生相關(guān)［25-26］。

2.7calsequestrin-2calsequestrin-2由CASQ2基因編碼，含有399個(gè)氨基酸，結(jié)構(gòu)與同系物calsequestrin-1高度相似。CASQ2蛋白只在心肌中表達(dá)，在心肌肌漿網(wǎng)中主要表現(xiàn)為儲(chǔ)存Ca2+功能，并且與RYR2相互作用和Ca2+釋放相關(guān)［27］。CASQ2與心律失常之間的關(guān)系被深入研究［28］，CASQ2的減少及其基因多態(tài)性與心律失常、心臟驟停、充血性心力衰竭等密切相關(guān)。

2.8其他PDI家族成員DNAJC10也可由ERS誘導(dǎo)表達(dá)，具有修復(fù)錯(cuò)誤折疊蛋白及催化二硫鍵異構(gòu)的功能［29］，但其活性只有PDI的1/3；近期研究表明，ERdj5與視紫紅質(zhì)突變引起的視網(wǎng)膜色素變性相關(guān)［30］。對于ERp27的基因及蛋白結(jié)構(gòu)分析比較清楚，但對其生物學(xué)功能知之甚少，目前僅了解到其與ERp57相互作用［4］。研究表明，ERp29與多種腫瘤發(fā)生相關(guān)，其中與原發(fā)性腫瘤的發(fā)展呈負(fù)相關(guān)，作為腫瘤抑制劑促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞生長停滯，可以抑制內(nèi)皮癌的遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移［31］，桑旭等［32］研究提示ERp29可能是個(gè)潛在的抑癌基因，胃癌組織中ERp29表達(dá)與患者預(yù)后有關(guān)，可作為一個(gè)預(yù)測胃癌預(yù)后的潛在指標(biāo)，但其具體作用機(jī)制仍然不清，有待研究。ERp44在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)調(diào)節(jié)Ca2+的釋放，參與蛋白的成熟折疊過程，敲除HeLa細(xì)胞的ERp44可以通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激增加細(xì)胞凋亡產(chǎn)生［33］；ERp44可能通過干預(yù)脂聯(lián)素的多聚化，從而影響其抗炎、抗糖尿病、抗動(dòng)脈粥樣硬化［34］?？梢姡珽Rp44在糖尿病、心血管疾病發(fā)生中發(fā)揮重要作用，其具體影響機(jī)制仍然有待研究。

3　小　結(jié)

PDI家族主要位于細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，發(fā)揮促蛋白氧化還原、異構(gòu)、分子伴侶的作用，參與蛋白的折疊與成熟過程，而PDI家族成員眾多，不同成員之間雖有共同的TRX樣結(jié)構(gòu)域，但生物學(xué)功能不盡相同，酶活性也有強(qiáng)弱差別。當(dāng)前，PDI家族作為研究熱點(diǎn)還有很多未知的功能，與糖尿病、缺血性心肌病、帕金森病、消化系統(tǒng)疾病、腫瘤等疾病的發(fā)生、發(fā)展作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究，為各個(gè)疾病提供新的診療計(jì)劃。

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10.3969/j.issn.1009-5519.2016.02.016

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國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（81270280）；三峽大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金項(xiàng)目（三峽大研［2014］20號）。

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2015-10-25）