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第四节 载脂蛋白E
http://www.100md.com 《动脉粥样硬化》

一、ApoE的蛋白结构

载脂蛋白E是一种富含精氨酸的碱性蛋白,人ApoE299个氨基酸残基组成,分子量为34145D,含32个Arg和12个Lys存在于血浆的CM、VLDL及其残粒和β-VLDL中均含有ApoE,一部分ApoE在血液中与ApoAⅡ形成复合体。

Shore于1973年首先发现ApoE,Rall等于1982年测出ApoE的蛋白质一级结构,其后Taylor建立ApoE的cDNA序列,Breslow 和Zannis首先测出ApoE有3个等位基因异构体以及基因在染色体上的定位。据推算和测定,在介质中ApoE有62%的α-螺旋,9%的β-片层,11%的β-转角和18%无规则线团。ApoE分子可以被凝血酶水解为二个区域,N-端区(1~191)为22kD的可溶性球蛋白,此区域较稳定,该片段的136~158位肽段为受体结合位点,富含碱性氨基酸(赖氨酸和精氨酸),也属于肝素结合区。此片段为一个反平行的四螺旋束,是α-螺旋蛋白的一般折叠方式。C端区(216~299)分子量为10kD,螺旋程度很高,不稳定,是与脂蛋白的结合区。用截去了末端的变异体及合成多肽片段进行ApoE羧基末端的检测表明,191残基以外羧基端存在三个螺旋,其中两个为A型(203~223和225~266),第三个(268~289)为一种G型螺旋。与脂类或不同的脂质微粒或二甲基磷脂酰胆碱结合的结果说明,G螺旋和第二螺旋的末端在脂质连结,在ApoE的四聚体化过程中起重要的作用。更精确地说是263~286片段可能在脂连结ApoE与VLDL的结合中起有关键作用。ApoE主要由肝脏合成,近年来发现脑,肾,骨骼,肾上腺及巨噬细胞也能合成。ApoE其结构如图3-2所示。

图3-2 载脂蛋白E结构示意图

二、ApoE的生理功能

ApoE生理功能有:①是LDL受体的配体,也是肝细胞CM残粒受体的配体,它与脂蛋白代谢有密切相关性;②ApoE具有多态性,多态性是决定个体血脂水平与动脉粥样硬化发生发展密切相关;③参与激活水解脂肪的酶类,参与免疫调节及神经组织的再生。

人类ApoE主要在肝脏和脑组织合成,在其他组织包括单核细胞(含巨噬细胞)也有合成能力。人的肾上腺、卵巢颗粒细胞也能合成ApoE。脑中ApoE的mRNA表达总量是肝脏的1/3,星形细胞是其主要合成部位。脑中生成的ApoE的作用可能是使细胞内的脂类重新分配而保持脑环境中的胆固醇平衡。脑肿瘤中发现有高浓度的ApoE,推断它可能作为神经胶质细胞瘤的标记。

三、ApoE多态性

Utermann等于1975年首先观察到ApoE多态性,利用等电聚焦电泳和SDS-PAGE可以确认ApoE的多态性,其后又被直接检测的cDNA序列所证实。ApoE有三种构体(isoform)即E2、E3和E4。有的人只含有一种主要异构体,即为纯合子;有人可含两种主要异构体,即为杂合子。由此可见,人群中可有六种不同的表型(phenotype)。

各种生物都能通过生殖产生子代,子代和亲代之间,无论在形态构造或生理机能的特点上都很相似,这种现象称为遗传(heredity),但是,亲代和子代之间,子代的各个体之间不会完全相同,总会有所差异,这种现象叫变异(variation)。遗传和变异是生命的特征。遗传和变异的现象是多样而复杂的,正因为如此,才导致生物界的多种多样性,生物体所具有的遗传性状称为表型或表现型(phenotype),生物所具有的特异基因成分称为基因型(genotype)。表型是基因型与环境因素相互作用的结果。遗传物质是相对稳定的,但又是可变的,遗传物质的变化以及由其所引起表型的改变,称为突变(mutation)。遗传物质的突变包括染色体畸变和基因突变。基因突变是染色体中某一点上发生化学改变,所以又称为点突变(point mutation)。基因结构和遗传表型的研究是深入了解脂蛋白代谢缺陷症的分子生物学基础,逆向遗传学方法(reversegenetic approach)则使其有可能在蛋白质水平系统地分析结构和功能的关系。现已采用一个特定的cDNA探针从基因库中筛选所需要的基因进行cDNA克隆,测定其核苷酸序列,然后从核苷酸序列推断蛋白质氨基酸序列。目前已分离出许多与动脉粥样硬化有关的脂蛋白的cDNA克隆,并将其蛋白质一级结构的氨基酸排列顺序和基因的核苷酸顺序测出。现已查明,ApoAⅠ,ApoⅣ,ApoE, ApoB, ApoCⅡ和Apo(a)都存在着异构体,也就是说存在着各种不同的表型或基因型,并可分别从蛋白质水平和核酸水平进行分型。

Zannis于1981年根据ApoE表型提出ApoE基因模型,认为ApoE的合成是由位于一个基因位点上的三个等位基因所控制,即E2、E3和E4,每一个等位基因对应于一个主要异构体产生三种纯合子(E2/2,E3/3,E4/4)和三种杂合子(E2/3,E2/4,E3/4)共六种常见表型,另外还有极少见的异构体。一般认为,次要异构体是由主要异构体翻译后,经唾液糖化修饰后转变而来。ApoE3/3型又称野生型。ApoE的氨基酸序列的112位和158位两种氨基酸残基即精氨酸(Arg)和半胱氨酸(Cys)的交换决定了异构体的种类。ApoE4在这两个位置上都是Arg;E2都是Cys;112位为Cys和158位是Arg者为ApoE3异构体,见图3-3所示,自然人群中,基因频率ε3分布最高,ApoE3/3表型分布约70%。

图3-3 人ApoE三种主要异构体的氨基酸残基及基因密码的改变位置

由于ApoE多态性具有生物学重要性,对ApoE多态性的研究是目前医学的热门话题。ApoE表型和基因型的检测方法很多,多年来先后采用等电聚焦电泳和基因分析术进行检测。目前从基因水平研究ApoE基因型显然优于其蛋白表型,因为ApoE翻译后修饰会影响蛋白分析,常见ApoE的蛋白表型和基因型图谱如图3-4、图3-5所示。

图3-4 等电聚焦检测的ApoE表型

图3-5 ApoE基因PCR产物HhaⅠ酶切后RFLP图谱

M:PBr 322 DNA/Hhe Ⅲ Markers;1-5;分别为ε4/4、ε4/2、ε4/3和3/3;基因型6:PCR产物(292bp)

四、ApoE多态性与疾病

人群中ApoE多态性存在种族变异,不同人群中ApoE基因型高度不同。欧洲人ε4等位基因频率从北到南呈下降趋势的分布。亚洲人ε4频率低,相比之下,非洲人及巴布比亚和新几内亚ε4频率高。

由于早期观察到ApoE2/2表型的Ⅲ型高脂蛋白血症病人未在成年即患冠心病,从此,对ApoE多态性进行了广泛研究,许多证据认为,ApoE多态性是动脉粥样硬化早期及发展过程中个体差异的主要原因。大量人群调查发现ε4等位基因的一般作用是可以显著地升高健康人的总胆固醇浓度,使之易患动脉粥样硬化,相反,ε2等位基因的一般作用是降低胆固醇浓度,其降低效应是ε4升高胆固醇的2~3倍。ApoE等位基因变异还与血浆ApoB浓度、甘油三酯及血管收缩压有关。Menzel等认为ε2等位基因对冠状动脉硬化的发展有防护作用,经临床研究发现,患心血管疾病心肌梗塞幸存者,或血管造影证明有动脉粥样硬化者,比其对照组的ε4等位基因频率高。ApoE4/3杂合子比E3/2和E3/3基因型者发生心肌梗塞年龄早。ApoE多态性变异还与肾病综合症、糖尿病有关。

值得重视的是ApoE多态性与老年性痴呆病(AD)的关系。1993年,Rose研究发现,晚发性家族型AD病人ε4频率增多,还发现ApoE和来源于淀粉样前体蛋白的小多肽Aβ的亲和力很高。其后陆续发现AD病人中携带ε4等位基因者占46.2%,而对照组占13.2%。还发现携带二个ε4等位基因的研究对象比携带一个ε4的研究对象发生AD年龄早,比不携带ε4等位基因的研究对象发生AD年龄更早,1994年,Schacher等人相继报道百岁老人普遍携带ε2基因。。这一发现使ApoE多态性和研究向前迈出了一大步。有报道高老年人携带ε2等位基因数量是年青人的2倍。因此ε2等位基因似乎不仅可以保护人们免患AD,而且还与长寿有关。ApoE多态性与AD的关系,目前的研究主要集中在脑代谢中与Aβ或Tau蛋白以及神经元生长和分枝等有关。

总之,在研究高脂血症评定心脑血管疾病的危险因素方面,以ApoE多态性为手段进行研究有重要的临床意义。有学者认为,基因型的“坏”(ε4)和“好”(ε2)的等位基因之间的平衡,可作为基因分析应用于医学检验领域,协助临床疾病的诊断。