β-淀粉样肽前体蛋白的结构及生物活性
作者：盛敬伟 胡雅儿 夏宗勤
单位：上海第二医科大学细胞调控研究室,上海 200025
关键词：β-淀粉样肽前体蛋白；结构；生物活性
生理科学进展000218 摘要 β-淀粉样肽前体蛋白是AD患者脑内神经炎斑的主要成分——β-淀粉样肽的代谢前体。其基因定位于人第21号染色体,经可变剪接可产生10种转录物。β-淀粉样肽前体蛋白广泛表达于几乎所有的神经元和非神经元组织,具有一个较长的细胞外肽链、单一跨膜区及一个短的胞内区域。研究表明,它具有神经营养、调节细胞粘附及抑制丝氨酸蛋白酶等多种生物活性。现有资料还提示β-淀粉样肽前体蛋白可能是细胞因子(或其类似物)的受体。
学科分类号 Q51
阿尔采末病(Alzheimer's disease，AD)患者脑内最显著的病理特征是脑实质细胞外存在的淀粉样蛋白斑块，即神经炎斑(neuritic plaques)。1984年，Glenner和Wong发现其主要成分是一种由39～43个氨基酸组成,具有β折叠构型的肽,称之为β-淀粉样肽(β amyloid peptide,Aβ)。1987年,Kang等发现,Aβ来源于一种膜整合糖蛋白的水解,并将这种蛋白称为β-淀粉样肽前体蛋白(βamyloid precursor protein,βAPP或APP)[1]。βAPP的发现,引起了众多实验室的注意并对其进行了广泛研究,发现它不仅与AD发病关系密切,而且还具有特殊的结构及重要的生物活性。本文根据现有文献将其扼要介绍于下。
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一、βAPP基因的转录与表达
βAPP基因定位于人第21号染色体长臂近侧区(21q21.2)。已经发现10种βAPP基因的转录物,它们系由三个不同的外显子(7、8、15)经可变剪接所产生。 这三种外显子所编码的功能域均存在于βAPP的细胞外部分。通过外显子7和8的可变剪接可生成六种不同的mRNA转录物,相应的编码产物为βAPP365、βAPP563、βAPP695、βAPP714、 βAPP751和βAPP770(数字表示其相应编码产物所含氨基酸的个数)。其中, βAPP365和βAPP563不含Aβ序列。外显子15编码18个氨基酸。缺乏外显子15的βAPP转录物首先在外周组织的白细胞及脑内的免疫活性细胞发现,因而称之为白细胞源性的APP(Leukocyte-derived APP,LAPP)。1994年,Sandbrink等报道,LAPP的四种可能编码产物LAPP677、LAPP696、LAPP733及LAPP752都是存在的。
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βAPP的表达非常广泛,可存在于几乎所有的神经元和非神经元组织。但是,各种转录物的表达方式显示一定的细胞和组织特异性。如含有Kunitz型蛋白酶抑制剂(Kunitz Protease Inhibitor,KPI)序列的βAPP751和βAPP770主要表达于非神经元组织,而不含KPI序列的 βAPP695则主要表达于神经元。另外,在脑发育、 成熟过程中及部分AD病人,βAPPmRNAs的剪接形式也可发生变化[2]。
二、βAPP的结构
翻译修饰后的βAPP,是具有单一跨膜结构的膜整合糖蛋白,其基本结构见附图(以βAPP770为例):从细胞外N端开始依次是：
(一)信号肽(Signal Peptide,SP)序列 由17个氨基酸残基组成,在βAPP转运进入内质网时发挥作用,具有Aβ序列的βAPP同系物都具有这种结构序列。
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(二)富含半胱氨酸(Cys)的区域 由含有12个Cys的170个氨基酸残基组成。该区域含有一个肝素结合区域(HBD-1)及一个锌离子(Zn2+)结合区域。
(三)酸性氨基酸区域 含有100个氨基酸残基,主要是酸性氨基酸—谷氨酸(Glu)和天冬氨酸(Asp)。另外,尚含有一个多聚苏氨酸片段及一个O-糖基化位点。
(四)KPI区域及OX-2区域 第289氨基酸残基处的可变剪接,在βAPP分子中插入该区域。KPI区域由外显子7编码,含有56个氨基酸残基,与Kunitz型蛋白酶抑制剂(KPI)有同源性。OX-2区域由外显子8编码,含有19个氨基酸残基, 与胸腺细胞的OX-2抗原有同源性。
(五)第二个肝素结合区域(HBD-2)及N-糖基化区域 该区域含有βAPP分子的第二个肝素结合区域(HBD-2),并在第542及571氨基酸残基处分别存在一个N-糖基化位点。有人认为,在HBD-2内还存在一个神经营养区域及一个金属蛋白酶抑制区域。
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(六)外显子15编码区域 该区域位于Aβ序列之前，缺乏外显子15的βAPP同系物即LAPP,不含此结构。
(七)Aβ区域 由外显子16和17的邻接部分编码,含42个氨基酸残基。从N端开始,1～28氨基酸残基存在于细胞膜外,剩余的14个氨基酸残基结合于细胞膜上。
(八)单一跨膜区域 含24个氨基酸残基,主要是一些疏水性氨基酸。
(九)胞质内区域 βAPP同系物均含有一个较短的胞质内区域(cytoplasmic domain,CD),实验表明,CD内存在磷酸化位点、Go结合基序及网格蛋白(clathrin)结合基序。
附图 βAPP结构示意图(仿Vandenberg,1996)
三、βAPP及其主要衍生物的生物活性
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(一)促进生长或神经营养活性 全长的βAPP及其分泌性N端衍生物(APPs)能促进神经突生长或保护神经元免受兴奋性毒性的损害。如Wallace等报道,高浓度的人类βAPP751能诱导PC12细胞神经突的生长,低浓度的βAPP751能增强神经生长因子(NGF)的神经营养活性[3，4]。用具有βAPP神经营养区段的人工合成肽给啮齿类动物长期脑内灌注,能增加突触的密度和记忆功能[5]。Morimoto等发现,在中枢神经系统发育过程中, βAPP能影响功能性突触的形成[6]。Mattson等(1993)报道,APPs对原代培养的海马神经元受到的兴奋性毒性能提供保护作用。Masliah发现,βAPP能提高谷氨酸运输体(Glutamate transporter,GT)的功能,从而对兴奋性毒性产生保护作用[7]。Ninomina等(1993)发现,βAPP和APPs对非神经细胞也有生长促进活性。
(二)调节细胞粘附 Klier等(1991)的实验表明,APPs能够和某些细胞外基质结合而促进神经元的附着。Schubert等(1989)和Chen等(1991)的实验也提示,在培养的神经元,APPs能调节细胞和细胞或细胞和细胞外基质之间的粘附。Qiu等报道(1995), 全长的βAPP分子也能促进神经元的粘附。
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(三)丝氨酸蛋白酶抑制作用 Sinha等(1990)和Oltersdorf等(1989)发现,含有KPI基序的APPs在体外能够抑制胰蛋白酶、糜蛋白酶及其它一些丝氨酸蛋白酶的活性。近来有证据提示,APPs在体内也具有丝氨酸蛋白酶抑制活性[8]。
(四)细胞表面受体样作用 由于全长的βAPP具有单一跨膜结构,很早就有人推测它也是一种细胞表面受体[1]。特别是其较长的细胞外肽链及较短的胞质内区域,酷似细胞因子受体的结构。而且越来越多的研究发现,在AD病人的神经炎斑周围或中心往往存在有许多细胞因子参加的免疫反应[9]。因此有一定理由认为,全长的βAPP分子可能是一种细胞因子(或其类似物)的受体。可是，迄今尚未发现与膜表面βAPP特异性结合的配体。
四、结语
综上所述，βAPP是一个在体内广泛表达、具有特殊结构及多种重要生物活性的物质。对其结构及生物活性的深入研究，不仅有助于阐明AD的发病机制及为AD的防治提供新的策略，而且还具有更为重要的理论意义。特别是寻找并发现其内源性配体，将使人们对其生物学意义有一个新的认识。
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盛敬伟，现为中国科学院上海神经科学研究所博士后
参考文献
1，Kang J, Lamaire HG, Unterbeck A, et al.The precursor of Alzheimer's disease amyloid A4 protein resembles a cell-surface receptor. Nature, 1987, 325∶733～736.
2，Moir RD, Lynch T, Buch AI, et al.Relative increase in Alzheimer's disease of soluble forms of cerebral Aβ amyloid protein precursor containing the Kunitz protease inhibitory domain. J Biol Chem, 1998, 273∶5013～5019.
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3，Wallace WC, Aakar CA, Lyons WE. Amyloid precursor protein potentiates the neurotrophic activity of NGF. Bra Res Molecular Bra Res, 1997, 52∶201～212.
4，Wallace WC, Aakar CA, Lyons WE ,et al. Amyloid precursor protein requires the insulin signaling pathway for neurotrophic activity. Bra Res Molecular Bra Res,1997, 52∶213～227.
5，Vandenberg SR. The Pathology of Central Nervous System Degenerative Diseases. In:Sirica AE ed. Cellular and Molecular Pathogenesis, Lippincott-raven Publishers, Philadelphia， 1996. 501～521.
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6，Morimoto T, Ohsawa I, Takamura C, et al. Involvment of amyloid precursor protein in functional synapse formation in cultured hippocampal neurons.J Neurosci Res, 1998, 51∶185～195.
7，Masliah E. Role of amyloid precursor protein in the mechanisms of neurodegeneration in Alzheimer's disease. Lab Invest, 1997, 77∶197～209.
8，Van Norstrand WE, Schmaier AH, Siegel RS, et al. Enhanced plasmin inhibition by a reactive center lysine mutant of the Kunitz-type protease inhibitor domain of the amyloid β protein precursor. J Biol Chem,1995, 270∶22827～22830.
9，Rogers J. Inflammation as a pathogenic machanism in Alzheimer's disease. Arzneim.-forsch/Drug Res, 1995, 45(Ⅰ), Nr.3a ∶439～442., 百拇医药
单位：上海第二医科大学细胞调控研究室,上海 200025
关键词：β-淀粉样肽前体蛋白；结构；生物活性
生理科学进展000218 摘要 β-淀粉样肽前体蛋白是AD患者脑内神经炎斑的主要成分——β-淀粉样肽的代谢前体。其基因定位于人第21号染色体,经可变剪接可产生10种转录物。β-淀粉样肽前体蛋白广泛表达于几乎所有的神经元和非神经元组织,具有一个较长的细胞外肽链、单一跨膜区及一个短的胞内区域。研究表明,它具有神经营养、调节细胞粘附及抑制丝氨酸蛋白酶等多种生物活性。现有资料还提示β-淀粉样肽前体蛋白可能是细胞因子(或其类似物)的受体。
学科分类号 Q51
阿尔采末病(Alzheimer's disease，AD)患者脑内最显著的病理特征是脑实质细胞外存在的淀粉样蛋白斑块，即神经炎斑(neuritic plaques)。1984年，Glenner和Wong发现其主要成分是一种由39～43个氨基酸组成,具有β折叠构型的肽,称之为β-淀粉样肽(β amyloid peptide,Aβ)。1987年,Kang等发现,Aβ来源于一种膜整合糖蛋白的水解,并将这种蛋白称为β-淀粉样肽前体蛋白(βamyloid precursor protein,βAPP或APP)[1]。βAPP的发现,引起了众多实验室的注意并对其进行了广泛研究,发现它不仅与AD发病关系密切,而且还具有特殊的结构及重要的生物活性。本文根据现有文献将其扼要介绍于下。
, 百拇医药
一、βAPP基因的转录与表达
βAPP基因定位于人第21号染色体长臂近侧区(21q21.2)。已经发现10种βAPP基因的转录物,它们系由三个不同的外显子(7、8、15)经可变剪接所产生。 这三种外显子所编码的功能域均存在于βAPP的细胞外部分。通过外显子7和8的可变剪接可生成六种不同的mRNA转录物,相应的编码产物为βAPP365、βAPP563、βAPP695、βAPP714、 βAPP751和βAPP770(数字表示其相应编码产物所含氨基酸的个数)。其中, βAPP365和βAPP563不含Aβ序列。外显子15编码18个氨基酸。缺乏外显子15的βAPP转录物首先在外周组织的白细胞及脑内的免疫活性细胞发现,因而称之为白细胞源性的APP(Leukocyte-derived APP,LAPP)。1994年,Sandbrink等报道,LAPP的四种可能编码产物LAPP677、LAPP696、LAPP733及LAPP752都是存在的。
, 百拇医药
βAPP的表达非常广泛,可存在于几乎所有的神经元和非神经元组织。但是,各种转录物的表达方式显示一定的细胞和组织特异性。如含有Kunitz型蛋白酶抑制剂(Kunitz Protease Inhibitor,KPI)序列的βAPP751和βAPP770主要表达于非神经元组织,而不含KPI序列的 βAPP695则主要表达于神经元。另外,在脑发育、 成熟过程中及部分AD病人,βAPPmRNAs的剪接形式也可发生变化[2]。
二、βAPP的结构
翻译修饰后的βAPP,是具有单一跨膜结构的膜整合糖蛋白,其基本结构见附图(以βAPP770为例):从细胞外N端开始依次是：
(一)信号肽(Signal Peptide,SP)序列 由17个氨基酸残基组成,在βAPP转运进入内质网时发挥作用,具有Aβ序列的βAPP同系物都具有这种结构序列。
, http://www.100md.com
(二)富含半胱氨酸(Cys)的区域 由含有12个Cys的170个氨基酸残基组成。该区域含有一个肝素结合区域(HBD-1)及一个锌离子(Zn2+)结合区域。
(三)酸性氨基酸区域 含有100个氨基酸残基,主要是酸性氨基酸—谷氨酸(Glu)和天冬氨酸(Asp)。另外,尚含有一个多聚苏氨酸片段及一个O-糖基化位点。
(四)KPI区域及OX-2区域 第289氨基酸残基处的可变剪接,在βAPP分子中插入该区域。KPI区域由外显子7编码,含有56个氨基酸残基,与Kunitz型蛋白酶抑制剂(KPI)有同源性。OX-2区域由外显子8编码,含有19个氨基酸残基, 与胸腺细胞的OX-2抗原有同源性。
(五)第二个肝素结合区域(HBD-2)及N-糖基化区域 该区域含有βAPP分子的第二个肝素结合区域(HBD-2),并在第542及571氨基酸残基处分别存在一个N-糖基化位点。有人认为,在HBD-2内还存在一个神经营养区域及一个金属蛋白酶抑制区域。
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(六)外显子15编码区域 该区域位于Aβ序列之前，缺乏外显子15的βAPP同系物即LAPP,不含此结构。
(七)Aβ区域 由外显子16和17的邻接部分编码,含42个氨基酸残基。从N端开始,1～28氨基酸残基存在于细胞膜外,剩余的14个氨基酸残基结合于细胞膜上。
(八)单一跨膜区域 含24个氨基酸残基,主要是一些疏水性氨基酸。
(九)胞质内区域 βAPP同系物均含有一个较短的胞质内区域(cytoplasmic domain,CD),实验表明,CD内存在磷酸化位点、Go结合基序及网格蛋白(clathrin)结合基序。
附图 βAPP结构示意图(仿Vandenberg,1996)
三、βAPP及其主要衍生物的生物活性
, 百拇医药
(一)促进生长或神经营养活性 全长的βAPP及其分泌性N端衍生物(APPs)能促进神经突生长或保护神经元免受兴奋性毒性的损害。如Wallace等报道,高浓度的人类βAPP751能诱导PC12细胞神经突的生长,低浓度的βAPP751能增强神经生长因子(NGF)的神经营养活性[3，4]。用具有βAPP神经营养区段的人工合成肽给啮齿类动物长期脑内灌注,能增加突触的密度和记忆功能[5]。Morimoto等发现,在中枢神经系统发育过程中, βAPP能影响功能性突触的形成[6]。Mattson等(1993)报道,APPs对原代培养的海马神经元受到的兴奋性毒性能提供保护作用。Masliah发现,βAPP能提高谷氨酸运输体(Glutamate transporter,GT)的功能,从而对兴奋性毒性产生保护作用[7]。Ninomina等(1993)发现,βAPP和APPs对非神经细胞也有生长促进活性。
(二)调节细胞粘附 Klier等(1991)的实验表明,APPs能够和某些细胞外基质结合而促进神经元的附着。Schubert等(1989)和Chen等(1991)的实验也提示,在培养的神经元,APPs能调节细胞和细胞或细胞和细胞外基质之间的粘附。Qiu等报道(1995), 全长的βAPP分子也能促进神经元的粘附。
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(三)丝氨酸蛋白酶抑制作用 Sinha等(1990)和Oltersdorf等(1989)发现,含有KPI基序的APPs在体外能够抑制胰蛋白酶、糜蛋白酶及其它一些丝氨酸蛋白酶的活性。近来有证据提示,APPs在体内也具有丝氨酸蛋白酶抑制活性[8]。
(四)细胞表面受体样作用 由于全长的βAPP具有单一跨膜结构,很早就有人推测它也是一种细胞表面受体[1]。特别是其较长的细胞外肽链及较短的胞质内区域,酷似细胞因子受体的结构。而且越来越多的研究发现,在AD病人的神经炎斑周围或中心往往存在有许多细胞因子参加的免疫反应[9]。因此有一定理由认为,全长的βAPP分子可能是一种细胞因子(或其类似物)的受体。可是，迄今尚未发现与膜表面βAPP特异性结合的配体。
四、结语
综上所述，βAPP是一个在体内广泛表达、具有特殊结构及多种重要生物活性的物质。对其结构及生物活性的深入研究，不仅有助于阐明AD的发病机制及为AD的防治提供新的策略，而且还具有更为重要的理论意义。特别是寻找并发现其内源性配体，将使人们对其生物学意义有一个新的认识。
, http://www.100md.com
盛敬伟，现为中国科学院上海神经科学研究所博士后
参考文献
1，Kang J, Lamaire HG, Unterbeck A, et al.The precursor of Alzheimer's disease amyloid A4 protein resembles a cell-surface receptor. Nature, 1987, 325∶733～736.
2，Moir RD, Lynch T, Buch AI, et al.Relative increase in Alzheimer's disease of soluble forms of cerebral Aβ amyloid protein precursor containing the Kunitz protease inhibitory domain. J Biol Chem, 1998, 273∶5013～5019.
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3，Wallace WC, Aakar CA, Lyons WE. Amyloid precursor protein potentiates the neurotrophic activity of NGF. Bra Res Molecular Bra Res, 1997, 52∶201～212.
4，Wallace WC, Aakar CA, Lyons WE ,et al. Amyloid precursor protein requires the insulin signaling pathway for neurotrophic activity. Bra Res Molecular Bra Res,1997, 52∶213～227.
5，Vandenberg SR. The Pathology of Central Nervous System Degenerative Diseases. In:Sirica AE ed. Cellular and Molecular Pathogenesis, Lippincott-raven Publishers, Philadelphia， 1996. 501～521.
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6，Morimoto T, Ohsawa I, Takamura C, et al. Involvment of amyloid precursor protein in functional synapse formation in cultured hippocampal neurons.J Neurosci Res, 1998, 51∶185～195.
7，Masliah E. Role of amyloid precursor protein in the mechanisms of neurodegeneration in Alzheimer's disease. Lab Invest, 1997, 77∶197～209.
8，Van Norstrand WE, Schmaier AH, Siegel RS, et al. Enhanced plasmin inhibition by a reactive center lysine mutant of the Kunitz-type protease inhibitor domain of the amyloid β protein precursor. J Biol Chem,1995, 270∶22827～22830.
9，Rogers J. Inflammation as a pathogenic machanism in Alzheimer's disease. Arzneim.-forsch/Drug Res, 1995, 45(Ⅰ), Nr.3a ∶439～442., 百拇医药