傳染性蛋白的“負面”和“正面”（5）

朱欽士 （美國南加州大學醫學院）

（上接2018年第7 期第13 頁）

2.15 載脂蛋白A-I 引起的淀粉樣變性病 載脂蛋白（apolipoproteins）能結合脂性分子例如甘油三脂和膽固醇，形成脂蛋白（lipoproteins），在血液運輸脂肪的過程中起重要作用。 載脂蛋白有多種，其中的載脂蛋白A-I（Apolipoprotein A-I，ApoA-I）是血漿中高密度脂蛋白（high density lipoprotein，HDL）的主要蛋白成分（約占70%），在膽固醇的運輸中起重要作用。

ApoA-I 由肝臟和腸道細胞合成，由243 個氨基酸殘基組成。 在血液中，大約95%的ApoA-I 結合在高密度脂蛋白中，其分子構造的80%為α-螺旋，沒有β-折疊。 其余的5%以不結合脂肪分子的形式存在，分子中也有大約60%的肽鏈部分在α-螺旋中，沒有β-折疊。 這部分游離的ApoA-I 分子，特別是其中氨基端的100 個左右的肽鏈部分，易改變折疊情況。 基因突變也會改變ApoA-I 的折疊狀況，形成β-折疊，像Prion 蛋白那樣形成分子聚合物，在身體各處沉積，引起淀粉樣變性病。

從患者身上的淀粉樣沉積提取到的ApoA-I一般不是完整的蛋白分子，而只是氨基端的幾十個氨基酸殘基組成的肽鏈，長度從83～100 個氨基酸殘基。有些片段并不含有氨基酸序列的變化，但也有許多含有個別氨基酸殘基的變化。 根據有無氨基酸序列的變化和變化的具體情形，癥狀的差別也很大。有的是全身性的，有的僅限于某個器官（通常是腎臟）； 有的影響神經系統，有的與神經系統無關，說明沉積處和致病性與片段的性質有關。 ApoA-I 的例子在這方面很有代表性，因此在下面詳細介紹。

第26 位的甘氨酸變為精氨酸（Gly26Arg）能引起全身性的淀粉樣變性病，包括影響外周神經的多發性神經病變（polyneuropathy）。 從一位死于該病患者的肝臟和脾臟提取的淀粉樣沉積物，發現其主要成分為ApoA-I 蛋白的氨基端部分（殘基1～83），其中含有第26 位變化了的氨基酸，從甘氨酸變為精氨酸，肽鏈會增加一個正電荷。

第50 位的氨基酸殘基從色氨酸變為精氨酸（Trp50Arg），肽鏈也會增加一個正電荷，但是這樣的改變并不影響神經系統，而主要影響腎臟。從患者腎臟提取的淀粉樣沉積物含有ApoA-I 的氨基端部分（殘基1～86、1～92、1～93），自然也含有第50位變化了的氨基酸?；颊吣I病綜合癥日趨嚴重，最后不得不進行腎移植。

第60 位的亮氨酸殘基變為精氨酸（Leu60Arg），肽鏈也增加一個正電荷。該變化不影響神經系統，對腎臟影響也不大，而主要影響肝臟和脾臟。在患者的肝臟和脾臟中都發現大量的ApoA-I 淀粉樣沉積，其中的ApoA-I 也不是全長，而是氨基端部分（殘基1～88、1～92、1～93、1～94），且都含有第60位的氨基酸變化。

第64 位的氨基酸殘基從亮氨酸變為脯氨酸（Leu64Pro），不引起肽鏈電荷變化。 該突變只影響腎臟，其淀粉樣沉積物中的ApoA-I 含有蛋白的氨基端部分（殘基1～96）。

第75 位的氨基酸殘基從亮氨酸變為脯氨酸（Leu75Pro）也不引起肽鏈的電荷變化。 該變化主要影響肝臟和腎臟?；颊吒闻K指標（堿性磷酸酶和γ-谷氨酰轉肽酶）持續升高。 一些患者發展至腎衰竭。

第90 位的亮氨酸變為脯氨酸 （Leu90Pro）會引起心肌和皮膚的淀粉樣病變?；颊咴?4 歲時死于心臟衰竭。生前心功能受損，稍活動即呼吸困難（excertional dyspnea）。 皮膚出現潰瘍，從前額開始逐漸擴散至臉部、頸部、肩部和上臂。 心臟中的淀粉樣沉積可用剛果紅染色，其中蛋白為ApoA-I蛋白的氨基端（最長為殘基1～94）。該肽鏈部分也含有第90 位的氨基酸殘基改變，此改變不造成ApoA-I 蛋白的電荷變化。

在一些情況下，基因突變不限于單個核苷酸的變化，而是若干堿基的缺失。例如在英國發現一個家族的3 代人中都有人患腎病，有人因此死亡，也有人在做腎移植后存活。 檢查受影響成員的DNA，發現患有腎病的成員在ApoA-I 基因中有9個堿基缺失，造成ApoA-I 蛋白中3 個氨基酸殘基的缺失，即第70 位的谷氨酸、第71 位的苯丙氨酸和第72 位的色氨酸（Glu70Phe71Trp72del）。 此變化也使得ApoA-I 蛋白減少了一個負電荷。

另一種堿基缺失并伴有堿基插入的例子是在一個西班牙家族中發現的。受影響的成員通常在50多歲即死于肝臟衰竭?；颊吣I臟中的淀粉樣沉積含有ApoA-I 蛋白的氨基端部分（殘基1～83/92）。 檢查患者的ApoA-I 基因，發現ApoA-I 蛋白中第60到第71 的12 個氨基酸殘基缺失（Leu60Arg61－Glu62Gln63Leu64Gly65Pro66Val67Thr68Gln69Glu7－0Phe71del），同時又在缺失處添加了另外2 個氨基酸殘基纈氨酸/蘇氨酸。 此變化也減少一個負電荷。

以上所列舉的氨基酸殘基變化都發生在ApoA-I 蛋白氨基端的100 個殘基內。 但在這100氨基端殘基外的氨基酸殘基變化，雖不包含在沉積物中的ApoA-I 氨基端肽鏈內，也能引起淀粉樣變性病。

第172 位的谷氨酰胺變為脯氨酸（Gln172Pro）會引起心肌病變，而第173 位的精氨酸變為脯氨酸（Arg173Pro）除造成心肌病變外，也會造成皮膚病變。 從心肌提取的淀粉樣沉積發現沉積物為ApoA-I 蛋白的氨基端部分（1～90/100）。 同樣是在173 位上的氨基酸殘基改變，但精氨酸不是變為脯氨酸，而是變為半胱氨酸（Arg173Cys），不但不引起疾病，反而會增加人的壽命。該變化是在意大利的Milano 地方發現的，稱為Milano 型變異（apolipoprotein A-1 Milano）。

第174 位上的亮氨酸變為絲氨酸（Leu174Ser）會造成心肌病變。 從心臟提取的淀粉樣沉積物含有ApoA-I 蛋白的氨基端（殘基1～93）。從ApoA-I蛋白結構的3D 模型來看，殘基174 的位置靠近第93 位的纈氨酸殘基，也許是這個氨基酸殘基的變化使得ApoA-I 蛋白容易從第93 位被切斷。

第178 位的亮氨酸變為組氨酸（Leu78His）會造成心肌、咽喉和皮膚病變。 有趣的是，從皮膚提取到的淀粉樣沉積不僅含有ApoA-I 蛋白的氨基端，還含有完整的甲狀腺素和視黃醇轉運蛋白（transthyretin，TTR）。 TTR 蛋白自身就可引起淀粉樣變性?。ㄒ娚衔模?，TTR 蛋白在ApoA-I 蛋白沉積物中，說明引起淀粉樣變性病的蛋白之間可相互作用，促進沉積物的形成。

即使沒有ApoA-I 的基因突變，其蛋白的氨基端仍然可引起淀粉樣變性病，說明其氨基端本身就有變為Prion 型結構的傾向。

例如一種ApoA-I 基團突變，在第107 位上形成的一個轉譯終止信號，結果只合成氨基端的106 個氨基酸殘基。 該片段能形成淀粉樣沉淀，沉積于主動脈（aorta）的內壁。ApoA-I 蛋白沉積或單獨存在，或存在于動脈粥樣硬化的斑塊中。

膝蓋淀粉樣病變也可以由沒有突變的ApoAI 蛋白的氨基端沉積引起。 從患者膝蓋半月板（meniscus）提取的沉積物含有ApoA-I 蛋白的氨基端（殘基1-60/77），可被剛果紅染色并在偏振光顯微鏡上呈現雙折射現象。

無變異的ApoA-I 蛋白也發現于有神經淀粉樣病變的患者中。 患者腿部皮膚失去感覺，睡覺時小腿肌肉發生痙攣，后發生站立困難。 神經周圍的單核細胞（mononuclear cell）和巨噬細胞（macrophage）內含有淀粉樣沉積。 這些沉積中的蛋白為沒有變異的ApoA-I 蛋白，能被剛果紅染色并在偏振光顯微鏡上呈現雙折射現象，說明是ApoA-I 蛋白形成的淀粉樣沉積。

這些實例說明，即使是同一種蛋白，是否有氨基酸殘基的變化，變化的位置和情形，都會影響Prion 型結構的細微特征，以及在身體中沉淀的位置，對蛋白致病的情形有很大的影響。

2.16 載脂蛋白A-II 引起的淀粉樣變性病 另一個載脂蛋白，ApoA-II，也能引起淀粉樣變性病。ApoA-II 是高密度脂蛋白中第2 多的蛋白（約占20%），分子量比ApoA-I 小得多，只含有77 個氨基酸殘基，大小與ApoA-I 形成淀粉樣沉積的氨基端部分的大小差不多。 然而ApoA-II 很少引起淀粉樣變性病，原因也許是ApoA-II 分子高度親脂，不容易從高密度脂蛋白上解離，即不容易形成游離的ApoA-II 分子，也就很少有改變分子結構的機會。

但是有一種基因突變改變了這種情形。 在為ApoA-II 蛋白最后一個氨基酸殘基（谷氨酰胺）編碼的DNA 序列后面，是一個轉譯終止碼TGA。 在這里，一個G 到T 的突變使得TGA 變成了TTA，變為亮氨酸編碼的三聯碼，原來的終止碼消失。這樣，ApoA-II 的轉譯就不在這里終止，而是再多合成21 個氨基酸殘基，直到遇到后面的轉譯終止碼為止（稱為78Leuext21）。 這多出來的21 個氨基酸殘基會改變ApoA-II 的折疊狀況，從幾乎全部為α－螺旋變為β－折疊。 這個形狀改變也會影響ApoA-II 分子組入高密度脂蛋白的情形，使它變成聚積物，在身體器官中沉積下來引起疾病。

有此基因變化的患者為一位45 歲的女性，血液中肌酐（creatinine）水平升高，有蛋白尿，高血壓，雙腿腫脹，很快就需要腎透析。 為控制病情，醫生切除了她的左腎，在換腎之后又切除了她的右腎。腎臟中的淀粉樣沉積能被剛果紅染色，并在偏振光顯微鏡下呈雙折射現象。 抗體實驗證明淀粉樣沉積是由ApoA-II 蛋白組成的。 淀粉樣沉積只在腎臟中發現，其他組織和器官中都沒有發現ApoA-II 蛋白沉積。

即使沒有基因突變，隨著年齡的增加，蛋白合成和代謝途徑發生變化，ApoA-II 也能引起疾病。一位68 歲的日本男性被發現有ApoA-II 蛋白沉積引起的腎病。 他沒有腎病家族史，說明不是經由遺傳獲得的疾病，而是后天的。 他尿中的蛋白量逐漸增加。 腎臟活檢發現有ApoA-II 蛋白沉積，但是沒有其他更常見的引起腎病的蛋白例如抗體輕鏈等。

有趣的是，ApoA-II 蛋白在老年狗中引起淀粉樣變性病的比例很高，且不需要基因突變即可引起疾病。 全長的ApoA-II 蛋白沉積在狗的重要器官，例如在肝臟、心臟、腎臟、肌肉中都有發現。

2.17 載脂蛋白A-IV 也能夠引起淀粉樣變性病

載脂蛋白A-IV（ApoA-IV）是結合在乳糜微粒（chylomicron）上的載脂蛋白。 ApoA-IV 在腸細胞中合成，由376 個氨基酸殘基組成，幾乎全部肽鏈都在β-螺旋中。然而，從一位92 歲死于淀粉樣變性病的男性心臟中，卻發現了ApoA-IV 蛋白的氨基端片段（大約殘基1～70）。檢查患者的ApoA-IV的基因，發現為蛋白編碼的DNA 序列沒有任何變化。 這位患者的心臟中同時有甲狀腺素和視黃醇轉運蛋白（transthyretin，TTR，見上文）的沉積，但這2 種蛋白并不沉積在一起，而是各自形成自己的沉積。

上面介紹的，只是迄今為止發現的淀粉樣變性病的一部分，但從這些病例，已經可以看到這類蛋白的致病機制：雖然它們的氨基酸序列不同，但通過肽鏈折疊方式改變形成的結構卻是高度相似的，都是橫向的β-折疊重疊在一起，形成小纖維狀的結構。正是這樣的結構，或這些結構形成過程中的低度聚合物，對細胞和組織有傷害性。

雖然這些小纖維的總體結構相似，但根據蛋白原來的表達位置，具體的蛋白氨基酸序列，以及人體的狀況，都能影響這些聚合物沉積的位置，引起不同的疾病。 例如Prion 蛋白和Aβ 片段、α-突觸核蛋白和Huntingtin 蛋白本來就是在中樞神經系統中高度表達的，它們引起的淀粉樣沉積也主要在中樞神經系統中，在那里引起疾病。而抗體輕鏈和重鏈、血漿A 蛋白，β-微球蛋白、甲狀腺素和視黃醇轉運蛋白（TTR）、胰島淀粉樣蛋白Amylin、纖維蛋白原、胱抑素蛋白、載脂蛋白都是存在于血漿中的，它們可以沉積在體內各種組織和器官內，引起疾病。 溶菌酶、超氧化物歧化酶中的SOD3 存在于細胞外，它們也沉積于細胞外。

從多種蛋白都能改變折疊狀況，形成致病性的Prion 類型的蛋白沉積物來看，蛋白的結構，或者說肽鏈的折疊狀況，是很容易受到擾亂而改變的。 脫離原來結合的分子（例如抗體的輕鏈和重鏈、β-微球蛋白、載脂蛋白A）、有形成Prion 型結構能力的肽鏈段從整體分子中脫離出來（例如Aβ肽鏈、載脂蛋白和血清蛋白A 的氨基端部分）、基因突變造成的氨基酸改變、肽鏈延長（例如ApoAII 蛋白）、肽鏈縮短（例如ApoA-I 肽鏈的合成提前終止）、老年時肌體維持蛋白正確折疊的功能下降（例如ApoII 在沒有基因突變的情況下在老年人身上引起淀粉樣變性?。┑?，都能改變肽鏈中電荷的相互作用情形，導致折疊方式改變。

以上介紹的引起淀粉樣變性病的蛋白都是存在于哺乳動物中，特別是人體中的。既然許多蛋白都有改變折疊方式的可能性，傳染性蛋白就不應該只在高等動物中才出現，而應該在比較低等的生物中就已經存在。 近年來的科學研究也證實了這一點。 例如在酵母中，就有能形成Prion 結構的蛋白質，即傳染性蛋白質。

（待續）