【摘要】基因组学研究的深入，使人们认识到蛋白研究的重要性，蛋白组学则是对生命活动进行的系统研究。晶状体蛋白虽在不同情况下表现的蛋白质组不同，但在合成后极少更新，几乎伴随终身。因此，对晶状体蛋白组进行研究，有助于对先天性白内障发病机制的探索。本文就晶状体蛋白组学的研究现状及其与先天性白内障的联系进行了综述。
【关键词】 晶状体蛋白;蛋白组学;先天性白内障
Lens proteomics and congenital cataract
XiaoLei Yin, RongDi Yuan, Jian Ye
Department of Ophthalmology, Daping Hospital, the Third Military Medical University, Chongqing 400042, China
Abstract
With great progress in the research of genomics, the emphasis has gone back to protein. Proteomics can be used in the system study of life science. Although in the different situation, there are various proteomics of crystalline, it will not renew after synthesized. This would be helpful to discover the mechanism of the diseases. Here, we reviewed the progress of lens proteomics and its connection with congenital cataract.
KEYWORDS: crystalline;proteomics;congenital cataract
0引言
二十世纪，基因研究成为生命科学的主线，而人类基因组计划更是将基因研究推向了前所未有的高度。但基因毕竟只是遗传信息的源头，即便是掌握了所有的基因序列，也不能提供认识各种生命活动直接的分子基础，而蛋白作为基因功能的执行者，可直接影响生命存在的形式和活动，再次成为人类关注的对象。但是某一种或某几种蛋白的研究无法形成整体观念，难以系统的阐述生命活动的基本机制，蛋白组学的概念由此提出，即“一个基因组、一种生物或一种细胞/组织所表达的全套蛋白质”[1，2]。晶状体蛋白组学所研究的对象就是晶状体所表达的主要蛋白。而晶状体蛋白虽在不同情况下表现的蛋白质组不同，但在合成后极少更新，几乎伴随终身，对其进行研究，有助于先天性白内障发病机制的探索。
1晶状体蛋白组学研究现状
借助现代蛋白组学的研究技术，如双向凝胶电泳、质谱分析、串联质谱等，人类对晶状体蛋白组进行了研究。目前认为晶状体蛋白是晶状体表达的主要蛋白，可分为两大类家族，即α家族和βγ家族。晶状体中90%的水溶性蛋白由晶状体蛋白构成，由于其在晶状体内具有均匀浓度梯度，而使晶状体具有透明和折光的特性。晶状体蛋白还可作为分子伴侣，可在晶状体及其以外的区域发挥作用。然而晶状体蛋白在晶状体外表达水平较低，故不能发挥光线折射作用[3]。αA、αB;βB1，βB2，βB3，βA1/A3，βA2和βA4;γA，γB，γC，γD，γE，γF和γS都是哺乳动物晶状体内表达的主要晶状体蛋白[4]，但在人类晶状体中，只有γC，γD晶状体蛋白的表达能被检测到[5]。α晶状体蛋白对保持细胞骨架完整性是非常重要的，无论在体内还是体外，均可阻止细胞凋亡。αB晶状体蛋白是一种应激诱导蛋白，它和αA晶状体蛋白都属于热休克蛋白家族。α晶状体蛋白和小热休克蛋白家族具有相同的由80个氨基酸组成的C末端结构域[6]。此外，α晶状体蛋白在体外的磷酸化，可发挥自身激酶的作用，这提示它们的功能可能和细胞信号途径存在某种关系[7]。晶状体蛋白的突出特点，就是它们形成的结构非常的持久稳固，而这主要是通过亚基间的相互作用实现的，因此人们通过X(射)线衍射晶状体分析法，单颗粒电子显微镜，自旋标记，毫为电喷射质谱分析等方法，对晶状体蛋白亚基间的相互作用和四级结构进行了研究，发现αB晶状体蛋白具有强力的四级结构，其形成的二聚物，是不能被溶解的，这与一些小热休克蛋白形成的二聚物的表现正好相反[8]。研究还发现，α晶状体蛋白还和有丝分裂的结构之间存在某种关联[3]。如αA晶状体蛋白和中心体、中间体，以及细胞桥微管之间;αB晶状体蛋白和细胞核、高尔基体、细胞膜、以及细胞骨架成分包括肌动蛋白、中间丝、微管之间。αB晶状体蛋白的存在可保护中间丝细胞骨架蛋白，还可保护肌动蛋白，而αB晶状体蛋白和F肌动蛋白在培养晶状体上皮迁移细胞边缘的叠加，提示它可能与肌动蛋白相互作用，从而参与了肌动蛋白在细胞迁移过程中的动力学作用。
2晶状体蛋白和先天性白内障
α晶状体蛋白、β晶状体蛋白、γ晶状体蛋白基因对先天性白内障来说都很关键，因为它们在晶状体都有很高的表达。α晶状体蛋白、β晶状体蛋白、γ晶状体蛋白基因单点突变在人类白内障患者中有广泛的表型，而人类先天性白内障患者中至少存在15种不同的晶状体蛋白的突变。常染色体显性遗传的先天性白内障患者家族，已确定存在αA晶状体蛋白和αB晶状体蛋白基因的突变。R120G突变，使保守的精氨酸残基突变为甘氨酸，引起结合蛋白丝与突变蛋白形成复合物而产生白内障[9]。R116C突变，使αA晶状体蛋白的精氨酸残基发生突变造成白内障[10]。D104N突变位于αB晶状体蛋白保守区域[11]。通过对一个四代白内障家族的研究，发现还有位于α晶状体蛋白结构域以外的突变，即R49C突变[12]。基因突变还可通过改变晶状体蛋白在各个水平的结构[13]导致先天性白内障的发生。如减少βsheet的含量，降低耐热性，增加蛋白分子量，减弱分子伴侣活性，增强蛋白聚集作用等。
目前，关于晶状体蛋白结构改变从而增强蛋白聚集作用的机制存在两种假说：一，蛋白结构的改变降低了底物和晶状体蛋白的亲和力，使变性的底物蛋白遗留下来。二，突变使晶状体蛋白低聚物结构调节丧失，造成了突变蛋白和底物的聚集[14]。而突变晶状体蛋白和细胞膜结合增强，也被认为是白内障形成的原因[15]。与正常情况相比，R116C突变的αA晶状体蛋白和细胞膜的结合要更紧一些，对常染色体显性遗传的先天性白内障转基因小鼠模型进行研究发现，该突变蛋白晶状体在后缝上存在缺陷[16]，前面我们已经知道α晶状体蛋白与肌动蛋白和中间丝之间存在某种作用，而这种作用是会影响细胞骨架的。在培养的与先天性白内障有关的αA晶状体蛋白突变基因转染细胞，胞核和胞质内都有R49C突变的过度表达，而在野生型蛋白则主要位于胞质。这说明在某种小鼠，核内包涵体和先天性白内障存在关联。大多数关于突变的研究资料都是来源于α晶状体蛋白的研究。实际上，βB2晶状体蛋白的突变也和先天性白内障有关，但是在不同家族的白内障患者，可有完全不同的形态学和空间表型[17]。这也说明，βB2晶状体蛋白功能受局部环境和晶状体纤维细胞的调节。同样，βA1/A3晶状体蛋白的缺失突变，对不同家族的白内障有不同的形态学作用[18]。先天性白内障和γ晶状体蛋白的突变也有关[19]。R36S突变的γD晶状体蛋白，与天然蛋白相比，可使蛋白的结晶加快[20]。P23 T突变的γD晶状体蛋白主要的改变也是蛋白溶解度的下降[21]。
3展望
白内障、青光眼、眼外伤都是易致盲疾病，而先天性白内障是一种较为常见的儿童眼病，是造成儿童失明和弱视的重要原因[2225]。虽然通过及早手术有助于视力的恢复，但是由于婴幼儿视觉系统的特殊性，眼球仍在发育、屈光状态不稳定、术后炎症较重等均会增加手术的风险和难度。因此，从病因寻找治疗方法无疑是最佳选择，对先天性白内障来说很关键的晶状体蛋白组的研究为此奠定了一定的基础。但晶状体蛋白两大类家族之一的βγ家族远不如α家族研究的那样深入和广泛，而晶状体蛋白的表达以及表达模式的多样性同样增加了晶状体蛋白组的研究难度。所以，要想通过晶状体蛋白组的研究来揭示先天性白内障的发病机制，尚需进一步的深入工作。
【参考文献】
1 Kahn P.From genome to proteome: looking at a cells proteins. Science 1995;270:369370
2 Swinbanks D. Government backs proteome proposal. Nature 1995;378:653
3 Andley UP. Crystallins in the eye: Function and pathology. Prog Retin Eye Res 2007;26:7898
4 Bloemendal H, deJong W, Jaenicke R, et al. Ageing and vision: structure, stability and function of lens crystallins. Prog Biophys Mol Biol 2004;86:407485
5 Jobby MK, Sharma Y. Calciumbinding crystallins from Yersinia pestis. Characterization of two single betagammacrystallin domains of a putative exported protein. J Biol Chem 2005;280:12091216 |
