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摘要補體 c1抑制劑( c1 inhibitor,C1INH)是絲氨酸蛋白酶抑制劑( serine protease Inhibitors, Serpins)“家族”的成員之一,對補體,凝血、纖溶、激肽釋放等蛋白酶激活系統(tǒng)有重要的抑制功能。 c1INH通過其分子表面的反應中心環(huán)與靶酶的活性中心結(jié)合形成共價復合物從而達到抑制靶酶活性的作用。 c1INH的遺傳基因位于11號常染色體的 p11.2-q13,遺傳基因中的部分缺失、插入,以及單一堿基對的替代,都將導致血漿 c1INH水平低下或功能異常。 c1INH的遺傳性或獲得性缺乏與血管神經(jīng)性水腫有著密切的關系。 c1INH濃縮制劑對遺傳性或獲得性 c1INH水平低下患者有治療作用。
1 C1INH的分子結(jié)構(gòu)及生理功能
補體 c1抑制劑( c1 inhibitor,C1INH)是血漿中重要的絲氨酸蛋白酶抑制劑( serpins)家族成員之一,具有抑制多種絲氨酸內(nèi)肽酶的活性,與補體、凝血、纖溶和激肽釋放的活化與拮抗平衡有密切的[1]。 c1INH是血漿補體成分 c1的*抑制劑,通過抑制活化補體成分 c1的酯酶活性調(diào)節(jié)補體活化途徑;它也是 fⅩⅡ a的主要滅活劑,占血漿 fⅩⅡ a抑制活性的90%;它可抑制血漿中50%的激肽釋放酶活性; c1INH亦能抑制纖維蛋白溶解酶的活性,從而對纖溶平衡具有調(diào)節(jié)作用[2]。
c1INH為單肽鏈糖蛋白,由478個氨基酸殘基組成。肽鏈的63-97重復出現(xiàn)四肽順序 glx-Pro-Thr-Thr及其變異結(jié)構(gòu) glx-Pro-Thr,重復次數(shù)高達7次。肽鏈內(nèi)有兩對二硫鍵,分別為 cys101-Cys406、 cys108-Cys183。 c1INH高度糖基化,糖含量約占分子總量的33%~35%。肽鏈上連接有約20個側(cè)糖鏈,大多數(shù)糖基(可能是17個)位于肽鏈的 n-末端1-120肽段內(nèi),側(cè)糖鏈中有6個葡萄糖胺基連接( n-糖胺鍵)。至少有5個半乳糖胺基連接( o-糖胺鍵),分別連接于 thr26、 ser42、 thr66、 thr70、 thr74。其它可能被糖基化的氨基酸殘基為 thr77、 thr84、 thr85、 thr89、 thr93、 thr96、 thr97。完整的 c1INH分子量為104kDa,等電點為 pH2.7~2.8。血漿中 c1INH的含量約為2μ mole/L(約220mg/L)[1]。
c1INH主要是在肝臟合成,纖維母細胞、單核細胞、巨核細胞等多種肝外細胞具有合成 c1INH的能力。纖維母細胞合成 c1INH的能力比單核細胞的能力大30~50倍, iNF-γ、 iNF-β2、 tNF等細胞因子能促進 c1INH的合成[3]。
c1INH屬 serpins家族中的一員,與其它 serpins成員如α1-抗胰蛋白酶、α1-抗胰凝乳蛋白酶、 aT-Ⅲ、 hC-Ⅱ等具有不同程度的同源性[2,3]。 perkins等[4]通過中子散射( neutron scattering)分析,推斷 c1INH分子由頭-尾兩結(jié)構(gòu)組成, n-末端的113個氨基酸殘基組成棒狀尾部結(jié)構(gòu)區(qū),它高度糖基化,無 serpins功能,推測它可能與防止 c1自身聚集性自激活、以及在與白細胞表面的結(jié)合等方面起作用[4,5]。 c-末端的365個殘基組成球狀頭部結(jié)構(gòu)區(qū),是 serpins同源區(qū),具有 serpins的功能。 serpins同源區(qū)由8個α-螺旋結(jié)構(gòu)、3個β-折疊結(jié)構(gòu)、1個反應中心環(huán)( reactive central Loop,RCL)以及部分其它無規(guī)則結(jié)構(gòu)組成。 c1INHR的 rCL為 a-β-折疊結(jié)構(gòu)的第5肽段( s)與 c-β-折疊結(jié)構(gòu)第1肽段( s1C)間的連接肽,在 c1INH分子表面向外伸展形成一個可折疊的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。 rCL長度約為20個氨基酸殘基,具有 c1-底物結(jié)構(gòu)的相同特征,包括氨基酸順序、酶反應中心連接特征、柔韌性等,其空間結(jié)構(gòu)與靶酶活性中心的空間結(jié)構(gòu)互補[4,5]。
c1INH的反應中心為肽鏈第444-445位的 arg-Thr,位于 rCL中。在靶酶抑制過程中,反應中心的 p1( arg444)被靶酶識別、捕獲,形成靶酶-抑制劑1:1結(jié)合的共價復合物, c1INH的 arg444-Thr445乙酰鍵被裂解,從 c-末端裂解下一個分子量為4kDa的34個氨基酸殘基的小肽段,肽鍵斷裂后在 p1位產(chǎn)生的新羧基將靶酶反應中心的 ser乙酰化,形成共價復合物,從而直到抑制酶活性的作用[5]。
2 C1INH的分子遺傳學特征和變異
c1INH基因位于第11號染色體的 p11.2-q13。據(jù)推斷, c1INH基因全長至少16kb,由8個外顯子( exon)和7個內(nèi)含子( intron)組成[6]。 c1INH遺傳缺陷表現(xiàn)為基因的微小缺失、插入或有限堿基替換,或其它基因的缺陷導致血漿中 c1INH被不正常地加工和修飾[7~15]。在 hAE的臨床診斷中,根據(jù) c1INH抗原濃度與活性降低的程度分為Ⅰ型和Ⅱ型 hAE。Ⅰ型 hAE患者血漿中的 c1INH抗原含量以及靶酶抑制活性僅及正常水平的30%~50%[7~9];而Ⅱ型 hAE患者血漿中具有正常、略低或略高的 c1INH抗原含量,但靶酶抑制活性卻低于正常個體,在Ⅱ型 hAE患者的血漿中含有功能異常性 c1INH[10~15]。
早期對Ⅰ型 hAE患者的 c1INH基因的研究發(fā)現(xiàn)該類患者有一個異常短的 c1INH mRNA。采用 pCR技術(shù)將患者 c1INHmRNA放大分析,提示了從異常 c1INH基因衍生出一個較小的160bp dNA,相應于外顯子Ⅶ有核苷酸的丟失。因此合成了小于正常分子量的 c1INH[7]。
ernst等[8]的研究發(fā)現(xiàn)了另一種類型的Ⅰ型 c1INH變異。患者 c1INH遺傳基因外顯子Ⅷ中第1414-1433的20個堿基對出現(xiàn)了重復結(jié)構(gòu),導致了一個正常的終止密碼子缺失,產(chǎn)生了一個比正常 c1INH多52個氨基酸殘基的異型 c1INH。將變異型基因重組到纖維母細胞中表達,胞內(nèi) c1INH的肽鏈分子量高達98kDa,明顯高于正常 c1INH基因在纖維母細胞中所表達的肽鏈分子量(78kDa);而變異型 c1INH表達后分泌發(fā)生降解。 ernst等[8]認為這可能起因于異型 c1INH的糖基化異?;蚍置谕ǖ赖淖R別異常導致分泌量減少。
kawachi等[9]報道了一類因內(nèi)含子單一堿基替代變異所致Ⅰ型 hAE。患者 c1INH遺傳基因第7內(nèi)含子5-末端鏈接識別位點發(fā)生了 t→ a單一堿基替代變異,印跡試驗證明患者具有正常大小的 c1INH mRNA,但量僅及正常個體量的50%。變異基因在轉(zhuǎn)錄過程中出現(xiàn)迅速的降解,導致 mRNA的含量降低,引發(fā)血漿 c1INH水平低下,表現(xiàn)出Ⅰ型 hAE。
c1INH的Ⅱ型變異為單一堿基變異,包括堿基替換或缺失[10~15]。
多數(shù)Ⅱ變異發(fā)生在 c1INH的 rCL上。編碼 rCL氨基酸順序的密碼子位于 c1INH基因的外顯子Ⅷ,當發(fā)生單一堿基對替代變異后, rCL上的氨基酸順序發(fā)生變異,由于產(chǎn)生靶酶識別的異?;?c1INH-靶酶中間復合物穩(wěn)定性減弱,zui終導致 c1INH功能性異常,表現(xiàn)出 hAE[10~14]。
在 rCL上的變異中,多數(shù)變異發(fā)生在反應中心的 p1( arg444)上。編碼 arg444的密碼子 cGC含有一個極易突變的 cpG二聚核苷酸,當 c被 t替代后,反應中心的 arg444變異為 cys,發(fā)生了已被命名的 da、 ca、 fe的 c1INH變異;當 g被 a替代后,反應中心的 arg444被 his替代,發(fā)生了 ri、 sp型變異; at、 bo、 gu、 za等型的變異皆為類似的變異, arg444分別被 his、 his、 leu、 ser、 his替代[10~12]。當 p1位的 arg發(fā)生替代變異后, c1INH發(fā)生了靶酶識別異常, c1-抑制功能異常。
ocejo-Vinyals等[13]報道了一個Ⅱ型 hAE變異的西班牙家族,在該家庭中發(fā)現(xiàn)了 p1’( thr445)的替代變異。 p1’是反應中心的另一靶酶識別位點;當編碼 thr的密碼子發(fā)生 a→ c的替代變異, thr445被 cys所替代,變異后的 c1INH由靶酶的抑制劑特性轉(zhuǎn)變成為底物特性,導致血漿 c1INH的靶酶抑制活性降低,引發(fā)Ⅱ型 hAE。
在鄰近反應中心 p1( arg444)的 p10、 p12、 p14位的 ala(即肽鏈 ala436、 ala434、 ala432)亦是突變熱點,對抑制劑-靶酶復合物的穩(wěn)定性至關重要。當編碼 ala的密碼子突變, ala被 glu替代,發(fā)生 ma型( ala434→ glu)變異和 we型( ala432→ glu)變異;被 thr替代,發(fā)生 mo型(Ala436→ thr)變異和 ca型(Ala436→ thr)變異[14]。
ala443的替代變異發(fā)現(xiàn)于系統(tǒng)性紅斑狼瘡( systemic lupus Erythematosus, SLE)而未出現(xiàn) hAE的家族。 ala443緊鄰反應中心 arg444當它被 val替代后,大分子氨基酸的側(cè)鏈基因影響到 c1INH對靶酸的識別, c1INH對 c1亞組分的抑制活性減弱,因而引發(fā)補體激活-抑制調(diào)節(jié)失衡的疾病 sLE。但變異型 c1INH對 fⅩⅡ a、激肽釋放酶的抑制活性正常,在臨床上未表現(xiàn)出 hAE[11,12]。
ta型 c1INH變異是迄今發(fā)現(xiàn)的*發(fā)生在 rCL以外氨基酸缺失性變異。由于編碼 lys251的密碼子缺失,合成的 ta型 c1INH的肽鏈結(jié)構(gòu)缺少 lys251。因此 lys251相鄰位置的氨基酸順序由 asn-Lys-Ile-Ser變異成為 asn-Ile-Ser,產(chǎn)生了一個新的糖基化位點。 lys251位于 f-α-螺旋與 a-β-折疊之間,變異結(jié)構(gòu)通過 f-α-螺旋直接或間接地破壞了 a-β-折疊結(jié)構(gòu),對形成蛋白酶-抑制劑穩(wěn)定復合物產(chǎn)生了影響,導致酶抑制功能低下[15]。
3 C1INH缺乏相關性疾病
血管神經(jīng)性水腫( angioeurotic edema,AE)是因血漿中血管滲透活性增強所致,這與補體系統(tǒng)或接觸系統(tǒng)的激活產(chǎn)生與血管滲透性有關的激肽類物質(zhì)有關。 c1INH作為補體組分 c1*的抑制劑, fⅩⅡ a的主要抑制劑,其缺乏將導致補體系統(tǒng)和/或接觸系統(tǒng)活化的調(diào)節(jié)失衡,使激肽濃度增高,血管滲透性增強,從而表現(xiàn)出血管神經(jīng)性水腫的臨床癥狀,如體表水腫或粘膜水腫,全身性任何部位發(fā)生自限性血管性水腫。當發(fā)生粘膜水腫時,三分之二的病人出現(xiàn)突發(fā)性腹痛、腹脹、嘔吐、不能排氣等腸梗阻等表現(xiàn)。半數(shù)以上的病人有咽部水腫、吞咽困難、聲嘶、憋氣。約有80%的病人發(fā)生喉頭水腫窒息而死亡[1,2]。
遺傳性血管神經(jīng)性水腫( hereditary angioeurotic Edema,HAE)是一種常染色體遺傳病,發(fā)病率約為五萬分之一。85%的 hAE病人屬Ⅰ型,患者血漿中 c1INH抗原含量降低并且酶抑制活性水平降低,約為正常人的30%,甚至更低。Ⅱ型 hAE患者的血漿 c1INH抗原含量正?;蚵愿?,但靶酶抑制活性異常或低下[1,9~15]。
獲得性血管神經(jīng)性水腫( acquired angioneurotic Edema,AAE)是正常 c1INH遺傳個體,因某種特定病理生理過程引起 c1INH消耗增加所致,其特征為 c1INH、 cH50、 c1q、 c1、 c4以及 c2水平均低下。與 hAE不同的是, aAE病人的 c1INH代謝正?;蜉p微的升高[16~23]。隨著病理診斷學的發(fā)展,已根據(jù)診斷特征將 aAE分為Ⅰ型和Ⅱ型兩大類型。Ⅰ型 aAE與淋巴細胞增生異常性疾病或其它惡性腫瘤如淋巴瘤、慢性淋巴細胞性白血病等有關,尤其是淋巴瘤[17,18]。此類患者體內(nèi)產(chǎn)生了針對*型( idiotype)抗原的抗體??贵w識別新生 b-細胞的*型抗原,形成*型抗原-抗體復合物。這類抗原抗體復合物對 c1的活化能力比其它類型的抗原-復合物對 c1的活化能力強,過量的活化 c-1導致 c1INH的大量消耗,引發(fā)血漿 c1INH水平低下,從而使補體激活途徑和/或接觸系統(tǒng)的活化調(diào)節(jié)失衡,引發(fā) aAE[1,16~18]。
donaldson等[19]發(fā)現(xiàn)了另一種類型的 aAE病例(Ⅱ型)?;颊哐獫{中產(chǎn)生了針對 c1INH的自身抗體。他們從這類 aAE患者發(fā)病期間的血漿中純化出抗自身 c1INH抗體并證明該抗體識別 c1INH反應中心約8個氨基酸長度的抗原決定簇。 c1INH反應中心與抗 c1INH抗體結(jié)合后, c1INH不能與活化的 c-1形成穩(wěn)定的復合物,喪失抑制靶酶的活性,從而加快了在血漿中的消耗,使血漿中的 c1INH酶解片段增加[19~23]。
4 C1INH在血管神經(jīng)性水腫治療中的應用
急性期、威脅生命的 hAE或 aAE已成功地采用 c1INH制劑靜脈輸注,使血液 c1INH的水平迅速得到提高,恢復對補體活化、接觸系統(tǒng)活化的調(diào)節(jié)功能,以迅速控制 hAE或 aAE。自80年代初, c1INH濃縮制劑應用于臨床以來,除1例長期使用 c1INH濃縮制劑產(chǎn)生抗 c1INH抗體外,未見有其它副作用的報道[24~26]。
1996年, donaldson等[24]報道了用 c1INH濃縮制劑治療1例 hAE伴 sLE合并抗 c1INH抗體的病例?;颊呙恐芙邮?180IU的 c1INH濃縮制劑的靜脈輸注治療,患者的 hAE伴 sLE并發(fā)癥得到良好的控制,在用 c1INH濃縮制劑8個月后,患者產(chǎn)生了對 c1INH的抗體,方停止使用 c1INH。在此期間,患者一直未出現(xiàn)其他副作用,身體亦得到良好的恢復。
在對Ⅱ型 aAE的 c1INH的補充治療過程中發(fā)現(xiàn), c1INH靜脈輸注有加重 aAE的現(xiàn)象?,F(xiàn)代臨床應用研究證明,當Ⅱ型 aAE患者接受低劑量的 c1INH的輸注后,由于 c1INH被抗 c1INH抗體中和,產(chǎn)生了更多的抗原-抗體復合物,激活 c1從而加快了 c1INH的消耗,而 c1INH的低劑量補充又不足以抑制補體激活途徑,因而加重了Ⅱ型 aAE病癥。Ⅱ型 aAE患者需要一次性接受更高劑量的 c1INH的輸注,才能克服患者血漿中抗 c1INH抗體對 c1INH的中和作用。Ⅱ型 aAE患者所需適當劑量可通過體外測定血漿與 c1INH形成抗原—抗體復合物的量來進行清除后, c1INH水平得到恢復, c1、 c4水平相繼得到提高。
早期的 c1INH濃縮制劑具有一定的傳播病毒性疾病的可能性,特別是 c型肝炎的傳播。隨著病毒滅活方法的成熟并成功的組合到 c1INH的生產(chǎn)工藝中, c1INH濃縮制劑的使用更加安全可靠。