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GPLD1调控慢性疾病的功能及机制分析
发布时间:2021-11-15

  摘    要: 糖基磷脂酰肌醇特异性磷脂酶D1(glycosylphosphatidylinositol-specific phospholipase D1, GPLD1)是一种相对分子质量约为120 000的蛋白质,在人血清中含量丰富(5~10?g/mL)。GPLD1作为一种特异性裂解糖基磷脂酰肌醇(glycosylphosphatidylinositol, GPI)的磷脂酶,已知与多种慢性疾病的发生发展密切相关,包括慢性肝病、2型糖尿病、肺癌、前列腺癌、神经系统疾病等。本文首先描述了GPLD1的一级结构及相应生化功能,同时也对GPLD1的表达定位及其在慢性疾病中的作用机制进行综述,为把GPLD1开发成慢性疾病新的治疗靶点提供更多理论支持。

  关键词 :      GPLD1; 慢性肝病; 2型糖尿病;肺癌;前列腺癌;神经系统疾病;

  Abstract: Glycosylphosphatidylinositol specific phospholipase D1(GPLD1) is a protein with a relative molecular weight of about 120 000, which is abundant in human serum(5~10 ?g/mL). As a phospholipase that specifically cleaves glycosylphosphatidylinositol(GPI), GPLD1 is known to be closely related to the occurrence and development of a variety of chronic disease, including chronic liver disease, type 2 diabetes,lung cancer, prostate cancer, and neurological diseases. In this review, we describe the primary structure and corresponding biochemical functions of GPLD1, the expression organization of GPLD1, as well as its roles and underlying mechanism on the development of chronic diseases, thus, providing more theoretical support for the development of GPLD1 as a new therapeutic target for chronic diseases.

  Keyword: GPLD1; chronic liver disease; type 2 diabetes; lung cancer; prostate cancer; nervous system disease;

  糖基磷脂酰肌醇特异性磷脂酶D1(glycosylphosphatidylinositol-specific phospholipase D1,GPLD1)广泛表达于机体多个组织,在肝脏组织中的表达量显着高于其他组织[1]。已有研究表明,GPLD1与多种疾病发生发展密切相关,主要因为GPLD1可以裂解糖基磷脂酰肌醇(glycosylphosphatidylinositol,GPI)锚定在细胞膜上的重要蛋白质,使其从细胞表面释放,从而发挥生物学效应,如调节糖脂代谢[2,3],影响癌症进程[4]4],调控神经系统疾病[5]等。本文将对GPLD1的结构、生物学效应、组织定位及其在慢性疾病中的调控作用和机制进行综述。

  1、 GPLD1的一级结构与生化功能

  GPLD1是人体内唯一的GPLD基因,也称为GPI-PLD,包含25个外显子、24个内含子,GPLD1位于人类基因组6号染色体[6]。一级结构显示,GPLD1含有841个氨基酸,相对分子质量为110 000~120 000,是一个N-糖基化的两亲性蛋白质(图1)。外显子1的起始密码子上游–140 bp处存在TATAATAAAA序列,可初步判定为启动子TATA盒;–8 bp处有GGCAAT序列,被认为是CAAT盒;–15 bp处则有GGCC顺序,可能是GC盒。此外,–705 bp处存在TGGAAG顺序,为增强子的核心序列;而–825 bp处存在反式作用因子Pit-1/GHF-1的结合序列TATGCATAA,该序列也称为同源转换盒,是调控机体生长、发育和细胞分化的核心序列[7]。His29、His125、His133和His158以及Arg325和Arg589位点是GPLD1保持催化酶活性所必需的。GPLD1二级结构包含两个结构域:一个N端催化结构域(1~276)和一个预测的C端β-螺旋桨结构域(376~816)[8,9]。目前,通过SWISS-MODEL模拟出GPLD1三级结构,但其确定率不超过30%。

  真核生物产生许多膜蛋白,这些蛋白质通过GPI固定在细胞膜外,GPLD1的典型作用是水解GPI锚定在质膜上的蛋白质[10]。GPLD1以疏水键的形式与脂质结合[11]。脂质锚定是黏附分子和支架蛋白质发挥作用的重要过程,GPI锚定蛋白质是一种脂锚定膜蛋白,膜蛋白与脂质分子共价连接[12]。GPI锚定蛋白质约占哺乳动物细胞表面蛋白的2%,由于细胞表面结合的稳定性相对较低,可视为自发膜释放的候选者。GPI锚定蛋白通过一个小的GPI糖脂基团锚定在质膜双层的外叶上,该糖脂基团通过磷酸乙醇胺桥共价偶联到典型的大亲水性蛋白基团的羧基端。GPI糖脂基团锚定膜蛋白具有的两亲性可以促进GPLD1裂解GPI锚定蛋白[13]。
 

GPLD1调控慢性疾病的功能及机制分析
 

  2、 GPLD1在组织中的定位

  GPLD1基因在哺乳动物组织中广泛表达。一项针对小鼠肝脏、肺、脂肪、脾脏、皮肤、肾脏、心脏、肌肉、皮质、海马和小脑中的GPLD1基因表达谱的研究发现,肝脏中GPLD1的表达量最高[14]。在NCBI数据库对人体27个组织中GPLD1的基因表达水平进行统计分析后发现,肝脏组织中GPLD1的mRNA表达水平最高,皮肤组织和脂肪组织中GPLD1也呈较高水平的表达(图2)。另外有研究也表明,肝脏和胰岛可能是循环中GPLD1的两个重要来源[11,15]11,15],肝脏则为循环中GPLD1最主要的来源[16]。

  图1 GPLD1氨基酸序列(蛋白质一级结构)
图1 GPLD1氨基酸序列(蛋白质一级结构)

  3、 GPLD1调控慢性疾病的作用及机制

  GPLD1在机体各组织中广泛分布,并且在多种慢性疾病的发病进程以及疾病调控中发挥重要作用。

  3.1、 GPLD1与代谢性疾病

  3.1.1 、GPLD1在脂代谢疾病中的作用

  肥胖属于慢性代谢紊乱疾病,是一直以来备受全球关注的健康问题[17]。一项随机对照实验结果表明,非酒精性脂肪性肝病患者血清GPLD1水平明显高于正常组,患者肝组织中GPLD1的mRNA表达水平为正常肝组织的3倍,并且GPLD1的过表达可能与新生脂肪生成基因的增加有关[1]。

  与正常大鼠相比,肥胖大鼠体内血清GPLD1浓度升高[18]。甘油二酯的累积是引起肥胖的原因之一[19]。甘油二酯是一种被GPI锚定的蛋白质,在肝细胞中,GPLD1裂解GPI锚定的甘油二酯,甘油二酯积累导致蛋白激酶C的激活,最终引起肝脏胰岛素抵抗,GPLD1依赖性甘油二酯积累导致肝脏胰岛素抵抗和脂肪变性[2]。GPLD1依赖性甘油二酯过量可能一定程度上促使花生四烯酸代谢紊乱导致脂肪变性[20]。血清中花生四烯酸水平与内脏脂肪面积显着正相关。在内脏脂肪肥胖受试者中,血清二十碳五烯酸除以花生四烯酸的比率较低,且更易出现代谢综合征[21]。

  另外,小鼠肝脏GPLD1过度表达与空腹和餐后甘油三酯增加有关[22],GPLD1可影响富含甘油三酯的脂蛋白代谢,导致血清中甘油三酯浓度升高[23]。

  3.1.2、 GPLD1在糖代谢中的调节作用

  类脂肪细胞能合成和分泌胰岛素,发挥一定的生物学功能,而GPLD1则可以充当第二信使,触发一些细胞对胰岛素、激素和其他细胞因子的反应从而参与糖代谢的调节[24]。

  一项研究表明,糖尿病模型大鼠外周循环中GPLD1含量较正常对照组明显升高,而有规律的跑台运动训练可以逆转这一现象,从而降低糖尿病模型鼠血糖[15]。在一项针对不同类型糖尿病患者的研究中发现,虽然成人隐匿性自身免疫性糖尿病患者与1型糖尿病患者血浆中GPLD1浓度无显着差异,但是均显着高于2型糖尿病患者和正常人群,提示GPLD1可能是检测早期成人隐匿性自身免疫性糖尿病和1型糖尿病的候选血浆蛋白[25]。另外,GPLD1被报道在2型糖尿病中参与脂肪对胰岛素释放的调节[26]。GPLD1还可通过水解一些细胞膜蛋白的GPI固定点和上调巨噬细胞的细胞因子表达,从而在糖尿病的发病进程中起着积极调节作用[27]。

  硫酸乙酰肝素蛋白多糖4(简称蛋白多糖4)属于GPI锚定的硫酸乙酰肝素蛋白多糖家族成员之一,是一种膜结合激素[28]。蛋白多糖4是一种被GPI锚定在细胞膜外表面的新型脂肪因子,具有调节胰岛素受体表达[15]、增强胰岛素信号转导[29]以及促进脂肪细胞分化[30]等诸多功能,GPLD1可裂解被GPI锚定在细胞膜表面的蛋白多糖4,促进其释放至血液循环中。也有研究表明,GPLD1具有抑制糖代谢的作用,蛋白多糖4和GPLD1水平高的受试者更有可能发展为胰岛素抵抗,其影响机制可能是由于体重增加,胰岛素需求升高,GPLD1活性增加,从而裂解产生更多蛋白多糖4,随后血清中高浓度的蛋白多糖4与胰岛素受体结合,发挥类胰岛素样作用[31]。

  图2 人体各组织GPLD1基因的表达水平
图2 人体各组织GPLD1基因的表达水平

  另外,GPLD1在体内的表达受胰岛素调节[3]。实验证实,血清GPLD1水平的降低与血清胰岛素水平有关[15]。Schofield等[32]也证实,胰岛素可通过抑制GPLD1的合成,降低糖尿病患者和糖尿病模型鼠的外周循环GPLD1水平,从而改善大鼠血糖水平。

  3.2、GPLD1与癌症

  在一项针对不同恶性肿瘤细胞中GPLD1mRNA表达水平的检测中,发现人卵巢癌细胞系中,GPLD1 mRNA的表达与GPLD1酶的活性以及GPI锚定肿瘤和预后标志物尿激酶受体糖抗原CA125从细胞表面的脱落相关,提示GPLD1在恶性肿瘤循环预后标志物生成中的潜在作用[33]。与之相似,在人类皮肤上皮细胞中,GPLD1 mRNA表达随着肿瘤进展而增加,正常角质形成细胞中GPLD1 mRNA表达较低,人永生化角质形成细胞中,血清显着诱导了GPLD1 mRNA的表达,而在人致瘤性表皮样癌细胞中,GPLD1 mRNA的表达持续升高且不依赖血清。此外,GPLD1在高度恶性肿瘤中的表达显着增加[33]。

  与正常组相比,肝癌患者血清中GPLD1酶活性下降40%,GPLD1蛋白以及mRNA表达量分别减少60%和56%,GPLD1在人肝癌细胞中的过表达增加了细胞杀伤补体依赖细胞毒性的敏感性,降低了细胞增殖能力,促进了细胞凋亡[34]。细胞-骨髓细胞瘤病毒癌基因(cellular-myelocytomatosis viral oncogene,c-Myc)是一个与细胞生长、分化和程序性细胞死亡的调节有关的多功能转录因子,在癌组织中通常表现为过表达[35,36]。研究发现,相比健康小鼠,过表达c-Myc的转基因肝癌小鼠血清GPLD1活性增加了4倍,但其组织活性与正常组相比降低了70%,c-Myc蛋白水解的关键参与者丝氨酸/苏氨酸磷酸酶2A的活性受到相关抑制[37]。体外研究表明,GPLD1通过降低磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B信号通路的活性,抑制肝癌细胞的增殖,促进肝癌细胞的凋亡[38]。

  结肠癌是世界上第四常见的癌症[39]。相关报道显示,结肠癌中GPLD1表达水平与正常组织相比显着升高[40]。激活结肠癌中GPLD1的活性,癌胚抗原表达水平增加,这是因为癌胚抗原被GPI锚定在细胞膜表面,癌胚抗原被裂解数量随着GPLD1活性升高而增加。癌胚抗原是一种广泛使用的肿瘤标记物,其在约90%的晚期结直肠癌中表达上调[41]。从结肠癌细胞中敲除GPLD1可以减少细胞中癌胚抗原的分泌,使用GPLD1抑制剂可以一定程度上抑制结肠癌细胞癌胚抗原的释放,从而减少结肠癌-肝脏转移的风险[42]。与GPI相关的癌胚抗原可能具有免疫防御作用,能保护结肠免受微生物入侵[43]。

  GPLD1蛋白特异性抗体是早期诊断肺癌的有效生物标志物,而编码GPLD1蛋白的核酸特异性引物或探针也可用于肺癌的诊断,当GPLD1过表达时,能抑制肺癌细胞增殖,增强其对补体杀伤的敏感性[44]。

  前列腺素是一种胰蛋白酶样丝氨酸肽酶,在体外能抑制前列腺癌和乳腺癌细胞的侵袭[45,46]。前列腺素在人前列腺上皮细胞中表达为一种GPI锚定的膜蛋白[47]。前列腺素通过GPI锚定和蛋白酶活性依赖性机制调节跨上皮阻力、电流和细胞旁渗透性,GPI锚定对于前列腺素调节上皮钠通道和紧密连接至关重要。这些发现表明,前列腺素可以通过GPLD1裂解GPI锚定蛋白,以细胞特异性的方式动态调节前列腺功能[48]。前列腺干细胞抗原是细胞表面的GPI锚定糖蛋白,在局部和转移性前列腺癌中检测到其过表达,前列腺干细胞抗原对前列腺癌的生长和转移具有显着促进作用[49]49],而前列腺干细胞抗原作为一种细胞表面的GPI锚定糖蛋白,可以被GPLD1裂解并从细胞表面释放,从而在前列腺癌形成过程中扮演重要角色。

  3.3、 GPLD1与神经系统疾病

  GPLD1是一种与阅读障碍相关的基因,对于阅读思维有重要的调节作用[50]。一项研究表明GPLD1基因表达水平与自闭症谱系障碍、语言障碍和阅读障碍相关[51]。阿尔兹海默症是一种起病隐匿的进行性发展的神经系统退行性疾病,其解剖特征是神经元中存在大量神经纤维缠结和淀粉样斑块[52]。越来越多的证据表明,β-淀粉样蛋白在阿尔兹海默症的发病机制中起主要作用,并已成为主要的治疗靶点[53]。错误折叠的β-淀粉样蛋白的积累会导致氧化应激和炎症损伤,导致细胞凋亡[54]。β-淀粉样蛋白能够与液体磷脂双层相互作用,具有与细胞膜相互作用和缠结的倾向,随着时间的推移,β-淀粉样蛋白与细胞膜之间的相互作用将会导致脑细胞膜结构的破坏,从而在大脑自然老化的过程中加速认知障碍的形成[55]。研究发现,阿尔兹海默症患者脑脊液中GPLD1的含量显着低于健康者[56]。β-淀粉样蛋白也是一种锚定在细胞膜上的蛋白质,当GPLD1表达水平降低,裂解GPI锚定蛋白的能力下降,β-淀粉样蛋白细胞膜表面的蛋白质逐渐积累,最终影响阿尔兹海默症的发病进程。

  4、 运动调节GPLD1

  运动通过改变GPI锚定基质的下游信号级联,增加老年小鼠外周循环中GPLD1的浓度[27]。通过等压标记和液相色谱串联质谱分析运动前后小鼠血浆蛋白的浓度发现,与安静组小鼠相比,运动训练组小鼠血液中GPLD1浓度升高,且肝脏中mRNA表达水平也显着上升[14]。研究发现,耐力运动能将糖尿病大鼠血清中上升的GPLD1水平恢复至正常,从而改善血糖[15]。

  5、 总结与展望

  GPLD1是一种主要来自肝脏的具有酶活性的蛋白质,依赖特异性裂解GPI锚定蛋白发挥生物学效应。综合已有的研究结果,GPLD1在诸多慢性疾病的发病进程中起着积极的调节作用,如代谢性疾病、癌症以及神经系统疾病等(表1)。运动可以显着增加循环中GPLD1的浓度,有利于改善年龄相关认知损伤以及促进2型糖尿病大鼠糖代谢。值得注意的是,研究者发现在不运动情况下,仅依靠增加肝脏GPLD1的表达也可以明显改善认知损伤,提示增加外周循环GPLD1浓度可以代替运动的益处,同时也意味着GPLD1具有开发为改善认知损伤药物的潜力。

  表1 GPLD1与慢性疾病的关系
表1 GPLD1与慢性疾病的关系

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