人类蛋白质二硫键异构酶家族研究进展*

黄子芮，潘黎明，盛梦婷综述，李俊明审校（三峡大学人民医院，湖北宜昌443000）

·综述·

人类蛋白质二硫键异构酶家族研究进展*

黄子芮，潘黎明，盛梦婷综述，李俊明△审校（三峡大学人民医院，湖北宜昌443000）

蛋白质二硫键异构酶；内质网；基因；综述

蛋白质二硫键异构酶（protein disulfide isomerase，PDI）家族是硫氧还蛋白（thioredoxin，TRX）超家族中的成员，均含有TRX样结构域，主要存在于细胞内质网中，促蛋白巯基-二硫键转换，调节二硫键的氧化还原状态，帮助二硫键形成、破坏与重排。PDI家族主要在促蛋白折叠、翻译后修饰上发挥重要作用，与未折叠蛋白反应（unfolded protein response，UPR）密切相关，而UPR与多种疾病的发生、发展密不可分，如2型糖尿病、阿尔茨海默病、帕金森、肿瘤等。进一步认识蛋白折叠的机制，尤其是PDI家族成员对蛋白质成熟中二硫键的形成，可能给UPR导致的疾病治疗途径提供新思路。

目前，持续内质网应激（endoplasmic reticulum stress，ERS）、UPR依然是研究热点，UPR与多种疾病的发生、发展密切相关，如糖尿病、神经退行性疾病、癌症等［1］。ERS时未折叠与错误折叠蛋白的累积，引起的UPR又会导致ERS加剧；而二硫键的形成是内质网多肽折叠和蛋白翻译后修饰的重要步骤［2］，是影响未折叠蛋白的关键步骤之一。二硫键为形成半胱氨酸残基侧链间的共价键，对于蛋白成熟至关重要，其可以影响1/3的真核生物蛋白形成［3-4］。大部分PDI家族成员则主要通过改变蛋白质二硫键的状态发挥相应生理学功能［5］。本文将对部分人类PDI家族蛋白的结构、表达、生物学功能及PDI家族蛋白与相关疾病的研究进展展开阐述。

1　PDI家族成员结构及功能特征

PDI家族是TRX超家族中的成员，均含有TRX样结构域，其中包含有催化活性的a结构域，与无催化活性的b结构域。a结构域中CXXC催化中心的2个半胱氨酸残基的侧链是自由巯基，也可以形成1对二硫键。b结构域不含催化中心，无氧化还原酶活力，但有与底物结合等功能［6-7］。目前，PDI家族包含了21个基因编码的蛋白［5］，但是其蛋白大小、表达、定位及蛋白功能上不尽相同，PDI家族蛋白翻译信息见表1。

PDI家族蛋白主要在内质网中大量表达，也有少量成员在其他亚细胞结构中被检测到［8］。由于其定位均存在短的NH2末端信号肽。它们的典型多肽拥有15～30个氨基酸长度，并被分裂后进入内质网［9］，这就导致了许多PDI蛋白家族在序列上的不同，既有相似的生物学结构和功能又有各自细微不同的差别。那么，提高对该家族各个成员从结构到生物学功能的认识，也将成为治疗相关疾病的新靶点。

2　人类PDI家族成员

2.1PDIPDI是Goldberger等于1963年发现的，为最早被研究的PDI家族成员，由位于染色体上17q25的P4HB基因编码表达而来［10］。PDI由508个氨基酸组成，包含了17个氨基酸信号肽和4个TRX样结构域［6］。PDI几乎存在于人体所有组织，而且在细胞蛋白中以0.8%高表达［11］。目前对于PDI的结构研究比较详细，多种生物学功能逐步被发现，主要是在内质网中由其催化活性位点完成二硫键的氧化还原、异构及促蛋白正确折叠的分子伴侣功能［12］。近期研究提示，PDI在rs876016和rs2070872位点的单核苷酸多态性与退行性神经病变之一散发性肌萎缩侧索硬化症密切相关［13-14］。PDI作为分子伴侣，有氧化还原活性，在内质网中影响蛋白的正确折叠，促进退行性神经疾病的发生，已经证明LOC14作为PDI抑制剂可以在细胞层面促PDI氧化态的发生，从而发挥其对神经细胞的保护作用［15］。Androwiki等［16］的实验结果表明，PDI通过对阻力血管氧化应激Nox1 NADPH信号通路来影响高血压疾病发展。目前，就PDI在心血管及神经系统里面的生理作用依然是研究热点。

2.2PDIA2PDIA2由位于染色体16p13.3的PDIA2基因编码，含有525个氨基酸。PDIA2在胰腺组织中高表达，与PDI比较，其氧化还原酶与异构酶活性稍弱［17］。PDIA2可以增加啮齿类动物及胰腺组织雌激素受体介导的一系列转录活动，对内源性雌激素有富集作用［18］。

2.3PDIA3PDIA3由位于染色体15p15的PDIA3基因编码，含有505个氨基酸。PDIA3在多种组织中均有表达，如肝、胎盘、胰腺、肺、心脏与骨骼等。1，25二羟维生素D3是骨骼发育的关键调节因子，PDIA3发挥多种蛋白酶功能与前者在细胞膜表达相关，通过PDIA3-PKC信号通路作用，高表达的PDIA3激活1，25二羟维生素D3及下游PKC信号促进骨骼生长［19-20］。

2.4PDIA4PDIA4由位于染色体7q35的PDIA4基因编码，含有645个氨基酸。PDIA4主要在内质网中表达，也在细胞膜被检测到，与PDIA3结构上高度相似，但拥有5个TRX样结构域。目前，对于PDIA4生理学功能研究并不透彻，有研究提示，ERS可以诱发其表达，能与NOX-1相互作用；实验提示，ERp72通过直接绑定霍乱毒素，防止毒素被胰蛋白酶消化；ERp72可能通过共价二硫键绑定突变的甲状腺球蛋白［21］。

表1　人类PDI家族成员表

2.5AGR2AGR2也是一个被研究较透彻的PDI家族成员之一，由位于染色体7p21.3的AGR2基因编码，含有175个氨基酸，在肺、气管、胃、胰腺、结肠、小肠及前列腺均有表达。AGR2表达失衡对哺乳动物疾病影响是其研究热点，尤其在癌症和耐药性、哮喘、炎症性肠病邻域［22］。AGR2与乳腺癌状态下雌激素受体表达和抗肿瘤转移性密切相关，通过和胰岛素样生长因子1的相互作用有望成为抗乳腺癌的治疗靶点［23］。

2.6calsequestrin-1calsequestrin-1由CASQ1基因编码，含有396个氨基酸，只在骨骼肌的肌浆网中检测到其表达。其是一个有意思的PDI家族成员，不含有催化二硫键氧化还原与异构的活性位点，但是类似一些PDI家族成员拥有与储存Ca2+密切相关的能力；而Ca2+主要在内质网中存在，与蛋白折叠、翻译后修饰、脂类和甾醇合成功能密切相关［24］。体外研究提示，calsequestrin-1通过肌浆网上ryanodine受体（RYR）相互作用，直接影响Ca2+释放，与恶性高热的发生相关［25-26］。

2.7calsequestrin-2calsequestrin-2由CASQ2基因编码，含有399个氨基酸，结构与同系物calsequestrin-1高度相似。CASQ2蛋白只在心肌中表达，在心肌肌浆网中主要表现为储存Ca2+功能，并且与RYR2相互作用和Ca2+释放相关［27］。CASQ2与心律失常之间的关系被深入研究［28］，CASQ2的减少及其基因多态性与心律失常、心脏骤停、充血性心力衰竭等密切相关。

2.8其他PDI家族成员DNAJC10也可由ERS诱导表达，具有修复错误折叠蛋白及催化二硫键异构的功能［29］，但其活性只有PDI的1/3；近期研究表明，ERdj5与视紫红质突变引起的视网膜色素变性相关［30］。对于ERp27的基因及蛋白结构分析比较清楚，但对其生物学功能知之甚少，目前仅了解到其与ERp57相互作用［4］。研究表明，ERp29与多种肿瘤发生相关，其中与原发性肿瘤的发展呈负相关，作为肿瘤抑制剂促进乳腺癌细胞生长停滞，可以抑制内皮癌的远处转移［31］，桑旭等［32］研究提示ERp29可能是个潜在的抑癌基因，胃癌组织中ERp29表达与患者预后有关，可作为一个预测胃癌预后的潜在指标，但其具体作用机制仍然不清，有待研究。ERp44在内质网调节Ca2+的释放，参与蛋白的成熟折叠过程，敲除HeLa细胞的ERp44可以通过内质网应激增加细胞凋亡产生［33］；ERp44可能通过干预脂联素的多聚化，从而影响其抗炎、抗糖尿病、抗动脉粥样硬化［34］。可见，ERp44在糖尿病、心血管疾病发生中发挥重要作用，其具体影响机制仍然有待研究。

3　小　结

PDI家族主要位于细胞内质网中，发挥促蛋白氧化还原、异构、分子伴侣的作用，参与蛋白的折叠与成熟过程，而PDI家族成员众多，不同成员之间虽有共同的TRX样结构域，但生物学功能不尽相同，酶活性也有强弱差别。当前，PDI家族作为研究热点还有很多未知的功能，与糖尿病、缺血性心肌病、帕金森病、消化系统疾病、肿瘤等疾病的发生、发展作用机制有待进一步研究，为各个疾病提供新的诊疗计划。

［1］黄亨平，吴明松.内质网应激—肿瘤治疗的新靶点［J］.现代医药卫生，2014，30（17）：2600-2603.

［2］Parakh S，Atkin JD.Novel roles for protein disulphide isomerase in disease states：a doubleedged sword［J］.FrontCellDev Biol，2015，3：30.

［3］Hatahet F，Ruddock LW.Protein disulfide isomerase：a criticalevaluation of its function in disulfide bond formation［J］.Antioxid Redox Signal，2009，11（11）：2807-2850.

［4］Kober FX，KoelmelW，Kuper J，etal.The crystalstructureof the proteindisulfide isomerase familymember ERp27 provides insights into its substratebinding capabilities［J］.JBiolChem，2013，288（3）：2029-2039.

［5］Galligan JJ，Petersen DR.The human protein disulfide isomerase gene family［J］.Hum Genomics，2012，6：6.

［6］Appenzeller-Herzog C，Ellgaard L.The human PDI family：versatility packed into a single fold［J］.Biochim Biophys Acta，2008，1783（4）：535-548.

［7］Ellgaard L，Ruddock LW.Thehuman protein disulphide isomerase family：substrate interactions and functional properties［J］.EMBO Rep，2005，6（1）：28-32.

［8］Turano C，CoppariS，AltieriF，etal.Proteinsof the PDIfamily：unpredicted non-ER locations and functions［J］.JCell Physiol，2002，193（2）：154-163.

［9］Rapoport TA.Protein transport across the endoplasmic reticulum membrane：facts，models，mysteries［J］.FASEB J，1991，5（13）：2792-2798.

［10］Tasanen K，Parkkonen T，Chow LT，etal.Characterization of the humangene forapolypeptide thatactsboth as thebeta subunitofprolyl4-hydroxylase and as protein disulfide isomerase［J］.JBiol Chem，1988，263（31）：16218-16224.

［11］Ferrari DM，Söling HD.The protein disulphide-isomerase family：unravellingastringof folds［J］.Biochem J，1999，339（Pt1）：1-10.

［12］Muller C，Bandemer J，Vindis C，et al.Protein disulfide isomerasemodification and inhibition contribute to ER stress and apoptosis induced by oxidizedlow density lipoproteins［J］.Antioxid Redox Signal，2013，18（7）：731-742.

［13］Yang Q，Guo ZB.Polymorphisms in protein disulfide isomerase are associated with sporadic amyotrophic lateralsclerosis in the Chinese Han population［J］.Int JNeurosci，2015-08-18［2015-10-10］.http：//www.ncbi.nlm. nih.gov/pubmed/？term=Yang+Q%2C+Guo+Z.+Polymorphisms+in+protein +disulfide+isomerase+are+associated+with+sporadic+amyotrophic+lateral +sclerosis+in+the+Chinese+Han+population.

［14］Gonzalez-PerezP，Woehlbier U，Chian RJ，etal.Identification of rareprotein disulfide isomerasegene variants in amyotrophic lateral sclerosis patients［J］.Gene，2015，566（2）：158-165.

［15］Kaplan A，GaschlerMM，Dunn DE，etal.Smallmolecule-induced oxidation of protein disulfide isomerase is neuroprotective［J］.Proc Natl Acad SciUSA，2015，112（17）：E2245-2252.

［16］Androwiki AC，Camargo Lde L，Sartoretto S，et al.Protein disulfide isomerase expression increases in resistance arteries during hypertension development.Effectson Nox1 NADPH oxidase signaling［J］.Front Chem，2015，3：24.

［17］KurisakiH，Nagao Y，NagafuchiS，etal.Autoimmune gastro-pancreatitis with anti-protein disulfide isomerase-associated 2 autoantibody in AiredeficientBALB/cAnNmice［J］.PLoSOne，2013，8（8）：e73862.

［18］Fu XM，Zhu BT.Human pancreas-specific protein disulfide isomerase homolog（PDIp）is an intracellular estrogen-binding proteinthatmodulates estrogen levelsand actions in targetcells［J］.JSteroid Biochem Mol Biol，2009，115（1/2）：20-29.

［19］Wang Y，Chen J，Lee CS，etal.Disruption of Pdia3 gene results in bone abnormality and affects 1alpha，25-dihydroxy-vitamin D3-induced rapid activation of PKC［J］.JSteroid Biochem Mol Biol，2010，121（1/2）：257-260.

［20］Wang Y，Nizkorodov A，Riemenschneider K，etal.Impaired bone formation in Pdia3 deficientmice［J］.PLoSOne，2014，9（11）：e112708.

［21］Kozlov G，Määttänen P，Schrag JD，etal.Structureof the noncatalytic domainsand global fold of the protein disulfide isomerase ERp72［J］.Structure，2009，17（5）：651-659.

［22］Brychtova V，Mohtar A，Vojtesek B.Mechanisms of anterior gradient-2 regulation and function in cancer［J］.Semin Cancer Biol，2015，33：16-24.

［23］LiZ，Wu Z，Chen H，etal.Induction ofanteriorgradient2（AGR2）playsa key role in insulin-likegrowth factor-1（IGF-1）-induced breastcancer cell proliferation andmigration［J］.Med Oncol，2015，32（6）：577.

［24］Coe H，Michalak M.Calcium binding chaperones of the endoplasmic reticulum［J］.Gen Physiol Biophys，2009，28（Spec No Focus）：F96-F103.

［25］Dainese M，Quarta M，Lyfenko AD，et al.Anesthetic-and heat-induced sudden death in calsequestrin-1-knockout mice［J］.FASEB J，2009，23 （6）：1710-1720.

［26］Zhao X，Min CK，Ko JK，etal.Increased store-operated Ca2+entry in skeletal muscle with reduced calsequestrin-1 expression［J］.Biophys J，2010，99 （5）：1556-1564.

［27］Gyrke I，Hester N，Jones LR，etal.The role of calsequestrin，triadin，and junctin in conferring cardiac ryanodine receptor responsiveness to luminalcalcium［J］.Biophys J，2004，86（4）：2121-2128.

［28］RefaatMM，AouizeratBE，Pullinger CR，etal.Association of CASQ2 polymorphismswith sudden cardiac arrest and heart failure in patientswith coronary artery disease［J］.HeartRhythm，2014，11（4）：646-652.

［29］Oka OB，Pringle MA，Schopp IM，et al.ERdj5 is the ER reductase that catalyzes the removal of non-native disulfides and correct folding of the LDL receptor［J］.MolCell，2013，50（6）：793-804.

［30］Athanasiou D，Bevilacqua D，Aguila M，et al.The co-chaperone and reductase ERdj5 facilitates rod opsin biogenesisand quality control［J］.Hum MolGenet，2014，23（24）：6594-6606.

［31］Chen S，ZhangD.Friend or foe：Endoplasmic reticulum protein29（ERp29）in epithelialcancer［J］.FEBSOpen Bio，2015，5：91-98.

［32］桑旭，张甲，袁光金，等.内质网分子伴侣29在胃癌中的表达及临床意义研究［J］.中华全科医学，2013，11（7）：1021-1023.

［33］Chang Y，Wu Y，LiuW，etal.Knockdown of ERp44 leads toapoptosisvia activation of ER stress in HeLa cells［J］.Biochem Biophys Res Commun，2015，463（4）：606-611.

［34］Hampe L，Radjainia M，Xu C，et al.Regulation and Quality Control of Adiponectin Assembly by Endoplasmic Reticulum Chaperone ERp44［J］. JBiolChem，2015，290（29）：18111-18123.

10.3969/j.issn.1009-5519.2016.02.016

A

1009-5519（2016）02-0206-03

国家自然科学基金资助项目（81270280）；三峡大学研究生科研创新基金项目（三峡大研［2014］20号）。

，E-mail：lijunming@medmail.com。

2015-10-25）