硫酸酯酶代谢障碍所致疾病的研究进展

江 畅 综述，姜晓峰审校

(哈尔滨医科大学附属第四医院检验科，黑龙江哈尔滨 150001)

硫酸酯酶家族参与许多不同的生物学过程，如大分子的降解，激素合成和细胞信号调节等。当硫酸酯酶出现功能异常或发生基因突变时，会导致硫酸酯酶代谢障碍进而引起多种疾病。硫酸酯酶在受到硫酸酯酶修饰因子(SUMF)的翻译后修饰才能发挥其活性。详细了解硫酸酯酶家族的蛋白结构及代谢过程将为这些疾病的诊断、治疗提供新的理论依据。现主要对硫酸酯酶家族成员及硫酸酯酶代谢障碍相关疾病的研究进展予以综述。

1 硫酸酯酶家族概述

1.1硫酸酯酶 硫酸酯酶在原核和真核生物中广泛存在，能催化水解硫酸乙酰肝素蛋白聚糖(HSPG)、硫脂、类固醇类硫酸盐等底物的硫酸酯键。硫酸酯酶由长度为50～800个氨基酸的多肽链组成，在进化中高度保守，具有很高的序列同源性(同源序列占全部序列的20%～80%)和大致相同的三级结构[1]。硫酸酯酶蛋白质结构特征由A、B、C、D 4个结构域组成，其中A、B、C 3个结构域高度保守，并参与N末端结构域的形成，而D结构域则由低度保守的C末端结构域组成[2]。在B结构域中，氨基酸在所有硫酸酯酶中有90%以上的相似性，说明进化限制区域(ECRs)在酶发挥功能的过程中必不可少，并且还发现ECRs含有已知或潜在的水解底物功能，并参与活性位点口袋的形成[2]。有趣的是，硫酸酯酶N末端结构域的三维结构也与碱性磷酸酶蛋白家族具有高度同源性，这表明相同的酶功能可能是由共同的祖先基因进化而来。目前，被发现且已命名的人硫酸酯酶共有17种，分别为芳香基硫酸酯酶(ARS)A、ARSB、ARSC(又称类固醇硫酸酯酶，STS)、ARSD、ARSE、ARSF、ARSG、ARSH、ARSI、ARSJ、ARSK、半乳糖胺(N-乙酰基)6-硫酸酯酶(GALNS)、氨基葡萄糖-6-硫酸酯酶(G6S/GNS)、艾杜糖-2-硫酸酯酶(IDS)、N-磺酰胺硫酸酯酶(SGSH)、硫酸酯酶1(SULF1)、硫酸酯酶2(SULF2)[2]。这17 种硫酸脂酶的活性都受到SUMF的调控。

1.2SUMF SUMF属于硫酸酯酶超家族成员，目前，被发现的SUMF主要有两种，即SUMF1和SUMF2[1]。

SUMF1基因位于3p26，含9个外显子，全长105×103，编码甲酰甘氨酸生成酶(FGE)[3]。FGE是一种由374个氨基酸组成的可溶性糖蛋白，在内质网中生成，并可以被分泌到高尔基体、溶酶体、内涵体及细胞外[4]。FGE可以将硫酸酯酶高度保守基因序列(CXPXR或SXPXR)中的半胱氨酸修饰成甲酰甘氨酸，进而使硫酸酯酶发挥活性，所以，当SUMF1基因发生突变时，会导致硫酸酯酶不能被翻译后修饰，从而引起多种硫酸酯酶缺乏症(MSD)及其他硫酸酯酶代谢异常性疾病[4]。

SUMF2是SUMF1的旁系家族成员，仅存在于脊椎动物体内，可能是由SUMF1基因的一个外显子进化而来，目前，功能尚未明确[1]。SUMF1和SUMF2都存在于细胞内质网的网腔中，是 FGE 家族中的重要修饰因子，两者蛋白的一级结构和空间结构具有很高的一致性，能形成蛋白二聚体负调控甲酰甘氨酸的生成，进而调节硫酸酯酶的活性[5]。由于SUMF2 本身缺乏SUMF1 活性中心的两种半胱氨酸，即Cys336和Cys341，不能使半胱氨酸转换成甲酰甘氨酸，同样无法增强硫酸酯酶的活性，目前，认为SUMF2可能有抑制SUMF1来增强硫酸酯酶活性的作用。

2 硫酸酯酶代谢障碍所致疾病

2.1异染性脑白质营养不良(MLD) MLD是一种常染色体隐性溶酶体贮积症，病因在于ARSA基因突变导致ARSA缺乏活性，无法降解鞘脂3-O-磺基半乳糖神经酰胺，使脑硫脂在组织内大量沉积而引起脑白质及周围神经脱髓鞘等病变。MLD患者一般会逐渐丧失大运动和精细运动功能，甚至瘫痪，认知功能严重下降，最终导致早夭。MLD主要根据患者的临床表现、影像学表现、生化和基因检测的结果诊断。血液标本中ARSA的活性检测是MLD 的筛查试验，但需要注意的是有极少的患者会出现ARSA活性正常的现象，因此，ARSA活性正常并不能排除MLD，需要继续检测患者尿液中脑硫脂排泄量，当尿液中脑硫脂排泄量明显升高则高度提示MLD[6]。除了生化检测外，分子检测也是诊断MLD的重要方法，等位基因c.465+1G>A、c.1283C> T和c.542 T>G是MLD常见的基因突变类型，与ARSA活性的部分或全部破坏有关[7]。总之，ARSA活性降低，尿液中的脑硫脂排泄量增多，以及在ARSA基因中发现致病性突变通常可以确诊MLD[6]。目前，没有针对MLD的特异性治疗方法,基因治疗和酶替代疗法被认为是MLD的潜在治疗方法，但仍需要进一步的研究来评估它们的安全性。

2.2X连锁鱼鳞病(XLI) XLI是一种仅在男性中发现的罕见皮肤病，其特征是在伸肌表面和躯干上出现大片深褐色鳞屑，大多数XLI病例是由X连锁(Xp22.31)的STS基因突变引起STS失活所致[8]。血液和尿液中存在的大多数类固醇是含有硫酸根的缀合物，并不能发挥其活性，需要通过STS将硫酸酯键水解，生成有活性的游离形式胆固醇。胆固醇硫酸盐(CS)和硫酸脱氢表雄酮(DHEAS)是STS的两种已知底物，可以在STS的催化下转化成游离形式的胆固醇和脱氢表雄酮(DHEA)。由于XLI患者缺乏STS，DHEAS无法转换成DHEA,便会出现DHEA缺乏症[9]，同时，CS和氧化胆固醇硫酸盐(OS)的水平会明显升高。通过液相色谱-串联质谱法(LC-MS/MS)测定发现XLI患者血清CS水平比健康人大约高30倍，而DHEAS增加得并不明显[9-10]。有学者认为造成这种现象的原因是由于肠道微生物中也存在类固醇硫酸酯酶，能使一些硫酸化类固醇脱硫，但细菌的类固醇硫酸酯酶似乎无法从CS、OS或任何其他具有27个碳原子的硫酸化类固醇中裂解出硫酸盐，所以，血清中CS、OS的水平依旧会升高，这是XLI的重要诊断依据[11]。SANCHEZ-GUIJO等[12]的研究发现液相色谱-质谱联用(LC-MS)法不需要任何修饰即可检测完整的硫酸化类固醇，或可取代免疫测定法，成为类固醇组学领域中最佳的检测方法。

2.3X-连锁的软骨发育不良(CDPX1) CDPX1是一种以骨和软骨发育异常为特征的先天性疾病，主要表现为特殊面容、鼻部发育不良、听力丧失、身材矮小、支气管软骨钙化等。CDPX1是由于染色体Xp22.3区段中编码ARSE的基因发生突变，引起ARSE缺乏进而导致骨基质发育不良。本病主要靠母亲孕期史、家族史、影像学检查及患儿的临床表现确诊。基因检测是CDPXI的主要诊断方法，通过序列分析发现60%～75%的患者存在ARSE基因突变，通过染色体核型分析鉴定出约25%的患者存在Xp缺失或重排[13]。手术是目前CDPX1的主要治疗方式，尤其是当患者出现脊柱畸形和脊髓压迫等症状时。

2.4黏多糖贮积症(MPS) MPS是非常罕见的单基因代谢紊乱疾病，通常是由于缺乏溶酶体酶(已知有11种溶酶体酶缺乏)[14]，使黏多糖或糖胺聚糖(GAG)不能降解，在组织和器官中异常蓄积，而引起细胞功能障碍，并累及多个器官和系统。在MPS患者中骨骼和中枢神经系统受累最为明显，心脏、呼吸系统、关节、肝脏和脾脏等也受到不同程度的影响，其中GAG的过量储存导致的肝脾肿大为该病的典型特征，其他临床表现还包括多发性骨发育障碍、侏儒症、精神发育迟缓等。MPS可分为Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型(ⅢA、ⅢB、ⅢC、ⅢD)、Ⅳ型(ⅣA、ⅣB)、Ⅵ型、Ⅶ型、Ⅸ型，共7个类型，其中与硫酸酯酶代谢相关的有MPSⅡ型、ⅢA型、ⅢD型、ⅣA型和Ⅵ型[15]。MPSⅡ型(即亨特综合征)是由于IDS基因突变引起的溶酶体酶IDS的活性降低导致硫酸乙酰肝素(HS)和硫酸皮肤素(DS)这两种类型的GAG在不同组织中累积所致。MPSⅢA和ⅢD的基因缺陷分别是SGSH和GNS基因发生缺失。MPSⅣA型，即Morquio A综合征，是由GALNS缺乏导致硫酸角质素(KS)和6-硫酸软骨素降解出现障碍的一种常染色体隐性溶酶体贮积症。MPSⅥ型，即Maroteaux-Lamy综合征，是由ARSB缺乏引起的常染色体隐性溶酶体贮积症。

MPS的诊断分为3个连续的过程：(1)通过二甲基亚甲蓝(DMB)比色法来测定尿液中总GAG的水平，该方法可作为MPS的筛查试验，但不能区分MPS的类型，有时会出现假阳性或假阴性的结果；(2)二维电泳定性检测，这是鉴定MPS类型最常见的方法；(3)白细胞酶活性测定，建议酶活性水平低于健康人群平均水平5%的患者进行基因检测以确诊[16-17]。有研究表明，通过LC-MS/MS法检测尿中DS、HS和KS等几种GAG衍生的分子标志物，比DMB法测定尿中GAG总排泄量具有更高的灵敏度和特异度，是MPS很有前景的精准诊断手段[16]。由于MPS的进行性，在发生不可逆器官损伤之前启动酶替代治疗或造血干细胞移植(HSCT)有助于改善临床预后，因此，通过针对高危人群或新生儿的筛查程序进行早期诊断非常重要。另外，酶替代治疗虽然可以有效缓解躯体症状，但因为治疗酶不能穿过血脑屏障，所以，对中枢神经系统病变无效，还需继续开发MPS的其他疗法，如基因编辑技术(CRISPR)[18]。

2.5MSD MSD是一种非常罕见的常染色体隐性遗传病，最早于1964年由AUSTIN发现。MSD是由于SUMF1基因突变，使半胱氨酸翻译后不能被修饰为甲酰甘氨酸，导致硫酸酯酶错误折叠而失去活性，引起硫酸酯类底物在细胞中异常堆积，损伤细胞功能而出现的一系列复杂的临床表现[19]。由于所有已知的17种细胞硫酸酯酶都受到FGE缺陷的影响，所以MSD的临床表现和病程由每种 MSD(即MLD、XLI、MPS)的症状组合构成，包括面容粗陋、骨发育不良、鱼鳞病、心肺异常、智力低下、神经发育迟缓等[20-21]。SUMF1基因突变的检测是诊断MSD的重要手段，目前，在MSD患者中已经发现的SUMF1突变有30余种，其中大部分为错义突变[22]。生化酶学检测是确诊MSD的主要方法，通常MSD患者血浆、白细胞或成纤维细胞中的ARSA、ARSB、ARSC、IDS、GALNS 这几种酶的水平和活性均明显降低，如果检测到3种以上硫酸酯酶活性明显降低可确诊MSD[23]。MSD患者需要面对一系列复杂的健康问题，但不幸的是MSD尚无有效的医治方法，迄今为止，还未建立MSD患者预防保健和生活质量的综合护理计划。

值得注意的是，MSD等类固醇硫酸酯酶代谢异常的患者往往比健康人群更易患过敏性疾病，如过敏性鼻炎和过敏性哮喘[24]。

3 硫酸酯酶家族与过敏性哮喘的关系

哮喘是一种以慢性气道炎性反应为特征，同时伴有频率和强度随时间变化的呼吸道症状病史(如喘息、气短、胸闷和咳嗽)，以及可变性呼气气流受限的一种异质性疾病。目前，根据病理特征和临床表现将哮喘分为过敏性哮喘、非过敏性哮喘、迟发性哮喘、哮喘伴持续性气流受限和肥胖性哮喘，其中以过敏性哮喘最为常见。过敏性哮喘以尘螨、真菌、花粉等过敏原诱导的Ⅱ型变态反应及其导致的嗜酸性粒细胞炎性反应和气道高反应性为主要病理特征[25]。

有研究发现，哮喘动物模型的气道上皮细胞中 SUMF2表达下降，且通过酵母双杂交技术筛选时发现，SUMF2是与白细胞介素(IL)-13相互作用的蛋白质[26]。KANDHARE等[27]发现抗过敏药物莫林可以通过激活SUMF2抑制IL-13的表达，下调Th2-细胞因子、白三烯B4受体2(BLT2)、NF-κB和IgE水平，进而起到治疗过敏性哮喘的作用，且SUMF2、IL-13在哮喘好转后可以恢复到接近正常水平。说明SUMF2可能通过IL-13而发挥抑制Th2型炎性反应的作用，且随着炎性反应的进展而变化。WEIDNER等[28]发现SUMF1的多态性与以Th1型炎性反应为主的慢性阻塞性肺疾病(COPD)有关,且SUMF1的SNPs会增加COPD的患病风险。SUMF在这两种疾病中截然不同的两种变化可能成为区分二者的潜在靶点。

4 展 望

硫酸酯酶代谢障碍所致的疾病极为罕见，一般累及多个系统，临床表现复杂。虽然此类疾病的治疗目前仍是医学界的难题，但酶替代治疗和基因治疗颇具前景，最近有研究通过联合应用依泽替米贝和普仑司特可以提高GALNS的活性，从而起到治疗Morquio A综合征的效果[29]。目前，在欧洲多个国家和美国已经开展了由AAV介导的MPS体内基因治疗的研究，并于2019年1月启动了Ⅰ/Ⅱ期临床实验[30]。相信随着对硫酸酯酶代谢途径的深入研究，会挖掘出更多有前景的治疗方法。此外，硫酸酯酶家族的成员在生长发育和信号转导中发挥着重要作用，并且在许多癌症中都发生失调。硫酸酯酶家族与恶性肿瘤的发生、发展密切相关，并有希望成为新的治疗靶点和肿瘤标志物。在以Th2炎性反应为主要表现的过敏性哮喘中发现气道中SUMF2表达下降，SUMF1/SUMF2 表达比例的变化可能会改变气道上皮细胞Th2炎性反应相关特征的状态。SUMF2可能是哮喘的一个潜在保护因子，是连接哮喘代谢变化与炎性反应变化的一个桥梁。目前，对于SUMF2是如何调控Th2反应的具体机制尚不明确，SUMF2能否成为未来治疗哮喘的靶点，是未来进一步研究的重点。虽然传统意义上讲，过敏性哮喘并非硫酸酯酶代谢性疾病，但可以看出过敏性哮喘患者体内的硫酸酯酶代谢出现了异常，继续深入研究哮喘发病过程中硫酸酯酶的代谢情况，可为哮喘的病因学研究和治疗提供新的思路。