食物过敏原蛋白家族分类及其结构特点

2012-01-24 13:03徐国强倪海东
质量安全与检验检测 2012年5期
关键词:酪蛋白源性过敏原

徐国强 倪海东 杨 明 苏 波

(浦东出入境检验检疫局 上海 200135)

1 前言

近年来,随着食品生产工业化程度的提高,转基因技术的发展和转基因食品的普及,食物过敏性疾病发病率呈不断增长的趋势,已成为危害民众特别是儿童身心健康的一种常见慢性疾病,严重者甚至会危及生命。世界卫生组织(WHO)将食物过敏列为影响人们健康的第六大问题,对食物过敏原的研究亦已成为全球关注的公共问题之一。目前,食物过敏问题尚未引起我国政府及学者的足够重视,国内对食物过敏原的研究和关注与国外发达国家相比还有着较大差距,因此,食物过敏原已成为影响我国民众健康的潜在性危险因素。全面了解食物过敏原的三维结构、生物活性和稳定性等特点将有助于科学评估食物过敏反应风险,改善饮食习惯。

2 食物过敏原的确定

在过去的数十年,已有上百种植物源性和动物源性食物过敏原的结构特点得到确认,主要存在于少数蛋白质家族。R D Finn等运用后基因组序列生物信息学分析方法,对Pfam数据库已确定的11192个蛋白质家族和植物源性食物过敏原进行了序列分析比较,结果显示临床已知的927个植物源性食物过敏原属于27个蛋白质家族[1],其中65%归属在醇溶蛋白超家族、Cupin超家族、Bet v 1家族和profilins家族中。动物源性食物过敏原主要集中于原肌球蛋白家族、钙离子结合蛋白家族和酪蛋白家族这3个蛋白质家族中[2]。因此,与生物界存在的大量各种各样蛋白质相比,食物过敏原蛋白质仅占很小一部分,说明蛋白质保守的结构和生物活性决定蛋白质过敏的特点。虽然目前对产生过敏反应的分子基础尚不清楚,但从现有研究结果看,蛋白质的过敏性取决于多方面的因素,包括蛋白质的家族属性、三维结构、生物活性和对消化的稳定性。

3 植物源性食物过敏原蛋白质家族

3.1 Cupin 超家族(Cupin Superfamily)

Cupin来源于拉丁语“cupa”,是一个具有多种功能蛋白的家族,广泛分布于真菌、高等植物和动物,结构上有至少6个β-折叠形成的桶状结构[3];其三级结构具有耐热性,可以储存氨基酸;根据蛋白质中含有Cupin结构域的数目又将它们分成不同的Cupin亚群[4]。具有2个Cupin结构域的蛋白质最初在高等植物种子储藏蛋白中被发现,分为7S球蛋白三聚体(豌豆球蛋白)和11S球蛋白六聚体(豆球蛋白),这两类蛋白质代表双子叶植物种子的主要成分,对人类具有营养价值,是其重要的蛋白质来源。7S和11S球蛋白大约只有35% -45%的序列相同,但在结构上却具有高度的相似性[5]。7S球蛋白三聚体分子量约150-190KD,花生过敏原Ara h1、核桃过敏原Jur r 2、芝麻过敏原Ses i s均属于该蛋白质;属于11S球蛋白的有花生过敏原Ara h 3、巴西坚果Ber e 2、荞麦过敏原Fag e 1[6]。近来研究发现,在红豆中存在5种过敏原,Caj c 1、Caj c 2、Caj c 3、Caj c 4、Caj c 5均属Cupin超家族。Caj c 1与红豆β球蛋白的α链在结构上具有很高的同源性,而Caj c 2、Caj c 3、Caj c 4、Caj c 5 与黄豆 β 球蛋白的α亚基在结构上有显著的序列相似性。因此,红豆与绿豆、黄豆、鹰嘴豆存在交叉过敏反应[7]。绿豆中已确定的3种过敏蛋白质分别为VIG R 2、VIG R 3、VIG R 4,它们与扁豆、豌豆等中的已知过敏原表现出显著的序列相似性[8]。

3.2 醇溶蛋白超家族(Prolamin Superfamily)

醇溶蛋白超家族包括4种植物源性食物过敏原蛋白,分别是谷物的种子贮藏醇溶蛋白、非特异性脂质转移蛋白、α-淀粉酶蛋白酶抑制剂和2S清蛋白。这个家庭成员的特点是存在8个半胱氨酸残基保守骨架,三维结构拥有由二硫键连接4个α-螺旋组成的一个相对折叠区域,对热加工和蛋白水解稳定;具有相同三维结构的不同蛋白,其氨基酸序列相似性较低。

3.2.1 种子贮藏醇溶蛋白(Prolamin seed storage proteins)

谷物,特别是小麦都有引起职业过敏的文献记载,例如面包师的哮喘和腹腔疾病。尽管人们普遍认为谷物是重要的致过敏食物,而且50%的谷物蛋白是醇溶蛋白,但是它们诱发IgE介导过敏反应的文献报告很少,到目前为止,只有小麦诱发过敏性皮炎的报道[9],其中醇溶蛋白和麦谷蛋白等被认为是主要过敏原[10]。

3.2.2 非特异性脂质转移蛋白(non-special lipid transfer proteins,nsLTPs)

nsLTPs是一类小分子可溶性蛋白,在高等植物中占全部可溶性蛋白的4%[11],是存在于蔷薇科水果中的主要食物过敏原,如桃(Pru p 3)、苹果(Mal d 3)、杏(Pru ar 3)和(Pru d 3)等[12],也广泛存在于其他植物源性食物中,如蔬菜、谷物、坚果,且这些过敏原同源性较高。根据分子量大小,植物nsLTPs可分为2大类,nsLTP1和 nsLTP2,分子量分别为9kDa和7kDa,它们的作用是在细胞膜间促进磷脂运输。nsLTPs具有良好的稳定性,在4℃可贮存数月之久,在100℃ 高温下结构不发生变化,对酶消化具有很高的稳定性,经过胃肠道消化后仍然保留其免疫原性和致敏性。其结构特点是有4个α-螺旋的紧凑结构,内部通过4个二硫键对空间结构进行稳定。对nsLTPs过敏的患者往往是通过特异性的IgE介导过敏反应,产生严重的过敏症状。因此,nsLTPs-特异性IgE被视为一个危险因素,目前正在探索把它作为过敏反应的诊断标志物。近来,Masako Toda等通过对桃nsLTP的Pru p 3的研究,发现破坏Pru p 3蛋白的结构能显著降低消化的稳定性、抗原性和致敏性,并认为结构上展开的Pru p 3具有低致敏性,可能作为桃过敏患者治疗的候选疫苗[13]。

3.2.3 α -淀粉酶/胰蛋白酶抑制剂(α -Amylase/trypsin inhibitors)

α-淀粉酶/胰蛋白酶抑制剂主要存在于谷物,可通过呼吸道引起人体过敏,从而引发职业性过敏如面包师哮喘(小麦、大麦和黑麦);或通过胃肠道引起食物过敏(小麦、大麦和大米)。米粒中最主要的过敏原是α-淀粉酶抑制蛋白[14],玉米和啤酒(来源大麦)的过敏原也是属于α-淀粉酶抑制蛋白家族[15,16],分子量约 16 kDa。胰蛋白酶抑制剂广泛存在于豆类、谷物中,主要分布于这些作物的种子中,特别在大豆和绿豆中含量丰富。

3.2.4 2S清蛋白(2S-albumins)

2S清蛋白存在于许多单、双子叶植物物种中,对植物抵御真菌的攻击有一定的保护作用。近年来,这个蛋白家族的一些成员被认为是主要的食物过敏原,具有与过敏患者血清中IgE高度结合的能力[17],例如黄芥末 Sin a 1、巴西和英国核桃 Ber e 1、Jug r 1、花生 Ara h 2 和 Ara h 6。

3.3 Bet v 1同源蛋白(Bet v 1 homologous proteins)

Bet v 1同源蛋白家族遍布整个植物王国,大小约为154-160个氨基酸残基的多肽,由8个亚家族构成[18],拥有很高的序列相似性,包括疾病相关蛋白家族10(PR-10)、乳胶蛋白和参与生物碱合成的蛋白质。桦树花粉过敏原Bet v 1是这个家族的代表性成员,90%桦树花粉过敏的患者都是由它引起过敏症状[19]。在一般情况下,这些蛋白质编码基因形成了一个多基因家族,例如苹果PR-10,至少有18种不同的基因对Mal d 1编码,其位置位于染色体的不同区域[20]。对樱桃 Bet v 1、Pru av 1、芹菜Api g 1和萝卜Dau c 1进行X -射线结构分析,显示它们都有一个共同特点,即整体折叠形成七股反平行β-折叠[21,22]。Bet v 1同源蛋白在桦树花粉、成熟水果(苹果、梨、樱桃和蔷薇科的其他成员)、植物根茎(胡萝卜等)、植物鳞茎及芹菜等中均有表达。此外,遭受病原体攻击后或在逆境中生长的植物,Bet v 1同源蛋白的表达可能增加。Bet v 1同源蛋白同时还是潜在的吸入性过敏原,最初对花粉过敏的患者中多数往往发展成对水果(苹果、梨、樱桃、猕猴桃、菠萝蜜)、坚果(榛子)和蔬菜(胡萝卜、芹菜、香菜)中的 Bet v 1同源蛋白产生过敏反应[23],但产生的过敏症状通常比较温和,限于口腔,概括为口腔过敏综合征。Bet v 1同源蛋白(即使较远相关的植物物种)序列具有较高同源性,空间上有着相似的三维结构,这可以解释为什么IgE介导的交叉过敏反应与相关花粉食物过敏综合征临床症状一致。在一般情况下,Bet v 1同源蛋白对pH值的变化具有不稳定性,对热处理有抵抗作用,因此水果和蔬菜的Bet v 1相关蛋白在大多数情况下仅引起轻微的局部症状。

3.4 抑制蛋白(Profilins)

抑制蛋白存在于所有真核细胞中,是细胞溶质蛋白。作为肌动蛋白的结合蛋白[24],在调节细胞内的运输、细胞形态和分裂过程中可能会起到关键作用。抑制蛋白的编码基因形成了一个基因家族[25],因此植物抑制蛋白的序列同源性很高,超过75%序列相似,并且其序列长度也很保守,大约14 KDa。大量的抑制蛋白基因在不同的植物,如小麦、菜豆、西红柿、牧草中被克隆,其免疫学特性也有研究。1991年,桦树的次要过敏原Bet v 2被鉴定为抑制蛋白,从而引起了过敏研究者对它的关注。作为过敏原的抑制蛋白主要存在于植物花粉、水果和蔬菜中,如梨Pyr c 4、樱桃Pru av 4、桃Pru p 4等。一般估计10%-20%的桦树花粉过敏患者显示抑制蛋白过敏症状,因此抑制蛋白过敏被视为与花粉相关的食物过敏的一个潜在的风险。Asero等[26]通过研究一组对水果和蔬菜过敏的患者,发现抑制蛋白致敏和甜瓜、柑橘类水果、香蕉和番茄引起的临床过敏之间存在关联,不同植物间这种抑制蛋白序列和结构上的相似性易产生IgE介导的过敏交叉反应。体外实验对芹菜抑制蛋白的Mal d 4和Cuc m 2进行加热、放射和超高压处理,IgE的结合活性并没有受到影响;然而,当pH值降低或在胃液中消化,抑制蛋白很容易降解,不显示进一步的过敏性活动[27,28]。水果中抑制蛋白较难纯化,仅有少数重组蛋白报道。

3.5 其他植物源性食物过敏原家族

其他植物源性过敏原属于分布较少的过敏原家族。Oleosins被认为是有助于稳定植物存储结构的蛋白质组成部分,近年来确定对豆类、坚果和种子[29-31]的过敏来自Oleosins。植物遭受病原体侵染时,发病过程中相关蛋白的数量会增加。令人惊奇的是,相当数量的食物过敏原来源于各种与发病机制相关的蛋白家族,如各类几丁质酶、β-1,3-葡聚糖酶和类甜蛋白[32]。几丁质酶的活性是由220-230个氨基酸残基形成的催化结构域所决定[33],主要分布于巴西橡胶乳、鳄梨Pers a 1、板栗Cas s5、葡萄Vit v 5[34]。另一类植物防御蛋白是由β-1,3葡聚糖酶组成,这类糖基水解酶有一个(αβ)8桶状结构,大小在25-35 kDa,主要作用是催化水解β-1,3-葡聚糖中的1,3-β-D-葡萄糖苷键,因此被认为是在预防植物病原微生物中发挥作用。但它们也作用于未受感染植物的生理和发育过程,如花粉形成和花粉管生长,营养、果实成熟,种子萌发。此外,它们还对损伤、寒冷、臭氧和紫外线的辐射产生反应。这个蛋白家族的过敏原存在于鳄梨、香蕉、栗子、无花果、猕猴桃[35]以及吸入性过敏原橄榄花粉[36]和乳胶[37]中。类甜蛋白是一类在恶劣条件下大量积累的抗真菌蛋白,可以增强植物抵抗冰冻和干旱逆境的能力,但全部功能尚不清楚。类甜蛋白分子量约20kDa,结构上形成反平行β-折叠,通过8个二硫键使结构稳定[38]。由于二硫键形成的刚性结构,他们能经受耐热处理和蛋白降解[39]。病程相关蛋白家族的过敏原已发现在多种水果中存在,如樱桃(Pru av 2)、苹果(Mal d 2)、猕猴桃(Act d 2-绿色猕猴桃,Act c 2-金奇异果)、橙、葡萄、柿子椒(Cup a 1)[39]。

4 动物源性食物过敏原蛋白质家族

4.1 原肌球蛋白(Tropomyosin)

原肌球蛋白存在所有真核细胞,是高度保守的α-螺旋蛋白。它们由2套7个肌动蛋白结合位点形成两个平行的双螺旋结构,在横纹肌细胞中促进肌钙蛋白和肌动蛋白之间的相互作用从而调节肌肉收缩[40]。原肌球蛋白食物过敏原主要分布在甲壳动物、软体动物和鱼类寄生虫及吸入性过敏原螨虫[41]。到目前为止,只有非脊椎动物原肌球蛋白才产生过敏性反应,同时具有高度交叉反应。以原肌球蛋白为代表的主要食物过敏原,在多数情况下只是引起轻微的吸入性过敏反应,由于它们的结构特点,即使在加热处理或酶消化后仍然保留他们同IgE的结合能力,即有一定的稳定性。

4.2 钙离子结合蛋白(calcium-binding proteins)

钙离子结合蛋白典型的结构特征是拥有EF-hand结构域,即由12个氨基酸残基组成的钙离子结合环和两个相邻α-螺旋的12个氨基酸构成一个保守结构域,参与细胞间信号传导或运输。在脊椎动物中,该蛋白与Ca2+结合,使得肌肉放松,因而大量在肌肉组织中表达。钙离子结合蛋白的代表性过敏原是小清蛋白,分子量约12kDa,是 Elsayed等[42]在1971年从鳕鱼中发现,广泛存在于各种鱼类中[43,44]。鲤鱼和鳕鱼的小清蛋白是典型的α-螺旋结构蛋白质,即使被加热到95℃,仍能保持蛋白的稳定性,然而在酸性条件下小清蛋白很不稳定,因此,主要鱼类过敏原的过敏活性可以被胃酶所降解。但是,在生理性消化条件受损的情况下,这些过敏原可以保存下来,从而增加过敏的风险[45]。虽然小清蛋白是鱼类食物的主要过敏原,且和来源于两栖动物的小清蛋白发生交叉反应,但是迄今没有发现高等脊椎动物的小清蛋白能够引起过敏现象。

4.3 酪蛋白(Caseins)

酪蛋白结构上显示一个随机螺旋结构,它广泛存在哺乳动物的乳液中,αs1-酪蛋白和αs2酪蛋白是最重要的过敏原,其次是β-酪蛋白。有文献报道,牛奶的酪蛋白和山羊、绵羊酪蛋白存在IgE之间的交叉反应,而马奶酪蛋白的 IgE交叉反应较低[46]。牛奶中的酪蛋白主要由αs1-酪蛋白、β-酪蛋白以及少量αs2-酪蛋白和κ-酪蛋白组成,相比之下,羊奶的酪蛋白主要由β-酪蛋白组成,同时含有少量αs1-酪蛋白、κ-酪蛋白和αs2-酪蛋白。

4.4 其他动物源性食物过敏原家族

其他动物源性食物过敏原家族分布不广泛,例如牛奶过敏原β-乳球蛋白(Bos d 5)属于载脂蛋白家族。作为小分子的载体,这类蛋白质家族的成员共享一个保守的三维结构,但整体序列相似性较低。除了来源于牛奶的食物过敏原,还有动物皮屑和哺乳类动物的唾液以及昆虫和蟑螂吸入性过敏原等[47]。α-乳清蛋白(Bos d 4)属于 C-型溶菌酶/α-乳清蛋白家族,它能够结合钙,参与牛奶中的乳糖合成。其他过敏原家族包括Kazal型蛋白酶抑制剂,来源于蛋清的卵类粘蛋白(Gal d 1),是该类蛋白家族代表性的过敏原[48];另一类蛋白酶抑制剂家族是丝氨酸蛋白酶抑制剂,代表性的过敏原是卵清蛋白Gal d 2。近年来,转铁蛋白、铁硫蛋白已被确定为牛奶中的过敏原;卵转铁蛋白Gal d 3、C型溶菌酶(Gal d 4)、α-卵黄蛋白(Gal d 5)是禽蛋类中的过敏原[49]。

5 结论

食物过敏原只限于小部分蛋白质家族,这些蛋白质具有某些生物学功能,如蛋白质水解、结合、运输、配体储存等。在一般情况下,与蛋白质过敏原空间结构相似的蛋白质具有引起过敏症状的风险。蛋白质表面暴露的特异性区域能够使过敏个体中产生特异性IgE抗体,同时,个别氨基酸残基对于抗体识别非常关键,这些氨基酸残基变化可以显著影响IgE结合活性。

影响致敏性的其他因素是不同的食物基质和蛋白质稳定性。近年来,许多学者通过基因工程技术能有效减少或消除蛋白过敏原的过敏活性,并在黄豆、花生、西红柿、苹果等植物蛋白过敏原中获得成功。因此,调节食物蛋白过敏活性是未来的一个研究方向,而在体外使用已确定的高纯度过敏原是研究蛋白过敏活性的先决条件。采集过敏原家族的性能数据,建立食物过敏原数据库,包括重要的食物过敏原分布范围、过敏原生物活性特点、空间结构、氨基酸序列等,将有助于食品生产企业的食品加工处理策略,控制或降低过敏原暴露的风险,同时给食物过敏患者的饮食提供合理建议以及提高食物过敏原的诊断。

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