肽聚糖识别蛋白(PGRPs)是一类可识别肽聚糖和含肽聚糖的细菌的模式识别受体，在天然免疫应答中发挥着重要的识别和调节功能。机体通过有限的模式识别受体迅速识别大量不同的病原微生物，进行及时有效的初步防御。近年来，学者们对昆虫和哺乳动物PGRPs已有一定程度的研究，成功地克隆出多个PGRPs基因。对肽聚糖识别蛋白的认识，揭开了天然免疫系统研究的新篇章，对于了解整个免疫系统的反应机制有重要意义。文章就其基因、结构、表达、功能及进化等方面做了简述。 关键词：肽聚糖识别蛋白；基因；表达；功能；进化 微生物细胞壁的组成成分是天然免疫的高效活化分子，这些分子如革兰氏阴性细菌的脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)、革兰氏阳性细菌的肽聚糖(peptidoglycan，PGN)及真菌的β-1，3-葡聚糖(glucan)等称为病原相关分子模式(pathogen associated molecular patterns，PAMPs)。PGN是由氨基糖骨架和肽链组成的聚合物，其结构单元由β-(1，4)-连接的N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸二糖单位以及四肽亚单位和肽桥组成。亚肽单位和间肽桥上氨基酸组成及排列的不同，决定了肽聚糖种类的多样性[1]。 天然免疫系统通过在进化中高度保守的一系列模式识别受体，识别微生物表面保守分子模式，其中PGRPs是一种重要的模式识别受体，在抵抗病原体入侵的过程中发挥着重要作用。PGRPs的研究始于1996年，Youshida H等在家蚕血淋巴中发现并纯化出了一种19 ku的蛋白，将其命名为PGRP。随后，学者们分别从蛾、果蝇、大鼠、小鼠和人体内成功克隆出PGRPs基因，并且在牛、骆驼、猪中也能克隆得到昆虫PGRP-S的同源基因。目前，已经鉴定出大约40种PGRPs。PGRPs在昆虫和哺乳动物中已得到一定程度研究，但仍有一些作用机理尚待探讨。 1　PGRPs基因 PGRPs家族成员有一个C端PGRP结构域，约有165个氨基酸，从昆虫到哺乳动物显示出高度的保守性。但在PGRP结构域之外，氨基酸序列差异较大。根据它们的结构，肽聚糖识别蛋白可以分为两个亚型，即长型肽聚糖识别蛋白(PGRP-L)和短型肽聚糖识别蛋白(PGRP-S)。PGRP-S是一类小分子的胞外蛋白，与原始的PGRP相似。PGRP-L是一类跨膜蛋白或胞内蛋白，其基因要比短型PGRP复杂的多，它们都有一个长的转录本，在许多情况下有几种剪接类型，不同的剪接类型编码不同的蛋白质。 果蝇有13个PGRP基因编码至少17种蛋白，其中有7种GPRP-S，10种PGRP-L。非洲按蚊有7种PGRP基因，其中有3个PGRP基因编码3种PGRP-S，4个PGRP基因编码7个PGRP-L。人PGRP家族由PGRP-L、PGRP-S、PGRP-Iα和PGRP-Iβ 4个成员组成。人类基因组组织基因命名委员会推荐分别用PGLYRP1、PGLYRP2、PGLYRP3和PGLYRP4代表PGRP-S、PGRP-L、PGRP-Iα和PGRP-Iβ。 Mathur P等[2]报道大鼠的PGRP-Iα并不是跨膜蛋白，可能是一种分泌蛋白。Zhang Y等[3]发现PGLYRP2是在肝脏中合成的，并且分泌到血液中，大部分PGLYRP2是分泌蛋白，这一结果表明PGLYRP2不是一种跨膜蛋白，这与Liu C等(2001)根据计算机分析假设的人PGLYRP2有两个跨膜域的论断是不相符的。事实上，这两个所谓的跨膜域并不是真正的跨膜域，而只是一个疏水的结构域。这个结论与Gelius E等[4]发现大鼠PGLYRP2是从细胞分泌的结果是一致的。 2　PGRPs结构 自从Kim M S等[5]用X射线晶体衍射法在20 nm下测得果蝇PGRP-LB空间结构之后，一些PGRPs的空间结构也被陆续报道。Reiser J B等[6]在15.6 nm下测得果蝇PGRP-SA的空间结构，Guan R等[7]报道了人的PGRP-Iα C端结构，Guan R等[8]在17.0 nm下测得人的PGRP-S的空间结构。这些蛋白的空间构象极为相似，均包括3个α-螺旋(α1～α3)区域，以及由5个β-折叠片形成的活性域中心，其中4个平行β-折叠片(β3，β4，β6和β7)，1个反平行β-折叠片(β5)，在N端还有两个β折叠股(β1，β2)，在空间上形成一个非常对称的花篮状结构。 PGRPs有3个二硫键，为Cys9-Cys133，Cys25-Cys70及Cys46-Cys52，前两个键分别将PGRP特异结合部位的两个肽链连接到α2螺旋和α1-β4环上，第3个二硫键将β3-α1环连接到α1螺旋上。Cys9-Cys133存在于一些昆虫的PGRP-S中，Cys25-Cys70是哺乳动物PGRPs所特有的结构，却不存在于具有酰胺酶活性的PGRPs中，如人和鼠的PGRP-L和Cys46-Cys52存在于所有已知的PGRPs(除果蝇PGRP-LE外)中，对维持PGRPs结构域的结构完整性起着重要的作用。这些二硫键是PGRPs结构和功能所必需的。 3　PGRPs表达 昆虫的PGRP-L主要表达于血细胞，PGRP-S存在于血淋巴、表皮和内脏，在血细胞中也有少量的表达。其中有些PGRPs是组成性表达，也有一些PGRPs(主要是PGRP-L，但除了PGRP-LB以外)是诱导性表达，在细菌感染或注射PGN可上调其表达。 人的PGRPs中PGRP-L表达最广泛，除在肝和胎肝表达外，在横结肠、淋巴结、心脏、胸腺、胰、降结肠、胃和睾丸有低表达。PGRP-Iα除在食管高表达外，也在扁桃体和胸腺表达，而在胃、降结肠、直肠和脑也有极低水平表达。PGRP-Iβ仅在食管、扁桃体和胸腺中表达。PGRP-S在骨髓高表达，并在胎肝和白细胞低水平表达，在外周血中仅中性粒细胞表达。因为外周血中的中性粒细胞的“污染”作用，使PGRP-S有可能在脾和空肠中低水平表达，这可能就是导致大鼠脾中PGRP-S有低水平表达的原因。有趣的是，Rehman A等(2001)发现小鼠缺乏睡眠能够上调其PGRP的表达，这说明PGRP可能在睡眠的自我调节方面起到了一定的作用。 4　PGRPs功能 酚氧化酶原级联反应是昆虫抗菌防御的一部分，模式识别受体是酚氧化酶原激活系统的启动者，当模式识别受体与微生物细胞壁成分结合后形成一复合物，该复合物激活酚氧化酶原的激活酶原，使其成为酚氧化酶原激活酶，酚氧化酶原激活酶使酚氧化酶原激活，成为有活性的酚氧化酶。酚氧化酶是一种含铜的氧化剂，能把含酚的底物氧化成醌，再经几步非酶促反应转化为黑色素，而黑色素对微生物是有毒性的，同时酚氧化酶也参与表皮的硬化。Youshida H等最早在家蚕中发现的PGRP-S能够识别PGN和革兰氏阳性菌，并能激活酚氧化酶原级联反应，在表皮、血淋巴及组织中产生黑色素，包裹微生物从而限制感染。Takehana A等(2002)发现果蝇的PGRP-LE也能激活此级联反应。 革兰氏阳性菌通过分泌型PGRP-SA活化果蝇Toll信号通路。PGN和PGRP-SA的相互作用激活蛋白水解酶，它能水解存在于昆虫血淋巴中的一种内源性配体-Spaetzle，而Spaetzle是激活果蝇Toll信号通路的一个因子。Toll信号的活化激活了一个信号转导途径，该途径导致Dorsal和Dorsal-related immunity factor这两个转录因子的激活，活化果蝇霉素和其他抗菌肽，有效的防御革兰氏阳性菌和真菌的入侵。有些学者发现真菌通过革兰氏阴性菌结合蛋白-3也能激活此通路。 一些学者通过功能缺失技术，发现PGRP-LCa和PGRP-LCx能激活IMD信号通路，通过控制Rel家族转录因子Relish可诱导其抗菌肽的表达。也有学者根据功能获得技术，发现PGRP-LE对Dap型PGN有很强的亲和力，起着胞内或胞外识别分子的功能，活化抗菌肽，其过量表达也能激活IMD的信号通路。 Ramet M等(2002)根据RNAi技术发现抑制果蝇S-2细胞中的PGRP-LC的表达，削弱了大肠埃希菌的吞噬作用，故果蝇的PGRP-LC也可能对革兰氏阴性菌的吞噬作用中起着重要的作用，但其作用机理还有待于研究。 肽聚糖具有促炎作用，而酰胺酶消化肽聚糖能消除此活性。Mellroth P等[9]通过引入定点突变的方法，发现PGRP-SC1B具有酰胺酶活性，它能水解细菌中N-乙酰胞壁酸与L-丙氨酸之间的酰胺键，将活性的肽聚糖分子转变为没有活性的肽聚糖片断，起着肽聚糖清除分子的作用。将果蝇的PGRP-LB进行基因敲除后，发现果蝇更易感染细菌，而且由于PGN清除速度的减缓，果蝇在感染后免疫反应延长，这也说明PGRP具有肽聚糖清除分子的作用[10]。 人的PGRP-S、PGRP-Iα和PGRP-Iβ有抗菌作用，其他哺乳动物PGRPs也被报道有杀菌或抑菌活性[11-12]。Dziarski R等[13]发现大鼠的PGRP-S具有抑制革兰氏阳性菌生长的作用，PGRP-S基因敲除后的大鼠对革兰氏阳性菌的易感性增加。在人的PGRPs 4个成员中，人们只发现PGRP-L具有酰胺酶活性，人PGRP-L Cys的一个突变体能够使PGRP-L丧失酰胺酶活性[14]。Gelius E等[4]发现大鼠的PGRP-L也具有酰胺酶活性。Sashchenko L P等[15]发现大鼠PGRP-S与体液或淋巴细胞内的Hsp70能形成一个稳定的细胞毒素复合体，在极低的浓度下就能导致机体死亡。Kappeler S R等[16]发现骆驼的PGRP识别乳酸菌，在链球菌感染时能够上调其表达，但在乳腺发炎的情况下却不出现此现象，这似乎说明了在骆驼奶中这种蛋白的主要作用是抑制乳酸菌的生长。 5　PGRPs的进化 PGRP家族中PGRP-S是最古老的，而PGRP-L是最年轻的，哺乳动物PGRP-S、人PGRP-I、哺乳动物PGRP-L各形成1个独立的分支。人PGRP-I没有昆虫同源物，哺乳动物PGRP-I来自于共同的从昆虫PGRP-S分离出来后的哺乳动物PGRP-S祖先。哺乳动物PGRP-L形成一个与果蝇PGRP-L不相关的独立分支，意味着哺乳动物PGRP-L不是源自果蝇PGRP-L、哺乳动物PGRP-S或PGRP-I，而是源自一个共同的昆虫PGRP-S祖先。 6　展望 所有的肽聚糖识别蛋白能结合肽聚糖和细菌，这表明PGRP在天然免疫中具有识别和杀灭细菌的重要意义。但是尽管PGRPs被命名为肽聚糖识别蛋白，它不仅仅识别肽聚糖或革兰氏阳性菌，还能识别其他一些分子。牛的PGRP-S既对革兰氏阳性菌，又对革兰氏阴性菌甚至对一些真菌均具有杀菌或抑菌作用。果蝇的PGRP-LC和大鼠的PGRP除了能结合肽聚糖外，还能结合脂多糖。此外，人的PGRP-L，PGRP-S和PGRP-Iα有不同的结合细菌模式，但是人的PGRP-Iβ结合细菌和真菌的能力极弱，它可能对一些非细菌物质有特别的结合力，这一点还有待证明。 目前，肽聚糖识别蛋白的结构和功能在昆虫和哺乳动物中已得到一定程度的研究，但在水产养殖动物中的研究还很少，仅见于斑马鱼和海湾扇贝PGRPs基因克隆的报道。PGRPs在水产养殖动物中的研究势在必行，这有利于更好的揭示天然免疫作用的途径。总之，PGRPs蛋白家族在免疫反应中发挥重要的作用，对该蛋白家族的研究有助于更深入彻底的了解免疫系统及其工作机制。