铜蓝蛋白的代谢和低铜蓝蛋白血症的临床表现
铜蓝蛋白 (ceruloplasmin, Cp) 在人体铜的转运和铁代谢中起着重要的作用。本文就Cp的代谢以及低铜蓝蛋白血症 (hypoceruloplasminemia) 所致的几种神经变性疾病的表现介绍如下。
Cp的结构、生化和生理功能
1948年Holmberg和Laureell首先从猪血浆中分离出一种丰富的蓝色蛋白, 定义为Cp。人的Cp是一个带有6个铜原子的由1 046个氨基酸组成的单一多肽链, 相对分子质量约132 000, 属多铜氧化酶家族。其中3个铜原子形成一个三核铜簇, 位于1区和6区的交界面上, 其余3个则以单核形式定位于2、4、6区。基因定位于3q23-25, 基因长度45 kb, 转录为19个外显子的mRNA。
对Cp晶体结构测定显示多肽链中氨基端和羧基端的氨基酸残基对三核铜簇中心的形成起着至关重要的作用。肝细胞内质网中合成的前铜蓝蛋白 (apo-ceruloplasmin) 与吸收的Cu2+结合后形成全铜蓝蛋白 (holo-ceruloplasmin) , 随后被分泌入血浆并被其他组织摄取, 进入再循环。脊椎动物中Cp结合了超过95%的血浆铜。
Cp主要作用是将铜从肝脏转运入血浆, 以特异形式参与铜排泄。铜并不影响前铜蓝蛋白合成与分泌的速度, 但如果在前铜蓝蛋白生物合成的过程中, 与铜的结合发生障碍, 会使其分泌一种载脂蛋白使之丧失氧化酶的活性进入血液并迅速被降解。体内的各种铜必须通过Cp转运回肝脏。Cp回到肝细胞主要通过位于肝窦中肝内皮细胞上的半乳糖受体进入内皮细胞, 并排入狄氏间隙, 随后被肝细胞摄取。胆道是铜重要的排泄通道。脱铜铜蓝蛋白在进入最终的分泌途径与铜结合成有活性的Cp时是一种变构蛋白, 其结合时沉降率及电泳动度特性有改变, 但二级结构不变, 其特点与去铁肌红蛋白和葡萄球菌A核酸酶相似。这一活性结构可折叠并可从内质网中退出, 保护其在最终分泌途径的酸性环境中不被延展, 使之适应与铜的结合。
近年来, 研究显示Cp还具有亚铁氧化酶和抗氧化作用, 在脱铜铜蓝蛋白与铜结合形成结合型铜蓝蛋白的过程中, 可偶联铁的氧化反应, 将二价铁氧化成三价铁。食物中的铁通常为三价铁, 需在胃肠道中还原为二价铁被吸收, 此后转化为铁蛋白在体内贮藏, 这部分三价铁可再次还原为二价铁进入血流, 但血浆中的二价铁氧化成三价才能与转铁蛋白结合转运至骨髓, 用于血红蛋白的合成。铁氧化的过程须在Cp的催化下完成, 因此Cp在铁代谢中发挥重要作用。同时Cp具抗氧化剂的作用, 可清除超氧阴离子自由基, 抑制脂质过氧化反应, 避免组织损伤和机体的功能障碍。
在妊娠第5周, 人胎儿的肝脏和卵黄囊中就开始有Cp的合成。胎儿出生后几个月内Cp的水平较低, 1年后才达到成人的水平,这一增长与肝脏胆道排铜开始是一致的。Cp的半衰期是5.5 d。有约10%的铜是以不成熟的前蛋白的形式存在的, 在肝脏中合成和分泌。在稳定状态下, 血清Cp是全铜蓝蛋白和前蛋白的总和。正常人肝脏内可利用铜增加时, Cp浓度也随之增高。
低血浆铜蓝蛋白血症
具有低铜蓝蛋白血症表现的疾病和病理状态 Wilson病;遗传性铜蓝蛋白缺乏症 (aceruloplasminia) ;青霉胺治疗类风湿关节炎和胱氨酸尿症;严重营养不良;蛋白丢失性小肠病;肾病综合征;20%的Wilson病杂合子携带者;Menkes病;口炎性腹泻 (sprue) 。
表现为低铜蓝蛋白血症的神经系统疾病
Wilson病 (简称WD) :又名肝豆状核变性 (hepatolenticulardegeneration) :是最常见的血浆Cp降低的疾病, 人群患病率约1/30 000。1912年WilsonS AK首次报道了该病。WD是一种常染色体隐性遗传病, 基因已被克隆, 称为ATP7B, 定位于13号染色体q14.3。ATP7B属于转运金属离子的磷酸化ATPase家族成员。该酶功能缺陷使肝细胞内的Cu2+无法与前铜蓝蛋白结合, 也不能通过肝小管排泌入胆道, 导致铜在肝、脑等组织中沉积产生损害。故WD的本质是铜从细胞排出障碍, 由于前铜蓝蛋白无法与铜结合, 作为一个不稳定的蛋白, 缺乏氧化活性, 半衰期缩短, 使其mRNA水平降低, 继发Cp浓度下降。此疾病的典型临床表现已为广大神经科医师所熟悉, 此处就不再赘述。
Menkes综合征:这是一种罕见的性连锁隐性遗传病, 其候选基因ATP7A已被克隆。该病是体内铜缺乏导致的综合征群, 表现为婴儿生长停滞, 神经系统退行性变, 智能发育迟滞, 不能保持头部的姿势,肢体张力增加, 低温, 泌尿生殖道憩室, 心血管异常, 韧带松弛和色素沉着不足,特征性的症状是粗而卷曲的脆发, 直而稀少的眉毛, 病情逐渐进展, 在数月至2年内死亡。Menkes综合征患者肠黏膜可以吸收食物中铜, 但是因为基因缺陷不能使细胞中铜转运至细胞间液或入血, 导致机体铜缺乏。这一过程由转运阳离子的磷酸化ATPase家族的铜转运体介导完成的, 称为MNK蛋白, 为一个包括1 500氨基酸的178 000单链多肽。编码MNK蛋白的基因是ATP7A, 包括23个外显子约140kb, 定位于X染色体q13.3。除肝脏外, 该基因在其他组织均有表达。由于铜的缺乏, 继发结合型的Cp减少, 故也可表现为低Cp血症, 但疾病的核心并非Cp缺乏所致。
遗传性血浆铜蓝蛋白缺乏症 (aceruloplasminemia):这是一种新近被认识的遗传性疾病。Miyajima在1987年首次报道了一个与WD的表现不一致的Cp完全缺乏的综合征。这个综合征包括糖尿病、皮质下痴呆、构音障碍、齿轮状肌强直、肌张力障碍、舞蹈动作、步态共济失调、眼睑痉挛、视网膜变性。并证实这不是由P型ATPase功能改变引起的。这些患者肝脏实质结构和肝铜浓度正常, 但肝铁贮积增加, 血清铁蛋白浓度明显增高, 血清铜、铁浓度及尿铜下降, Cp浓度极低, 甚至测不出。铁在胰腺及其他实质性脏器中浓度也增高, 如肝、胰、甲状腺等。铁在胰岛沉积和B细胞的选择性丧失, MRI的T2加权可见大量铁盐沉积在基底节、丘脑和黑质等区域。脑组织在镜下可见小胶质细胞和神经元中有大量的铁沉积及选择性的神经元缺失。视网膜周边部存在铁离子的积聚和感光细胞的丧失。
1999年Yonekawa报道了1例54岁女性患者, 43岁时患糖尿病, 开始接受胰岛素治疗。49岁起出现不安、笨拙, 近事记忆力减退, 无法胜任工作。51岁出现小脑性共济失调, 左上肢的舞蹈手足徐动, 构音障碍等神经系统症状。就诊时发现面部色素沉着, K-F环阴性, 有视网膜色素变性, 言语急促, 四肢腱反射亢进, 肌张力降低, 左上肢从手臂至手指有手足徐动, 右侧肢体有小脑性共济失调, 易跌倒。记忆、智力测定轻度下降。实验室检查有贫血, Hb 10 g·L-1, Cp浓度无法测出 (<1mg·L-1) , 转铁蛋白正常, 铁蛋白增高。肝脏CT 示密度增高, 无肝硬化和腹水。脑CT示轻度小脑萎缩, 小脑延髓池扩大, 双丘脑低密度区。MRI上T2加权在齿状核、红核、纹状体、丘脑低信号, 提示铁沉积。EEG见弥漫性慢波和高电压混合高幅尖波, 肝活检见肝门区域轻度淋巴细胞浸润和纤维化, 免疫组化见几乎所有肝细胞中见普鲁士蓝颗粒 (铁染色的标记) , 但铜染色阴性。静脉注射青霉胺可增加铁的排泄, 但尿铜并不增高。在Cp基因内含子6的核苷酸1208位点发现A→G的转换。其父、母分别死于胃癌和子宫癌, 二哥32岁死于糖尿病。其家族中既往无神经系统疾病史。后发现大哥血清Cp和铜浓度均下降, 2个女儿血清Cp和铜浓度也均降低。各国也均有一些学者报道了几个类似的家系, 其基因的突变方式并不完全相同, 目前发现有6种形式。
血浆Cp缺乏症是常染色体隐性遗传病, 它被定位于染色体3q25, 是铜蓝蛋白基因的遗传变异。分子基因分析显示Cp基因突变使Cp中氨基酸置换, 导致开放的阅读框架发生改变。羧基末端氨基酸的功能丧失, 不能形成三核铜簇。Cp无法与Cu2+结合, 使得亚铁氧化酶的活力下降。亚铁氧化酶活力的下降致使二价铁不能氧化为三价铁, 因此Cp在二价铁和三价铁转换中起关键作用。神经系统变性的机制可能与二价铁过负荷、继发的三价铁缺乏、胶质细胞损害后神经营养因子减少以及多巴胺能神经元受损有关。此外, 在Cp缺乏的情况下, 二价铁发生非酶氧化, 产生超氧阴离子自由基对细胞产生毒害作用, 造成了组织的损伤。铁清除治疗是有效的, 静脉注射含Cp的新鲜冷冻血浆和去铁胺, 可使肝铁浓度下降。
在WD的病人中虽然Cp的浓度也降低, 但没有发现铁代谢的紊乱, 这是因为肝外Cp的合成足以使体内Cp浓度达到正常人的5%以上, 足以维持铁代谢的平衡。同时,在血浆Cp缺乏症的患者中, 血清铜浓度虽降低, 但铜代谢没有异常, 说明Cp在铜的转运中并不起决定性作用。
低铜蓝蛋白血症非神经系统损害的表现
当患者出现典型的神经系统损害和肝脏病变,加上角膜K-F环, 检测发现Cp降低时, WD的诊断很明确, 但事实上由于代谢障碍可造成多脏器铜的沉积, 临床表现多种多样, 极易漏诊和误诊。
现将可作为WD首发症状的其他系统损害的表现叙述如下。
肾脏损害: 由于铜沉积在肾脏近曲小管和远曲小管的上皮细胞, 使之出现扁平状改变, 刷状缘消失、基底膜增厚, 从而阻碍了肾小管的重吸收, 肾小球毛细血管管腔狭窄或闭塞、间质增多。可出现肾性糖尿、氨基酸尿、高钙尿、磷酸盐尿、蛋白尿、血尿、浮肿、肾小管酸中毒和肾结石, 肾性佝偻病。可成为WD首发症状或伴随症状。
血液系统损害: 以黄疸和贫血、肝脾肿大、水肿等为主要表现的急性溶血性贫血, 多见于青少年, 大多数致死。占WD首发症状的2%~15%, 极易误诊。实验室检查有血红蛋白降低, 网织红细胞升高, Coomb′s试验阴性, 胆红素明显升高, 血清碱性磷酸酶、天冬氨酸转氨酶和丙氨酸转氨酶轻度升高。部分病人临床上可以紫癜为首发症状, 以臀部和双下肢为多, 常合并鼻衄、牙龈出血等。急性溶血性贫血的原因是由血铜在肝细胞大量沉积, 达到一定量时, 肝细胞中的溶酶体破裂, 将铜释放入血液, 血浆中铜浓度迅速增高, 沉积在红细胞表面, 使红细胞膜变形能力下降。红细胞在循环中易受机械损伤而破坏, 且已被单核-巨噬细胞吞噬;同时血清铜增高可使红细胞谷胱甘肽起氧化作用, 抑制葡萄糖6-磷酸脱氢酶、谷胱甘肽还原酶的活性, 从而导致血红蛋白自动氧化过程的加剧, Heinz小体在血管内沉积, 发生血管内溶血。出血倾向则是因脾功能亢进导致血小板减少, 以及肝功能损害导致凝血因子合成减少, 凝血功能障碍。
皮肤、骨骼肌肉损害:皮肤色素沉着, 皮肤黝黑, 极少数伴有鱼鳞癣;指甲变形, 有天青色指甲弧影, 关节畸形致X型腿或O型腿, 关节痛。骨质X线改变, 包括软骨炎, 关节退行性变如关节面硬化、囊炎性变, 关节骨缘骨节裂, 骨质脱钙、稀疏软化,佝偻病, 严重者可有病理性骨折。Fanconi综合征、长骨囊肿、复发性关节炎。骨关节炎主要累及脊柱、膝、踝、髋等大关节。肌肉病变有肌萎缩、横纹肌溶解症、肢带综合征、营养不良。骨骼损害作为WD首发症状的发生率为4%~10%, 主要和铜异常沉积在关节腔内及肝肾损害引起钙、磷代谢紊乱有关。
内分泌损害:甲状腺功能减退, 甲状旁腺功能减退, 糖尿病, 部分女性病人可有闭经, 发育迟缓, 流产及不育, 男性可有乳房女性化等。甲状腺功能减退也可作为WD首发症状。其发生机制考虑是伴肾功能不全时, 摄取的酪氨酸等氨基酸不足, 合成甲状腺球蛋白的前体不足;此外由于铜在甲状腺实质的沉积, 干扰了碘与甲状腺球蛋白前体的结合, 造成了甲状腺素合成的减少;下丘脑-垂体-甲状腺轴受影响, 内源性TSH分泌受到抑制, T3的降低反馈性地使TSH分泌轻度升高。
精神症状:情绪不稳如欣快, 哭笑等, 行为障碍如幼稚、躁动, 言语障碍如多语, 缄默, 幻觉妄想, 智能低下等。具有反社会/精神病理人格、精神性焦虑和抑郁。WD常可伴精神症状, 占首发症状的11%。一般精神症状首发到出现神经症状为2个月~4年, 因此容易被误诊为癔症、神经官能症、精神分裂症。但多数病人迟早会有神经或肝脏症状的出现, 故随访这类病人很重要, 一旦发现有锥体外系或肝脏损害要警惕WD。
其他:心血管系统损害, 表现为心肌病, 心律失常, 传导障碍, 自律功能异常。消化系统除最常见的肝损害外, 可有胆石症, 胰腺炎, 自发性细菌性腹膜炎。眼部损害可见白内障。
综上所述, Cp在机体的铜、铁代谢中都起到了重要的作用, 低Cp血症是由其代谢合成不同环节的障碍和一些特殊的病理状态所致。低Cp血症会导致各种脏器功能的损害, 但及早诊断仍可取得一定的疗效。因此我们只有充分认识这一综合征, 分析具体的病因, 才能做到早诊断、早治疗。
