如何设置onu:S100蛋白家族的分子生物学及其在检验医学中的应用

近年来，对脑组织损伤的神经化学标志物的研究正在逐步深入，这些标志物主要为S100蛋白家族和神经元特异性烯醇化酶（neuron specific enolase, NSE）等。研究表明，在人或动物的脑梗塞、脑外伤或心脏外科手术时，血清S100和NSE的浓度均有所升高。测定S100蛋白浓度有助于临床上判断神经组织的病灶大小、治疗效果和判断病人的预后等等。本文根据近年来的文献报道，对S100蛋白的分子生物学基础及临床应用新进展综述如下：

1       S100蛋白的分子生物学基础

1.1    S100蛋白的化学本质和基因定位

S100蛋白是一组低分子量的钙结合蛋白，分子量在10～12kD，其氨基酸序列在脊椎动物中高度保守，与钙调蛋白及其他EF手型钙离子结合蛋白具有高度同源性^[1,2]。目前共发现有20种结构与功能相似、存在于不同部位的可以调节细胞内和细胞外Ca²⁺的S100蛋白：包括S100A1～S100A13、S100B、S100C、S100P、钙粒蛋白C（Calgranulin C）、钙结合蛋白3（Calbindin 3）、Profilaggrin和毛透明蛋白（Trichohyalin）等。

S100蛋白是由两个同分异构的两个亚单位（α，β）组成的同型二聚体或异型二聚体。细胞内绝大多数S100蛋白分子以同型二聚体的形成存在，此外还能形成S100A／S100B，S100A8／S100A9异型二聚体^[3]，S100A82／S100A9三聚体以及S100A82／S100A92四聚体等，其聚合作用主要依赖于疏水作用力。研究发现，S100分子不含任何糖类、脂类和核酸成分。S100A0含有2个α亚基，S100A只含有1个β亚基，A100B由2个β亚基组成。不同的S100蛋白含有类似的氨基酸结构域，在氨基端和羧基端均含有疏水区，在每个亚基的羧基端均含有1个EF手型钙离子结合区，当与钙离子结合后，S100蛋白构象发生改变，暴露出其与靶蛋白的结合位点，进而通过与相应的靶蛋白作用发挥其生物学效应。Zn²⁺与S100的组氨酸残基结合后可以诱导S100分子羧基端构象的改变，从而增加氨基末端钙离子结合位点与钙离子的亲合力。

人类的S100的β基因有3个外显子组成。第1个外显子在5’端非转录区，第二和第三个外显子分别编码一个EF手型钙离子结合区。其基因定位于染色体的21q22.2-21q22.3区域^[4]。此区的基因重复可引起Down's综合征。

人类的S100的α基因定位于染色体的1q21区域。在肿瘤组织中此区的基因常常频繁重组，从而引起S100基因表达的失控。在肿瘤晚期和发生肿瘤转移时可见S100的异常表达。由于S100上述的特性，近年来发现在肿瘤组织，特别是神经外胚层起源的肿瘤组织中S100的异常表达，而且与疾病的分期和预后具有相关性。

表1：S100蛋白家族蛋白分子的作用机制和相关疾病

S100蛋白分子

靶蛋白

作用机制

相关疾病

S100A1

果糖1,6二磷酸醛缩酶，糖元磷酸化酶，腺苷酸环化酶，微管，胶质细胞原纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein, GFAP）

刺激钙离子释放，抑制微管蛋白的组装，抑制蛋白激酶C介导的磷酸化

心肌病

S100A2

乳腺癌

S100A4

微管相关蛋白质（microtubule associated protein, MAP），原肌球蛋白，p53，肌球蛋白

微管蛋白聚合

转移癌

S100A5

S100A6

膜联蛋白II（Annexin II）, 膜联蛋白VI, 膜联蛋白XI,3-磷酸甘油醛脱氢酶

刺激钙离子依赖的胰岛素释放，刺激催乳素的分泌, 胞吐作用

黑色素瘤

S100A7

牛皮癣

S100A8

中间纤维

抑制酪蛋白激酶，具有细胞因子功能

囊性纤维化，炎症

S100A9

中间纤维

抑制酪蛋白激酶

囊性纤维化，炎症

S100A10

膜联蛋白II

胞吐作用,内吞作用

S100B

果糖1,6二磷酸醛缩酶，p53，calponin，tau蛋白，微管蛋白，钙调蛋白结合蛋白（caldesmon），神经钙蛋白（neurocalcin），neuromodulin，胶质细胞原纤维酸性蛋白43（GFAP43）

刺激轴突延伸,刺激黑色素瘤细胞增殖，增加钙离子通量，抑制蛋白激酶C介导的磷酸化，刺激星形细胞和轴突细胞增殖，抑制微管蛋白的组装

Alzheimer's 疾病, Down's综合征，肿瘤标志物，肌萎缩性硬化症,癫痫

S100C

膜联蛋白I

钙结合蛋白3

调节分子转运

Profilaggrin

调节细胞的结构

毛透明蛋白

角蛋白

调节细胞的结构

1.2    S100蛋白家族的组织细胞分布

S100A1主要分布于神经细胞、骨骼肌细胞、心肌细胞和肾细胞的细胞浆中^[5]；S100A2分布于肺和肾细胞的细胞浆和细胞核中；S100A3和S100A5的组织细胞定位尚不明确；S100A4分布于成纤维细胞、肌上皮细胞和肿瘤细胞的细胞浆和细胞外液中；S100A6分布于成纤维细胞和肿瘤细胞的细胞浆中；S100A7分布于上皮细胞中；S100A8 和S100A9分布于中性粒细胞和单核细胞的细胞浆和细胞外液中；S100A10分布于成纤维细胞的细胞浆中；S100A12存在于海马细胞, S100A13在甲状腺细胞分布最为丰富，特别是在核周区^[6]。S100B主要分布于中枢神经系统和周围神经系统的神经胶质细胞和Schwann细胞以及某些神经元细胞、黑色素细胞、软骨细胞和脂肪细胞中；S100C分布于平滑肌和心肌细胞中， S100P分布于胎盘的细胞中；钙粒蛋白C分布于中性粒细胞的细胞浆中；钙结合蛋白3分布于肠道细胞的细胞浆中；Profilaggrin和毛透明蛋白主要分布于表皮的颗粒细胞中。

1.3    S100蛋白家族作用的靶蛋白、功能和相关疾病：

S100蛋白家族的不同分子具有广泛的生物学活性，通过钙离子信号转导、影响激素分泌和抑制微管蛋白的组装及抑制蛋白激酶C介导的磷酸化等途径，在细胞增殖、分化、肌肉收缩、基因表达、分泌、及细胞凋亡中发挥重要作用，其功能异常亦可导致不同的疾病（表1）。

2．S100蛋白的临床应用新进展

2.1 应用S100B监测心脏手术和冠状动脉分流移植术时对大脑的损伤情况：

心内手术（intracardiac operation, ICO）发生大脑损伤的危险性要比冠状动脉分流移植术(coronary artery bypass grafting, CABG)高。脑组织损伤可导致血清S100蛋白水平升高。Taggart ^[7]等对40名ICO 患者(27名进行主动脉瓣移植术，9名为二尖瓣移植术，4名为房间隙缺损闭合术)和20名CABG患者进行24小时以上S100蛋白质水平的连续测试。结果表明：各组患者的年龄和心肺分流术时间相似，所有患者在手术前S100水平未见升高。在手术后0.5小时（相当于皮肤缝合时），S100水平达到峰值。有35名ICO患者(88％)和13名CABG患者(65％)Sl00水平升高。在手术后5小时，有22名ICO组患者的S100水平仍然升高，而CABG组只有1名患者S100水平升高(P＜0.01)。在手术24小时，有17名ICO患者时S100水平仍持续升高，而CABG组只有2名患者S100水平升高(P＜0.01)。1名心脏瓣膜移植术患者在手术后24小时出现中风，并因此出现S100水平的再次增加。研究表明，S100水平峰值与患者年龄相关(r=0.59；P＜0.001)，但与心肺分流术持续时间或温度无关。上述研究进一步证明了ICO患者比CABG患者更易遭受脑部损伤。

2.2 应用血清S100B浓度进行心肺分流术(CPB)后对神经心理影响的预后判断：

Herrmann等^[8]调查了74名CABG或瓣膜置换手术的患者。在手术前1到2天，手术后3到8天及6个月之后，对患者进行常规神经检查和综合神经心理和精神学评估。术前1、6、20和30小时连续采集静脉血样本，用免疫荧光测试法测定血清S100B蛋白。结果表明：术后患有严重神经心理紊乱的患者的血清S100B水平明显高于没有神经心理紊乱的患者。在皮肤缝合后6到30个小时间，进行多变量(依据S100B浓度和患者年龄，手术类型，十字夹长度和灌注时间及术中和术后的氧气处理)分析，将S100B浓度作为变量建立一个神经心理预后的预测模型，发现S100B浓度对神经心理预后的预测起到重要的作用。

2.3 S-100可作为局部缺血性脑损伤的血清标记物：

Buttner等^[9] 对26名患有大脑中动脉(MCA)急性梗塞的患者，分别测试症状发作后12小时、24小时、及中风之后2、3、4、5、7、8和10天的S-100血清水平，并与26名年龄和性别相配的对照组进行对比。在26名MCA梗塞患者中发现有21名患者的S-100(＞0.2ug/L)浓度升高，对照组则无一例升高，在中风发生之后的2到3天S-100达到峰值。结果表明，局部缺血性中风患者血清中S-100可能是由于坏死性神经胶质细胞渗漏并通过损伤的血脑屏障，表示有严重的局部缺血性细胞损伤。因此，血清中S-100可作为局部缺血性脑损伤的一个周围标记物，有助于对急性局部缺血性中风的诊断和治疗。

2.4 脑脊液中的S100蛋白也可作为人体中枢神经系统细胞损伤的标记物

Persson^[10]对47名患有大脑梗塞，瞬间局部缺血性发作，大脑内出血，珠网膜下腔出血和头部损伤的患者进行了测试。在大面积梗塞患者的脑脊液中发现S100蛋白的浓度增加。在大脑梗塞和瞬间局部缺血发作后的18小时到4天，S100的浓度持续增高，这些蛋白在脑脊液中浓度的升高也反映了患有大脑内出血、珠网膜下出血或头部损伤等疾病的严重性。因此S100蛋白浓度的变化可能反映脑部损伤的程度，并有助于对中风患者进行及时有效地治疗。

2.5 S-100蛋白可作为严重头部损伤的血清生化标志物：

Woertgen等^[11]调查了30名严重头部损伤患者的S-100蛋白的测定结果。在前瞻性研究中，自入院之后开始，在第6、12、24小时进行采血，其后每间隔24小时直到损伤的第5天。使用哥拉斯哥昏迷量表（Glasgow Outcome Scale）评估疾病状况。预后较好的患者的S100浓度为1.7ug/L，预后结果较差的患者S100的浓度平均为4.9ug/L (P＜0.05)。结果显示血清S-100浓度可作为严重头部损伤预后判断的指标。

2.6 S100蛋白对轻微头部损伤的预测价值：

Ingebrigtsen^[12]对24名患有轻微头部损伤，而计算机断层扫描结果正常的轻微头部损伤患者进行了研究。结果显示，其中4名患者(17％)的血清中可检测到S-100蛋白。在创伤之后S-100水平迅速达到最高，并随着时间的延长逐渐降低。作者认为，核磁共振诊断轻微头部损伤的价值高于计算机断层扫描,血清S100蛋白可望作为诊断轻微头部损伤的很有价值的诊断指标。

2.7 S100B 可用于恶性黑色素瘤的辅助诊断和疗效评价:

Hauschild等^[13]认为恶性黑色素瘤患者的血清S100B水平升高，并且与疾病的分期具有相关性。他们调查了接受8周正规治疗的64例黑色素瘤病人，并进行了疾病分期和疗效评价。82%肿瘤进展期病人血清的S100B水平升高，在治疗有效的病人中，98%病人的血清S100B水平持续下降(P < 0.001)。因此，作者认为监测血清的S100B水平不但有助于进行黑色素瘤的疗效评价，而且还可作为制定治疗方案的依据。

综上所述，S100蛋白具有一系列重要的生物学功能。它不仅可以作为脑损伤的生化标志物，用于脑组织损伤、脑缺血及脑中风的诊断和治疗，而且还可以作为肿瘤标志物^[14,15]，检测恶性黑色素瘤的疗效和疾病进展情况。随着对S100蛋白家族研究的不断深入，势必对脑部相关疾病和黑色素瘤及其它肿瘤的研究和防治起到越来越重要的作用。

参考文献：

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