全 文 ： 综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2006年增刊
植物类过敏性蛋白 (变应原 )研究进展
李东栋 范永梅
(海南大学理工学院生物工程系,海口 570228)
摘 要: 据相关资料最新统计表明,全球大约有 25%的人口受到 I型变态反应疾病的影响。植物中的花粉、
汁液和果实可以分别作为吸入性、接触性和食入性过敏原影响过敏体质的人群。目前, 惟一有效的办法是应用特
异性变应原进行脱敏治疗 (脱敏治疗 )。而在应用天然变应原提取物进行传统免疫治疗过程中存在一定的危险性。
通过基因工程的方法合成的修饰后的高纯度特异变应原在保持过敏性蛋白完整的免疫活性的同时可降低其本身
的过敏原性。这种修饰后的过敏性蛋白的应用将使免疫治疗更趋于标准化操作同时避免应用天然过敏性蛋白天
然提取物时的危险性, 最终可达到提高治疗的效果的目的。目前, 重组这种新的过敏性蛋白已经成为过敏性疾病
研究的新的热点。
关键词: 植物 过敏性蛋白 变应原
Progress in A llergenic Proteins ( Allergen) in Plants
LiDongdong FanY ongm ei
(D epartmen t of B ioeng ineering College of Science and Techno logy,H ainan University, H aikou 570228)
Abstrac:t Type I hyperresponsiveness tha t affects almost 25% o f the population in industria lized countries and mo re
than 130 m illion peop le wo rldw ide. Pollen, fru it and la tex in p lants can induce alle rg ic diseases like rh initis, asthma and
hay fever. These are c lassfied into inhalen t a llergens, ingestent a llerg ens and contactent a llergens. Now, the recomb inant
a llergens can be eng inee red to reduce the r isk o f the IgE-m ediated side effects. Now, expressions of recom b inant a llerg ens
from plants have been succeed in diffe rent kind of system. The mo lecu les w ith reduced a llerg en ic ity ( hypoallergen) would
not lead to anaphylactic reaction upon in jection and w ou ld allow higher-do se adm in istration o f alle rgen, wh ich has show ed to
bem ore effective in sym ptom reduction than low dose. Currently, recom bina tion and app lication of th is kind of a llergen is
setting up a novel and cross- sub jects field.
Key words: P lant A llerg ic prote ins A lle rgen
基金项目:海南省自然科学基金资助项目 ( 80406 );海南省教育厅高校科研资助项目 (H jk j200510 )
作者简介:李东栋 ( 1975-) ,男,江苏金坛人,博士,海南大学理工学院生物工程系副教授, T e:l 0898-66253602
通讯作者:范永梅, E-m ai:l l iddfym@ hotm ai.l com
超敏反应 ( hyperresponsiveness)是指人体对抗
原物质接触后的不正常反应。它与正常的免疫反应
不同, 不但不起保护作用, 相反由于反应过度强烈而
导致生理功能紊乱和组织损伤。其中 型变态反应
是已致敏有机体再次受到同样的变应原刺激时发生
的反应,由于反应迅速和强烈也称为速发型超敏反
应。在目前的统计中显示,全球大约有 25%的人口
受到 I型变态反应疾病的影响 [ 1~ 2]。植物类变应原
为所有变应原中分布最为广泛的一类,不仅难以避
免,而且引发的变态反应疾病具有明显的地域性和
季节性,是变态反应疾病中发病最为广泛的一种。
而其中植物类变应原 (过敏性蛋白 )的鉴定纯化一
直是对此类疾病进行研究的重点。
1 植物类变应原的种类
1. 1 吸入性过敏原
在空气中存在最为广泛的变应原是植物的花
2006年增刊 李东栋等:植物类过敏性蛋白 (变应原 )研究进展
粉。目前的统计表明,大约有 40%的型变态反应
疾病患者的发病与花粉的接触有关 [ 3]。释放在空
中的花粉是风媒植物有性过程中的重要环节,而漂
浮在空气中花粉所含的特异蛋白在很多的情况下却
成为导致人体产生高烧和哮喘的变应原。由于此类
疾病发病初期表现较轻, 但通过多年花粉季节的反
复接触,病情会逐渐加重, 病变器官可以由上呼吸道
发展到下呼吸道,以及眼、耳、咽喉和胃肠道等,甚至
最终会发展成为肺气肿、肺心病等不可逆的病变。
随着近年来变态反应疾病发病率的提高, 专家学者
对花粉在空气中的分布、花粉中的重要变应原及其
在植物花粉中的作用越来越关注。这些过敏原是被
花粉快速释放在空中,分子量大约为 30kD糖蛋白,
在人体中与特异的 IgE相结合并诱发过敏反应 [ 4 ]。
有统计表明,几乎所有的植物种类的花粉都有可能
成为特殊人群的致病变应原 [ 5]。
1. 2 食入性变应原
食入性变应原包括一切经口进入体内的变应
原。广义来说,除食物以外,一切经过口进入的药物
也是食入性变应原。此类变应原在进入人体后会表
现出消化道以外的症状, 如皮肤过敏、哮喘等,有时
两者同时出现, 甚至交替出现。当前对植物类变应
原研究表明,植物果实中的变应原主要集中在坚果
(包括杏仁和核桃等 )、凤梨和花生上。美国的统计
表明, 这几类变应原大约影响美国 1. 1%总人口的
健康 [ 6]。进一步的研究发现具有致敏作用的食入
性变应原也同时存在于多种蔬菜和瓜果中以及这些
食品的加工产品当中 [ 7~ 8 ]。
1. 3 接触性变应原
是指一切由体表皮肤或黏膜直接接触而引起的
过敏物质。植物中最为重要的接触性变应原为植物
分泌的汁液。其中最主要的接触性变应原为橡胶树
的汁液和相关的乳胶制品 [ 9] , 称为乳胶过敏 ( Latex
A llerg ies)。而这种由乳胶引起的变态反应疾病与
很多的植物果实之间存在交叉反应, 其中与香蕉、鳄
梨和栗子的交差反应现象最高 [ 10 ]。目前已经分离
了与此相关的多种变应原蛋白, 其中大多数属于植
物中的病程相关蛋白 ( PR-protein)。
2 植物类变应原分子的功能研究
近 10年以来,随着对植物变应原研究的进一步
深入使人们对其本身在植物体内的功能产生浓厚的
兴趣。通过对变应原蛋白质的序列分析以及相关基
因的克隆,证明变应原的基因和氨基酸序列与植物
中的多种功能蛋白有很高的同源性,并进一步证明
不同的植物变应原在植物中分别有以下几种功能:
2. 1 Ca结合蛋白
在植物分子生物学的研究当中, Ca离子结合蛋
白是植物花粉在柱头萌发和花粉管伸长的重要信号
分子。1999年, Rozw adow ski[ 11]等从油菜中分离得
到了具有 EF臂的两种低分子量的 Ca结合蛋白, 在
对这两种蛋白进行分析时发现, 它们同属于最近分
离的一个亲缘关系较远的植物花粉变应原家族成
员。而这两种 Ca结合蛋白亦在人体内具有很强的
免疫活性,可以刺激人体产生特异性 IgE [ 12]。而在
变应原的研究中发现, 在油菜 [ 12]、桦树 [ 13]和百幕大
草 [ 14]中具有 EF臂的 Ca结合蛋白已经是植物变应
原中的重要一部分。这些来源于不同种类植物的变
应原在氨基酸序列上有 70%相似性, 被称为是一种
新类型的 Ca结合蛋白。在这些变应原中, 与 Ca结
合相关的 EF臂结构域与这类蛋白的免疫活性有很
强的相关性 [ 15] ,有可能是此类蛋白中关键的抗原决
定簇,其中 Ca离子的结合起着很重要的作用。
2. 2 病程相关蛋白 ( PR-protein)
病程相关蛋白是植物体在受到外界逆境、病原
菌刺激后产生的一种或几种上调蛋白 ( up-regula-
ted)。后来发现所有的 PR蛋白几乎都与病原菌的
入侵有关。因此, 称之为病程相关蛋白。部分 PR
蛋白具有几丁质酶或 1, 3-葡聚糖酶的活性 [ 13 ] ,而仍
有一部分的 PR蛋白的功能目前还不清楚。目前,
PR蛋白是植物界对诱导抗性研究的热点。而在植
物变应原的研究中,惊奇的发现很多植物类变应原
与 PR蛋白有很高的同源性。如, B et v 1是从桦树
花粉中分离的一种重要变应原, 由于其树种的广泛
分布使其花粉在全世界大约影响 1亿人口的健康。
在对 Betv1的氨基酸序列以及基因序列进行分析
时,发现它与豌豆中普遍表达的一组病程相关蛋白
( PR-10)有很高的同源性, 最近的研究证明苹果中
的主要变应原 M al d 1、芹菜中的 Ap i g 1和胡萝卜
中的 Dau c1与 Bet v 1同属 PR-10类蛋白 [ 16]。同
时,对植物类变应原的进一步研究证明橡胶中的主
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生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2006年增刊
要变应原 H ev b 6[ 17]、甘蓝中的 Bar r 2[ 18]和鳄梨中
的 Pers a 1[ 19]具有几丁质酶的活性, 同属 PR-4类蛋
白,樱桃中可引起消化道变态反应的变应原 Prn a 2
属于 PR-5类蛋白 [ 19]。由于 PR蛋白存在的广泛性
和不同植物之间的相似性,对它们的进一步研究有
可能揭示花粉中变应原的过敏性和植物变应原之间
广泛存在的交叉反应现象。
2. 3 细胞壁松弛素 ( cellw al-l loosening agent)
苹果菌素 ( expansin) ,也称为棒曲菌素, 植物中
的一种细胞外蛋白。它可以通过破坏纤维素或多糖
分子之间的共价结合而达到提高细胞延展性 ( En-
largement)的功能 [ 20]。当第一例 expansin的全长
cDNA被分离和测序后, 其研究者应用 BLAST软件
对其序列在 G enebank和 Sw issPort数据库中进行比
较分析,结果显示,其序列和一组草本植物中的 I类
花粉变应原具有序列相似性。进一步的研究证明,
植物花粉 I类变应原, 如黑麦草花粉中的 LolpI、水
稻花粉中的 O ry s I以及玉米花粉中的 Zeam I确实
在结构上与 expansin有一定的相似性, 同样具有 ex-
pansin的功能 [ 4]。这种花粉中变应原所具有的 ex-
pansin的活性与最初发现的植物中的 expansin有相
同之处,也有自身特殊的地方。如 -expansin主要
在花粉中表达,表达量高且只作用于单子叶植物细
胞的细胞壁,其主要的作用是帮助花粉管通过花柱
最终进入子房 [ 21]。签于以上的不同, 现已经将 I类
变应原中具有 expansin活性的蛋白命名为 -expan-
sin, 以便与最初发现的 -expansin相区别。
植物类变应原在很多不同种类的植物之间存在
广泛的交叉反应现象 [ 22]。而不同植物中的变应原
所共有的保守域 ( Conserve domain)或抗原决定簇
( Iso tope)可能正是植物变应原交叉反应 ( cross-reac-
t ion)的本质原因。因此, 对植物变应原功能的研究
对于认识其本质和变态反应疾病的研究都具有重要
意义。
3 植物变应原基因的克隆和体外重组
目前,对于 I变态反应疾病的治疗惟一有效的
办法是应用特异性变应原进行脱敏治疗 [ 23]。在利
用花粉中的天然变应原提取物进行治疗的过程中存
在很多的问题。首先, 应用于特异性变应原免疫治
疗中的天然提取物中存在其它非致敏蛋白和大分
子,使应用时的计量标准很难标准化; 其次, 获得的
天然变应原有较强的致敏性, 在治疗的过程中存在
一定的危险;第三, 由于以上两种情况的存在使得临
床应用剂量很低,很难达到免疫治疗的效果 [ 26]。而
所有的这些问题在实际工作中严重限制和影响了脱
敏治疗的临床应用和疗效。
随着现代分子生物学技术在植物变应原研究中
的应用,植物中多种变应原的基因序列、特点和三维
结构已经陆续被阐明, 并进一步揭示了变应原上决
定与 IgE结合的抗原决定簇 [ 27]。人们希望能够通
过基因工程的方法合成高纯度的变应原作为脱敏治
疗的试剂。目前, 已经有 27种植物中的 60种花粉
变应原基因的编码序列在互联网上被公布 ( www.
a llergen. org)。其中有白桦树、雪松和黑麦草等近
10种植物花粉变应原通过基因工程的方法分别在
大肠杆菌 [ 24]、病毒 [ 25]和植物 [ 26]等不同的表达体系
中被重组。同时,研究者希望应用基因工程的方法
并通过诱导点突变对原有的变应原序列进行修饰。
这种已修饰的变应原一方面在去除 IgE结合的表位
的同时也保留 T细胞结合表位和诱导 IgG抗体活性
的表位,在保留免疫活性的同时降低过敏性的变应
原,将有希望改变目前利用变应原天然提取物进行
治疗所面临的困难 [ 27 ]。目前,应用于重组变应原修
饰的主要方法有定点突变诱导 ( site-directed mu-
tant)和构象改变 ( con fo rmational variants), 并已在部
分植物变应原中获得已修饰的重组植物类变应原。
这些重组的修饰后变应原在临床实验中亦表现出预
期的修饰效果,并开始在多种变应原的重组中被应
用 [ 28]。
4 展望
植物作为地球上分布最为广泛的一种生物种
类,与人类的生活密切相关。在实际生活中, 树木、
花草和杂草中的过敏原很难避免。而作为目前惟一
有效的治疗方法 特异变应原的免疫治疗在应用
过程中仍然存在很多的问题。目前的统计表明, 变
态反应疾病的发病率在近 50年有升高的趋势 [ 29]。
有研究认为,环境的污染和工业化的加剧使植物产
生新的 PR蛋白 (一种主要的变应原 ), 很有可能是
变态反应疾病发病率提高的原因之一 [ 30]。同时, 还
不知道在转基因植物种类日益增多的同时, 人类会
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2006年增刊 李东栋等:植物类过敏性蛋白 (变应原 )研究进展
不会自己创造出新的变应原。因此, 在变应原的研
究过程中,有很多的问题需要应用植物学、免疫学和
变态反应学的理论进行综合认识和评判。其中,应
用基因工程的手段表达植物变应原并对其本身结构
进行进一步修饰将对变态反应疾病的深入认识、研
究和治疗产生重要影响。
参 考 文 献
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