全 文 ：第27卷 第7期
2015年7月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 27, No. 7
Jul., 2015
文章编号：1004-0374(2015)07-0898-05
DOI: 10.13376/j.cbls/2015123
收稿日期：2015-02-10； 修回日期：2015-03-24
基金项目：福建省教育厅B类项目(JB14142)
*通信作者：E-mail: jnu10350@sina.cn
ERAP1与强直性脊柱炎关系研究进展
王冠明1*，游玉权2，谢永华1，陈淑增1，林成凤2
(1 泉州医学高等专科学校基础医学部，泉州 362100；2 泉州正骨医院，泉州 362000)
摘　要：HLA-B27作为强直性脊柱炎 (ankylosing spondylitis, AS)的一个遗传学标志和致病因子为人们所熟
知，但随着基因检测技术的发展，更多与 AS相关的基因被发现，包括 ERAP1。ERAP1的主要功能是剪切
合适长度的抗原肽，以便MHC-I类分子提呈，功能异常的 ERAP1与 AS发病相关。在此过程中，ERAP1
与 HLA-B27密切配合。ERAP1分子多态性产生异常抗原肽提呈谱和 HLA-B27分子表达，并通过固有免疫
和适应性免疫机制介导 AS发病。现围绕 ERAP1基因与 AS的关系、ERAP1基因单核苷酸多态性与其功能
改变以及 ERAP1参与 AS的免疫机制作一综述。
关键词：强直性脊柱炎；ERAP1；单核苷酸多态性；HLA-B27
中图分类号：Q75；R593.23 文献标志码：A
Research progress in the relation between ERAP1 and ankylosing spondylitis
WANG Guan-Ming1*, YOU Yu-Quan2, XIE Yong-Hua1, CHEN Shu-Zeng1, LIN Cheng-Feng2
(1 School of Preclinical Medicine, Quanzhou Medical College, Quanzhou 362100, China;
2 Quanzhou Orthopedics Hospital, Quanzhou 362000, China)
Abstract: It is well known that HLA-B27 is a hereditary marker and susceptibility factor in ankylosing spondylitis
(AS). However, further AS-associated genes including ERAP1 were identified with the development of gene
detection techniques. The main function of ERAP1 is trimming peptides to optimal length for MHC-I presentation
and ERAP1 dysfunction is involved in the pathological mechanism of AS. ERAP1 functions in close concert with
HLA-B27 molecules in AS pathogenesis. ERAP1 polymorphisms result in an abnormal peptide-presenting
repertoire and HLA-B27 expression, which contribute to AS development by innate and adaptive immune
responses. This review focuses on the association of ERAP1 with AS at the gene level, the SNP-dependent alteration
in the function of ERAP1 as well as the immunologic mechanism for ERAP1 in AS susceptibility.
Key words: ankylosing spondylitis; ERAP1; SNP; HLA-B27
强直性脊柱炎 (ankylosing spondylitis, AS)是一
种慢性炎症性关节病，以骶髂关节和脊柱附着点炎
症为主要症状，可伴有肠炎、眼部病变等关节外表
现。AS与遗传背景高度相关，其中与人类白细胞
抗原 (human leukocyte antigen, HLA) -B27的关系最
为密切。虽然高达 95%的 AS患者携带 HLA-B27
基因，然而，只有 1%~5%的 HLA-B27基因携带者
发展为 AS患者 [1-3]。这表明在 AS的发展过程中
HLA-B27并不是唯一因素，也依赖其他基因共同参
与。众多研究发现一些非主要组织相容性复合体
(non major histocompatibility complex, non-MHC) 基
因包括 RUNX3、IL-23R、ANTXR2、IL-1R2、ERAP1
等也与 AS相关 [1,4-5]。值得注意的是，在这些 AS
相关基因当中，内质网氨基肽酶 1 (endoplasmic
reticulum aminopeptidase 1, ERAP1)是仅次于 HLA-B27
与 AS关联度第二高的基因，约占 AS遗传总风险
的 26% [6-7]。ERAP1基因的单核苷酸多态性 (single
nucleotide polymorphism, SNP)与 AS风险的相关性
王冠明，等：ERAP1与强直性脊柱炎关系研究进展第7期 899
已在不同人种中得到证实 [1,6,8-11]。
1　ERAP1的功能
ERAP1属于锌金属肽酶 (zinc-metallopeptidase)
M1家族，也是内质网膜整合蛋白 [12]。ERAP1有
两个主要功能，第一是修剪抗原肽，协助提呈内源
性抗原。内源性抗原肽在细胞质内被蛋白酶复合
体降解为较小的肽段，最多含有 25个氨基酸。而
后，这些肽段被抗原加工相关转运体 (transporter
associated with antigen processing, TAP)转运到内质
网。内质网中的 ERAP1从 N端将这些肽段精确地
修剪为含有 8~9个氨基酸的小片段。这样长度的肽
段最适合结合MHC-I类分子，包括 HLA-B27 [12-13]。
MHC-I类分子结合抗原肽后，通过高尔基体到达细
胞膜，将抗原肽提呈给 CD8+T细胞。此外，ERAP1
还有清除细胞膜促炎细胞因子受体的作用。这些受
体有 IL-1R II、IL-6Rα、TNFRI [13-14]。由于 ERAP1
与 HLA-B27在内质网上共同参与了抗原提呈，有理
由相信 ERAP1也参与了 AS的发病。ERAP1功能
改变与 AS之间的关系近年来得到了广泛关注和深
入研究。
2　ERAP1基因与AS关联
2007年，一项大规模病例对照研究 (case-control
study)利用全基因组关联扫描 (genome-wide associa-
tion scan, GWAS)技术，通过对 1.45万个非同义 SNP
(non-synonymous SNP, nsSNP)位点进行扫描分析，
确认 5个位于ERAP1基因上的 nsSNP与AS相关 [6]。
早前的研究计算出每个 SNP的优势比 (odds ratio,
OR)，并区分出各个 SNP的高风险等位基因 (high
risk allele)[2,6]。与高风险等位基因相对的等位基因
被认为是保护性等位基因，如研究较多的 rs30187
的等位基因 C被认为起保护性作用，其在健康对照
人群中存在的比例高于 AS患者 [2,9]。然而，由于各
SNP间存在连锁不平衡 (linkage disequilibrium, LD)[14]，
并且各 SNP间还有相互作用，似乎较难对某个
SNP独立分析，如纯合的 rs30187和 rs10050860同
时存在可以显著提高保护效应，使得 AS的风险下
降了 2/3~3/4[2]。因此，不同 SNP组合构成的单体
型 (haplotype)成为研究的重点。rs27044/10050860/
30187-CCT单体型提高 AS的风险 [15]，由于 rs20744
与 rs17482078存在完全连锁，也有报道 rs17482078/
10050860/30187-CCT单体型是 AS易感型，而与之
相对应的 TTC单体型则为 AS保护型 [14]。对俄罗
斯人群的研究发现，rs17482078/10050860/2287987-
CCT单体型为 AS易感型，并认为 rs30187和 rs27044
多态性与 AS不相关 [16]。在台湾人群则发现 rs27037/
27980/27044-TCG单体型是 AS的主要风险因子 [10]。
Reeves等 [17]的研究则更为深入，不仅罗列出 13种
不同的单体型，还研究了 15种不同的单体型组合
在疾病和对照组中的分布。他们认为 ERAP1的高
度多态性通过影响抗原提呈参与 AS发病。
虽然 ERAP1基因影响 AS，但其对 AS的影响
有赖于 HLA-B27基因。ERAP1多态性在 HLA-B27
基因缺失的情况下与 AS没有关联 [2]。体外实验也
证明了 ERAP1功能改变只在 AS相关 HLA-B27亚
型存在下改变细胞蛋白质表达 [18]。这说明 ERAP1
与 HLA-B27密切配合，共同参与 AS发病机制。
3　ERAP1多态性与激酶功能改变
3.1　ERAP1正常作用机制
晶体结构解析可以帮助我们很好地认识
ERAP1结构与功能的关系 [19-20]。ERAP1从 N端开
始分为 4个区，分别跨越的氨基酸序列为 1~254、
255~527/529、528/530~613/614、614/615~941 (图 1)。
其中 II区为活性区，IV为调节区，II区和 IV区之
间形成间隙 (cavity)，可以容纳不同长度的抗原
肽 [21]。抗原肽的 C端结合调节区，N端与活性区
接触，两者之间距离约 29Å。这种结构使得 ERAP1
像“分子尺子”只切割合适长度的抗原肽 (9~16个
氨基酸为合适长度，短于 8个氨基酸将难于处理 )。
当抗原肽长度不足导致 N端与活性区没有接触时，
酶的效率将显著下降，直至反应停止。ERAP1有开
放 (open)和闭合 (closed)两种构象，开放时，抗原
A为ERAP1开放构象，B为ERAP1闭合构象。ERAP1分区
用不同颜色表示(I区蓝色、II区绿色、III区黄色、IV区紫
红色)。
图1 ERAP1开放和闭合构象模式图[19]
生命科学 第27卷900
肽被 ERAP1接纳，而后转变为闭合态，此时 ERAP1
为活性状态，可以将氨基酸从抗原肽的 N端切割。
此过程可以重复，直到抗原肽被切割到合适的长度
为止 [20-22]。合适长度的抗原肽将与 MHC-I类分子
结合，被提呈到细胞膜表面。
3.2　ERAP1变异体(variants)与功能变化
ERAP1 非同义单核苷酸突变导致相应位置
的氨基酸变换，形成变异体，如 rs30187 SNP导致
第 528位氨基酸由 Lys (K)变为 Arg (R)，表示为
K528R。一些氨基酸的改变会影响酶功能，rs30187、
rs17482078、rs27044分别对应的氨基酸改变 K528R、
R725Q、Q730E降低了酶活性 [2,23]。ERAP1切割抗
原肽会产生两个效应，一方面，产生供MHC-I类
分子提呈的抗原肽；另一方面，活性强的 ERAP1
过度切割，产生的抗原肽过短则不能被 MHC-I分
子提呈，造成破坏作用 [24-25]。由M349/K528/D575/
R725/Q730组成 AS高风险型 ERAP1与其对应的
AS低风险型比较，前者降解 HLA-B27特异性抗原
肽的能力更强 [26]。在胞内条件下，根据功能强弱，
可以将 ERAP1变异体分为正常功能、过强功能和
过低功能等 3种类型 [27]。需要指出的是，ERAP1
活性的高低还有赖于底物的特异性及其浓度 [23]。
ERAP1变异体的功能变化可以从结构上分析：
M349V在酶活性区，可直接影响酶活性；R725Q、
Q730E位于调节区，可以与抗原肽 C端结合，影响
抗原肽序列和长度的特异性；在接合区的 K528R、
D575N影响酶的构象转变，而构象转变对酶的活性
非常重要 [23,27-28]。
4　ERAP1参与AS的机制
ERAP1具有清除膜细胞因子受体和修剪抗原
肽的功能。膜受体清除减少会导致游离受体与膜受
体的比例失调，从而导致炎症 [13]，但现有研究并未
在 AS患者中发现 ERAP1 SNP与细胞因子水平存
在关系 [29]。因此，本文着重从 ERAP1修剪抗原肽
这一功能来探讨。
4.1　影响抗原肽提呈
ERAP1对抗原肽的剪切功能决定了它对MHC
分子提呈的抗原肽谱 (peptide repertoire)有影响，这
在被敲除 ERAP1基因的小鼠中得到证实 [30-31]。
ERAP1功能的缺失，使得原本与MHC分子较好结
合的抗原肽表达减少，同时与MHC分子结合欠合
适的异常肽段表达增加，并最终导致免疫应答
产生 [18,32]。ERAP1的基因多态性使 HLA-B27提呈
的抗原肽谱呈现多样性，并通过抗原肽谱的改变来
增强或减弱免疫反应 [28,31,33]。ERAP1通过影响抗原
肽提呈介导 AS可能存在如下机制：(1)异常提呈的
抗原肽改变 T细胞受体谱并被特异性的 CD8+T细
胞识别，引起炎症反应；(2)异常提呈的抗原肽可
通过分子模拟导致交叉反应；(3)降解、破坏病原
体来源的抗原，削弱机体对病原体的清除 [7,13,26,34-35]。
目前关于 ERAP1与抗原肽谱的研究都集中于表达
AS相关 HLA-B27分子的细胞，这说明 ERAP1多
态性改变抗原肽谱有赖于 HLA-B27分子，也提示
了两者在抗原提呈上的密切关系。
4.2　改变HLA-B27分子表达
完整的 HLA-B27分子由一条重链 (heavy chain)
和一条轻链 (β微球蛋白 )构成，具备提呈抗原的
能力。当 B27分子解聚时，重链与轻链分离，形成
自由重链 (free heavy chain, FHC)，不能提呈抗原。
HLA-B27来源的 FHC较容易发生错误折叠和形成
同源二聚体 (homodimers) [36]。
ERAP1影响抗原肽提呈的同时也改变了HLA-B27
分子的表达。ERAP1缺失的小鼠细胞膜表面MHC
分子表达下降 [30]，这种情况同样存在携带 AS易感
型 ERAP1基因的细胞上 [26]。ERAP1 SNP rs27044
的 AS易感型等位基因是 C，携带该等位基因的 AS
患者与无该基因的患者比较，前者的外周血单个核
细胞表面表达较高的 FHC[18]。这些现象潜在的机制
是 ERAP1功能失当产生与 HLA-B27分子低亲和力
的抗原肽，而该分子结合低亲和力抗原肽后容易
发生解聚，发生未折叠蛋白反应 (unfolded protein
response, UPR)，或是形成膜 FHC [13]。蛋白质错误
折叠增加内质网压力，引起细胞因子失调，导致炎
症反应，这是 AS的一个病理机制 [36]。
FHC在 AS患者炎性滑膜液中的单个核细胞
膜表面高表达 [37]，提示其也与 AS相关。FHC分子
在膜表面可形成同源二聚体，该二聚体可被 NK细
胞以及 Th17细胞表面的杀伤细胞免疫球蛋白样受
体 (killer immunoglobulin-like receptor, KIR)家族成
员 KIR3DL2结合 [38-39]。NK细胞和 Th17细胞的 KIR
受体结合 FHC后可延长存活时间。AS患者表达
KIR3DL2受体的 Th17和 NK细胞的比例增加 [38-39]。
Th17细胞通过分泌 IL-17细胞因子参与了 AS的病
理过程 [40]。
5　小结
ERAP1在抗原提呈中与 HLA-B27密切配合，
王冠明，等：ERAP1与强直性脊柱炎关系研究进展第7期 901
在 AS发病过程中扮演了角色。功能失当的 ERAP1
导致了异常的抗原肽谱和 HLA-B27分子表达，并
最终通过适应性免疫和固有免疫机制参与了 AS发
病。认识 ERAP1与 AS的联系加深了我们对该疾
病的理解，但也存在很多疑问有待于进一步阐明。
如何调控 ERAP1的功能也许可以成为治疗 AS的
一个研究方向。
[参　考　文　献]
[1] Reveille JD, Sims AM, Danoy P, et al. Genome-wide
association study of ankylosing spondylitis identifies non-
MHC susceptibility loci. Nat Genet, 2010, 42(2): 123-7
[2] Evans DM, Spencer CC, Pointon JJ, et al. Interaction
between ERAP1 and HLA-B27 in ankylosing spondylitis
implicates peptide handling in the mechanism for
HLA-B27 in disease susceptibility. Nat Genet, 2011,
43(8): 761-7
[3] Khan MA, Ball EJ. Genetic aspects of ankylosing
spondylitis. Best Pract Res Clin Rheumatol, 2002, 16(4):
675-90
[4] Tsui FWL, Tsui HW, Akram A, et al. The genetic basis of
ankylosing spondylitis: new insights into disease
pathogenesis. Appl Clin Genet, 2014, 7: 105-15
[5] Joshi R, Reveille JD, Brown MA, et al. Is there a higher
genetic load of susceptibility loci in familial ankylosing
spondylitis? Arthritis Care Res, 2012, 64(5): 780-4
[6] Burton PR, Clayton DA, Caldon LR, et al. Association
scan of 14,500 nsSNPs in four common diseases identifies
variants involved in autoimmunity. Nat Genet, 2007,
39(11): 1329-37
[7] Sanz-Bravo A, Campos J, Mazariegos MS, et al. Dominant
role of the ERAP1 polymorphism R528K in shaping the
HLA-B27 peptidome through differential processing
determined by multiple peptide residues. Arthritis
Rheumatol, 2015, 67(3): 692-701
[8] Zhang Z, Dai D, Yu K, et al. Association of HLA-B27 and
ERAP1 with ankylosing spondylitis susceptibility in
Beijing Han Chinese. Tissue Antigens, 2014, 83(5): 324-9
[9] Choi CB, Kim TH, Jun JB, et al. ARTS1 polymorphisms
are associated with ankylosing spondylitis in Koreans.
Ann Rheum Dis, 2010, 69(3): 582-4
[10] Wang CM, Ho HH, Chang SW, et al. ERAP1 genetic
variations associated with HLA-B27 interaction and
disease severity of syndesmophytes formation in
Taiwanese ankylosing spondylitis. Arthritis Res Ther,
2012, 14(3): R125
[11] Pimentel-Santos FM, Ligeiro D, Matos M, et al.
Association of IL23R and ERAP1 genes with ankylosing
spondylitis in a Portuguese population. Clin Exp
Rheumatol, 2009, 27(5): 800-6
[12] Agrawal N, Brown MA. Genetic associations and
functional characterization of M1 aminopeptidases and
immune-mediated diseases. Genes Immun, 2014, 15(8):
521-7
[13] Haroon N, Inman RD. Endoplasmic reticulum aminopep-
tidases: Biology and pathogenic potential. Nat Rev
Rheumatol, 2010, 6(8): 461-7
[14] Kadi A, Izac B, Said-Nahal R, et al. Investigating the
genetic association between ERAP1 and spondyloarthritis.
Ann Rheum Dis, 2013, 72(4): 608-13
[15] Maksymowych WP, Inman RD, Gladman DD, et al.
Association of a specific ERAP1/ARTS1 haplotype with
disease susceptibility in ankylosing spondylitis. Arthritis
Rheum, 2009, 60(5): 1317-23
[16] Zvyagin IV, Dorodnykh VY, Mamedov IZ, et al. Association
of ERAP1 allelic variants with risk of ankylosing
spondylitis. Acta Naturae, 2010, 2(3): 72-7
[17] Reeves E, Colebatch-Bourn A, Elliott T, et al. Functionally
distinct ERAP1 allotype combinations distinguish
individuals with Ankylosing Spondylitis. Proc Natl Acad
Sci USA, 2014, 111(49): 17594-9
[18] Haroon N, Tsui FW, Uchanska-Ziegler B, et al. Endoplasmic
reticulum aminopeptidase 1 (ERAP1) exhibits functionally
significant interaction with HLA-B27 and relates to
subtype specificity in ankylosing spondylitis. Ann Rheum
Dis, 2012, 71(4): 589-95
[19] Nguyen TT, Chang SC, Evnouchidou I, et al. Structural
basis for antigenic peptide precursor processing by the
endoplasmic reticulum aminopeptidase ERAP1. Nat Struct
Mol Biol, 2011, 18(5): 604-13
[20] Kochan G, Krojer T, Harvey D, et al. Crystal structures of
the endoplasmic reticulum aminopeptidase-1 (ERAP1)
reveal the molecular basis for N-terminal peptide trimming.
Proc Natl Acad Sci USA, 2011, 108(19): 7745-50
[21] Alvarez-Navarro C, Lopez de Castro JA. ERAP1 structure,
function and pathogenetic role in ankylosing spondylitis
and other MHC-associated diseases. Mol Immunol, 2014,
57(1): 12-21
[22] Gandhi A, Lakshminarasimhan D, Sun Y, et al. Structural
insights into the molecular ruler mechanism of the
endoplasmic reticulum aminopeptidase ERAP1. Sci Rep,
2011, 1: 186
[23] Evnouchidou I, Kamal RP, Seregin SS, et al. Cutting
Edge: coding single nucleotide polymorphisms of
endoplasmic reticulum aminopeptidase 1 can affect
antigenic peptide generation in vitro by influencing basic
enzymatic properties of the enzyme. J Immunol, 2011,
186(4): 1909-13
[24] Evnouchidou I, Papakyriakou A, Stratikos E. A new role
for Zn(II) aminopeptidases: antigenic peptide generation
and destruction. Curr Pharm Des, 2009, 15(31): 3656-70
[25] York IA, Chang SC, Saric T, et al. The ER aminopeptidase
ERAP1 enhances or limits antigen presentation by
trimming epitopes to 8-9 residues. Nat Immunol, 2002,
3(12): 1177-84
[26] Seregin SS, Rastall DP, Evnouchidou I, et al. Endoplasmic
reticulum aminopeptidase-1 alleles associated with
increased risk of ankylosing spondylitis reduce HLA-B27
mediated presentation of multiple antigens. Autoimmunity,
2013, 46(8): 497-508
[27] Reeves E, Edwards CJ, Elliott T, et al. Naturally occurring
生命科学 第27卷902
ERAP1 haplotypes encode functionally distinct alleles
with fine substrate specificity. J Immunol, 2013, 191(1):
35-43
[28] Garcia-Medel N, Sanz-Bravo A, Van Nguyen D, et al.
Functional interaction of the ankylosing spondylitis-
associated endoplasmic reticulum aminopeptidase 1
polymorphism and HLA-B27 in vivo. Mol Cell Proteomics,
2012, 11(11): 1416-29
[29] Haroon N, Tsui FW, Chiu B, et al. Serum cytokine
receptors in ankylosing spondylitis: relationship to
inflammatory markers and endoplasmic reticulum
aminopeptidase polymorphisms. J Rheumatol, 2010,
37(9): 1907-10
[30] Hammer GE, Gonzalez F, Champsaur M, et al. The
aminopeptidase ERAAP shapes the peptide repertoire
displayed by major histocompatibility complex class I
molecules. Nat Immunol, 2006, 7(1): 103-12
[31] Blanchard N, Shastri N. Coping with loss of perfection in
the MHC class I peptide repertoire. Curr Opin Immunol,
2008, 20(1): 82-8
[32] Hammer GE, Gonzalez F, James E, et al. In the absence of
aminopeptidase ERAAP, MHC class I molecules present
many unstable and highly immunogenic peptides. Nat
Immunol, 2007, 8(1): 101-8
[33] Akram A, Inman RD. Co-expression of HLA-B7 and
HLA-B27 alleles is associated with B7-restricted immuno-
dominant responses following influenza infection. Eur J
Immunol, 2013, 43(12): 3254-67
[34] Chen B, Li D, Xu W. Association of ankylosing
spondylitis with HLA-B27 and ERAP1: pathogenic role
of antigenic peptide. Med Hypotheses, 2013, 80(1): 36-8
[35] Zambrano-Zaragoza JF, Agraz-Cibrian JM, Gonzalez-
Reyes C, et al. Ankylosing spondylitis: from cells to
genes. Int J Inflam, 2013, 2013: 501653
[36] Colbert RA, Tran TM, Layh-Schmitt G. HLA-B27
misfolding and ankylosing spondylitis. Mol Immunol,
2014, 57(1): 44-51
[37] Tsai WC, Chen CJ, Yen JH, et al. Free HLA class I heavy
chain-carrying monocytes--a potential role in the
pathogenesis of spondyloarthropathies. J Rheumatol,
2002, 29(5): 966-72
[38] Chan AT, Kollnberger SD, Wedderburn LR, et al.
Expansion and enhanced survival of natural killer cells
expressing the killer immunoglobulin-like receptor
KIR3DL2 in spondylarthritis. Arthritis Rheum, 2005,
52(11): 3586-95
[39] Bowness P, Ridley A, Shaw J, et al. Th17 cells expressing
KIR3DL2+ and responsive to HLA-B27 homodimers are
increased in ankylosing spondylitis. J Immunol, 2011,
186(4): 2672-80
[40] Miossec P, Kolls JK. Targeting IL-17 and TH17 cells in
chronic inflammation. Nat Rev Drug Discov, 2012,
11(10): 763-76