摘要:乳糖酶是存在于哺乳动物小肠黏膜微绒毛膜表面上的一种双糖酶。乳糖酶缺乏(LD)是个世界性的问题,影响了全世界近2 /3的人口,亚洲的患病率高达95% ～100%。LD会造成乳糖吸收不良,甚至出现一系列乳糖不耐受的症状,对人类的健康造成很大的威胁。现就LD的分子生物学研究进展综述如下。

乳糖存在于哺乳动物的乳汁中,为无色晶体,在人乳中约含7%。乳糖被乳糖酶水解为半乳糖及葡萄糖后被机体吸收。乳糖酶在小肠黏膜双糖酶中成熟最晚,含量最低,最易受损,恢复也最慢,与人类健康的关系密切。当小肠黏膜乳糖酶缺乏( lactase deficiency,LD)或酶活性受到抑制,未被吸收的乳糖滞留在肠道中,被肠道细菌发酵分解成乳酸和CO2等气体,并使肠腔内渗透压增高,进而引起肠胀气、肠痉挛、甚至腹泻,使大量营养素尤其是钙吸收不良,称为乳糖不耐受( lactose intolerance,L I) 。当LD只引起乳糖吸收障碍而无临床症状时,称为乳糖吸收不良。LD可分为3类:原发性LD、继发性LD 和先天性LD。原发性LD 也叫成人型乳糖酶缺乏( adult-type hypolactasia,ATH) 、乳糖酶非持续活性或遗传性的LD。妊娠8～34周,胎儿的乳糖酶已经形成并且活性逐渐上升,妊娠晚期发展更为迅速,婴儿期出现峰值,多数人乳糖酶活性持续至2～15岁,随年龄增长逐渐降至成人缺乏乳糖酶的水平。ATH 在不同的种族中患病率不同, 北欧2% ～ 15%、中欧9%～23%、黑种人和北欧犹太人为60% ～80%、美洲印第安人80% ～100%、美国白种人6% ～22%、西班牙50% ～80%、印度北方20%～30%、印度南方60%～70%、亚洲95%～100%^{[ 1 ]}。中国3～5岁、7～8岁和11～13岁儿童中, LD的发生率分别为38. 5%、87. 6% 和87. 8% ,L I发生率分别为12. 2%、32. 2%和29. 0%^{[ 2 ]} 。继发性LD可发生于所有累及小肠黏膜的疾病及某些全身性疾病,如乳糜泻、克罗恩病、Whipp le病、兰氏贾第鞭毛虫感染、感染性腹泻、短肠综合征、β2胰蛋白缺乏症、免疫球蛋白缺乏症、免疫缺陷、重度营养不良、腹部放射线照射、过量饮酒等,且可同时存在麦芽糖酶和蔗糖酶缺乏。上述疾病若能恢复,双糖酶可能恢复至接近正常。某些病例继发性LD可能持续存在。先天性LD指出生时机体乳糖酶几乎完全缺乏,此型极少见,是一种常染色体隐性遗传的疾病。小肠刷状缘乳糖酶活性自出生就低下或缺如,新生儿哺乳后1～2 h即出现腹泻等L I症状,严重的伴有呕吐、失水、酸中毒等。

1　LD的临床表现

因肠道乳糖酶缺乏,食物中的乳糖在小肠内不能被乳糖酶完全消化吸收而滞留于肠腔内,使肠内容物的渗透压增高,体积增加,肠排空加快,导致腹胀、肠鸣、肠绞痛、腹泻等肠道症状。同时,乳糖在小肠下段、结肠中细菌作用下发酵生成甲酸、乙醛、吲哚、短链脂肪酸等潜在的毒性成分和氢气、CO2 和甲烷等气体^{[ 3 ]}。短链脂肪酸可使渗透作用加强,促进腹泻发生。半乳糖和乳糖本身被肠道直接吸收进入血液也是有毒性的。还有很多L I患者在停止摄入乳糖后腹泻会持续数日,推测与霍乱肠毒素的作用相似,乳糖还可能通过影响信号转导引起腹泻。L I患者也可出现恶心、呕吐,部分患者肠道运动减弱出现便秘而不是腹泻。此外,部分患者还会出现全身的症状,比如头痛、注意力不集中、记忆力下降、疲乏无力、肌肉和关节疼痛、心律不齐、口腔溃疡、尿频、咽喉痛、各种过敏反应(如湿疹、鼻炎、鼻窦炎、哮喘、瘙痒症) ^{[ 4 ]}。然而这些症状间断出现,容易被忽略。LD人群中仅有20%左右的人存在L I症状,且症状个体差异很大,与小肠黏膜残余的乳糖酶活性、进入肠道的乳糖量、胃排空速率、肠的乳糖转运时间、肠道细菌发酵乳糖的能力以及大肠对肠腔渗透压改变后的代偿作用有关。

乳糖吸收不良会影响营养的吸收,在婴幼儿及老年人尤其明显。在婴幼儿中会引起营养不良,影响生长发育,在老年人会引起骨质疏松症^{[ 5 ]}。此外,Von Tirp itz等^{[ 6 ]}提出ATH与克罗恩病相关。

2　乳糖酶的分子生物学的研究进展

2. 1　乳糖酶的结构和生物合成过程　乳糖酶又称β2半乳糖苷酶,对乳糖真正起水解作用的为乳糖酶根皮苷水解酶。根皮苷水解酶具有两种酶的活性: ①乳糖酶,只存在于哺乳动物体内,将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖; ②根皮苷水解酶(糖基-N2神经酰胺2葡萄糖水解酶) ,只存在于脊椎动物体内,作用于根皮苷和β2糖基神经酰胺。糖基神经酰胺存在于大多数脊椎动物的食物中(包括牛奶) ,是根皮苷水解酶的天然底物。

乳糖酶为一条多肽链,上面有乳糖酶和根皮苷水解酶的作用位点,并通过羧基末端的一段疏水氨基酸序列连接在肠黏膜微绒毛膜表面。乳糖酶基因位于2 号染色体长臂(2q21) ,由50 000个碱基对组成,包含有17个外显子。启动子位于乳糖酶基因前端,由1 000 个碱基对组成。乳糖酶mRNA由6 274个碱基对组成,前乳糖酶原(初级翻译产物)由位于氨基末端的信号肽域(19个氨基酸) 、前导肽域( 849个氨基酸) 、胞外域(1 014个氨基酸) 、疏水的跨膜锚定区(19个氨基酸) 、羧基末段的胞内段(26个氨基酸)组成。前乳糖酶原在信号肽的引导下进内质网中,信导肽被切除,被N2糖基化,形成二聚体,并在分子伴侣的帮助下正确折叠形成乳糖酶原。乳糖酶原包含4个内部重复序列,其中前导肽域包含重复序列Ⅰ～Ⅱ,胞内段包含重复序列Ⅲ～Ⅳ。重复序列Ⅲ和重复序列Ⅳ分别具有根皮苷水解酶和LCT的活性。乳糖酶原进入高尔基体后被O2糖基化,然后经历细胞内和肠腔的两次裂解后形成成熟的乳糖酶。