人類和小鼠的絲氨酸蛋白酶抑制劑基因超家族

姚曉坤，潘志鵬，倫永志

（大連大學 醫學院 遼寧省高校生物物理學重點實驗室，遼寧 大連 116622）

人類和小鼠的絲氨酸蛋白酶抑制劑基因超家族

姚曉坤，潘志鵬，倫永志*

（大連大學 醫學院 遼寧省高校生物物理學重點實驗室，遼寧 大連 116622）

絲氨酸蛋白酶抑制劑（Serine protease inhibitor, Serpin）家族是由結構相似，功能多樣的蛋白質組成。最初的serpin是根據他們的功能而命名的，其中許多成員不是抑制劑而是伴侶，它們參與儲存，運輸及其他作用。在所有領域的基因組中，serpin含有36個編碼人蛋白質基因和5個假基因。小鼠則有60個serpin的功能基因，其中有許多是直系同源人的serpin基因，一些基因已擴展到多個旁系同源基因。絲氨酸蛋白酶抑制因子（serpins）分布于全身組織；其中大多數在細胞外，也有一些在細胞內。經研究顯示，serpins可能對炎癥，免疫功能，腫瘤發生，血液凝固，癡呆和腫瘤轉移都有作用。根據這些蛋白的特性，可能將會進一步發現疾病的潛在生物標志物和治療靶點。

絲氨酸蛋白酶抑制劑；血液凝固；補體；細胞死亡

Serpins代表規模最大的蛋白酶抑制劑家族，其功能也最多樣化的。serpin這個名稱，最初來源于對這個家族功能的描述，即絲氨酸蛋白酶抑制劑。在他們的初始狀態中，serpins作為單體蛋白質存在，大多數 serpin的家族成員能抑制糜蛋白酶家族的絲氨酸蛋白酶[1]，從而抑制蛋白級聯反應。然而，一些serpins具有激素運輸和其他機制的功能，這與抑制催化活性無關。大約有1500個serpin的序列已經被確定，它們全部存在于五個領域的基因組當中[2]。其中有 36個被推定為人的功能蛋白編碼基因[3]。Serpins具有非常保守的二級結構，帶有裸反應中心環（RCL），這種結構能通過與蛋白酶活性位點的相互作用來抑制蛋白酶活性[4]。對于 serpins的功能來說，具有構象變化的能力起著關鍵作用，原理機制是serpins通過自殺底物表現出抑制功能[2,5]。雖然大多數serpins選擇性地抑制絲氨酸蛋白酶，但還有一些抑制半胱氨酸蛋白酶，比如胱天蛋白酶和組織蛋白酶；有一些serpins有運輸激素和調節血壓的的功能[5]。serpins在運輸激素，皮質類固醇的結合與凝結，調節血壓中都發揮重要的生理作用。

1 人和小鼠絲氨酸蛋白酶抑制劑的主要亞型

serpin的超家族根據它們序列相似性而分組，稱為亞型。亞型被劃分為 A-P，亞型 A-I代表人類的serpins[5]。其中A和B的亞型是最重要的，也是最多見的，下文著重介紹這兩者。

1.1 亞型A

Serpins的A亞型被歸為抗胰蛋白酶類，屬于細胞外蛋白質。在八個細胞外serpins當中，亞型A是最大的亞型。SERPINA含有11個人功能蛋白編碼基因和兩個假基因[6,7]。

SERPINA1又稱為抗胰蛋白酶，對嗜中性粒細胞彈性蛋白酶有抑制性作用[3,8]。

SERPINA2之前被歸類為假基因；然而，最近的研究表明，它是一個位于內質網的編碼蛋白[9]。通過多個種族的基因組測序而開展了一項關于SERPINA2的研究，通過部分刪除而顯示出陽性篩選的提示模式，對于部分丟失的 SERPINA2的功能蛋白具有單倍型特征。表明在人體的局部假基因化可暗示正在進行假基因化的過程[10]。

SERPINA3先前被稱為糜蛋白酶的抑制蛋白。它能抑制胰凝乳蛋白酶和組織蛋白酶 G的活性[11]。此抑制物通常分布在血液、肝、腎和肺中。

SERPINA4原被稱為kallistatin（PI4），是一種抑制蛋白，抑制激肽釋放酶的活性。在血液、肝、腎、和心臟中分布。

SERPINA5，原為蛋白C抑制劑，抑制活性蛋白C。分布于血液，腎臟和肝臟[12]。

SERPINA6又稱為結合皮質甾類球蛋白。是一種非抑制性蛋白結合的激素，即皮質醇。

SERPINA7，之前為甲狀腺素結合球蛋白，參與非抑制甲狀腺激素的運輸。在血液，腎臟和心臟中表達。

SERPINA8現稱為血管緊張素原（AGT），是一種激素前體。它有一個獨特的serpin域和一個更小的AGT域。這種特殊的serpin域似乎可以更緊密地把SERPINF和SERPING聯系在一起[13]。

SERPINA9對幼稚B細胞可能有保護作用。之前被稱為centerin，在血漿和肝臟中表達[14]。

SERPINA10是抑制凝血因子 Z和凝血因子 11活化的抑制蛋白[3]。最初為蛋白質Z-依賴蛋白酶抑制劑，在血液和肝臟中表達。

SERPINA11可能是一個假基因，無特征。

SERPINA12，之前被稱為vaspin，是抑制激肽釋放酶，對胰島素敏感性有一定作用。可能在血漿，血小板，肝和心臟中表達。

在小鼠中，Serpina1已擴大到六個，a-f。Serpina3已擴大到九個，a-c和f-n。Serpina8，現今在鼠類中稱為Agt，對于腎素 - 血管緊張素系統的功能和進化起著至關重要的作用。在人類中與AGT同源。

1.2 亞型B

亞型B由細胞內的serpins組成，包括ovserpins，與細胞外的serpins是一個根系。相對于典型的A亞型這個亞家族具有更短的C，N末端，也同樣缺乏分泌信號肽序列[5]。在亞型B中有13個人類基因和一個假基因。對于炎癥、免疫系統功能以及粘液的產生，亞型B起重要作用。SERPINB1，B6，B7，B9都參與免疫系統功能，對于嗜中性粒細胞和巨核細胞的發育也有作用，同時對于細胞毒性顆粒蛋白酶粒酶 B有抑制作用。SERPINB3和與其密切同源的B4對粘液的產生均有抑制作用，分布在上皮組織，如舌、扁桃體、子宮、宮頸、陰道，以及上呼吸道和胸腺。

SERPINB3可能參加細胞凋亡和免疫功能的調節，證明 B3對腫瘤轉移和自身免疫是有作用的。SERPINB5作為一種腫瘤抑制劑，在乳腺和前列腺腫瘤中有抑制腫瘤轉移的作用。此外，在 B亞型中多數的 serpins與口腔鱗狀細胞腫瘤有關，特別是SERPINB12，SERPINB13，SERPINB4，SERPINB3，SERPINB11，SERPINB7和 SERPINB2。對于SERPINB10-B13的作用鮮為人知。然而，最近的研究表明，SERPINB13對自身免疫性糖尿病進展和炎癥有作用。

SERPINB1是嗜中性彈性蛋白酶的抑制劑。又稱為單核細胞彈性蛋白酶抑制劑，它的分布無處不在。

SERPINB2抑制 PLAU（UPA）。又稱為纖溶酶原激活物抑制劑 2（PAI2），并在血液，腎臟和肝臟中都有分布。

SERPINB3是組織蛋白酶L和V的跨類抑制劑。也稱為鱗狀細胞腫瘤抗原1時，在血液，免疫細胞，腎，肺，心臟和大腦以及眾多的粘膜細胞中均有分布[15]。

SERPINB4之前稱為鱗狀細胞腫瘤抗原 2；在SERPINB3中發現。是組織蛋白酶G和食糜酶的跨類抑制劑，分布于血漿，血小板，腎臟和心臟，以及唾液中。

SERPINB5是一種非抑制蛋白，曾被稱為乳腺絲抑蛋白。可能在血液，腎，肝，肺，以及唾液中分布。

會后，各有關單位要切實做好會議精神的貫徹落實，認真傳達和貫徹好會議精神，制訂切實可行的工作方案和措施，扎扎實實把各項工作落到實處。各省（自治區、直轄市）參加會議的同志要向黨委政府分管領導匯報，向廳（局）黨組匯報，重點匯報好陳雷部長的重要講話精神，使地方黨委政府全面了解水利改革發展中必須關注的重大問題，對本地區2012年水利規劃計劃工作盡早做出具體的安排部署。對貫徹落實本次會議精神，我提四點要求：

SERPINB6，稱蛋白酶抑制劑 6（PI6），是顆粒蛋白酶抑制劑，組織蛋白酶G。分布廣泛。

SERPINB7參與腎小球膜細胞增殖。之前稱為megsin，在血液和肝臟中表達。

SERPINB8是一種抑制性蛋白質。又稱為蛋白酶抑制劑8（PI8），在血液和心臟中表達。

SERPINB9也是一種抑制性蛋白質。又被稱為蛋白酶抑制劑9（PI9），在血液，肝，肺，心臟中表達。

SERPINB10是參與造血和骨髓發育的抑制蛋白。也稱為骨髓相關制絲蛋白，在血液中表達，也可能在大腦中表達。

SERPINB11在人體中為非抑制性serpin，但在小鼠中仍保留胰蛋白酶抑制劑的活性。在HEK細胞中可表達[16]。

SERPINB12是一種胰蛋白酶抑制劑，原名為yukopin。它分布在血液，腎臟，肝臟，心臟和腦。

SERPINB13，原名為hurpin，分布于血液，腎臟和唾液。

在B亞型中，小鼠的Serpinb1已擴大到三個成員，a–c；Serpinb3以及Serpinb6已分別擴展到四個成員，a–d。Serpinb4沒有列出；然而，Serpinb4可能與 SERPINB3，SERPINB4相同，與 Serpinb3a，Serpinb3b，Serpinb3c和Serpinb3d有關，最初認為小鼠 Serpinb3d是人類 SERPINB3的同源物，小鼠Serpinb3c是SERPINB4的同源物。Serpinb9已擴大到七個基因和一個假基因。有趣的是，Serpinb11是活躍的蛋白酶抑制劑，然而作為人的直系同源卻不活躍。

2 與serpins相關的疾病

serpin的多態性和許多疾病狀態相關，包括血液凝固系統紊亂，肺氣腫，肝硬化，癡呆以及腫瘤的發生和轉移相關[17]。

SERPINA1的突變在循環系統中導致α-1抗胰蛋白酶降低，也與肺氣腫和肝細胞腫瘤相關[13]。Serpins與調節心血管系統相關。例如，SERPINA4與腎臟和心血管的損傷相關[14]；對于維持腎素-血管緊張素系統的正常功能，SERPINA8是不可或缺的，且發現SERPINA8的變化也可調節血壓[15]；SERPINA10的多態性對靜脈血栓栓塞有風險[16,18]；SERPINA3的缺乏與肺氣腫有關[19]。

許多SERPINBs與免疫功能和功能障礙相關。許多情況下，細胞內的serpins可引起炎癥，白細胞減少，腫瘤轉移和自身免疫抗體的產生[20]。SERPINC1的缺陷與自身免疫性疾病相關，特別是在患者體內生產抗核抗體，例如系統性紅斑狼瘡。SERPINA6的多態性與慢性疲勞綜合征相關[21]，已被認為是一種免疫病癥。SERPINA7的缺乏與甲狀腺功能亢進有關，而高水平的SERPINA12與胰島素抵抗有關。

SERPINH1和SERPINF1的突變與成骨不全相關[22]。

Serpins可能影響蛋白質的聚集。在這方面，SERPINI1的表達與癡呆的發病相關[5]。此外，已確定在多發性硬化癥的斑塊中有SERPINA5的積累[23]，SERPINA3的聚合可以加速阿爾茨海默氏病的發作及嚴重程度。

許多serpins與腫瘤發展相關，包括與口腔鱗狀細胞腫瘤相關的 SERPINBs（在 18q21位點）。乳腺和前列腺腫瘤的轉移與 SERPINB5密切相關[24,25]；SERPINE1可能對腫瘤進展和轉移有作用；SERPINI2在乳腺和胰腺的腫瘤轉移中可能發揮一定作用[26]。成人腦膠質瘤與SERPINI1顯著相關，但它的作用是未知的。此外，曾提議在肝細胞腫瘤中把SERPINI1作為五個生物標志物之一。另一個潛在的生物標志物為 SERPINA9，在 B細胞淋巴瘤中發現 SERPINA9的強烈表達[27]。

人類的許多疾病是由于serpin的基因變異，通常對于每個基因來說許多有害的突變已為人所知。比如，SERPINA1的突變與早發性肺氣腫，新生兒肝炎，肝硬化相關，有時與脂膜炎和血管炎相關[28,29]。SERPINA5的突變與增加乳頭狀甲狀腺腫瘤的風險相關，SERPINA10的突變與妊娠并發癥相關。傾向性家族靜脈血栓栓塞性疾病與 SERPINC1的突變相關[30]。此外，SERPING1的基因SNP變體與遺傳性血管水腫相關[31]。

3 結論

serpins是一大類多樣的蛋白，對于生理和病理方面都有很大貢獻。無論是免疫功能中serpins的鑒定，還是病理學分析，或是腫瘤轉移，都揭示著 serpins的功能多樣化及其對生理和病理的重要性，基因突變會導致機體功能受損及個體病理化狀態。然而，serpins的進化和功能還需要進一步的深入研究。根據serpins的眾多生物學功能及與其相關的病理狀態，將有關蛋白質的功能信息進一步進行鑒定將會提供潛在的生物標志物和治療靶點。

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The Human and Mouse SERPIN Gene Superfamily

YAO Xiao-kun, PAN Zhi-peng, LUN Yong-zhi*
(College of Medicine, Dalian University, Dalian 116622, China)

The serpin family was composed of a structurally similar and functionally diverse proteins. Named originally for their function as serine proteinase inhibitors, many of its members are not inhibitors, but rather chaperones, involved in storage, transport, and other roles. Serpins are found in genomes of all kingdoms, with 36 human protein-coding genes and 5 pseudogenes. The mouse has 60 Serpin functional genes, many of which are orthologous to human SERPIN genes and some of which have expanded into multiple paralogous genes. Serpins are found in tissues throughout the body; whereas most are extracellular, there is a class of intracellular serpins. Serpins appear to play roles in inflammation, immune function, tumorigenesis, blood clotting, dementia, and cancer metastasis. Further characterization of these proteins will likely reveal potential biomarkers and therapeutic targets for disease.

serpine protease inhibitors; blood clotting; complement; cell death

R393

A

1008-2395(2015)06-0070-05

2015-10-21

姚曉坤（1990-），女，碩士研究生，研究方向：病原生物基因結構與功能。

倫永志（1973-），男，博士，副教授，研究方向：感染性疾病的分子生物學。