Omi/HtrA2與細胞凋亡相關性的研究

劉 娜， 萬紫旭， 張 揚， 朱振龍， 徐國輝

(1.河北醫科大學， 河北 石家莊 050031

2.承德護理職業學院， 河北 承 德 067000

3.河北醫科大學第一醫院， 河北 石家莊 050031)

Omi/HtrA2與細胞凋亡相關性的研究

劉 娜1， 萬紫旭2， 張 揚2， 朱振龍3， 徐國輝2

(1.河北醫科大學， 河北 石家莊 050031

2.承德護理職業學院， 河北 承 德 067000

3.河北醫科大學第一醫院， 河北 石家莊 050031)

Omi/HtrA2； 細胞凋亡； Caspase

凋亡是細胞的一種自殺行為，是機體清除自身無用的、危險的、病理的細胞的重要方式[1]。Omi/HtrA2是一種存在于線粒體膜間隙的絲氨酸蛋白酶，在其受到某些信號的刺激時可穿出線粒體并通過改變分子結構而發展成為成熟的Omi/HtrA2，成熟形式的Omi/ HtrA2與IAPs相結合后抑制了IAPs對caspases的作用，使得caspase的活性得以釋放，從而引起caspases依賴性凋亡通路的發生[2]。同時，Omi/HtrA2憑借自身的酶切作用可以直接剪切IAPs家族中的重要因子，促發非依賴性caspases凋亡途徑的發生，直接消除IAPs抑制凋亡的作用[3]。

1　研究背景

Omi是Faccio等[4]由動物體內分離產生的，屬于一種新型的蛋白酶，并且與HtrA同源。同年，Savopoulos等對Omi進行進一步純化分析，得到HtrA2。另外，GrayC.w[5]也發現了與Omi為同一種物質的HtrA2，故合稱Omi/HtrA2。

近年來，人們發現Omi/HtrA2是凋亡抑制蛋白家族IAPs的天然負調節因子，其功能正在被人們逐漸發掘和認識。Omi/HtrA2的主要作用途徑是通過減弱或消除IAPs的作用使細胞凋亡的抑制效應得到控制，細胞則會呈現凋亡現象。

2　Omi/HtrA2的分子結構和基本定位

Omi/HtrA2的編碼基因位于人類染色體2q13(或2p12)，其包含8個外顯子，蛋白相對分子質量為38000和40000[6]。Omi/HtrA2蛋白由458個氨基酸殘基組成，轉錄生成2.1kb和4.5kb兩種不同的mRNA[4，5]。

Omi/HtrA2分子呈晶體樣結構，其中包括了蛋白酶序列和結構域兩種具備重要作用的構型。主要的結構域是參與水解蛋白的羧基端的PDZ結構域，該結構域是由365～455位的氨基酸殘基構成的。PDZ結構域選擇性地與受體蛋白的殘基結合導致HtrA2構型的改變，使其絲氨酸蛋白酶活性被激活，達到降解受體蛋白的目的。Clausen T等[7]證實PDZ結構域是底物進入HtrA2核心活性部位的唯一通路。Runyon ST等[8]、Zhang Y等[9]均發現Omi/HtrA2內部的折疊方式不同，正是這種折疊方式決定了Omi/HtrA2對不同受體蛋白的不同選擇性。

總之，由于PDZ結構域的存在Omi/HtrA2可以結合多種類型的蛋白，發揮其廣泛而有效的促凋亡效應。PDZ結構域與WARTS蛋白激酶的C末端結合，可以增強Omi/HtrA2蛋白的水解酶活性，從而促進細胞的死亡[10]；另外，PDZ結構域與presenilin－1(PSl)蛋白的C末端結合，，能顯著增強Omi/HtrA2水解IAPs蛋白的活性，促進細胞凋亡的發生；除此之外，PDZ結構域對折疊錯誤的蛋白質亦有降解作用[11]。PDZ結構域作用機制的發現對Omi/HtrA2與細胞凋亡關系的研究認識具有深刻的意義和巨大的影響。

除了PDZ結構域，引導Omi/HtrA2進入線粒體的氨基酸序列也發揮著至關重要的作用。線粒體定向序列(MTS)[12]也可以稱為線粒體定位信號(l MLS)，是由前60位氨基酸序列構成，正是由于這個基序的存在，Omi/HtrA2才可以進入線粒體轉變成為成熟形式，故該基序在Omi/HtrA2促細胞凋亡過程中發揮著非常重要的作用，具有引導Omi/HtrA2進入線粒體的作用[12]。另外，完整的Omi/HtrA2也稱之為HtrA2前體蛋白，通過核基因在線粒體外形成，Seong Y觀察到HtrA2前體蛋白由MTS或MLS介導進入線粒體膜間隙，憑借自身蛋白酶解作用轉變成為成熟形式。成熟的Omi/HtrA2蛋白所包含的α－螺旋和β鏈是其構成空間上的PDZ結構域和絲氨酸蛋白酶構型的基礎。PDZ結構域移動于絲氨酸蛋白酶結構域的周圍，PDZ結構域捕獲底物分子后，將底物移至蛋白水解位點，發揮水解蛋白作用。PDZ結構域決定了與何種底物結合，以及是否發揮蛋白酶作用。而且，通過對氨基酸測序發現HtrA2前體蛋白在丙氨酸133羧基端處自身催化分離，暴露AVPS。AVPS為氨基末端的Reaper樣基序(Ala－Val－Pro－Ser，AVPS)，該基序可以與XIAP的BIR結構域結合從而阻斷XIAP的凋亡抑制作用。

3　Omi/HtrA2促凋亡機制

Omi/HtrA2是定位于線粒體的具有凋亡調節功能的蛋白酶，其促凋亡作用主要有以下兩條途徑:

3.1Omi/HtrA2參與的Caspase依賴性凋亡:XIAP是IAPs家族的成員之一，是主要的內源性caspase抑制物，其分子結構中的BIR結構域可以結合并抑制活化的caspase3、7、9。因為凋亡誘導因子的作用使完整的Omi/HtrA2穿過線粒體膜并轉變成為成熟的Omi/ HtrA2。兩者的主要區別是成熟的Omi/HtrA2蛋白因缺乏N端的133個氨基酸序列而暴露了前四位氨基酸殘基AVPS形成的Reaper結構域，AVPS結構域與IAPs的BIR結構結合，解除了IAPs對caspases活性的抑制作用。

3.2Omi/HtrA2參與的非Caspase依賴性凋亡:非Caspase依賴性凋亡是在整個細胞凋亡進程中caspase沒有參與的凋亡通路。Hegde等[12]通過研究細胞中表達的兩種沒有MTS的Omi/HtrA2分子，一種具有蛋白酶活性，另一種沒有蛋白酶活性，兩者因為不能進入線粒體所以不能發展成為成熟的Omi/HtrA2，因而阻礙了AVPS結構域與BIR結構域的結合，caspase依賴性凋亡不會發生，但是有蛋白酶活性的Omi/HtrA2分子的細胞仍然可發生死亡，即使使用caspase抑制劑也不能阻止此效應。由此證明，Omi/HtrA2除了caspase依賴性的凋亡通路外，凋亡信號還通過了一些非caspase依賴途徑進行了轉導。

Omi/HtrA2通過自身的酶切作用與IAPs結合后直接剪切Livin、C－IAP1、C－IAP2和XIAP，消除IAPs抑制細胞凋亡的作用。

4　Omi/HtrA2與腫瘤

目前，關于Omi/HtrA2在腫瘤組織中的表達情況有不同的研究結果。國內相關學者通過對Omi/HtrA2在乳腺癌、胃癌、喉癌、前列腺癌等腫瘤細胞中的表達情況進行研究，結果顯示Omi/HtrA2在這些腫瘤中均呈現高表達，而在良性腫瘤和正常組織中呈弱表達或無表達。但也有學者發現Omi/HtrA2在一些腫瘤組織中較正常組織呈現低表達。雖然在不同的腫瘤組織中的研究結果亦不相同，但其在腫瘤組織中均存在異常表達，提示Omi/HtrA2可能參與了惡性腫瘤的發生發展。

[1] Hockenbery D.Defining apoptosis[J].Am Pathol，1995，146:16～19.

[2] Martins LM，IaccarinoI，TenevT，et al.The serine protease Omi/HtrA2 regulates apoptosis by binding XIAP through a reaper－like motif[J].Biol Chem，2002，277:439～444.[3] Ramesh Hegde，Srinivasa M Srinivasula，Zhi Jia Zhang，et al.Identification of Omi/HtrA2 as a mitochondiai apoptotic serine protease that disrupts inhibitor of apoptosis proteincaspase[J].Biol Chem，2002，277(1):432～438.

[4] FaccioL，FuscoC，ChenA，et al.Characterization of a novel human serine protease that has extensive homoLogy to bacterial heat Shock endoprotease HtrA and IsRegulated by Kidney Ischemia[J].Biol Chem，2000，275(4):2581～2588.

[5] Gray CW，Ward RV，Karran E，eta1.Characterrization of human HtrA2，a novel serine protease involved in the mammalian cellular stress[J].Eur Biochern，2000，267(18):5699～5710.

[6] 趙西耀，陳煜森.Omi/HtrA2基因與神經變性疾病的研究進展[J].Journal of Xinxiang Medical College，2008，25:5.

[7] Clausen T，Southan C，Ehrmann M.111e HtrA family ofproteases implications for protein composition and cell fate[J]. moL Cell，2002，1 0(3):443～455.

[8] Runyon ST，Zhang Y，Appleton BA，et al.Structural and Functional Analysis of the PDZ domain ofhuman HtrAl and HtrA3[J].Protein Sci，2007，16(11):2454～2471.

[9] Zhang Y，Appleton BA，Wu P，et al.Structural and functional analysis of the ligand specificity ofthe HtrA2/Omi PDZ domain[J].Protein Sci，2007，16(8):1738.50.

[10] Kuninaka S，Nomura M，Hirota T，et al.The tumor suppressor WARTS activates the Omi/HtrA2－dependent pathway of cell death[J].Oncogene，2005，24:5287～5298.

[11] Gupta S，Singh R，Datta P，et al.The C－terminal tail of presenilin regulates Omi/HtrA2 protease activity[J].Biol Chem，2004，279:45844～45854.

[12] Hegde R，Srinivasula SM，Zhang Z，et al.Identification of Omi/HtrA2 as amitochondrial apoptotic serine protease that disrupts inhibitor of apoptosis protein2 caspase interaction [J].BiolChem，2002，277:432～438.

1006－6233(2016)11－1914－02

A 【doi】10.3969/j.issn.1006－6233.2016.11.070

朱振龍