組織蛋白酶V的研究進展

侯昕彤，周慧

（1.沈陽醫學院基礎醫學院臨床醫學專業2015級19班，遼寧 沈陽 110034；2.基礎醫學院組織學與胚胎學教研室）

20世紀20年代，組織蛋白酶一詞首次被提出，并被定義為存在于溶酶體中的蛋白水解酶，在低等到高等生物中均有分布［1］。現已發現有約50種組織蛋白酶，目前對絲氨酸蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶的研究較為深入和廣泛［2］。在溶酶體蛋白酶體系中，半胱氨酸蛋白酶發揮著相對重要的作用。

半胱氨酸蛋白酶在生物體內分布廣泛，目前在人類基因組測序中共發現了11種相關酶類［2］，在溶酶體這種具有還原性和微酸性的環境中，能保持最佳活性狀態，其功能是使大量非特異性的內源性或外源性蛋白質發生水解、降解［3］。但有研究發現，半胱氨酸蛋白酶可以參與到體內某些特異性的生理活動中，當該酶系的動態平衡發生異常或遭到破壞時，很可能導致某些疾病的發生和發展。人組織蛋白酶主要分為兩大亞族，一種是組織蛋白酶L-like家族，包括組織蛋白酶L、V、K、S、H、W和F，它們共同含有GNFD 和ERFNIN兩個保守基序；另一種是組織蛋白酶B-like家族，只包括含有GNFD基序的組織蛋白酶B［4］。

組 織 蛋 白 酶 V（cathepsin V，CTSV），是Santamaría等于1998年首次發現的，因其與組織蛋白酶L（CTSL）有78%的同源性，所以又稱為組織蛋白酶L2，是由CTSV基因編碼的蛋白質，屬于半胱氨酸蛋白酶肽鏈端解酶，在pH值為4時發揮最佳生理活性［5］。CTSV基因定位于9q22.2染色體，由8個外顯子和7個內含子組成，在人角膜上皮、胸腺和睪丸中高表達［6］，在結腸癌和乳腺癌中也有表達，而在正常結腸和乳腺中卻不表達［7］。這種具有局限性的特殊作用發揮，可以證實其參與人體的一些特異性活動中。

1 CTSV的分子結構特點

人CTSV是由334個氨基酸構成的蛋白質，分子質量37 329 Da，在細胞內以無活性的酶原前體形式存在，由信號肽、前體肽和成熟肽構成［5］。前體肽含有α螺旋結構，可防止活化中心被激活和分化，成熟肽N端殘基與α螺旋方向相反，后者可跨越活性中心與底物結合，通過自我催化或被其他酶活化發生作用［8］。CTSV由兩個大小相似的R-結構域和L-結構域構成，組織蛋白酶的活性位點位于兩結構域交界面的V形活性區域，分別是 Cys138、His277和 Asn301［5］。CTSV 的結構見圖1［9］。人CTSV包含3個潛在的N-糖基化位點，位于2、221和292，但被證實能夠發生N-糖基化的只有Asn221和Asn292，它們對于CTSV運輸到溶酶體中起重要作用［9］。Asn221和 Asn292兩個 N-糖基化位點的位置并不接近活性位點。因此，在Asn292N-糖基化可能有助于其底物的直接識別，對Asn292位點N-糖基化的抑制可能會間接影響其酶的活性［9］。

圖1 CTSV的結構［9］

2 CTSV的合成

CTSV由前體肽、信號肽、成熟肽三部分組成，通過前體酶原水解而成為有活性的酶。前體的正確剪切，對于新合成的半胱氨酸蛋白酶多肽鏈的正確折疊和蛋白質的穩定有重要意義。如果剪切地點發生異常，半胱氨酸蛋白酶在發揮作用前與蛋白酶抑制劑結合從而失去活性。另外，不當的pH條件也會導致組織蛋白酶失活。

在高等哺乳動物體內，CTSV的一般合成途徑為：首先，前體酶原在核糖體結合膜上合成，信號肽將在核糖體上表達的前體酶原轉運到內質網，在內質網上，信號肽和前體肽間的肽鍵發生斷裂，信號肽從前體酶原上去除，形成只含前體肽和成熟肽的酶原，因為前體肽占據酶原活性中心，酶原無法和相應受體結合，因此不具有催化活性；隨后，酶原被轉運至胞內溶酶體，在溶酶體的酸性條件下發生自動水解，將前體肽去除，產生具有酶活性的成熟的CTSV；在此步驟中，發現前體肽也可以作為能夠阻止酶原活性的高親和性可逆抑制劑［10］。

3 CTSV參與的信號通路

研究表明，CTSV是E2F1的促凋亡靶點，E2F1可以直接結合到CTSV的啟動子上，被外源性和內源性E2F1所調控；RNAi介導的CTSV沉默可以有效消除異位E2F1誘導的細胞凋亡，與溶酶體膜通透性（LMP）的減少和線粒體膜的去極化相關；CTSV敲低也能抑制DNA損傷所激活的內源性E2F1介導的細胞凋亡［11］。

4 CTSV的功能

4.1 生理作用 在生物體內，CTSV作用廣泛，可以參與如抗原提呈、蛋白水解、T細胞分選、胚胎發育以及細胞凋亡等一系列生理活動過程。

人CTSV參與神經遞質腦啡肽和神經肽Y（neuropeptide Y，NPY）的產生，人神經母細胞瘤細胞中，通過siRNA干擾CTSV，可使人類神經母細胞瘤細胞產生的腦啡肽減少80%以上［12］。CTSV在角膜上皮中高表達，其可以水解纖溶酶原，纖溶酶原也在人角膜中高水平表達，可產生血管抑制素相關分子，CTSV對纖溶酶原的加工，導致其釋放血管抑制素分子，從而抑制血管生成，在維持角膜無血管性中發揮重要作用［13］。缺乏CTSL的小鼠顯示出復雜的皮膚表型，包括周期性脫發、表皮增生、棘皮癥和角化過度等，CTSV轉基因小鼠與CTSL敲除小鼠雜交，子代小鼠顯示表皮增殖，表皮厚度和頭發表型的正常化，表明CTSV水解活性在維持表皮和毛囊中的角質形成細胞特異性功能中發揮重要作用，并且CTSV可在人皮膚中發揮類似功能［14］。

在人類免疫功能中，CTSV同樣發揮重要作用。半胱氨酸蛋白酶影響CD4+T細胞的陽性選擇，在CTSL缺失的小鼠體內，胸腺上皮細胞中CD4+T細胞的陽性選擇削弱；在這些胸腺上皮細胞中也發現了恒定鏈水解中間產物的積累；但在周邊抗原提呈細胞中，恒定鏈加工并未受到影響，這說明CTSL特異性地在小鼠胸腺中發揮功能；在人體內，發揮此功能的是CTSV［15］。

4.2 病理作用 CTSV是人胸腺皮質上皮細胞中的優勢半胱氨酸蛋白酶，與健康對照組相比，神經肌肉系統的自身免疫性疾病重癥肌無力患者的胸腺中CTSV表達水平顯著更高，提示CTSV可能參與重癥肌無力的免疫發病機制［16］。

有研究表明，CTSV與人乳腺癌的發生、發展密切相關。當藥物作用于乳腺癌細胞使其溶酶體膜受到破壞時，CTSV作為溶酶體蛋白酶，大量彌散于細胞質中引發自噬［17］。

動脈粥樣硬化是一種慢性炎性病變，以動脈管壁的增厚、彈性喪失和血管壁的細胞外基質大量重塑為主要病理特點，其中膠原蛋白和彈性蛋白起重要作用［18-19］。CTSV在人類單核細胞源性巨噬細胞表達，是迄今為止人類最具彈性蛋白解離活性的組織蛋白酶，CTSV的增加會加速病變動脈的彈性蛋白基質的破壞，從而加速動脈粥樣硬化病變的形成［19］。炎性細胞因子腫瘤壞死因子-α（TNF-α）和單核細胞的結合會刺激CTSV的表達并活化內皮細胞，在心血管疾病中負責發起局部蛋白的水解［20］。

1型糖尿病是自身免疫病，在1型糖尿病患者的血液中可查出多種自身抗體，這些異常的自身抗體可以損傷人體胰島β細胞［21］，使之不能正常分泌胰島素。Viken等［21］研究發現，位于CTSV基因下游的rs16919034多態性與1型糖尿病相關，并且還發現位于CTSV基因上游的另一rs4361859多態性與早發性重癥肌無力相關。

綜上所述，CTSV參與多種機體生理和病理過程，CTSV抑制劑具有較好的應用前景，針對其作用特點，尋找其相應的選擇性、可逆性抑制劑用于臨床疾病的治療，值得進一步研究和探索。

通過對CTSV的深入了解和研究，可以為今后開發抗腫瘤藥物，如乳腺癌和大腸癌等，治療人重癥肌無力、1型糖尿病等免疫疾病及治療動脈粥樣硬化等疾病提供新思路，有著重要的學術價值和社會效益。