组织蛋白酶与心血管疾病的研究进展

李香 类延娜（综述） 成宪武（审校）

综 述

组织蛋白酶与心血管疾病的研究进展

李香 类延娜（综述） 成宪武（审校）

半胱氨酸蛋白酶；组织蛋白酶；细胞外基质；心血管疾病

学者们认为隶属于半胱氨酸蛋白酶（cysteine protease）的组织蛋白酶（cathepsins）主要作用是在溶酶体酸性条件下，降解不必要的细胞器及蛋白质，使其再被利用。然而最近研究显示，组织蛋白酶家族成员和其他细胞外蛋白酶（如基质金属蛋白酶和丝氨酸蛋白酶）一样，对细胞外基质的重塑、间质基质的降解以及细胞信号传递和细胞凋亡起重要作用。本综述重点叙述组织蛋白酶生物学特征（结构、合成、加工、激活、分泌、活性调控和功能），以及参与各种心血管疾病的发病机制，尤其是关于循环血中组织蛋白酶水平作为诊断心血管疾病、预后判定和药物靶目标的应用潜能。

1 组织蛋白酶的生物学特征

1.1 组织蛋白酶的结构及特性 组织蛋白酶一级结构包括信号肽、前导肽、重链及轻链[1]。人类组织蛋白酶的三维空间结构中包括由组氨酸、天冬酰胺和半胱氨酸残基构成的活性部位。在其N末端结构，组织蛋白酶包含2个结构域：一个含有氨基酸残基的信号序列，一个含有氨基酸残基的前导肽片段，在这两个域的交接点有“V”型活化点。

组织蛋白酶是大家族蛋白酶，根据其作用的代表性底物不同可以分为[2]丝氨酸蛋白酶（如组织蛋白酶A和G）、天冬氨酸蛋白酶（如组织蛋白酶D和E）和半胱氨酸组织蛋白酶（如组织蛋白酶B、L、H、S、K、F、V、X、W、O 和 C）。组织蛋白酶具有以下生物学特性[1]：①组织蛋白酶与木瓜蛋白酶家族成员有高度同源性；②主要包括肽链内切酶，但也有少数例外（如组织蛋白酶B、外肽酶、组织蛋白酶H和氨肽酶）；③多以无活性前体形式存在，通过其他蛋白酶或自动催化去除N前肽而激活；④有很广的底物特异性，可以通过水解的方式降解几乎所有的细胞内和细胞外的蛋白质；⑤活性受其内源性蛋白抑制剂的调控；⑥有细胞或组织特异性（如组织蛋白酶F、S和K）和非特异性（组织蛋白酶B、H和L）；⑦组织蛋白酶相对分子质量较小（20～35 kDa）。目前为止在人体组织及细胞中已经发现11种组织蛋白酶。在小鼠中，已经发现了19种组织蛋白酶，包括在胎盘中表达的组织蛋白酶，它们与人类组织蛋白酶没有同源性。

1.2 组织蛋白酶的激活及功能 组织蛋白酶在核糖体以带有N端信号肽的前体形式合成，并在信号肽的诱导下，定位到高尔基体，将被甘露糖残基修饰为6-磷酸甘露糖（mannose-6 reside phosphorylation，M6P）[2]。修饰后，通过6-磷酸甘露糖受体依赖性或非依赖性通路转移至内质网和溶酶体，逐步被多种蛋白水解酶（如胃蛋白酶、嗜中性弹性蛋白酶、组织蛋白酶D）或自身激活，并以钙离子依赖“胞吐”（exocytosis）方式分泌到细胞外。

组织蛋白酶在酸性环境下具有蛋白降解活性。大多数组织蛋白酶在中性或碱性环境中会迅速丧失活性。但体外实验结果表明，部分组织蛋白酶（如组织蛋白酶S）在pH 6.7～7.4条件下仍具有较高水平的活性。早在1995年，Punturieri等[3]研究报道了巨噬细胞通过细胞膜上H+-腺苷三磷酸酶（H+-ATPase）提供膜周围的最佳酸性环境，有利于组织蛋白酶在细胞外仍然发挥其功能。然而，目前很难解释大多数组织蛋白酶的最佳pH范围及在细胞外参与基质蛋白（胶原蛋白、弹性蛋白、层粘连蛋白等）代谢的现象。

基础研究结果表明，基因或药物干预组织蛋白酶对心血管有保护作用，并证实了这类蛋白酶介导细胞内和细胞外蛋白降解调控细胞粘着、转移、分化、增殖、凋亡、新血管形成等细胞功能。组织蛋白酶高表达于人和动物的病变心瓣膜组织，然而，每种特定组织蛋白酶的心脏疾病发病机制及确切功能目前尚不清楚。

1.3 组织蛋白酶的调控 与MMP家族类似，组织蛋白酶的调控分为3个水平[1]：基因、活化和活性。组织蛋白酶的活性可以通过多种方式控制，其中两种最重要的方式为通过特异性前体活化机制和pH及其内源性蛋白抑制剂介导的成熟酶特异性调控。在细胞内，组织蛋白酶的活性主要通过胱抑蛋白（stefin）控制，在细胞外，通过胱抑素C和激肽原（kininogens）控制。最近的一篇综述叙述了pH介导的调控。除了组织蛋白酶活性水平的调控外，还研究了转录因子相关的转录调控。一个基因表达分析显示，通过Sp1和Sp3转录因子结合至GC框可以调控多种组织蛋白酶。

2 组织蛋白酶与心血管疾病

2.1 组织蛋白酶与高血压性心脏病 高血压引起动脉压力增高和外周循环阻力增高，从而引起心脏负荷增加，这些血流动力学改变可以导致心肌肥厚、纤维化、重塑和心力衰竭[1]。2006年，美国高血压杂志报道了人体和Dahl盐敏感大鼠高血压性心肌肥厚和衰竭心肌组织中的组织蛋白酶基因表达的变化：与正常对照组相比，组织蛋白酶S和K基因表达和活性显著升高，而胱抑素C水平无明显变化[4]。免疫组织化学分析显示，对照组中组织蛋白酶S和K蛋白表达水平明显降低，在心衰心肌中蛋白表达显著升高，染色信号多局限在心肌细胞和冠状动脉平滑肌细胞。与基因表达一致，心衰心肌组织与对照组比较，胱抑素C的强度和染色没有明显差异。胶原蛋白和弹性蛋白降解活性分析显示，大鼠衰竭心肌组织中蛋白分解活性显著性升高。在大鼠培养的新生心肌细胞和成纤维细胞中均有组织蛋白酶S和K表达，炎症因子（如肿瘤坏死因子-α和白介素-1β）可调控此类组织蛋白酶基因和蛋白表达。另外，证实了血管紧张素Ⅱ和过氧化氢也可以调节组织蛋白酶S和K的表达及合成[3]。研究发现，心血管细胞来源的组织蛋白酶S、K和L可以降解细胞外基质蛋白，包括层粘连蛋白、纤维蛋白、弹性蛋白和胶原蛋白[5,6]。众所周知，基质金属蛋白酶和丝氨酸蛋白酶可以降解所有细胞外基质和具有激活半胱氨酸组织蛋白酶的功能[7]。以上研究显示，组织蛋白酶可能通过介导细胞外基质降解作用参与心脏重塑。

2.2 组织蛋白酶与心肌病 2012年研究发现，扩张型和肥厚型心肌病患者组织蛋白酶S、L和（或）K的水平与对照比较明显增高[1]，衰竭心肌中胱抑素C水平也增高。组织蛋白酶L基因缺陷大鼠显示人类心肌病的特点，如出现间质心肌纤维化，心肌细胞中出现多形细胞核，与心室扩张和心功能受损有关[2]。另外，该大鼠易观测到心律失常（阵发性室上性心动过速和房室传导阻滞等）。组织蛋白酶L基因缺陷大鼠的新生心肌细胞显示内涵体系统受损，导致酸性小细胞器蓄积。

在心血管疾病中，许多动物研究证实了组织蛋白酶在生理性自体吞噬和病理性凋亡中的作用[1]。Sehl等报道组织蛋白酶B在心肌的坏死区域过度表达。亦有组织蛋白酶B参与诱导PC12细胞凋亡的报道。组织蛋白酶B和L基因缺陷可诱导神经细胞元损失和脑萎缩[8]。相反，内源性胱抑素C抑制剂过度表达可诱导体内和体外半胱氨酸天冬酶-3活化相关的神经元细胞死亡[9]。Yu等[10]报道，胱抑素C缺陷大鼠组织蛋白酶L表达和活性增强，并减少上皮细胞凋亡。人体细胞中抗凋亡分子Bcl-2、Bcl-xL、Mcl-1和XLAP（X染色体连锁凋亡抑制因子）为溶酶体组织蛋白酶B和L的靶分子[1]。综上所述，组织蛋白酶缺陷介导的心肌病可能归因于半胱氨酸依赖性和非依赖性细胞凋亡。

2.3 组织蛋白酶与心肌梗死 组织蛋白酶B、L和H最初在急性心肌梗死大鼠的心肌中被发现。Tang等[11]在两种后负荷性心衰模型得到的数据（动脉结扎和血管紧张素Ⅱ注入）表明，人组织蛋白酶L通过阻碍AKT/GSK3β信号通路，降低心脏超负荷诱导的心肌肥厚和纤维化。此外，组织蛋白酶L基因缺陷大鼠在梗死后修复中，由于组织蛋白酶L缺失降低血管生成因子的表达（粒细胞集落刺激因子、干细胞因子、基质细胞衍生因子-1和血管内皮生长因子），并影响了血管内皮祖细胞（endothe－lial progenitor cells）相关的血管再生活性。最近，Chen等[12]报道了组织蛋白酶S通过转化生长因子（transforming growth factor-β）/Smad2/3通路来调控心梗后心肌修复过程。2010年，Xie等[13]研究显示，缺氧时心衰大鼠心肌中胱抑素C水平上升，从而抑制了心肌内组织蛋白酶B活性、胶原和纤维蛋白积聚。由此可见，调控组织蛋白酶和胱抑素之间的平衡非常重要；失衡会导致心肌细胞外基质过度降解及心肌纤维化。

2.4 组织蛋白酶与心脏瓣膜病 细胞外基质重塑，包括细胞外蛋白酶对胶原和弹性蛋白的降解，促使心瓣叶硬化和瓣膜功能障碍。黏液瘤瓣膜的间质细胞高表达蛋白分解酶，如组织蛋白酶S、K及MMP-1、MMP-13，提示在瓣膜疾病中这些组织蛋白酶具有一定的作用[14]。人体关于主动脉瓣狭窄的研究进一步证实，主动脉瓣狭窄与瓣叶组织中的组织蛋白酶S、K和V表达增高密切相关[8]。最近研究显示，反复牵拉猪瓣膜可以提高组织蛋白酶S、K和L水平，加速瓣膜细胞外基质的破坏和主动脉瓣狭窄的进程[15]。主动脉瓣狭窄是以动脉粥样硬化样病变为特征，病变包含炎症细胞活化、结节形成和钙化。在各种炎症及氧化应激等病理性刺激下，引起瓣膜组织中组织蛋白酶合成及分泌，促进瓣膜的纤维化和钙化，最终导致结构性和功能性瓣叶退化而发展成瓣膜病。

2.5 心血管疾病的生物标志物 在动脉粥样硬化、糖尿病、肥胖症、肾损伤和骨质疏松患者末梢血中组织蛋白酶S、L、K和（或）胱抑素C水平升高[1,16]。胱抑素C在伴有或不伴有肾功能障碍的心力衰竭患者中得到最广泛的关注。胱抑素C水平升高已成为潜在肾功能损伤的敏感标志物和判断心力衰竭患者预后的标志物。最近研究表明，血清胱抑素C水平可以反映动脉硬化程度，血清胱抑素C水平与左心室重量增加、向心性肥厚和左室功能受损程度有关[17]。相反，Shi等[18]报道了人类动脉粥样硬化血管病变组织和血中胱抑素C缺陷或明显降低。这些差异很可能与病种和动脉硬化程度等因素有关。Liu等首次报道在冠心病患者血清中组织蛋白酶S水平升高。2013年，在冠心病患者冠脉超声研究中发现，末梢血中的组织蛋白酶K水平与冠状动脉斑块容积呈正比，而与斑块纤维帽容积呈反比[19]。目前为止，无组织蛋白酶水平与瓣膜疾病相关的研究报道，急需进行大型的临床研究解决上述争议，并进一步证实血中组织蛋白酶水平能否成为心血管疾病诊断和预测心血管事件发生的生化指标。

2.6 心血管疾病中药理学干预的靶目标——组织蛋白酶 在合成的组织蛋白酶抑制剂中，组织蛋白酶K抑制剂得到了广泛关注。其对多种疾病有预防潜能，特别是对骨吸收和骨质疏松症[1]。1-3-反-碳二甲苯2（E64d）为非选择性组织蛋白酶抑制剂，抑制多种组织蛋白酶的活性（包括组织蛋白酶S、K和B）。2008年有研究报道E64d改善衰竭大鼠的高血压性心肌肥厚、左室功能障碍及冠状动脉重塑；该过程与间质纤维化和胶原-弹性蛋白失衡密切相关[3]。最近研究发现E64d能降低尿蛋白，可以预防因高盐所致的肾损伤[20]。这些研究提示，将来需要采用选择性或非选择性组织蛋白酶抑制剂的临床试验以攻克现状。另一方面，有些研究表明，3-羟基-3-甲基戊二酰-辅酶A还原酶抑制剂他汀类药物在动物模型中，通过减少组织蛋白酶S表达和（或）降低其活性，能够预防食盐诱导的高血压性心肌损伤。肾素-血管紧张素信号通路与烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAPDH）氧化酶系统密切相关。高血压所致大鼠衰竭心肌中，血管紧张素Ⅱ的1型受体表达增加，组织蛋白酶S表达及活性增强，巨噬细胞浸润，超氧化物产生[20]。体内和体外研究表明，血管紧张肽Ⅱ通过增加NADPH氧化酶衍生超氧化酶的产生调控组织蛋白酶表达和活性。血管紧张素受体拮抗剂氯沙坦降低组织蛋白酶S表达，促进晚期动脉粥样硬化病变形成和动脉粥样硬化斑块不稳定[21]。最近报道，血管紧张素抑制剂降低组织蛋白酶S和K的表达和活性，促进心肌肥厚、纤维化和左室功能障碍[3]。研究显示，组织蛋白酶L缺陷与组织蛋白酶S和K缺陷不同，组织蛋白酶L缺陷促进细胞器形态学改变和间质纤维化发生，表现出人类心肌病样表型。这些研究结果提示，在半胱氨酸组织蛋白酶中，组织蛋白酶S和K可能成为心血管疾病药物预防的最佳靶目标。

总之，在心血管疾病发生、发展过程中，组织蛋白酶的重要性已有目共睹。单一种组织蛋白酶很难完全解释心血管疾病的发病机理；并且同一种组织蛋白酶在此过程中起不同作用，即同一种组织蛋白酶在心血管疾病中有促进和抑制双重作用。另外，选用选择性组织蛋白酶抑制剂或其他心血管常用药干预组织蛋白酶有明显心血管保护作用。正确掌握各种组织蛋白酶生物特性和药物特性，根据疾病特点采用最适合的治疗方针，在心血管疾病防治过程中有重要的临床意义。

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中“晚期死亡7例”应为“晚期死亡6例”；

⒉讨论部分“本组心脏瓣膜病患者合并高血压16.1%、慢性阻塞性肺病12.4%、冠心病7.2%、糖尿病6.1%、肾功能不全4.4%、肝功能不全2.1%。”应为：“本组心脏瓣膜病患者合并高血压16.0%、慢性阻塞性肺病10.0%、冠心病6.9%、糖尿病6.3%、肾功能不全5.0%、肝功能不全1.9%。”

The role of cathepsins in the cardiovascular diseases

Cysteine proteases； Cathepsins；Extracellular matrix；Cardiovascular disease

国家自然科学基金（项目编号：81260068，X.W.C）

133000 吉林省延吉市，延边大学附属医院心血管内科（李香、类延娜、成宪武）；

日本名古屋大学医学部循环器内科（成宪武）

成宪武，E-mail:xianwu@med.nagoya-u.ac.jp；chengxw0908@163.com

10.3969/j.issn.1672－5301.2014.09.024

R54

A

1672-5301（2014）09-0856－04

2014-07-22）

更正

我刊2014年第12卷第3期文章《老年二尖瓣病变外科治疗》（作者：卫洪超、顾承雄、晏馥霞等），有两处错误，更正如下：