Omi/HtrA2与细胞凋亡相关性的研究

刘 娜， 万紫旭， 张 扬， 朱振龙， 徐国辉

(1.河北医科大学， 河北 石家庄 050031

2.承德护理职业学院， 河北 承 德 067000

3.河北医科大学第一医院， 河北 石家庄 050031)

Omi/HtrA2与细胞凋亡相关性的研究

刘 娜1， 万紫旭2， 张 扬2， 朱振龙3， 徐国辉2

(1.河北医科大学， 河北 石家庄 050031

2.承德护理职业学院， 河北 承 德 067000

3.河北医科大学第一医院， 河北 石家庄 050031)

Omi/HtrA2； 细胞凋亡； Caspase

凋亡是细胞的一种自杀行为，是机体清除自身无用的、危险的、病理的细胞的重要方式[1]。Omi/HtrA2是一种存在于线粒体膜间隙的丝氨酸蛋白酶，在其受到某些信号的刺激时可穿出线粒体并通过改变分子结构而发展成为成熟的Omi/HtrA2，成熟形式的Omi/ HtrA2与IAPs相结合后抑制了IAPs对caspases的作用，使得caspase的活性得以释放，从而引起caspases依赖性凋亡通路的发生[2]。同时，Omi/HtrA2凭借自身的酶切作用可以直接剪切IAPs家族中的重要因子，促发非依赖性caspases凋亡途径的发生，直接消除IAPs抑制凋亡的作用[3]。

1　研究背景

Omi是Faccio等[4]由动物体内分离产生的，属于一种新型的蛋白酶，并且与HtrA同源。同年，Savopoulos等对Omi进行进一步纯化分析，得到HtrA2。另外，GrayC.w[5]也发现了与Omi为同一种物质的HtrA2，故合称Omi/HtrA2。

近年来，人们发现Omi/HtrA2是凋亡抑制蛋白家族IAPs的天然负调节因子，其功能正在被人们逐渐发掘和认识。Omi/HtrA2的主要作用途径是通过减弱或消除IAPs的作用使细胞凋亡的抑制效应得到控制，细胞则会呈现凋亡现象。

2　Omi/HtrA2的分子结构和基本定位

Omi/HtrA2的编码基因位于人类染色体2q13(或2p12)，其包含8个外显子，蛋白相对分子质量为38000和40000[6]。Omi/HtrA2蛋白由458个氨基酸残基组成，转录生成2.1kb和4.5kb两种不同的mRNA[4，5]。

Omi/HtrA2分子呈晶体样结构，其中包括了蛋白酶序列和结构域两种具备重要作用的构型。主要的结构域是参与水解蛋白的羧基端的PDZ结构域，该结构域是由365～455位的氨基酸残基构成的。PDZ结构域选择性地与受体蛋白的残基结合导致HtrA2构型的改变，使其丝氨酸蛋白酶活性被激活，达到降解受体蛋白的目的。Clausen T等[7]证实PDZ结构域是底物进入HtrA2核心活性部位的唯一通路。Runyon ST等[8]、Zhang Y等[9]均发现Omi/HtrA2内部的折叠方式不同，正是这种折叠方式决定了Omi/HtrA2对不同受体蛋白的不同选择性。

总之，由于PDZ结构域的存在Omi/HtrA2可以结合多种类型的蛋白，发挥其广泛而有效的促凋亡效应。PDZ结构域与WARTS蛋白激酶的C末端结合，可以增强Omi/HtrA2蛋白的水解酶活性，从而促进细胞的死亡[10]；另外，PDZ结构域与presenilin－1(PSl)蛋白的C末端结合，，能显著增强Omi/HtrA2水解IAPs蛋白的活性，促进细胞凋亡的发生；除此之外，PDZ结构域对折叠错误的蛋白质亦有降解作用[11]。PDZ结构域作用机制的发现对Omi/HtrA2与细胞凋亡关系的研究认识具有深刻的意义和巨大的影响。

除了PDZ结构域，引导Omi/HtrA2进入线粒体的氨基酸序列也发挥着至关重要的作用。线粒体定向序列(MTS)[12]也可以称为线粒体定位信号(l MLS)，是由前60位氨基酸序列构成，正是由于这个基序的存在，Omi/HtrA2才可以进入线粒体转变成为成熟形式，故该基序在Omi/HtrA2促细胞凋亡过程中发挥着非常重要的作用，具有引导Omi/HtrA2进入线粒体的作用[12]。另外，完整的Omi/HtrA2也称之为HtrA2前体蛋白，通过核基因在线粒体外形成，Seong Y观察到HtrA2前体蛋白由MTS或MLS介导进入线粒体膜间隙，凭借自身蛋白酶解作用转变成为成熟形式。成熟的Omi/HtrA2蛋白所包含的α－螺旋和β链是其构成空间上的PDZ结构域和丝氨酸蛋白酶构型的基础。PDZ结构域移动于丝氨酸蛋白酶结构域的周围，PDZ结构域捕获底物分子后，将底物移至蛋白水解位点，发挥水解蛋白作用。PDZ结构域决定了与何种底物结合，以及是否发挥蛋白酶作用。而且，通过对氨基酸测序发现HtrA2前体蛋白在丙氨酸133羧基端处自身催化分离，暴露AVPS。AVPS为氨基末端的Reaper样基序(Ala－Val－Pro－Ser，AVPS)，该基序可以与XIAP的BIR结构域结合从而阻断XIAP的凋亡抑制作用。

3　Omi/HtrA2促凋亡机制

Omi/HtrA2是定位于线粒体的具有凋亡调节功能的蛋白酶，其促凋亡作用主要有以下两条途径:

3.1Omi/HtrA2参与的Caspase依赖性凋亡:XIAP是IAPs家族的成员之一，是主要的内源性caspase抑制物，其分子结构中的BIR结构域可以结合并抑制活化的caspase3、7、9。因为凋亡诱导因子的作用使完整的Omi/HtrA2穿过线粒体膜并转变成为成熟的Omi/ HtrA2。两者的主要区别是成熟的Omi/HtrA2蛋白因缺乏N端的133个氨基酸序列而暴露了前四位氨基酸残基AVPS形成的Reaper结构域，AVPS结构域与IAPs的BIR结构结合，解除了IAPs对caspases活性的抑制作用。

3.2Omi/HtrA2参与的非Caspase依赖性凋亡:非Caspase依赖性凋亡是在整个细胞凋亡进程中caspase没有参与的凋亡通路。Hegde等[12]通过研究细胞中表达的两种没有MTS的Omi/HtrA2分子，一种具有蛋白酶活性，另一种没有蛋白酶活性，两者因为不能进入线粒体所以不能发展成为成熟的Omi/HtrA2，因而阻碍了AVPS结构域与BIR结构域的结合，caspase依赖性凋亡不会发生，但是有蛋白酶活性的Omi/HtrA2分子的细胞仍然可发生死亡，即使使用caspase抑制剂也不能阻止此效应。由此证明，Omi/HtrA2除了caspase依赖性的凋亡通路外，凋亡信号还通过了一些非caspase依赖途径进行了转导。

Omi/HtrA2通过自身的酶切作用与IAPs结合后直接剪切Livin、C－IAP1、C－IAP2和XIAP，消除IAPs抑制细胞凋亡的作用。

4　Omi/HtrA2与肿瘤

目前，关于Omi/HtrA2在肿瘤组织中的表达情况有不同的研究结果。国内相关学者通过对Omi/HtrA2在乳腺癌、胃癌、喉癌、前列腺癌等肿瘤细胞中的表达情况进行研究，结果显示Omi/HtrA2在这些肿瘤中均呈现高表达，而在良性肿瘤和正常组织中呈弱表达或无表达。但也有学者发现Omi/HtrA2在一些肿瘤组织中较正常组织呈现低表达。虽然在不同的肿瘤组织中的研究结果亦不相同，但其在肿瘤组织中均存在异常表达，提示Omi/HtrA2可能参与了恶性肿瘤的发生发展。

[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] 赵西耀，陈煜森.Omi/HtrA2基因与神经变性疾病的研究进展[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

朱振龙