Cathepsin B在恶性肿瘤中的研究进展

高驰丹，何琳莉，刘 健，文 彬

·综 述·

Cathepsin B在恶性肿瘤中的研究进展

高驰丹1，何琳莉1，刘 健2，文 彬1

浸润及转移是恶性肿瘤的特征性表现，肿瘤细胞能产生多种水解酶(如半胱氨酸蛋白酶、无花果蛋白酶等)降解细胞外基质，破坏宿主黏膜屏障，组织蛋白酶B(Cathepsin B)是其中重要的一类。近年许多研究表明，高表达的Cathepsin B能直接或间接地降解细胞外基质和基膜成分，从而促进肿瘤的浸润转移，因此有望成为肿瘤检测、治疗和预后评估的分子指标。

恶性肿瘤；半胱氨酸蛋白酶；组织蛋白酶B

组织蛋白酶B(Cathepsin B)是半胱氨酸蛋白酶家族中的成员，其与肿瘤相关性的研究逐渐成为热点，现就近年来Cathepsin B在恶性肿瘤研究中的进展作一综述。溶酶体内存在重要的蛋白水解酶家族Cathepsins，Cathepsin一词源自希腊语的“消化”，由威尔斯达特命名，该家族成员根据催化位点不同分为三类：Cathepsin B、C、K、L、M、N、S等属于半胱氨酸蛋白酶；Cathepsin A、G、R属于丝氨酸蛋白酶；Cathepsin D、E属于天冬氨酸蛋白酶。其中Cathepsin B是含量最丰富、功能最重要的一种，近年大量研究报道均证实，Cathepsin B可通过对多种细胞外基质成分进行水解，使其黏膜屏障遭到破坏，参与肿瘤细胞的发生、发展和转移等过程[1]。

1 Cathepsin B的结构、生物学意义及其调控

成熟的Cathepsin B有两种形式：(1)单链形式，相对分子质量为3.1×104；(2)双链形式，相对分子质量为2.5×104或2.6×104的重链和5×103的轻链。Cathepsin B分子在Ser104～Pro126之间存在闭合环，该闭合环可以通过构象改变阻挡活性位点，在酸性环境中Cathepsin B为肽链外切酶，而在碱性环境中闭合环被打开则成为肽链内切酶，故被认为具有双重蛋白水解活性，这种特性使Cathepsin B具有广谱的蛋白水解能力[2-3]。

生理状态下，Cathepsin B在正常组织中表达较低，并主要存在于溶酶体内，当胞外蛋白质、血浆蛋白、激素和被吞噬的细菌等进入细胞即被溶酶体内蛋白水解酶水解，进行细胞内消化，从而使蛋白质合成与降解保持精确的平衡，同时与溶酶体内的其他蛋白水解酶一起介导非Caspase的凋亡通路[4]。在病理状态下，Cathepsin B表现出多种作用，如抗蛋白变性作用，增加β淀粉样蛋白产物，这与阿尔兹海默症患者大脑中淀粉样斑块的沉积有关[5]，也能通过增加亨廷顿舞蹈症患者脑细胞中大分子自噬作用降低亨廷顿蛋白的数量和毒性作用，从而达到保护神经细胞的作用[6]。最重要的是，病理状态下Cathepsin B可对多种细胞外基质成分进行水解，并使其黏膜屏障遭到破坏，促使肿瘤的浸润和远处转移[7-8]。

调控Cathepsin B可以从基因、转录、转录后水平、翻译和内源性半胱氨酸蛋白酶抑制剂Cystatins等多方面进行，主要是转录水平的调控。Cathepsin B基因定位于染色体8p22，由13个外显子组成，第一个外显子的上游是1个2.2 kb的启动子区域，该区域富含GC碱基对而缺乏典型的TATA和CAAT盒子，有6个Sp1蛋白结合位点、4个Ets蛋白结合位点和1个调控转录的增强子，而Sp1、Ets1蛋白被证实可以增强Cathepsin B的转录[9]。同时研究表明[10]在乳腺癌等癌组织和细胞中Sp1、Ets1蛋白呈高表达，这两种蛋白自身可以促进肿瘤的浸润、转移甚至影响肿瘤的预后。因此，Cathepsin B不仅可以通过自身的蛋白水解能力，还可以通过结合肿瘤相关蛋白参与肿瘤的发生、发展。

2 Cathepsin B与恶性肿瘤的关系

浸润及转移是恶性肿瘤的特征性表现，肿瘤细胞能产生多种水解酶降解细胞外基质，破坏宿主黏膜屏障，促使肿瘤细胞穿透基膜向深层组织浸润及远处转移[9]。Cathepsin B能够直接降解或激活纤溶酶原激活剂及基质金属蛋白酶等而间接降解层粘连蛋白、纤维连接蛋白及Ⅳ型胶原等许多细胞外基质和基膜成分。文献报道[11]，Cathepsin B在多种肿瘤组织及肿瘤患者血清中表达增高，将Cathepsin B cDNA转录到肿瘤细胞中，可使肿瘤细胞转移能力增强，而干扰Cathepsin B RNA转录可降低肿瘤侵袭能力[12]，因此该因子可能成为恶性肿瘤诊断、治疗和判断预后的分子指标[13]

2.1异常表达的CathepsinB促进恶性肿瘤细胞的发展和转移目前，在一些恶性肿瘤患者的血液标本中检测到Cathepsin B高表达。Tan等[14]收集80例鼻咽癌患者和40例健康志愿者的血液标本，采用Elisa法检测血浆中Cathepsin B的表达，结果显示鼻咽癌患者血浆中Cathepsin B含量为(12.5±3.5) mg/L，而志愿者血浆中仅为(2.5±1.4) mg/L，鼻咽癌患者血浆中Cathepsin B含量显著高于健康人血浆中含量(P<0.001)，且与肿瘤TNM分期有关，分期越晚检测出Cathepsin B含量越高。Melo等[15]对胃肠道恶性肿瘤患者的血浆样本应用Elisa法检测Cathepsin B含量，也得出一致结论。

在多种恶性肿瘤组织中也检测到Cathepsin B高表达，并发现异常表达的Cathepsin B促进恶性肿瘤的发展和转移。Bao等[16]采用免疫组化法检测76例子宫内膜癌中Cathepsin B的表达，结果显示与正常子宫内膜组织和子宫内膜不典型增生组织相比，子宫内膜癌组织中Cathepsin B呈明显高表达。Bao等[16]用慢病毒作载体将short hairpin RNA(CTSB-shRNA)转染到子宫内膜癌细胞株HEC-1A中，构建出极低表达Cathepsin B的稳定子宫内膜癌细胞株后，通过四甲基偶氮唑蓝检测各时间点细胞的凋亡率，发现细胞的增殖能力显著降低，推测Cathepsin B可能促进子宫内膜癌细胞的发展和转移。杨正多等[17]采用免疫组化法检测158例高、中、低分化的结直肠癌患者手术切除标本及64例相应转移灶组织中Cathepsin B蛋白的表达，得出类似结果，Cathepsin B蛋白在结直肠癌组织及其转移灶中均高表达(分别为P<0.05及P<0.01)，并且高分化结直肠癌样本中Cathepsin B蛋白在细胞膜或细胞质呈阳性，而在低分化结直肠癌细胞核、细胞膜及细胞质中均呈阳性，因此Cathepsin B可能是诊断结直肠癌和判断其临床病理分级的有用指标。Beckham等[18]在研究前列腺癌时也得出类似结论，并且证明前列腺癌组织中酸性酰胺酶(AC)通过产生1-磷酸鞘氨醇导致Cathepsin B高表达，从而促进前列腺癌的侵袭和转移。

2.2CathepsinB在恶性肿瘤治疗中的作用Cathepsin B在恶性肿瘤治疗中的作用主要有三种思路。(1)介导细胞凋亡：细胞凋亡是一种细胞程序性死亡方式，蛋白水解酶在细胞凋亡中的作用机制一直是重要的研究方向，而其中大部分工作集中在探索Caspases的功能和调控。近年随着相关研究工作的不断深入，人们发现除经典的线粒体Caspase凋亡通路，细胞内的“垃圾处理站”溶酶体内的蛋白酶也参与细胞凋亡过程，即存在溶酶体介导的细胞凋亡途径，Cathepsin B作为溶酶体中重要的蛋白水解酶，研究发现在细胞凋亡过程中发挥重要作用[4]。纪汪溟等[19]通过检测前列腺癌PC-3细胞对不同凋亡诱导试剂及蛋白酶抑制剂的应答反应，证实Cathepsin B和Caspases均参与肿瘤坏死因子(TNFα)诱导的PC-3细胞凋亡过程。任海朋等[20]以72例恶性卵巢肿瘤为观察组，同期收治的45例良性卵巢肿瘤为对照组，采用Western blot法检测卵巢组织中Cathepsin B的表达水平，发现在恶性卵巢肿瘤中呈高表达。细胞实验中将恶性卵巢肿瘤细胞A2780传代培养后分为A、B组，分别加入紫杉醇溶液和紫杉醇溶液+Cathepsin B抑制剂，采用四甲基偶氮唑蓝技术检测不同时间点的A2780细胞凋亡率，发现不同时间点B组的凋亡率均低于A组，提示Cathepsin B抑制剂可能降低肿瘤细胞的凋亡，从而证明Cathepsin B在肿瘤细胞凋亡中的促进作用。(2)抑制Cathepsin B的蛋白水解活性：研究人员采用各种各样的治疗方法，试图通过抑制蛋白酶的蛋白水解活性从而抑制由蛋白酶引起的肿瘤细胞转移渗透性，在这些治疗方法中，基因治疗和和药物治疗取得了可喜的进展[11,21-22]。(3)靶向治疗：其既不依赖Cathepsin B的促凋亡作用，也没有运用蛋白的水解功能，而是将其与传统肿瘤化学治疗药物结合起来。众所周知，多柔比星(DOX)因其细胞毒性成为临床常用的化疗药物，但其特异性不高，因此在杀伤肿瘤细胞的同时也作用于正常组织。Zhong等[23]经过10年的时间合成一种Cathepsin B裂解的DOX药物前体，通过体外的细胞实验、动物实验和人体实验，证实该前体药物与传统方法直接使用DOX相比细胞毒性更小，但具有更强的药物活性。

前两种思路看起来似乎是矛盾的，一方面可以通过Cathepsin B促进肿瘤细胞凋亡的作用延缓肿瘤的发展，另一方面通过抑制Cathepsin B的蛋白水解能力减弱肿瘤细胞的侵袭和转移，那么在恶性肿瘤的治疗中何时运用其促进肿瘤细胞凋亡功能？又何时抑制其活性从而抑制肿瘤侵袭转移？这是值得研究的问题。

2.3CathepsinB与恶性肿瘤预后的关系Gong等[12]发现虽然有很多研究证实恶性肿瘤中Cathepsin B呈高表达及与恶性肿瘤发展、转移的相关性，但是Cathepsin B与肿瘤预后的关系报道较少。Gong等[12]等采用CTSB-shRNA转染人肺癌细胞株A549，使该细胞株极低表达Cathepsin B，再将该细胞种植到裸鼠身上，成瘤后记录小鼠生存时间，与普通A549细胞种植裸鼠成瘤后相比，两组小鼠的生存时间差异无统计学意义，即Cathepsin B可能与恶性肿瘤的预后无相关性。Tan等[14]检测80例鼻咽癌患者的血液样本中Cathepsin B高表达，随访中位时间24个月，有24例患者复发，其中12例出现远处转移，6例局部复发，6例局部复发的同时伴有远处转移。无进展生存期(progression free survival, PFS)中位数为25.6个月，1年PFS为78.5%，运用ROC分析血液中Cathepsin B含量与患者PFS之间的关系，两者差异无相关性(P=0.704)。因此，Cathepsin B可能并非肿瘤患者预后的有效分子指标。Yang等[24]采用免疫组化法检测280例口腔鳞状细胞癌组织，并随访发现肿瘤组织中高表达Cathepsin B患者的总生存期(overall survival, OS)低于不表达或低表达者，但高表达的Cathepsin B与患者PFS之间无相关性。280例口腔鳞状细胞癌患者中有109例发生于颊部，其中高表达Cathepsin B的患者OS和PFS均低于不表达或低表达者。因此在口腔鳞状细胞癌尤其是发生颊部的患者中，过表达Cathepsin B可能提示患者预后不良。Ruan等[25]分析168例肝细胞癌，发现肿瘤组织中高表达Cathepsin B的患者5年生存率为19.3%，而肿瘤组织中低表达Cathepsin B的患者5年生存率为43.4%(P=0.001)；与Yang等[24]报道相似。目前，关于Cathepsin B与恶性肿瘤预后的分析较少，文献报道高表达的Cathepsin B与预后的关系还有分歧，因此Cathepsin B是否能作为肿瘤预后的独立因素，尚需进一步的相关研究。

3 结语

综上所述，Cathepsin B作为半胱氨酸蛋白酶家族中的成员，在病理状况下对多种细胞外基质成分进行水解，并使其黏膜屏障遭到破坏，促使肿瘤的发生、发展、浸润和远处转移，但在不同类别的肿瘤或者同种类别肿瘤在不同分化情况下的表达有所不同，对于预后的提示作用也因具体肿瘤类别而不同。Cathepsin B作为肿瘤基因治疗靶点与传统化疗药物结合的研究虽然取得一些进展，但要明确其作用机制以及抗肿瘤疗效尚有待于进一步深入研究。

[1] Rawlings N D, Barrett A J, Finn R. Twenty years of the MEROPS database of proteolytic enzymes, their substrates and inhibitors[J]. Nucleic Acids Res, 2016,44(D1):D343-D350.

[2] Liu Y X, Liu X M, Nin L F,etal. Serine protease and ovarian paracrine factors in regulation of ovulation[J]. Front Biosci (Landmark Ed), 2013,18(1):650-664.

[3] Szabo R, Bugge T H. Membrane-anchored serine proteases in vertebrate cell and developmental biology[J]. Cell Dev Bio, 2011,27(1):213.

[4] Gondi C S, Rao J S. Cathepsin B as a cancer target[J]. Expert Opin Ther Targets, 2013,17(3):281.

[5] Na J Y, Song K, Lee J W,etal. 6-Shogaol has anti-amyloidogenic activity and ameliorates alzheimer's disease via cys LT1R-mediated inhibition of cathepsin B[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2016,477(1):96-102.

[6] Liang Q, Ouyang X, Schneider L, Zhang J. Reduction of mutant huntingtin accumulation and toxicity by lysosomal cathepsins D and B in neurons[J]. Mol Neurodegener, 2011,6(1):37.

[7] 何琳莉, 蹇顺海, 文 彬. Cathepsin B与cystatin C在青年及老年人胃癌发生、发展中的意义[J]. 临床与实验病理学杂志, 2016,32(4):380-383.

[9] Aggarwal N, Sloane B F. Cathepsin B: multiple roles in cancer[J]. Proteomics Clin Appl, 2014,8(5-6):427-437.

[10] Min W, Liu X, Jin W,etal. Targeting ETS1 with RNAi-based supramolecular nanoassemblies for multidrug-resistant breast cancer therapy[J]. J Control Release, 2017,253:110-121.

[11] Ruan H, Hao S, Young P, Zhang H. Targeting Cathepsin B for cancer therapies[J]. Horizons Cancer Res, 2015,56:23-40.

[12] Gong F, Peng X, Luo C,etal. Cathepsin B as a potential prognostic and therapeutic marker for human lung squamous cell carcinoma[J]. Mol Cancer, 2013,12(1):125.

[13] Tian L, Xie L. IGF-1 promotes the growth and metastasis of hepatocellular carcinoma via the inhibition of proteasome-mediated Cathepsin B degradation[J]. World J Gastroenterol, 2015,21(35):10137-10149.

[14] Tan G, Liu Q, Tang X,etal. Diagnostic values of serum Cathepsin B and D in patients with nasopharyngeal carcinoma[J]. BMC Cancer, 2016,16(1):1-7.

[15] Melo C M, Origassa C S, Theodoro T R,etal. Analysis of heparanase isoforms and Cathepsin B in the plasma of patients with gastrointestinal carcinomas: analytical cross-sectional study[J]. Sao Paulo Med J, 2014,133(1):28-35.

[16] Bao W, Fan Q, Luo X,etal. Silencing of Cathepsin B suppresses the proliferation and invasion of endometrial cancer[J]. Oncol Rep, 2013,30(2):723-730.

[17] 杨正多, 张 丹, 吕宏程, 等. Stathmin及Cathepsin B在结直肠癌中的表达[J]. 中华结直肠疾病电子杂志, 2014(3):18-21.

[18] Beckham T H, Lu P, Cheng J C,etal. Acid ceramidase-mediated production of sphingosine 1-phosphate promotes prostate cancer invasion through up-regulation of Cathepsin B[J]. Int J Cancer, 2012,131(9):2034-2043.

[19] 纪汪溟, 刘建平. 溶酶体蛋白酶Cathepsin B参与介导前列腺癌PC-3细胞凋亡[J]. 复旦学报(自然科学版), 2012,51(3):269-275.

[20] 任海朋. 组织蛋白酶B在恶性卵巢肿瘤靶向治疗中的临床意义[J]. 中国肿瘤临床与康复, 2015(5):539-541.

[21] Raghav N, Singh M. SAR studies of differently functionalized chalcones based hydrazones and their cyclized derivatives as inhibitors of mammalian Cathepsin B and cathepsin H[J]. Bioorg Med Chem, 2014,22(15):4233-4245.

[22] Huang L, Luo Y, Sun X,etal. An artemisinin-mediated ROS evolving and dual protease light-up nanocapsule for real-time imaging of lysosomal tumor cell death[J]. Biosens Bioelectron, 2017,92:724-732.

[23] Zhong Y J, Shao L H, Li Y. Cathepsin B-cleavable doxorubicin prodrugs for targeted cancer therapy[J]. Int J Oncol, 2013,42(2):373-383.

[24] Yang W E, Ho C C, Yang S F,etal. Cathepsin B expression and the correlation with clinical aspects of oral squamous cell carcinoma[J]. PLoS One, 2016,11(3):e0152165.

[25] Ruan R, Zheng H, Rong X,etal. Over-expression of Cathepsin B in hepatocellular carcinomas predicts poor prognosis of HCC patients[J]. Mol Cancer, 2016,15(1):17.

R 730.2

A

1001-7399(2017)10-1116-03

时间：2017-10-23 13:30 网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1073.R.20171023.1330.012.html

10.13315/j.cnki.cjcep.2017.10.012

接受日期：2017-06-27

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川北医学院1病理科、2肝胆外科，南充 637000

高驰丹，女，硕士研究生。E-mail: 280521363@qq.com

文 彬，男，教授，硕士生导师，通讯作者。E-mail: wenbin662588@sina.com