组织蛋白酶V的研究进展

侯昕彤，周慧

（1.沈阳医学院基础医学院临床医学专业2015级19班，辽宁 沈阳 110034；2.基础医学院组织学与胚胎学教研室）

20世纪20年代，组织蛋白酶一词首次被提出，并被定义为存在于溶酶体中的蛋白水解酶，在低等到高等生物中均有分布［1］。现已发现有约50种组织蛋白酶，目前对丝氨酸蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶的研究较为深入和广泛［2］。在溶酶体蛋白酶体系中，半胱氨酸蛋白酶发挥着相对重要的作用。

半胱氨酸蛋白酶在生物体内分布广泛，目前在人类基因组测序中共发现了11种相关酶类［2］，在溶酶体这种具有还原性和微酸性的环境中，能保持最佳活性状态，其功能是使大量非特异性的内源性或外源性蛋白质发生水解、降解［3］。但有研究发现，半胱氨酸蛋白酶可以参与到体内某些特异性的生理活动中，当该酶系的动态平衡发生异常或遭到破坏时，很可能导致某些疾病的发生和发展。人组织蛋白酶主要分为两大亚族，一种是组织蛋白酶L-like家族，包括组织蛋白酶L、V、K、S、H、W和F，它们共同含有GNFD 和ERFNIN两个保守基序；另一种是组织蛋白酶B-like家族，只包括含有GNFD基序的组织蛋白酶B［4］。

组 织 蛋 白 酶 V（cathepsin V，CTSV），是Santamaría等于1998年首次发现的，因其与组织蛋白酶L（CTSL）有78%的同源性，所以又称为组织蛋白酶L2，是由CTSV基因编码的蛋白质，属于半胱氨酸蛋白酶肽链端解酶，在pH值为4时发挥最佳生理活性［5］。CTSV基因定位于9q22.2染色体，由8个外显子和7个内含子组成，在人角膜上皮、胸腺和睾丸中高表达［6］，在结肠癌和乳腺癌中也有表达，而在正常结肠和乳腺中却不表达［7］。这种具有局限性的特殊作用发挥，可以证实其参与人体的一些特异性活动中。

1 CTSV的分子结构特点

人CTSV是由334个氨基酸构成的蛋白质，分子质量37 329 Da，在细胞内以无活性的酶原前体形式存在，由信号肽、前体肽和成熟肽构成［5］。前体肽含有α螺旋结构，可防止活化中心被激活和分化，成熟肽N端残基与α螺旋方向相反，后者可跨越活性中心与底物结合，通过自我催化或被其他酶活化发生作用［8］。CTSV由两个大小相似的R-结构域和L-结构域构成，组织蛋白酶的活性位点位于两结构域交界面的V形活性区域，分别是 Cys138、His277和 Asn301［5］。CTSV 的结构见图1［9］。人CTSV包含3个潜在的N-糖基化位点，位于2、221和292，但被证实能够发生N-糖基化的只有Asn221和Asn292，它们对于CTSV运输到溶酶体中起重要作用［9］。Asn221和 Asn292两个 N-糖基化位点的位置并不接近活性位点。因此，在Asn292N-糖基化可能有助于其底物的直接识别，对Asn292位点N-糖基化的抑制可能会间接影响其酶的活性［9］。

图1 CTSV的结构［9］

2 CTSV的合成

CTSV由前体肽、信号肽、成熟肽三部分组成，通过前体酶原水解而成为有活性的酶。前体的正确剪切，对于新合成的半胱氨酸蛋白酶多肽链的正确折叠和蛋白质的稳定有重要意义。如果剪切地点发生异常，半胱氨酸蛋白酶在发挥作用前与蛋白酶抑制剂结合从而失去活性。另外，不当的pH条件也会导致组织蛋白酶失活。

在高等哺乳动物体内，CTSV的一般合成途径为：首先，前体酶原在核糖体结合膜上合成，信号肽将在核糖体上表达的前体酶原转运到内质网，在内质网上，信号肽和前体肽间的肽键发生断裂，信号肽从前体酶原上去除，形成只含前体肽和成熟肽的酶原，因为前体肽占据酶原活性中心，酶原无法和相应受体结合，因此不具有催化活性；随后，酶原被转运至胞内溶酶体，在溶酶体的酸性条件下发生自动水解，将前体肽去除，产生具有酶活性的成熟的CTSV；在此步骤中，发现前体肽也可以作为能够阻止酶原活性的高亲和性可逆抑制剂［10］。

3 CTSV参与的信号通路

研究表明，CTSV是E2F1的促凋亡靶点，E2F1可以直接结合到CTSV的启动子上，被外源性和内源性E2F1所调控；RNAi介导的CTSV沉默可以有效消除异位E2F1诱导的细胞凋亡，与溶酶体膜通透性（LMP）的减少和线粒体膜的去极化相关；CTSV敲低也能抑制DNA损伤所激活的内源性E2F1介导的细胞凋亡［11］。

4 CTSV的功能

4.1 生理作用 在生物体内，CTSV作用广泛，可以参与如抗原提呈、蛋白水解、T细胞分选、胚胎发育以及细胞凋亡等一系列生理活动过程。

人CTSV参与神经递质脑啡肽和神经肽Y（neuropeptide Y，NPY）的产生，人神经母细胞瘤细胞中，通过siRNA干扰CTSV，可使人类神经母细胞瘤细胞产生的脑啡肽减少80%以上［12］。CTSV在角膜上皮中高表达，其可以水解纤溶酶原，纤溶酶原也在人角膜中高水平表达，可产生血管抑制素相关分子，CTSV对纤溶酶原的加工，导致其释放血管抑制素分子，从而抑制血管生成，在维持角膜无血管性中发挥重要作用［13］。缺乏CTSL的小鼠显示出复杂的皮肤表型，包括周期性脱发、表皮增生、棘皮症和角化过度等，CTSV转基因小鼠与CTSL敲除小鼠杂交，子代小鼠显示表皮增殖，表皮厚度和头发表型的正常化，表明CTSV水解活性在维持表皮和毛囊中的角质形成细胞特异性功能中发挥重要作用，并且CTSV可在人皮肤中发挥类似功能［14］。

在人类免疫功能中，CTSV同样发挥重要作用。半胱氨酸蛋白酶影响CD4+T细胞的阳性选择，在CTSL缺失的小鼠体内，胸腺上皮细胞中CD4+T细胞的阳性选择削弱；在这些胸腺上皮细胞中也发现了恒定链水解中间产物的积累；但在周边抗原提呈细胞中，恒定链加工并未受到影响，这说明CTSL特异性地在小鼠胸腺中发挥功能；在人体内，发挥此功能的是CTSV［15］。

4.2 病理作用 CTSV是人胸腺皮质上皮细胞中的优势半胱氨酸蛋白酶，与健康对照组相比，神经肌肉系统的自身免疫性疾病重症肌无力患者的胸腺中CTSV表达水平显著更高，提示CTSV可能参与重症肌无力的免疫发病机制［16］。

有研究表明，CTSV与人乳腺癌的发生、发展密切相关。当药物作用于乳腺癌细胞使其溶酶体膜受到破坏时，CTSV作为溶酶体蛋白酶，大量弥散于细胞质中引发自噬［17］。

动脉粥样硬化是一种慢性炎性病变，以动脉管壁的增厚、弹性丧失和血管壁的细胞外基质大量重塑为主要病理特点，其中胶原蛋白和弹性蛋白起重要作用［18-19］。CTSV在人类单核细胞源性巨噬细胞表达，是迄今为止人类最具弹性蛋白解离活性的组织蛋白酶，CTSV的增加会加速病变动脉的弹性蛋白基质的破坏，从而加速动脉粥样硬化病变的形成［19］。炎性细胞因子肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和单核细胞的结合会刺激CTSV的表达并活化内皮细胞，在心血管疾病中负责发起局部蛋白的水解［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种自身抗体，这些异常的自身抗体可以损伤人体胰岛β细胞［21］，使之不能正常分泌胰岛素。Viken等［21］研究发现，位于CTSV基因下游的rs16919034多态性与1型糖尿病相关，并且还发现位于CTSV基因上游的另一rs4361859多态性与早发性重症肌无力相关。

综上所述，CTSV参与多种机体生理和病理过程，CTSV抑制剂具有较好的应用前景，针对其作用特点，寻找其相应的选择性、可逆性抑制剂用于临床疾病的治疗，值得进一步研究和探索。

通过对CTSV的深入了解和研究，可以为今后开发抗肿瘤药物，如乳腺癌和大肠癌等，治疗人重症肌无力、1型糖尿病等免疫疾病及治疗动脉粥样硬化等疾病提供新思路，有着重要的学术价值和社会效益。