蛋白酶的研究历史、发现及在健康和疾病中的作用

范美红

摘  要：《生物化学杂志》（Journal of Biological Chemistry，JBC）一直是传播和记录蛋白酶发现和特性的主要载体。1971-2010年，在Herb Tabor博士担任JBC主编期间，蛋白酶领域的研究取得了快速的发展。当他开始任职时，只有少数蛋白酶的精细结构和动力学为人所知。现在，人们已对数千种蛋白酶进行了鉴定，在人类基因组中发现了600多个蛋白酶基因。本综述除了回顾Herb Tabor博士对JBC以及美国生物化学和分子生物学学会（American society for biochemistry and molecular biology，ASBMB）在蛋白酶研究中所起的可贵贡献外，笔者还尽力概述了蛋白酶领域的研究历史，重点介绍了在蛋白酶研究过程中的一些发现及其在动物体内的作用。此外，本综述还讨论了金属蛋白酶，特别是龙虾肽酶家族中穿膜肽酶（meprin）的结构特征、调控、作用机制以及在动物健康和疾病中的作用。蛋白酶和蛋白质降解作用在生命系统中起着至关重要的作用，笔者还简要介绍了这一高度多样化和蓬勃发展的研究领域的未来方向。

关键词：蛋白酶;金属蛋白酶;研究历史;作用机制;结构特征;生理功能

中图分类号：S816 文献标志码：C 文章编号：1001-0769（2022）02-0076-04

1  蛋白酶的研究历史及在蛋白质降解中的作用

在1905年第1期《生物化学杂志》（Journal of Biological Chemistry，JBC）上，P. A. Levene发表了一篇题为“蛋白酶的裂解产物”的研究报告。多年来，该杂志不断发表有关蛋白酶的最新研究进展，在Herb Tabor担任JBC编辑的39年中，该领域取得了快速的发展。当Herb开始担任JBC的总编辑时（1971年），人类只了解少数几种蛋白酶的精细结构及其大量的动力学知识。在1970年之前，研究人员对几种主要的蛋白酶（天冬氨酸蛋白酶、丝氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、金属蛋白酶）进行了广泛的研究，其中一些例子如下。

胃蛋白酶是动物胃中的一种天门冬氨酸水解酶，是最早被人类发现、描述和命名的酶之一（1825年），于1930年被结晶出来。早在1907年，有关胃蛋白酶的研究信息就可以在JBC刊发的相关论文中找到，在20世纪70年代，有关胃蛋白酶作用机理的研究就已开始进行。

来自胰腺分泌物的丝氨酸蛋白酶（serine protease）、胰蛋白酶（trypsin）和糜蛋白酶（chymotrypsin）在19世纪相继被发现，在20世纪30年代被结晶出来。关于胰蛋白酶生理作用的研究进展发表在1907年出版的JBC上，关于糜蛋白酶的研究情况发表于20世纪30年代的JBC上。

木瓜蛋白酶（papain）发现于19世纪，是木瓜中的半胱氨酸蛋白酶，早在1954年JBC就报道了纯态木瓜蛋白酶。

嗜热菌蛋白酶（thermolysin）是一种来自嗜热细菌的细胞外金属蛋白酶，是第一个被结晶和确定结构的金屬蛋白酶。

羧基肽酶A（carboxypeptidase A）于1937年被分离到，其动力学特性于1970年得到了确定。

羧肽酶B（carboxypeptidase B）于1960年被分离到。细菌胶原酶现在被认为是基质蛋白酶（matrixin）家族的一个组成部分，基质金属蛋白酶1（matrix metalloproteinase 1，MMP-1）于1957年被分离到。

有关单独阐述蛋白酶和蛋白酶家族特性，以及介绍蛋白酶生理功能概况的文献综述有许多。MEROPS数据库收集了1 000多种蛋白酶的资料，其中包含大量关于蛋白酶特性与进化关系以及当前文献的信息（https：//www.ebi.ac.uk/merops/）。人类蛋白酶的降解组数据库（degradome database of human proteases）和《蛋白酶手册》（Handbook of Proteolytic Enzymes）也可提供宝贵的资源。

在20世纪60年代和70年代初，相关出版物大量报道了有关小型蛋白酶（20 kDa～ 35 kDa）、分泌型蛋白酶结构和功能的最新信息（如上文所述），但对细胞相关的蛋白酶、蛋白酶的细胞功能或蛋白质周转的研究几乎没有。在一个对蛋白质合成机制有重大研究进展和兴趣的时代（20世纪50年代和60年代），用于研究蛋白质降解的资料和结果相对匮乏。尽管如此，自Schoenheimer（1942）的开创性研究以来，人们已经知道真核细胞中的细胞蛋白质在不断周转（合成和分解）。然而，这种周转（细胞内蛋白质降解过程）的程度及其对细胞活力的重要性却未引起重视。人们认为，细胞死亡与蛋白酶有关，如消耗性疾病（1型糖尿病），而溶酶体通过自噬可处理这些“下坡”过程。对各种蛋白质的研究表明，特定蛋白质的周转率有很大的差异，随着对多种细胞蛋白质的研究，短寿命蛋白质和长寿命蛋白质的概念也衍生而出。20世纪70年代，人们对细胞内蛋白质降解的兴趣不断加大，               1973年Bob Schimke（JBC的副主编）和Nobuhiku Katunuma（日本著名的生物化学家）在加利福尼亚帕洛阿尔托举办了有关细胞蛋白质周转研讨会，这是美国最早举办的以蛋白质周转为主题的会议之一，预示着人类对蛋白酶的特性和生理功能产生了兴趣。

细胞内蛋白质降解显然引起了国际关注，导致20世纪70年代欧洲召开了多次相关会议。Alan Barrett于1970年在英国剑桥的Strangeways研究室组织了一场会议，探讨组织蛋白酶的降解作用。1973年，德国马丁路德大学的一组科学家在德国Reinhardsbrunn举办了一场关于细胞内蛋白质分解代谢的研讨会。Vito Turk于1975年在卢布尔雅那召开了一次类似的会议。Horst Hanson教授和Peter Bohley教授于1977年和1981年又组织了相关会议，交流细胞内蛋白酶和体内蛋白质周转的研究情况。20世纪70年代，德国东部地区科学家不能出国参加会议，所以西方国家的科学家前往这些地区，将科学置于政治之上。相关组织或机构还成立了一些委员会，以增进从事蛋白酶和蛋白质周转研究的科学家之间的交流。最早成立的委员会是欧洲蛋白酶委员会（European committee on proteolysis，ECOP），成立时间为1981年;随后是美国蛋白酶委员会（American committee on proteolysis，ACOP），该委员会组织了第五届细胞内蛋白质分解代谢国际研讨会;然后是日本蛋白酶委员会（Japanese committee on proteolysis，JCOP），最后是国际蛋白酶委员会（International committee on proteolysis，ICOP）。这些委员会都是1999年成立的国际蛋白酶解协会的先驱。

在20世纪70年代前，关于蛋白酶和蛋白质周转出现了几种荒谬的说法或误解。

有许多人认为，蛋白酶的唯一生理功能是在动物生命的某些阶段（特别是末期）完全降解蛋白质，或者认为其唯一生理功能是为了降解细胞外的蛋白质而分泌的，从而释放出氨基酸来合成其他蛋白质。

有人认为，细胞含有的蛋白酶非常少，这些酶可以发挥大量的降解功能，类似于胰蛋白酶和糜蛋白酶以及一些肽链外切酶，可以降解肠道中几乎所有种类的蛋白质。

有些细菌学家认为，正处于发育阶段的原生动物不会发生蛋白质降解，因为没有必要降解蛋白质。有人认为，有缺陷的、受损的或无用的蛋白质可以随着细胞的快速分裂而被稀释掉。

已知的蛋白酶是小型（20 kDa～    35 kDa）、紧凑式、不复杂的（没有碳水化合物、脂质或辅助因子）蛋白质，人们认为所有的蛋白酶都是如此。

溶酶体被认为是降解细胞内蛋白质以及那些被内吞作用吸收的蛋白质的主要或唯一的场所，并且这是通过溶酶体和其他细胞成分融合来形成自噬泡而发生的。

但是，现在我们知道，细胞内有大量的蛋白酶，而且细胞也会分泌出大量的蛋白酶。蛋白酶是脊椎动物中最大的酶基因家族。

人类有641个蛋白酶基因，小鼠有677个（各约占人类和小鼠基因组的3%）。

蛋白酶解几乎发生在细胞生命的所有阶段、所有的细胞区室（cell compartment）以及蛋白质形成的各阶段：从蛋白质合成前后或合成后不久的前蛋白质原的加工到蛋白质的完全降解。

蛋白酶的结构繁多，从小到大（从20 kDa到6 MDa），高度复杂，有些含有多个具有许多翻译后部分的结构域，如碳水化合物和脂质。

溶酶体蛋白酶不是唯一的细胞内蛋白酶，在许多情况下，也不是负责细胞内蛋白质降解的主要蛋白酶。

蛋白酶的进化族和家族已被确定，各种蛋白酶的分类也高度发达。

蛋白酶调控着许多蛋白质的命运、定位和活性。

蛋白酶是细胞健康和活力的关键因素，参与多种生理过程，如复制、转录、细胞增殖、分化、细胞外基质的重塑以及激素和生物活性肽的加工。

蛋白酶被高度调控，如转录、翻译后、激活、抑制和分割。

蛋白酶与许多疾病有关，如癌症、阿尔茨海默症、关节炎、凝血障碍、过敏和感染。

蛋白酶抑制剂在医学上很有用，例如，治疗血压的血管紧张素转换酶抑制剂、艾滋病病毒（human immunodeficiency virus，HIV）抑制劑、治疗骨髓瘤的蛋白酶体抑制剂、治疗Ⅱ型糖尿病的二肽基肽酶Ⅳ抑制剂。

蛋白酶在工业上很有利用价值，如澄清啤酒和葡萄酒、制备皮革、嫩化和脱毛。

2  Herb Tabor在担任JBC主编期间的领导和蛋白酶的研究进展

JBC一直是报道蛋白酶结构和功能的主要媒体，特别是蛋白酶的基本特性。Herb将杂志报道的重点放在基础科学上，而不是当时的“热门科学”上。他强调的是经得起时间考验并有可能产生长远的重要意义和影响的高质量科学。

Herb对美国生物化学和分子生物学学会（American society for biochemistry and molecular biology，ASBMB）也有强烈的承诺和影响。作者是通过在1999-2012年期间担任JBC副主编和ASBMB的主席（2004-2006年）的便利了解这一点的。Herb参加了ASBMB的许多活动，包括商务与金融会议、出版委员会会议、百年规划会议以及副主编和编委会成员活动。虽然JBC是在1905年创刊的，比学会成立早一年，但在百年庆典时，他强烈认为学会和JBC应该一起庆祝。他对副主编和工作人员给予了强有力的支持。他总是对问题、最佳沟通方式和新兴领域进行前瞻性思考。Herb总是倾听不同的观点，考虑替代方案，并以一种不可思议的方式让人们“同意”他的观点。他总是高瞻远瞩，特别鼓励杂志的网络版。JBC是生命科学领域第一个出现在网络上的杂志（1995年）。

在过去的半个世纪，人们对蛋白酶及其功能产生了极大的关注。以下将介绍几个让人们引发极大关注的发现。

蛋白酶体和ATP-泛素蛋白分解途径的发现无疑改变了人们对蛋白质降解世界的看法。泛素和蛋白酶体在细胞内蛋白质分解上的作用在20世纪70年代开始显现，并在80年代迅速扩大。

信号肽酶发现于20世纪70年代和  80年代，在分泌蛋白和膜相关蛋白跨膜转运进入内质网时将信号肽从中切割出来。

半胱天冬酶，参与细胞程序性死亡（凋亡）的蛋白酶，于20世纪80年代在秀丽隐杆线虫中被发现。人类半胱天冬酶家族的复杂性以及这些酶在细胞凋亡和细胞因子加工中的作用在20世纪90年代被揭示。

HIV-1蛋白酶发现于20世纪80年代，是逆转录病毒天冬氨酸蛋白酶，对艾滋病病毒的成熟至关重要。这种蛋白酶是药物治疗的主要目标，该蛋白酶抑制剂和其他药物一起使用，大大延长了病毒感染者的生命。大量关于许多生物体中天冬氨酸蛋白酶的信息加速了人们对HIV-1蛋白酶抑制剂的开发，这使得开发特定病毒蛋白酶抑制剂成为可能。这是基础科学对治疗进展具有重要性的一个例子。

半胱氨酸蛋白酶（如组织蛋白酶和钙蛋白酶）的多样性及其功能在近几十年被发现。这些酶参与各种生理过程，包括自噬、细胞成分的溶酶体降解。酶在自噬过程中的发现增强了人们对这一过程在健康和疾病中的理解。

（未完，待续）

原题名：Proteases： history， discovery， and roles in health and disease（英文）

原作者：Judith S Bond1