跨膜丝氨酸蛋白酶研究进展

跨膜丝氨酸蛋白酶研究进展
郭晓强
(解放军白求恩军医学院生物化学教研室,石家庄050081)
摘要　跨膜丝氨酸蛋白酶(T MPRSSs),又名II型跨膜丝氨酸蛋白酶(TTSPs)是一类定位于细胞膜上具有保守丝氨酸蛋白酶结构域的蛋白家族,哺乳动物中已发现二十多个成员。

T MPRSSs基本结构类似,C端蛋白酶结构域在胞外,N端位于胞内,还拥有单跨膜结构域,差异之处在于主干区。

T MPRSSs具有多种重要生理功能,功能异常可造成耳聋、癌症、贫血和高血压等多种疾病。

本文对T MPRSSs基本特征、结构、生理功能及相关疾病进行综述。

关键词　跨膜丝氨酸蛋白酶;耳聋;癌症;贫血;高血压
中图分类号　Q55
蛋白酶是一类水解蛋白质的酶类,最早于上世纪初在胃液中发现(胃蛋白酶),至今已鉴定多个成员。

最早认为蛋白酶主要通过非特异性水解蛋白质参与食物消化,然而一系列研究表明哺乳动物体内还存在一些具有底物选择性的蛋白酶,它们参与更为多样的生理过程,如细胞周期、形态建成、细胞增殖和迁移、排卵、血管生成和细胞凋亡等,功能异常可造成代谢性疾病、神经退行性疾病、心血管疾病、关节炎和癌症等的发生(Puente等.2003)。

相对于传统水溶性蛋白酶,新近发现一类特殊蛋白酶———具有单跨膜结构域的丝氨酸蛋白酶,并且C端位于胞外,因此被称为II型跨膜丝氨酸蛋白酶(type II trans me mbrane serine p r oteases,TTSPs)(Hooper等. 2001),又称跨膜丝氨酸蛋白酶(trans me mbrane p r o2 tease serines,T MPRSSs),这些新成员的发现和深入研究使人们对蛋白酶有了全新的认识[1]。

一、T M PRSS结构与基本特征
自1988年发现第一个跨膜丝氨酸蛋白酶T M2 PRSS1(hep sin)(Leytus等.1988)以来,至今已在人、小鼠和大鼠中发现二十多个成员,仅人类就有十几种(表1)。

T MPRSS表达具有明显组织特异性,T M2 PRSS6主要在胎儿和成年肝脏中表达(Velasco等. 2002),而T MPRSS10主要存在于心脏(Yan等. 1999),这种表达模式说明不同T MPRSS参与不同生理过程。

T MPRSS家族成员在分子量上差别巨大,如人T MPRSS1包含417个氨基酸残基,而T M2 PRSS10由1042个氨基酸构成,两者相差1倍以上,但基本结构却高度相似,均含四部分,从N端到C 端依次为短细胞质结构域、跨膜结构域、主干区和丝氨酸蛋白酶结构域,后两者位于胞外,不同成员区别主要集中于主干区。

根据主干区不同,T MPRSS可被进一步分为四个亚家族:HAT/DESC、hep sin/T MPRSS、matri p tase 和corin[1]。

HAT/DESC亚家族包括T MPRSS11d (HAT)和T MPRSS11e(DESC1),它们结构最为简单,主干区仅由单一SE A(sea urchin s per m p r otein, enter opep tidase,agrin)结构域构成[2](图1)。

hep2 sin/T MPRSS亚家族包括T MPRSS1～5和T MPRSS13等,是包含种类最多的一个亚家族,主干区包含清道夫受体富含半胱氨酸(scavenger recep t or cys2rich, SRCR)结构域和低密度脂蛋白A类受体(l ow densi2 ty li pop r otein recep t or class A,LDLa)结构域。

matri p tase亚家族包括T MPRSS14(matri p tase21)、T MPRSS6(matri p tase22)和T MPRSS7(matri p tase23),其主干区除含有SEA结构域外,还包含2个CUB (comp le ment p r otein subcomponents C1r/C1s,urchin e mbryonic gr owth fact or and bone mor phogenetic p r o2 tein1)结构域及3到4个串联重复LDLa结构域。

corin亚家族目前只发现一个成员T MPRSS10(cor2 in),其结构最为复杂,主干区包含8个LDLa结构域,2个frizzled结构域和1个SRCR结构域。

图1　几个典型T MPRSS结构特点[1]
表1　人的十余种主要T M PRSS的特征和功能
基因名称其它名称染色体定位氨基酸数量组织定位相关疾病
T MPRSS1sep sin19q112q13.2417肝脏、肾脏耳聋、前列腺癌等T MPRSS2ep itheliasin21q22.3492前列腺前列腺癌
T MPRSS3T ADG1221q22.3454内耳耳聋、卵巢癌
T MPRSS4无11q23.3437胰腺等胰腺癌
T MPRSS5s p inesin11q23.3457脊髓未知
T MPRSS6matri p tase2222q122q13802肝脏乳腺癌、贫血
T MPRSS7matri p tase233q13.2未知脑、皮肤等未知
T MPRSS8Polyserase2219q13.3未知未知未知
T MPRSS9Polyserase2119p131059肝脏、肺未知
T MPRSS10corin4p132p121042心脏高血压
T MPRSS11d HAT4q13.2417气管未知
T MPRSS11e DESC14q12213422附睾等鳞状上皮细胞癌T MPRSS13MSP L11q23581肺未知
T MPRSS14matri p tase2111q25855上皮组织前列腺癌和乳腺癌
二、T M PRSS与疾病
虽然T MPRSS发现时间不长,且作用机制和生理功能还未完全阐明,但使用遗传学及相关方法已发现多个成员功能异常可导致疾病的发生,突出了它们的重要性(表1)。

(一)T MPRSS与耳聋　很早就发现T MPRSS3与耳聋有密切关系[3],对59个巴基斯坦先天性感觉神经性耳聋家庭研究发现4个家庭存在T MPRSS3基因突变(Ben2Yosef等.2001),在其他地区研究也得到类似结果。

对T MPRSS3基因编码蛋白酶结构域的碱基突变小鼠观察发现,表皮a m il oride敏感钠通道活性明显下降,这导致内耳钠离子电流降低而耳聋(Gui pponi等.2002)。

对16个T MPRSS研究发现,除T MPRSS3外,T MPRSS1、2、5和10等也与听觉相关[4],T MPRSS1缺陷小鼠相对于正常小鼠听力明显降低(Gui pponi等.2007)。

(二)T MPRSS与癌症　由于蛋白酶可降解细胞外基质,从而增加了细胞在组织内迁移和扩散能力,这意味着T MPRSS可能参与癌细胞增殖、迁移和侵袭过程。

目前已鉴定多个T MPRSS与癌症有关,如T MPRSS1、2、3、4、6、11e和14等,从而使T MPRSS正在成为癌症生物学研究的一个热点。

c DNA芯片检测发现前列腺癌细胞T MPRSS1表达增加,且T MPRSS1蛋白含量与肿瘤恶性程度密切相关(Dhanasekaran等.2001),在欧洲前列腺癌高发人群中发现存在T MPRSS1单核苷酸多态性,此外肾细胞癌和卵巢癌等多种癌症中均发现存在T MPRSS1过表达。

目前认为T MPRSS1可作为前列腺癌早期诊断的生物标记,使用噬菌体展示技术获得与T M2 PRSS1具有高亲和力和特异性的结合肽,这为诊断试剂盒开发奠定了基础(Kelly等.2008)。

T MPRSS2与前列腺癌有密切关系。

染色体重排可造成癌症发生,这是因为往往引起某些基因异常激活。

两个ETS转录因子ERG和ET V1在前列腺癌中表达增加,这是由于染色体重排使T MPRSS2基因位于ETS转录因子基因上游,而T MPRSS2存在一个雄激素反应启动子元件,这样雄激素刺激可导致ETS转录因子过表达,细胞分裂加速而造成前列腺癌[5]。

研究发现许多前列腺癌病人体内确实存在T MPRSS2基因与ETS转录因子基因融合现象,这说明T MPRSS2异常可导致前列腺癌发生。

在卵巢癌中,T MPRSS3的一种亚型表达较正常卵巢组织或卵巢腺瘤表达明显增加(Sa wasaki等. 2004)。

在乳腺癌和胰腺癌细胞中也检测到T M2 PRSS3的异常表达。

然而该方面数据较少,尚需深入研究。

T MPRSS4在胰腺癌中表达显著升高,而在正常组织表达较少或不表达,这说明T MPRSS4与癌症恶性程度相关(W allrapp等.2000)。

T MPRSS4过表达诱导了E2钙粘蛋白介导的细胞粘连丧失,从而促进表皮细胞/间质细胞间过渡,造成癌细胞转移能力、侵袭性和恶性程度都明显增加[6]。

芬兰乳腺癌高发人群中存在T MPRSS6基因单核苷酸多态性和T MPRSS6蛋白减少的现象,并且T MPRSS6蛋白含量越低乳腺癌病人预后越差,而T MPRSS6过表达可使乳腺癌发生率明显下降,即使发生乳腺癌,细胞侵袭性和扩散性也明显降低(Parr 等.2007),这说明T MPRSS6应该是一种乳腺癌抑癌基因。

T MPRSS11e又名鳞状上皮细胞癌差别表达基因1(differentially exp ressed in squa mous cell carcinoma gene1,DESC1),从名称上可初步判断其作用。

研究发现T MPRSS11e在头颈部鳞状上皮细胞癌中表达明显较少,而在正常分化的上皮细胞中表达增加[7],从而说明其可通过促进细胞分化抑制增殖而发挥肿瘤抑制作用。

多数肿瘤T MPRSS14的mRNA和蛋白质含量都增加,如卵巢癌超过5倍,且含量越多肿瘤侵袭性越大(J in等.2006),前列腺癌T MPRSS14表达增加7倍以上。

抑制T MPRSS14表达则抑制肿瘤,利用核酶转基因技术使前列腺癌细胞株T MPRSS14表达减少,结果癌细胞生长、侵袭和转移力都明显降低,部分降低达50%(Sanders等.2006)。

(三)T MPRSS6与贫血　T MPRSS6表达具有肝脏特异性,其基因突变可造成人难治性缺铁性贫血(ir on2refract ory ir on deficiency ane m ia,I R I D A)的发生(Finberg等.2008),而T MPRSS6基因突变小鼠也具有严重缺铁和贫血表型[8],对贫血病人和突变小鼠单纯给予高铁饮食都无法完全改善贫血,这说明T MPRSS6基因突变破坏了机体在缺铁情况下的铁吸收,从而导致贫血。

(四)T MPRSS10与高血压　T MPRSS10主要存在于心脏,它可将前心钠素(atrial natriuretic pep tide, ANP)适当酶切而激活,从而参与血压调节(Yan等. 2000)。

T MPRSS10基因敲除小鼠虽在胚胎期和出生后表现正常,但成年后却出现高血压,高盐饮食使高血压加重,小鼠妊娠后期出现蛋白尿和严重高血压,生命后期心脏功能出现衰退最终造成心脏肥大[9],这说明T MPRSS10是维持血压及心脏正常功能的重要因素之一。

三、研究意义与展望
初步结果显示出T MPRSS具有广泛的生理功能,在多种疾病发生中的重要作用使其有望成为一个新的研究领域。

考虑到人们对蛋白酶的认识较为充分,目前已有多种丝氨酸蛋白酶抑制剂可供使用,这为研究带来方便的同时也为将来临床应用奠定基础。

对T MPRSS研究时间相对较短,除对部分成员如T MPRSS3和T MPRSS10等有一定深入了解外,还有多个成员尚未知其详细功能,并且当前研究大多集中在遗传学水平,分子机制相比而言涉及较少,如不同T MPRSS在发挥生理功能时的特异性底物、细胞内调节机制和信号转导途径等,只有对这些问题有一个全面理解,临床应用才会更有针对性。

参考文献
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