組織蛋白酶S在呼吸系統疾病中的研究進展

張 琳 陳紹平

川北醫學院附屬醫院呼吸與危重癥醫學科，四川省南充市 637000

組織蛋白酶S(Cathepsin S，CTSS)是在動物組織細胞內發現的一類蛋白酶，它通過水解溶酶體內有害或受損的蛋白質以維持細胞內環境穩定。它具有抗原呈遞、細胞信號轉導、激活受體、促進趨化因子或細胞因子釋放等功能。迄今為止，在人體內共發現15種組織蛋白酶(Cathepsin，Cat)，根據催化機制的不同，Cat可分為絲氨酸、天門冬氨酸和半胱氨酸組織蛋白酶三類。絲氨酸組織蛋白酶包括CatA、G；天門冬氨酸蛋白酶包括CatD、E；半胱氨酸組織蛋白酶包括CatB、C、F、H、K、L、O、S、V、X、W。其中半胱氨酸組織蛋白酶根據底物的不同，分為肽鏈內切酶(CathepsinS、K、V、F、L)和肽鏈外切酶(CathepsinB、H、X、C)[1]。CTSS首先以前體酶原形式在核糖體結合膜上合成，隨后通過轉鐵蛋白進入內質網，最后在高爾基體經過糖基化及磷酸化的作用形成甘露糖-6-磷酸蛋白，通過溶酶體上甘露糖-6-磷酸特異性受體的識別作用，間接轉運至溶酶體內，并以無活性的形式存在，在溶酶體酸性環境中自動水解，去除前肽，自我活化修飾，切割成有活性的成熟Cat[2]。當細胞內的Ca2+水平升高時，溶酶體與細胞膜融合，成熟的CTSS被釋放到細胞外發揮其生物學作用。

1 組織蛋白酶S的概述

1.1 CTSS的起源 1975年，Kregar I[3]首次將CTSS從牛淋巴組織、脾中分離純化出來，并證實其為半胱氨酸蛋白酶，將其命名為CTSS。后來因其與組織蛋白酶L(Cathepsin L，CTSL)相似，將其命名為CTSL，但后人對CTSS與CTSL在生化及免疫方面進行了對比研究，發現其與CTSL不同，CTSS應該從CTSL獨立出來，仍然命名為CTSS。1992年，Shi等[4]首次從人肺泡巨噬細胞中提取了人類CTSS基因的cDNA，并且證實其與牛CatS基因堿基序列有85%高度相似性，并因此而得名。

1.2 CTSS的結構 CTSS的基因位于人染色體Iq21，由5個外顯子和5個內含子構成，其上游調控序列包含SPI結合位點2個，API結合位點18個，GC含量占40%，但不包含TATA或CMT盒子[5]。CTSS具有與木瓜蛋白酶家族相似的晶體結構，是一個由331個氨基酸組成的單鏈蛋白，其三維空間結構包含2個結構域：(1)L結構域，由一個疏水口袋和3個α螺組成；(2)R結構域，由含有1個疏水核嵌入的反平行β折疊與位于側面的2個α螺旋共同組成，兩個結構域之間構成具有催化活性的狹長裂隙，即為CTSS的催化活性部位[6]。CTSS的N端有3個凹槽(S1、S2、S3)，與催化底物的特異性結合相關，同時也決定了半胱氨酸蛋白酶抑制劑的特異性。C端具有一個與底物結合的位點，即s1’，在CTSS與MHCⅡ類分子保守區結合過程中發揮重要作用。L結構域中的半胱氨酸25、R結構域中的組氨酸59和天門冬酰胺175構成催化三聯體，是底物與之結合的重要部位，其中Cys25中硫陰離子是催化反應的關鍵部位，能夠進攻底物肽[6]。

1.3 CTSS的生物學功能 CTSS不同于其他組織蛋白酶廣泛分布于人體各組織，只在酸性環境中起作用，它僅僅表達于人體某些特定的組織，且不僅能夠在酸性環境中發揮其生物學功能，在中性pH中也保留一定活性，因此被賦予一些特殊的功能。在細胞內，CTSS參與MHCⅡ(Major histocompatibility complex classⅡ， MHCⅡ)類物質介導的抗原呈遞過程 。在細胞外，CTSS常與絲氨酸蛋白酶、金屬蛋白酶等相互作用，促進細胞外基質的降解以及組織的重塑，同時還參與切割非基質蛋白，例如：細胞因子、趨化因子、抗微生物蛋白等。近些年來，不同領域的蛋白酶的研究賦予了CTSS在不同疾病中更具體的功能，例如參與細胞信號傳導、抗原呈遞、血管生成、細胞因子加工與分泌、受體脫落與活化以及細胞的增殖和遷移過程等。

2 CTSS在呼吸系統疾病中的研究

組織蛋白酶最早以其降解蛋白質的能力被人們所熟知，其底物具有特異性，近些年來，不同領域的蛋白酶的研究賦予了組織蛋白酶許多新的功能，參與許多疾病的病理發生發展過程。CTSS作為唯一一個在中性pH環境下具有酶活性的組織蛋白酶，表達于肺泡巨噬細胞、成纖維細胞和上皮細胞中。在呼吸系統疾病中，其除了參與細胞外基質的降解以外，還參與滅活氣道宿主防御蛋白，誘導ECM的重塑和呼吸道黏液的產生。最新研究提示，CTSS與慢性阻塞性肺疾病、支氣管哮喘、囊性纖維化肺病、肺癌、肺動脈高壓、特發性肺纖維化等的發生發展過程息息相關。

2.1 CTSS與慢性阻塞性肺疾病的關系 慢性阻塞性肺疾病(Chronic obstructive pulmonary desease，COPD)是一種以持續性呼吸道癥狀和氣流受限為特征的異質性疾病，其發病機制尚不完全明確，目前公認的有炎癥反應、蛋白酶/抗蛋白酶系統失衡、氧化應激等，其中蛋白酶—抗蛋白酶系統失衡在COPD的整個疾病的發生發展過程中扮演著重要角色。石廣軍[7]的實驗表明，慢性阻塞性肺病患者的支氣管肺泡灌洗液(BALF)中CTSS含量增加，且BALF中升高的CTSS水平與COPD的疾病嚴重程度呈正相關，與FEV1/FVC和DLCO占預計值的數值呈負相關。一項動物實驗表明[8]，香煙煙霧誘導的肺氣腫小鼠模型BALF和肺組織活檢中CTSS含量及活性顯著增加。在該實驗中，研究人員發現將普通小鼠與基因敲除的CTSS(-/-)的小鼠暴露于同等劑量的煙霧下，經過一段時間，普通小鼠會出現肺氣腫的癥狀，CTSS(-/-)的小鼠則不會出現肺氣腫的癥狀，并且CTSS(-/-)的小鼠肺部的免疫細胞數量以及肺泡基底膜ECM的降解和肺組織重塑也相對更少。Zheng T等[9]的實驗證實，CTSS的治療抑制或基因敲除可顯著減少肺組織中的局部炎癥、上皮細胞凋亡和肺組織的損傷。Gao SL等[10]證實CTSS基因多態性與中國漢族人群COPD易感性相關。綜上，CTSS可能是COPD的發病機制和病情進展的一個重要因素。

2.2 CTSS與支氣管哮喘的關系 支氣管哮喘(簡稱哮喘)是由多種細胞和細胞組分參與的氣道慢性炎癥性疾病。其經典特征包括肺部的炎癥細胞浸潤，導致肺組織炎癥，氣道重塑，黏液產生分泌增多，血清IgE升高等。皮質類固醇是控制哮喘的一線用藥之一，并且用于治療哮喘加劇，對皮質類固醇的反應在預后預測中具有重要作用[11]。Cimerman N等[12]的實驗表明：哮喘患者體內的CTSS含量明顯高于健康受試者，且接受激素治療后的哮喘患者，血漿中CTSS的水平較沒有接受激素治療的患者水平降低，但24h期間哮喘患者與健康者CTSS含量基本不隨時間變化或變化不明顯。Fajardo I等[13]的實驗證實，CTSS在嗜酸性炎癥、氣道高反應、卵清蛋白(OVA)誘導的過敏小鼠模型以及用曲霉抗原致敏的小鼠中表達增加。Deschamps K等[14]在一組OVA誘導的哮喘小鼠模型對照實驗中發現：實驗組CTSS(-/-)的小鼠未發生卵蛋白誘導的肺部炎癥;對照組野生小鼠中，在使用卵清蛋白誘導之前預防性使用CTSS抑制劑可以減輕小鼠肺泡灌洗液中的嗜酸性粒細胞，而在誘導成功的小鼠模型中，即在持續的炎癥反應期間抑制CTSS并未降低小鼠肺部炎癥。CTSS(-/-)的小鼠與野生型哮喘小鼠比較，其氣道高反應性、IgE水平均較低，肺部炎癥明顯減弱。類似于COPD，CTSS多態性也與患者對哮喘的易感性相關聯[15]。因此，我們推斷CTSS與哮喘的發生發展有著密切的關系。

2.3 CTSS與囊性纖維化肺病的關系 已有研究表明，CTSS在囊性纖維化(Cystic fibrosis，CF)的病理生理中發揮多種作用，CTSS通過對CF患者中的上皮鈉通道(Epithelial sodium channel,ENaC)過度激活，使氣道黏液分泌增加[16]；通過參與切割和滅活在CF患者氣道中關鍵抗微生物蛋白，導致其抵御外來病原體尤其是銅綠假單胞菌入侵的能力大打折扣，從而加重肺部炎癥[17]；通過參與裂解和滅活抗蛋白酶分泌型白蛋白蛋白酶抑制因子(SLPL)，導致其對抗中性粒細胞彈性蛋白酶的活性的能力降低，從而加速肺組織的破壞[18]。Small DM等[19]的研究提示，與健康小鼠相比，CTSS在CF模型小鼠肺泡灌洗液中的水平及活性均增加；與CF模型的小鼠相比，CTSS(-/-)的小鼠表現出更輕微的黏液梗阻、氣道炎癥以及更輕微的肺結構的改變，推測CTSS直接參與CF患者炎癥細胞的募集、黏液阻塞和肺組織的損傷過程。Hentschel J等[20]的研究表明，CF患者肺泡灌洗液及痰液中CTSS的含量及活性均升高，并且CTSS含量的升高與肺功能的下降和肺組織中中性粒細胞的滲透增加呈顯著的相關性。Weldon S[21]在一組CF兒童患兒的臨床實驗中證實，不管是否有銅綠假單胞菌感染的CF患兒，其肺泡灌洗液中均測得升高的CTSS，并且CTSS的增加是由miRNA表達異常導致的，其中miR-31通過對CTSS激活的關鍵轉錄介質IFR-1的調控，間接參與CTSS的表達。綜上所述，CTSS直接參與囊性纖維化肺病發生發展中的多個病理生理學過程。

2.4 CTSS與肺癌的關系 CTSS可以來源于腫瘤細胞本身，也可以來源于腫瘤微環境中的其他細胞類型，例如：內皮細胞、巨噬細胞和T細胞等。近年來的研究表明[22]，CTSS參與肺癌、結腸癌、肝癌、乳腺癌、前列腺癌等多種惡性腫瘤的發生與轉歸，且CTSS水平的異常升高，往往與患者的不良預后相關。核心蛋白聚糖是細胞外基質最豐富的蛋白之一，在肺癌中被CTSS降解，推測CTSS降解核心蛋白聚糖是肺癌病理學的重要組成部分[23]。Nidogen-1是基底膜的重要組成部分，Willumsen N等[24]在實驗中，用對人類Nidogen-1上CTSS裂解位點具有特異性的單克隆抗體，建立了一種競爭性酶聯免疫吸附測定，定量分析血清中CTSS降解的Nidogen-1水平，結果發現非小細胞肺癌(Non-small cell lung cancer, NSCLC)組水平明顯高于健康對照組、乳腺癌組和小細胞肺癌(Small cell lung cancer ,SCLC)組，因此提出，CTSS降解的Nidogen-1是NSCLC的潛在生物標志物。小細胞肺癌的血液中存在大量的循環腫瘤細胞(Circulating tumor cells ，CTCs)，其與SCLC的早期轉移和不良預后密切相關，CTSS在CTCs中高表達，并且其除了參與組織降解以外，還參與細胞的信號傳遞、生存和腫瘤細胞的化療耐藥[25]。Tsai JY等[26]的實驗表明，肺癌患者中，與非侵襲性CL1-0細胞相比，高侵襲性CL1-5細胞過氧化氫酶活性更低，H2O2更高，細胞內外CTSS活性更高。在CTSS基因沉默的CL1-5細胞中，細胞遷移和侵襲減少，表明CTSS在肺癌的轉移過程中扮演重要角色。此外也有研究提示[27]，CTSS在腫瘤新生血管生成過程中扮演重要角色。由此推斷，CTSS可能參與肺癌的新生血管生成以及腫瘤細胞的轉移等多個重要過程。

2.5 CTSS與呼吸系統其他疾病的關系 肺動脈高壓(Pulmonary arterial hypertension，PAH)是一種慢性和進行性疾病，其特征為肺小動脈的血管重塑，導致血管腔直徑的減小，最終閉塞。PAH的患者肺動脈平滑肌細胞中彈性蛋白酶產生增加，與彈性纖維的降解和肺血管的重塑有關。Chang CJ等[28]的實驗表明，CTSS在PAH患者和PAH大鼠模型中均過度表達，并且參與肺動脈平滑肌細胞中的彈性纖維降解及肺血管的重塑。核心蛋白多糖(Decorin)是細胞外基質中最豐富的蛋白多糖之一，主要由成纖維細胞分泌，在膠原轉換和組織穩態中起著重要作用，據報道[23]，在IPF及肺癌患者血清中被CTSS降解的Decorin片段異常增多，推測CTSS降解Decorin是IFP病理學的重要組成部分。Tanaka H的研究[29]提示肺結節病患者血清中的CTSS水平以及組織學標本中的CTSS染色不僅與疾病的診斷相關，而且與疾病嚴重程度和對類固醇的反應性相關，提出CTSS可能為肺結節病的潛在生物標志物。

3 小結與展望

近年來，隨著對CTSS不斷深入地研究，CTSS新的生物學功能逐漸被發現，在呼吸系統疾病領域里，研究者們發現，CTSS或直接或間接參與大部分呼吸系統疾病的發生發展，但目前為止，CTSS在疾病中的具體機制及其上下游信號通路尚不完全明朗，有待進一步研究，以期為呼吸系統疾病的診斷、治療以及預后判斷提供新的方向。