蛋白酶的研究歷史、發現及在健康和疾病中的作用

范美紅 譯自.，Vol.294(2019)，№5：1643～1651，1643

張配配 校 王晶晶 審 羅靜如 制圖表

1 蛋白酶的研究歷史及在蛋白質降解中的作用

在1905年第1期《生物化學雜志》(Journal of Biological Chemistry，JBC)上，P.A.Levene發表了一篇題為“蛋白酶的裂解產物”的研究報告。多年來，該雜志不斷發表有關蛋白酶的最新研究進展，在Herb Tabor擔任JBC編輯的39年中，該領域取得了快速的發展。當Herb開始擔任JBC的總編輯時(1971年)，人類只了解少數幾種蛋白酶的精細結構及其大量的動力學知識。在1970年之前，研究人員對幾種主要的蛋白酶(天冬氨酸蛋白酶、絲氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、金屬蛋白酶)進行了廣泛的研究，其中一些例子如下。

胃蛋白酶是動物胃中的一種天門冬氨酸水解酶，是最早被人類發現、描述和命名的酶之一(1825年)，于1930年被結晶出來。早在1907年，有關胃蛋白酶的研究信息就可以在JBC刊發的相關論文中找到，在20世紀70年代，有關胃蛋白酶作用機理的研究就已開始進行。

來自胰腺分泌物的絲氨酸蛋白酶(serine protease)、胰蛋白酶(trypsin)和糜蛋白酶(chymotrypsin)在19世紀相繼被發現，在20世紀30年代被結晶出來。關于胰蛋白酶生理作用的研究進展發表在1907年出版的JBC上，關于糜蛋白酶的研究情況發表于20世紀30年代的JBC上。

木瓜蛋白酶(papain)發現于19世紀，是木瓜中的半胱氨酸蛋白酶，早在1954年JBC就報道了純態木瓜蛋白酶。

嗜熱菌蛋白酶(thermolysin)是一種來自嗜熱細菌的細胞外金屬蛋白酶，是第一個被結晶和確定結構的金屬蛋白酶。

羧基肽酶A(carboxypeptidase A)于1937年被分離到，其動力學特性于1970年得到了確定。

羧肽酶B(carboxypeptidase B)于1960年被分離到。細菌膠原酶現在被認為是基質蛋白酶(matrixin)家族的一個組成部分，基質金屬蛋白酶1(matrix metalloproteinase 1，MMP-1)于1957年被分離到。

有關單獨闡述蛋白酶和蛋白酶家族特性，以及介紹蛋白酶生理功能概況的文獻綜述有許多。MEROPS數據庫收集了1 000多種蛋白酶的資料，其中包含大量關于蛋白酶特性與進化關系以及當前文獻的信息(https://www.ebi.ac.uk/merops/)。人類蛋白酶的降解組數據庫(degradome database of human proteases)和《蛋白酶手冊》(Handbook of Proteolytic Enzymes)也可提供寶貴的資源。

在20世紀60年代和70年代初，相關出版物大量報道了有關小型蛋白酶(20 kDa～35 kDa)、分泌型蛋白酶結構和功能的最新信息(如上文所述)，但對細胞相關的蛋白酶、蛋白酶的細胞功能或蛋白質周轉的研究幾乎沒有。在一個對蛋白質合成機制有重大研究進展和興趣的時代(20世紀50年代和60年代)，用于研究蛋白質降解的資料和結果相對匱乏。盡管如此，自Schoenheimer(1942)的開創性研究以來，人們已經知道真核細胞中的細胞蛋白質在不斷周轉(合成和分解)。然而，這種周轉(細胞內蛋白質降解過程)的程度及其對細胞活力的重要性卻未引起重視。人們認為，細胞死亡與蛋白酶有關，如消耗性疾病(1型糖尿病)，而溶酶體通過自噬可處理這些“下坡”過程。對各種蛋白質的研究表明，特定蛋白質的周轉率有很大的差異，隨著對多種細胞蛋白質的研究，短壽命蛋白質和長壽命蛋白質的概念也衍生而出。20世紀70年代，人們對細胞內蛋白質降解的興趣不斷加大，1973年Bob Schimke(JBC的副主編)和Nobuhiku Katunuma(日本著名的生物化學家)在加利福尼亞帕洛阿爾托舉辦了有關細胞蛋白質周轉研討會，這是美國最早舉辦的以蛋白質周轉為主題的會議之一，預示著人類對蛋白酶的特性和生理功能產生了興趣。

細胞內蛋白質降解顯然引起了國際關注，導致20世紀70年代歐洲召開了多次相關會議。Alan Barrett于1970年在英國劍橋的Strangeways研究室組織了一場會議，探討組織蛋白酶的降解作用。1973年，德國馬丁路德大學的一組科學家在德國Reinhardsbrunn舉辦了一場關于細胞內蛋白質分解代謝的研討會。Vito Turk于1975年在盧布爾雅那召開了一次類似的會議。Horst Hanson教授和Peter Bohley教授于1977年和1981年又組織了相關會議，交流細胞內蛋白酶和體內蛋白質周轉的研究情況。20世紀70年代，德國東部地區科學家不能出國參加會議，所以西方國家的科學家前往這些地區，將科學置于政治之上。相關組織或機構還成立了一些委員會，以增進從事蛋白酶和蛋白質周轉研究的科學家之間的交流。最早成立的委員會是歐洲蛋白酶委員會(European committee on proteolysis，ECOP)，成立時間為1981年；隨后是美國蛋白酶委員會(American committee on proteolysis，ACOP)，該委員會組織了第五屆細胞內蛋白質分解代謝國際研討會；然后是日本蛋白酶委員會(Japanese committee on proteolysis，JCOP)，最后是國際蛋白酶委員會(International committee on proteolysis，ICOP)。這些委員會都是1999年成立的國際蛋白酶解協會的先驅。

在20世紀70年代前，關于蛋白酶和蛋白質周轉出現了幾種荒謬的說法或誤解。

◇有許多人認為，蛋白酶的唯一生理功能是在動物生命的某些階段(特別是末期)完全降解蛋白質，或者認為其唯一生理功能是為了降解細胞外的蛋白質而分泌的，從而釋放出氨基酸來合成其他蛋白質。

◇有人認為，細胞含有的蛋白酶非常少，這些酶可以發揮大量的降解功能，類似于胰蛋白酶和糜蛋白酶以及一些肽鏈外切酶，可以降解腸道中幾乎所有種類的蛋白質。

◇有些細菌學家認為，正處于發育階段的原生動物不會發生蛋白質降解，因為沒有必要降解蛋白質。有人認為，有缺陷的、受損的或無用的蛋白質可以隨著細胞的快速分裂而被稀釋掉。

◇已知的蛋白酶是小型(20 kDa～35 kDa)、緊湊式、不復雜的(沒有碳水化合物、脂質或輔助因子)蛋白質，人們認為所有的蛋白酶都是如此。

◇溶酶體被認為是降解細胞內蛋白質以及那些被內吞作用吸收的蛋白質的主要或唯一的場所，并且這是通過溶酶體和其他細胞成分融合來形成自噬泡而發生的。

但是，現在我們知道，細胞內有大量的蛋白酶，而且細胞也會分泌出大量的蛋白酶。蛋白酶是脊椎動物中最大的酶基因家族。

◇人類有641個蛋白酶基因，小鼠有677個(各約占人類和小鼠基因組的3%)。

◇蛋白酶解幾乎發生在細胞生命的所有階段、所有的細胞區室(cell compartment)以及蛋白質形成的各階段：從蛋白質合成前后或合成后不久的前蛋白質原的加工到蛋白質的完全降解。

◇蛋白酶的結構繁多，從小到大(從20 kDa到6 MDa)，高度復雜，有些含有多個具有許多翻譯后部分的結構域，如碳水化合物和脂質。

◇溶酶體蛋白酶不是唯一的細胞內蛋白酶，在許多情況下，也不是負責細胞內蛋白質降解的主要蛋白酶。

◇蛋白酶的進化族和家族已被確定，各種蛋白酶的分類也高度發達。

◇蛋白酶調控著許多蛋白質的命運、定位和活性。

◇蛋白酶是細胞健康和活力的關鍵因素，參與多種生理過程，如復制、轉錄、細胞增殖、分化、細胞外基質的重塑以及激素和生物活性肽的加工。

◇蛋白酶被高度調控，如轉錄、翻譯后、激活、抑制和分割。

◇蛋白酶與許多疾病有關，如癌癥、阿爾茨海默癥、關節炎、凝血障礙、過敏和感染。

◇蛋白酶抑制劑在醫學上很有用，例如，治療血壓的血管緊張素轉換酶抑制劑、艾滋病病毒(human immunodeficiency virus，HIV)抑制劑、治療骨髓瘤的蛋白酶體抑制劑、治療Ⅱ型糖尿病的二肽基肽酶Ⅳ抑制劑。

◇蛋白酶在工業上很有利用價值，如澄清啤酒和葡萄酒、制備皮革、嫩化和脫毛。

2 Herb Tabor在擔任JBC主編期間的領導和蛋白酶的研究進展

JBC一直是報道蛋白酶結構和功能的主要媒體，特別是蛋白酶的基本特性。Herb將雜志報道的重點放在基礎科學上，而不是當時的“熱門科學”上。他強調的是經得起時間考驗并有可能產生長遠的重要意義和影響的高質量科學。

Herb對美國生物化學和分子生物學學會(American society for biochemistry and molecular biology，ASBMB)也有強烈的承諾和影響。作者是通過在1999－2012年期間擔任JBC副主編和ASBMB的主席(2004－2006年)的便利了解這一點的。Herb參加了ASBMB的許多活動，包括商務與金融會議、出版委員會會議、百年規劃會議以及副主編和編委會成員活動。雖然JBC是在1905年創刊的，比學會成立早一年，但在百年慶典時，他強烈認為學會和JBC應該一起慶祝。他對副主編和工作人員給予了強有力的支持。他總是對問題、最佳溝通方式和新興領域進行前瞻性思考。Herb總是傾聽不同的觀點，考慮替代方案，并以一種不可思議的方式讓人們“同意”他的觀點。他總是高瞻遠矚，特別鼓勵雜志的網絡版。JBC是生命科學領域第一個出現在網絡上的雜志(1995年)。

在過去的半個世紀，人們對蛋白酶及其功能產生了極大的關注。以下將介紹幾個讓人們引發極大關注的發現。

◇蛋白酶體和ATP-泛素蛋白分解途徑的發現無疑改變了人們對蛋白質降解世界的看法。泛素和蛋白酶體在細胞內蛋白質分解上的作用在20世紀70年代開始顯現，并在80年代迅速擴大。

◇信號肽酶發現于20世紀70年代和80年代，在分泌蛋白和膜相關蛋白跨膜轉運進入內質網時將信號肽從中切割出來。

◇半胱天冬酶，參與細胞程序性死亡(凋亡)的蛋白酶，于20世紀80年代在秀麗隱桿線蟲中被發現。人類半胱天冬酶家族的復雜性以及這些酶在細胞凋亡和細胞因子加工中的作用在20世紀90年代被揭示。

◇HIV-1蛋白酶發現于20世紀80年代，是逆轉錄病毒天冬氨酸蛋白酶，對艾滋病病毒的成熟至關重要。這種蛋白酶是藥物治療的主要目標，該蛋白酶抑制劑和其他藥物一起使用，大大延長了病毒感染者的生命。大量關于許多生物體中天冬氨酸蛋白酶的信息加速了人們對HIV-1蛋白酶抑制劑的開發，這使得開發特定病毒蛋白酶抑制劑成為可能。這是基礎科學對治療進展具有重要性的一個例子。

◇半胱氨酸蛋白酶(如組織蛋白酶和鈣蛋白酶)的多樣性及其功能在近幾十年被發現。這些酶參與各種生理過程，包括自噬、細胞成分的溶酶體降解。酶在自噬過程中的發現增強了人們對這一過程在健康和疾病中的理解。

(未完，待續)