張 琳 陳紹平

川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科，四川省南充市 637000

組織蛋白酶S(Cathepsin S，CTSS)是在動(dòng)物組織細(xì)胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)的一類(lèi)蛋白酶，它通過(guò)水解溶酶體內(nèi)有害或受損的蛋白質(zhì)以維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。它具有抗原呈遞、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、激活受體、促進(jìn)趨化因子或細(xì)胞因子釋放等功能。迄今為止，在人體內(nèi)共發(fā)現(xiàn)15種組織蛋白酶(Cathepsin，Cat)，根據(jù)催化機(jī)制的不同，Cat可分為絲氨酸、天門(mén)冬氨酸和半胱氨酸組織蛋白酶三類(lèi)。絲氨酸組織蛋白酶包括CatA、G；天門(mén)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(jù)底物的不同，分為肽鏈內(nèi)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(jié)合膜上合成，隨后通過(guò)轉(zhuǎn)鐵蛋白進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，最后在高爾基體經(jīng)過(guò)糖基化及磷酸化的作用形成甘露糖-6-磷酸蛋白，通過(guò)溶酶體上甘露糖-6-磷酸特異性受體的識(shí)別作用，間接轉(zhuǎn)運(yùn)至溶酶體內(nèi)，并以無(wú)活性的形式存在，在溶酶體酸性環(huán)境中自動(dòng)水解，去除前肽，自我活化修飾，切割成有活性的成熟Cat[2]。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的Ca2+水平升高時(shí)，溶酶體與細(xì)胞膜融合，成熟的CTSS被釋放到細(xì)胞外發(fā)揮其生物學(xué)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(lái)，并證實(shí)其為半胱氨酸蛋白酶，將其命名為CTSS。后來(lái)因其與組織蛋白酶L(Cathepsin L，CTSL)相似，將其命名為CTSL，但后人對(duì)CTSS與CTSL在生化及免疫方面進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)其與CTSL不同，CTSS應(yīng)該從CTSL獨(dú)立出來(lái)，仍然命名為CTSS。1992年，Shi等[4]首次從人肺泡巨噬細(xì)胞中提取了人類(lèi)CTSS基因的cDNA，并且證實(shí)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(jié)構(gòu) CTSS的基因位于人染色體Iq21，由5個(gè)外顯子和5個(gè)內(nèi)含子構(gòu)成，其上游調(diào)控序列包含SPI結(jié)合位點(diǎn)2個(gè)，API結(jié)合位點(diǎn)18個(gè)，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(jié)構(gòu)，是一個(gè)由331個(gè)氨基酸組成的單鏈蛋白，其三維空間結(jié)構(gòu)包含2個(gè)結(jié)構(gòu)域：(1)L結(jié)構(gòu)域，由一個(gè)疏水口袋和3個(gè)α螺組成；(2)R結(jié)構(gòu)域，由含有1個(gè)疏水核嵌入的反平行β折疊與位于側(cè)面的2個(gè)α螺旋共同組成，兩個(gè)結(jié)構(gòu)域之間構(gòu)成具有催化活性的狹長(zhǎng)裂隙，即為CTSS的催化活性部位[6]。CTSS的N端有3個(gè)凹槽(S1、S2、S3)，與催化底物的特異性結(jié)合相關(guān)，同時(shí)也決定了半胱氨酸蛋白酶抑制劑的特異性。C端具有一個(gè)與底物結(jié)合的位點(diǎn)，即s1’，在CTSS與MHCⅡ類(lèi)分子保守區(qū)結(jié)合過(guò)程中發(fā)揮重要作用。L結(jié)構(gòu)域中的半胱氨酸25、R結(jié)構(gòu)域中的組氨酸59和天門(mén)冬酰胺175構(gòu)成催化三聯(lián)體，是底物與之結(jié)合的重要部位，其中Cys25中硫陰離子是催化反應(yīng)的關(guān)鍵部位，能夠進(jìn)攻底物肽[6]。

1.3 CTSS的生物學(xué)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(huán)境中起作用，它僅僅表達(dá)于人體某些特定的組織，且不僅能夠在酸性環(huán)境中發(fā)揮其生物學(xué)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(xì)胞內(nèi)，CTSS參與MHCⅡ(Major histocompatibility complex classⅡ， MHCⅡ)類(lèi)物質(zhì)介導(dǎo)的抗原呈遞過(guò)程 。在細(xì)胞外，CTSS常與絲氨酸蛋白酶、金屬蛋白酶等相互作用，促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的降解以及組織的重塑，同時(shí)還參與切割非基質(zhì)蛋白，例如：細(xì)胞因子、趨化因子、抗微生物蛋白等。近些年來(lái)，不同領(lǐng)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(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、抗原呈遞、血管生成、細(xì)胞因子加工與分泌、受體脫落與活化以及細(xì)胞的增殖和遷移過(guò)程等。

2 CTSS在呼吸系統(tǒng)疾病中的研究

組織蛋白酶最早以其降解蛋白質(zhì)的能力被人們所熟知，其底物具有特異性，近些年來(lái)，不同領(lǐng)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(fā)生發(fā)展過(guò)程。CTSS作為唯一一個(gè)在中性pH環(huán)境下具有酶活性的組織蛋白酶，表達(dá)于肺泡巨噬細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和上皮細(xì)胞中。在呼吸系統(tǒng)疾病中，其除了參與細(xì)胞外基質(zhì)的降解以外，還參與滅活氣道宿主防御蛋白，誘導(dǎo)ECM的重塑和呼吸道黏液的產(chǎn)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(dòng)脈高壓、特發(fā)性肺纖維化等的發(fā)生發(fā)展過(guò)程息息相關(guān)。

2.1 CTSS與慢性阻塞性肺疾病的關(guān)系 慢性阻塞性肺疾病(Chronic obstructive pulmonary desease，COPD)是一種以持續(xù)性呼吸道癥狀和氣流受限為特征的異質(zhì)性疾病，其發(fā)病機(jī)制尚不完全明確，目前公認(rèn)的有炎癥反應(yīng)、蛋白酶/抗蛋白酶系統(tǒng)失衡、氧化應(yīng)激等，其中蛋白酶—抗蛋白酶系統(tǒng)失衡在COPD的整個(gè)疾病的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中扮演著重要角色。石廣軍[7]的實(shí)驗(yàn)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(yán)重程度呈正相關(guān)，與FEV1/FVC和DLCO占預(yù)計(jì)值的數(shù)值呈負(fù)相關(guān)。一項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明[8]，香煙煙霧誘導(dǎo)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(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)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(jīng)過(guò)一段時(shí)間，普通小鼠會(huì)出現(xiàn)肺氣腫的癥狀，CTSS(-/-)的小鼠則不會(huì)出現(xiàn)肺氣腫的癥狀，并且CTSS(-/-)的小鼠肺部的免疫細(xì)胞數(shù)量以及肺泡基底膜ECM的降解和肺組織重塑也相對(duì)更少。Zheng T等[9]的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，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(xì)胞凋亡和肺組織的損傷。Gao SL等[10]證實(shí)CTSS基因多態(tài)性與中國(guó)漢族人群COPD易感性相關(guān)。綜上，CTSS可能是COPD的發(fā)病機(jī)制和病情進(jìn)展的一個(gè)重要因素。

2.2 CTSS與支氣管哮喘的關(guān)系 支氣管哮喘(簡(jiǎn)稱哮喘)是由多種細(xì)胞和細(xì)胞組分參與的氣道慢性炎癥性疾病。其經(jīng)典特征包括肺部的炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)，導(dǎo)致肺組織炎癥，氣道重塑，黏液產(chǎn)生分泌增多，血清IgE升高等。皮質(zhì)類(lèi)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(duì)皮質(zhì)類(lèi)固醇的反應(yīng)在預(yù)后預(yù)測(cè)中具有重要作用[11]。Cimerman N等[12]的實(shí)驗(yàn)表明：哮喘患者體內(nèi)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(méi)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(shí)間變化或變化不明顯。Fajardo I等[13]的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，CTSS在嗜酸性炎癥、氣道高反應(yīng)、卵清蛋白(OVA)誘導(dǎo)的過(guò)敏小鼠模型以及用曲霉抗原致敏的小鼠中表達(dá)增加。Deschamps K等[14]在一組OVA誘導(dǎo)的哮喘小鼠模型對(duì)照實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)組CTSS(-/-)的小鼠未發(fā)生卵蛋白誘導(dǎo)的肺部炎癥;對(duì)照組野生小鼠中，在使用卵清蛋白誘導(dǎo)之前預(yù)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(xì)胞，而在誘導(dǎo)成功的小鼠模型中，即在持續(xù)的炎癥反應(yīng)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(yīng)性、IgE水平均較低，肺部炎癥明顯減弱。類(lèi)似于COPD，CTSS多態(tài)性也與患者對(duì)哮喘的易感性相關(guān)聯(lián)[15]。因此，我們推斷CTSS與哮喘的發(fā)生發(fā)展有著密切的關(guān)系。

2.3 CTSS與囊性纖維化肺病的關(guān)系 已有研究表明，CTSS在囊性纖維化(Cystic fibrosis，CF)的病理生理中發(fā)揮多種作用，CTSS通過(guò)對(duì)CF患者中的上皮鈉通道(Epithelial sodium channel,ENaC)過(guò)度激活，使氣道黏液分泌增加[16]；通過(guò)參與切割和滅活在CF患者氣道中關(guān)鍵抗微生物蛋白，導(dǎo)致其抵御外來(lái)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(guò)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(dǎo)致其對(duì)抗中性粒細(xì)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(xiàn)出更輕微的黏液梗阻、氣道炎癥以及更輕微的肺結(jié)構(gòu)的改變，推測(cè)CTSS直接參與CF患者炎癥細(xì)胞的募集、黏液阻塞和肺組織的損傷過(guò)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(xì)胞的滲透增加呈顯著的相關(guān)性。Weldon S[21]在一組CF兒童患兒的臨床實(shí)驗(yàn)中證實(shí)，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(cè)得升高的CTSS，并且CTSS的增加是由miRNA表達(dá)異常導(dǎo)致的，其中miR-31通過(guò)對(duì)CTSS激活的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄介質(zhì)IFR-1的調(diào)控，間接參與CTSS的表達(dá)。綜上所述，CTSS直接參與囊性纖維化肺病發(fā)生發(fā)展中的多個(gè)病理生理學(xué)過(guò)程。

2.4 CTSS與肺癌的關(guān)系 CTSS可以來(lái)源于腫瘤細(xì)胞本身，也可以來(lái)源于腫瘤微環(huán)境中的其他細(xì)胞類(lèi)型，例如：內(nèi)皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和T細(xì)胞等。近年來(lái)的研究表明[22]，CTSS參與肺癌、結(jié)腸癌、肝癌、乳腺癌、前列腺癌等多種惡性腫瘤的發(fā)生與轉(zhuǎn)歸，且CTSS水平的異常升高，往往與患者的不良預(yù)后相關(guān)。核心蛋白聚糖是細(xì)胞外基質(zhì)最豐富的蛋白之一，在肺癌中被CTSS降解，推測(cè)CTSS降解核心蛋白聚糖是肺癌病理學(xué)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(shí)驗(yàn)中，用對(duì)人類(lèi)Nidogen-1上CTSS裂解位點(diǎn)具有特異性的單克隆抗體，建立了一種競(jìng)爭(zhēng)性酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定，定量分析血清中CTSS降解的Nidogen-1水平，結(jié)果發(fā)現(xiàn)非小細(xì)胞肺癌(Non-small cell lung cancer, NSCLC)組水平明顯高于健康對(duì)照組、乳腺癌組和小細(xì)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(biāo)志物。小細(xì)胞肺癌的血液中存在大量的循環(huán)腫瘤細(xì)胞(Circulating tumor cells ，CTCs)，其與SCLC的早期轉(zhuǎn)移和不良預(yù)后密切相關(guān)，CTSS在CTCs中高表達(dá)，并且其除了參與組織降解以外，還參與細(xì)胞的信號(hào)傳遞、生存和腫瘤細(xì)胞的化療耐藥[25]。Tsai JY等[26]的實(shí)驗(yàn)表明，肺癌患者中，與非侵襲性CL1-0細(xì)胞相比，高侵襲性CL1-5細(xì)胞過(guò)氧化氫酶活性更低，H2O2更高，細(xì)胞內(nèi)外CTSS活性更高。在CTSS基因沉默的CL1-5細(xì)胞中，細(xì)胞遷移和侵襲減少，表明CTSS在肺癌的轉(zhuǎn)移過(guò)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(guò)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(xì)胞的轉(zhuǎn)移等多個(gè)重要過(guò)程。

2.5 CTSS與呼吸系統(tǒng)其他疾病的關(guān)系 肺動(dòng)脈高壓(Pulmonary arterial hypertension，PAH)是一種慢性和進(jìn)行性疾病，其特征為肺小動(dòng)脈的血管重塑，導(dǎo)致血管腔直徑的減小，最終閉塞。PAH的患者肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞中彈性蛋白酶產(chǎn)生增加，與彈性纖維的降解和肺血管的重塑有關(guān)。Chang CJ等[28]的實(shí)驗(yàn)表明，CTSS在PAH患者和PAH大鼠模型中均過(guò)度表達(dá)，并且參與肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)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(xì)胞外基質(zhì)中最豐富的蛋白多糖之一，主要由成纖維細(xì)胞分泌，在膠原轉(zhuǎn)換和組織穩(wěn)態(tài)中起著重要作用，據(jù)報(bào)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(cè)CTSS降解Decorin是IFP病理學(xué)的重要組成部分。Tanaka H的研究[29]提示肺結(jié)節(jié)病患者血清中的CTSS水平以及組織學(xué)標(biāo)本中的CTSS染色不僅與疾病的診斷相關(guān)，而且與疾病嚴(yán)重程度和對(duì)類(lèi)固醇的反應(yīng)性相關(guān)，提出CTSS可能為肺結(jié)節(jié)病的潛在生物標(biāo)志物。

3 小結(jié)與展望

近年來(lái)，隨著對(duì)CTSS不斷深入地研究，CTSS新的生物學(xué)功能逐漸被發(fā)現(xiàn)，在呼吸系統(tǒng)疾病領(lǐng)域里，研究者們發(fā)現(xiàn)，CTSS或直接或間接參與大部分呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展，但目前為止，CTSS在疾病中的具體機(jī)制及其上下游信號(hào)通路尚不完全明朗，有待進(jìn)一步研究，以期為呼吸系統(tǒng)疾病的診斷、治療以及預(yù)后判斷提供新的方向。