范美紅

摘? 要：《生物化學(xué)雜志》（Journal of Biological Chemistry，JBC）一直是傳播和記錄蛋白酶發(fā)現(xiàn)和特性的主要載體。1971-2010年，在Herb Tabor博士擔(dān)任JBC主編期間，蛋白酶領(lǐng)域的研究取得了快速的發(fā)展。當(dāng)他開始任職時(shí)，只有少數(shù)蛋白酶的精細(xì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)為人所知。現(xiàn)在，人們已對數(shù)千種蛋白酶進(jìn)行了鑒定，在人類基因組中發(fā)現(xiàn)了600多個(gè)蛋白酶基因。本綜述除了回顧Herb Tabor博士對JBC以及美國生物化學(xué)和分子生物學(xué)學(xué)會(huì)（American society for biochemistry and molecular biology，ASBMB）在蛋白酶研究中所起的可貴貢獻(xiàn)外，筆者還盡力概述了蛋白酶領(lǐng)域的研究歷史，重點(diǎn)介紹了在蛋白酶研究過程中的一些發(fā)現(xiàn)及其在動(dòng)物體內(nèi)的作用。此外，本綜述還討論了金屬蛋白酶，特別是龍蝦肽酶家族中穿膜肽酶（meprin）的結(jié)構(gòu)特征、調(diào)控、作用機(jī)制以及在動(dòng)物健康和疾病中的作用。蛋白酶和蛋白質(zhì)降解作用在生命系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，筆者還簡要介紹了這一高度多樣化和蓬勃發(fā)展的研究領(lǐng)域的未來方向。

關(guān)鍵詞：蛋白酶;金屬蛋白酶;研究歷史;作用機(jī)制;結(jié)構(gòu)特征;生理功能

中圖分類號：S816 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C 文章編號：1001-0769（2022）02-0076-04

1? 蛋白酶的研究歷史及在蛋白質(zhì)降解中的作用

在1905年第1期《生物化學(xué)雜志》（Journal of Biological Chemistry，JBC）上，P. A. Levene發(fā)表了一篇題為“蛋白酶的裂解產(chǎn)物”的研究報(bào)告。多年來，該雜志不斷發(fā)表有關(guān)蛋白酶的最新研究進(jìn)展，在Herb Tabor擔(dān)任JBC編輯的39年中，該領(lǐng)域取得了快速的發(fā)展。當(dāng)Herb開始擔(dān)任JBC的總編輯時(shí)（1971年），人類只了解少數(shù)幾種蛋白酶的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其大量的動(dòng)力學(xué)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(jìn)行了廣泛的研究，其中一些例子如下。

胃蛋白酶是動(dòng)物胃中的一種天門冬氨酸水解酶，是最早被人類發(fā)現(xiàn)、描述和命名的酶之一（1825年），于1930年被結(jié)晶出來。早在1907年，有關(guān)胃蛋白酶的研究信息就可以在JBC刊發(fā)的相關(guān)論文中找到，在20世紀(jì)70年代，有關(guān)胃蛋白酶作用機(jī)理的研究就已開始進(jìn)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(jì)相繼被發(fā)現(xiàn)，在20世紀(jì)30年代被結(jié)晶出來。關(guān)于胰蛋白酶生理作用的研究進(jìn)展發(fā)表在1907年出版的JBC上，關(guān)于糜蛋白酶的研究情況發(fā)表于20世紀(jì)30年代的JBC上。

木瓜蛋白酶（papain）發(fā)現(xiàn)于19世紀(jì)，是木瓜中的半胱氨酸蛋白酶，早在1954年JBC就報(bào)道了純態(tài)木瓜蛋白酶。

嗜熱菌蛋白酶（thermolysin）是一種來自嗜熱細(xì)菌的細(xì)胞外金屬蛋白酶，是第一個(gè)被結(jié)晶和確定結(jié)構(gòu)的金屬蛋白酶。

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

羧肽酶B（carboxypeptidase B）于1960年被分離到。細(xì)菌膠原酶現(xiàn)在被認(rèn)為是基質(zhì)蛋白酶（matrixin）家族的一個(gè)組成部分，基質(zhì)金屬蛋白酶1（matrix metalloproteinase 1，MMP-1）于1957年被分離到。

有關(guān)單獨(dú)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(xiàn)綜述有許多。MEROPS數(shù)據(jù)庫收集了1 000多種蛋白酶的資料，其中包含大量關(guān)于蛋白酶特性與進(jìn)化關(guān)系以及當(dāng)前文獻(xiàn)的信息（https：//www.ebi.ac.uk/merops/）。人類蛋白酶的降解組數(shù)據(jù)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(jì)60年代和70年代初，相關(guān)出版物大量報(bào)道了有關(guān)小型蛋白酶（20 kDa～ 35 kDa）、分泌型蛋白酶結(jié)構(gòu)和功能的最新信息（如上文所述），但對細(xì)胞相關(guān)的蛋白酶、蛋白酶的細(xì)胞功能或蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)的研究幾乎沒有。在一個(gè)對蛋白質(zhì)合成機(jī)制有重大研究進(jìn)展和興趣的時(shí)代（20世紀(jì)50年代和60年代），用于研究蛋白質(zhì)降解的資料和結(jié)果相對匱乏。盡管如此，自Schoenheimer（1942）的開創(chuàng)性研究以來，人們已經(jīng)知道真核細(xì)胞中的細(xì)胞蛋白質(zhì)在不斷周轉(zhuǎn)（合成和分解）。然而，這種周轉(zhuǎn)（細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)降解過程）的程度及其對細(xì)胞活力的重要性卻未引起重視。人們認(rèn)為，細(xì)胞死亡與蛋白酶有關(guān)，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(zhì)的研究表明，特定蛋白質(zhì)的周轉(zhuǎn)率有很大的差異，隨著對多種細(xì)胞蛋白質(zhì)的研究，短壽命蛋白質(zhì)和長壽命蛋白質(zhì)的概念也衍生而出。20世紀(jì)70年代，人們對細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)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(xué)家）在加利福尼亞帕洛阿爾托舉辦了有關(guān)細(xì)胞蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)研討會(huì)，這是美國最早舉辦的以蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)為主題的會(huì)議之一，預(yù)示著人類對蛋白酶的特性和生理功能產(chǎn)生了興趣。

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

在20世紀(jì)70年代前，關(guān)于蛋白酶和蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)出現(xiàn)了幾種荒謬的說法或誤解。

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

有人認(rèn)為，細(xì)胞含有的蛋白酶非常少，這些酶可以發(fā)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(zhì)。

有些細(xì)菌學(xué)家認(rèn)為，正處于發(fā)育階段的原生動(dòng)物不會(huì)發(fā)生蛋白質(zhì)降解，因?yàn)闆]有必要降解蛋白質(zhì)。有人認(rèn)為，有缺陷的、受損的或無用的蛋白質(zhì)可以隨著細(xì)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(fù)雜的（沒有碳水化合物、脂質(zhì)或輔助因子）蛋白質(zhì)，人們認(rèn)為所有的蛋白酶都是如此。

溶酶體被認(rèn)為是降解細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)以及那些被內(nèi)吞作用吸收的蛋白質(zhì)的主要或唯一的場所，并且這是通過溶酶體和其他細(xì)胞成分融合來形成自噬泡而發(fā)生的。

但是，現(xiàn)在我們知道，細(xì)胞內(nèi)有大量的蛋白酶，而且細(xì)胞也會(huì)分泌出大量的蛋白酶。蛋白酶是脊椎動(dòng)物中最大的酶基因家族。

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

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

蛋白酶的結(jié)構(gòu)繁多，從小到大（從20 kDa到6 MDa），高度復(fù)雜，有些含有多個(gè)具有許多翻譯后部分的結(jié)構(gòu)域，如碳水化合物和脂質(zhì)。

溶酶體蛋白酶不是唯一的細(xì)胞內(nèi)蛋白酶，在許多情況下，也不是負(fù)責(zé)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)降解的主要蛋白酶。

蛋白酶的進(jìn)化族和家族已被確定，各種蛋白酶的分類也高度發(fā)達(dá)。

蛋白酶調(diào)控著許多蛋白質(zhì)的命運(yùn)、定位和活性。

蛋白酶是細(xì)胞健康和活力的關(guān)鍵因素，參與多種生理過程，如復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞增殖、分化、細(xì)胞外基質(zhì)的重塑以及激素和生物活性肽的加工。

蛋白酶被高度調(diào)控，如轉(zhuǎn)錄、翻譯后、激活、抑制和分割。

蛋白酶與許多疾病有關(guān)，如癌癥、阿爾茨海默癥、關(guān)節(jié)炎、凝血障礙、過敏和感染。

蛋白酶抑制劑在醫(yī)學(xué)上很有用，例如，治療血壓的血管緊張素轉(zhuǎn)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(yè)上很有利用價(jià)值，如澄清啤酒和葡萄酒、制備皮革、嫩化和脫毛。

2? Herb Tabor在擔(dān)任JBC主編期間的領(lǐng)導(dǎo)和蛋白酶的研究進(jìn)展

JBC一直是報(bào)道蛋白酶結(jié)構(gòu)和功能的主要媒體，特別是蛋白酶的基本特性。Herb將雜志報(bào)道的重點(diǎn)放在基礎(chǔ)科學(xué)上，而不是當(dāng)時(shí)的“熱門科學(xué)”上。他強(qiáng)調(diào)的是經(jīng)得起時(shí)間考驗(yàn)并有可能產(chǎn)生長遠(yuǎn)的重要意義和影響的高質(zhì)量科學(xué)。

Herb對美國生物化學(xué)和分子生物學(xué)學(xué)會(huì)（American society for biochemistry and molecular biology，ASBMB）也有強(qiáng)烈的承諾和影響。作者是通過在1999-2012年期間擔(dān)任JBC副主編和ASBMB的主席（2004-2006年）的便利了解這一點(diǎn)的。Herb參加了ASBMB的許多活動(dòng)，包括商務(wù)與金融會(huì)議、出版委員會(huì)會(huì)議、百年規(guī)劃會(huì)議以及副主編和編委會(huì)成員活動(dòng)。雖然JBC是在1905年創(chuàng)刊的，比學(xué)會(huì)成立早一年，但在百年慶典時(shí)，他強(qiáng)烈認(rèn)為學(xué)會(huì)和JBC應(yīng)該一起慶祝。他對副主編和工作人員給予了強(qiáng)有力的支持。他總是對問題、最佳溝通方式和新興領(lǐng)域進(jìn)行前瞻性思考。Herb總是傾聽不同的觀點(diǎn)，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(diǎn)。他總是高瞻遠(yuǎn)矚，特別鼓勵(lì)雜志的網(wǎng)絡(luò)版。JBC是生命科學(xué)領(lǐng)域第一個(gè)出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上的雜志（1995年）。

在過去的半個(gè)世紀(jì)，人們對蛋白酶及其功能產(chǎn)生了極大的關(guān)注。以下將介紹幾個(gè)讓人們引發(fā)極大關(guān)注的發(fā)現(xiàn)。

蛋白酶體和ATP-泛素蛋白分解途徑的發(fā)現(xiàn)無疑改變了人們對蛋白質(zhì)降解世界的看法。泛素和蛋白酶體在細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)分解上的作用在20世紀(jì)70年代開始顯現(xiàn)，并在80年代迅速擴(kuò)大。

信號肽酶發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)70年代和? 80年代，在分泌蛋白和膜相關(guān)蛋白跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)時(shí)將信號肽從中切割出來。

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

HIV-1蛋白酶發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，是逆轉(zhuǎn)錄病毒天冬氨酸蛋白酶，對艾滋病病毒的成熟至關(guān)重要。這種蛋白酶是藥物治療的主要目標(biāo)，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(guān)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(fā)，這使得開發(fā)特定病毒蛋白酶抑制劑成為可能。這是基礎(chǔ)科學(xué)對治療進(jìn)展具有重要性的一個(gè)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(fā)現(xiàn)。這些酶參與各種生理過程，包括自噬、細(xì)胞成分的溶酶體降解。酶在自噬過程中的發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)了人們對這一過程在健康和疾病中的理解。

（未完，待續(xù)）

原題名：Proteases： history， discovery， and roles in health and disease（英文）

原作者：Judith S Bond1