蛋白酶的研究歷史、發(fā)現(xiàn)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(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(shí)。在1970年之前，研究人員對(duì)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(kù)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(kù)(degradome database of human proteases)和《蛋白酶手冊(cè)》(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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)多種細(xì)胞蛋白質(zhì)的研究，短壽命蛋白質(zhì)和長(zhǎng)壽命蛋白質(zhì)的概念也衍生而出。20世紀(jì)70年代，人們對(duì)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(guó)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(duì)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(guó)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(guó)劍橋的Strangeways研究室組織了一場(chǎng)會(huì)議，探討組織蛋白酶的降解作用。1973年，德國(guó)馬丁路德大學(xué)的一組科學(xué)家在德國(guó)Reinhardsbrunn舉辦了一場(chǎng)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(guó)東部地區(qū)科學(xué)家不能出國(guó)參加會(huì)議，所以西方國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(chǎng)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(zhǎng)遠(yuǎn)的重要意義和影響的高質(zhì)量科學(xué)。

Herb對(duì)美國(guó)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(duì)副主編和工作人員給予了強(qiáng)有力的支持。他總是對(duì)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(duì)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(duì)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(hào)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(hào)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)這一過程在健康和疾病中的理解。

(未完，待續(xù))