组织蛋白酶

组织蛋白酶E (Cathepsin E, CTSE)

组织蛋白酶E 是一种属于天冬氨酸蛋白酶家族 (aspartic protease family) 的内肽酶 (endopeptidase)。与主要定位于溶酶体的其他组织蛋白酶不同，CTSE 主要分布在内体 (endosomes)、高尔基体 (Golgi apparatus) 以及细胞膜上，并在非溶酶体区室中发挥其蛋白水解功能。它在免疫调节、抗原呈递、细胞凋亡以及多种疾病（尤其是炎症性疾病和癌症）中扮演着重要角色。

1. 基因与结构

• 基因：人类 CTSE 基因位于染色体 1q31-q32 上。

• 结构：

  • 同源二聚体：CTSE 以非共价结合的同源二聚体形式存在，每个单体约42 kDa。

  • 前体与成熟：合成时为酶原 (proenzyme) 形式，通过去除N端前肽（约40个氨基酸）而激活。此激活过程通常在酸性pH环境（如内体）中自发发生，无需其他蛋白酶参与。

  • 活性位点：具有天冬氨酸蛋白酶的标志性特征，即两个催化性天冬氨酸残基 (Asp)（位于两个相似的结构域中），在酸性pH（最适pH ~3.5-5.5）下协同作用，切割蛋白质底物中的特定肽键。

• 分布特点：主要表达于免疫系统细胞（如巨噬细胞、树突状细胞、B淋巴细胞、胃主细胞）、胃肠道上皮细胞以及某些外分泌腺上皮细胞。

2. 生物学功能

CTSE 的功能与其独特的细胞内定位密切相关：

1. 抗原加工与呈递 (Antigen Processing and Presentation)：

   • 在内体中，CTSE 参与将外源性抗原蛋白降解成适合与主要组织相容性复合体II类分子 (MHC class II) 结合的肽段，这对于激活CD4⁺ T细胞和启动适应性免疫应答至关重要。

   • 可能参与自身抗原的处理，与自身免疫病的发生有关。

2. 免疫调节 (Immunomodulation)：

   • 通过降解细胞因子、趋化因子或其受体，调节炎症反应的强度和持续性。

   • 在巨噬细胞中，参与Toll样受体 (TLR) 信号通路的调节，影响炎症介质的产生。

3. 细胞凋亡 (Apoptosis) 与自噬 (Autophagy)：

   • 在某些细胞类型中，CTSE 可从内体释放到细胞质，参与线粒体途径的细胞凋亡，可能通过切割特定底物（如 Bid）或与凋亡蛋白酶激活因子-1 (Apaf-1) 相互作用来实现。

   • 也与自噬过程存在关联，可能在自噬体的成熟或内容物降解中起作用。

4. 黏膜防御与屏障功能：

   • 在胃上皮细胞中高表达，参与胃黏液蛋白的代谢和黏膜防御，可能与幽门螺杆菌感染的病理过程有关。

   • 在肠道上皮细胞中，可能参与维持上皮屏障的完整性。

3. 病理学意义

CTSE 的表达和活性改变与多种疾病状态相关，其作用具有“双刃剑”特性，既可发挥保护作用，也可促进疾病进展。

A. 炎症性疾病与自身免疫病

• 炎症性肠病 (Inflammatory Bowel Disease, IBD)：在溃疡性结肠炎和克罗恩病患者的结肠黏膜中，CTSE 的表达和活性常显著上调。它可能通过异常处理肠道菌群抗原或自身抗原，加剧局部免疫反应和组织损伤。

• 类风湿关节炎 (Rheumatoid Arthritis, RA)：在RA患者的滑膜组织和滑液巨噬细胞中，CTSE 水平升高，可能参与关节软骨和骨的降解，以及炎症介质的产生。

• 动脉粥样硬化 (Atherosclerosis)：在动脉粥样硬化斑块的巨噬细胞中表达增加，可能通过参与脂蛋白代谢、炎症反应和斑块不稳定性的形成发挥作用。

B. 癌症

• 表达模式多样：在不同类型癌症中，CTSE 的表达差异显著，可能具有组织特异性的促癌或抑癌作用。

  • 胃癌、结肠癌：常报道表达下调，可能作为肿瘤抑制因子。

  • 胰腺癌、乳腺癌、前列腺癌、胶质母细胞瘤：常报道表达上调，与肿瘤侵袭、转移和不良预后相关。其机制可能涉及：

    • 降解细胞外基质 (ECM) 成分，促进肿瘤细胞侵袭。

    • 激活其他蛋白酶（如基质金属蛋白酶， MMPs）或生长因子。

    • 调节肿瘤相关巨噬细胞的功能。

    • 帮助肿瘤细胞逃避免疫监视。

C. 神经退行性疾病

• 在阿尔茨海默病患者的大脑中，CTSE 被发现与β-淀粉样蛋白 (Aβ) 斑块共定位，可能参与Aβ前体蛋白的异常加工或Aβ的降解。

4. 作为生物标志物与治疗靶点的潜力

• 诊断与预后生物标志物：检测体液（如血清、滑液、胃液）中的CTSE水平或活性，可能辅助某些癌症（如胰腺癌）或炎症性疾病的诊断、分型和预后评估。

• 治疗靶点：

  • CTSE抑制剂：开发选择性CTSE抑制剂，可能为治疗类风湿关节炎、炎症性肠病或某些过表达CTSE的癌症提供新策略。由于CTSE主要存在于内体等区室，且不在溶酶体中广泛存在，其抑制剂可能比靶向溶酶体组织蛋白酶的药物具有更好的组织特异性和更少的副作用。

  • 免疫调节：调节其在抗原呈递中的作用，可能为自身免疫病或癌症免疫治疗提供新思路。

5. 研究方法

• 酶活性测定：使用合成荧光底物（如 MOCAc-Gly-Ser-Pro-Ala-Phe-Leu-Ala-Lys(Dnp)-Arg-Arg-NH₂）在酸性pH条件下测定其蛋白水解活性。

• 蛋白质印迹法 (Western Blot) 与 免疫组织化学 (Immunohistochemistry)：检测组织、细胞或体液中CTSE蛋白的表达水平与定位。

• 基因敲除/敲低小鼠模型：CTSE敲除小鼠表现为自发性胃炎、对某些细菌感染的敏感性改变以及抗肿瘤免疫反应增强等表型，是研究其功能的重要工具。

• 质谱分析：鉴定其内源性底物和相互作用蛋白。

参考文献

1. Yasuda, Y., et al. "Cathepsin E: A Unique Aspartic Proteinase and Its Roles in Various Pathological Conditions." Biological Chemistry, vol. 386, no. 9, 2005, pp. 873-881.

2. Zaidi, N., & Kalbacher, H. "Cathepsin E: A Mini Review." Biochemical and Biophysical Research Communications, vol. 367, no. 3, 2008, pp. 517-522.

3. Tsukuba, T., & Yamamoto, K. "Cathepsin E: Roles in Antigen Presentation and Immune Regulation." Chemical Immunology and Allergy, vol. 99, 2014, pp. 79-89.

4. Conner, G. E. "Cathepsin E." In Handbook of Proteolytic Enzymes (Third Edition), Academic Press, 2013, pp. 54-58.

5. Li, Z., et al. "The Role of Cathepsin E in Pancreatic Ductal Adenocarcinoma." Frontiers in Oncology, vol. 11, 2021, article 645985.

6. Yamamoto, K., et al. "Deficiency of Cathepsin E Leads to an Increase of Endogenous MHC Class II-Restricted Antigens in Nonimmune Cells." Journal of Immunology, vol. 186, no. 3, 2011, pp. 1493-1502.