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新冠靶点新视角二: 跨膜蛋白酶ADAM17和TMPRSS2


    

新型冠状病毒目前在中国虽然得到了有效控制,但在全世界范围却愈演愈烈,科学家们对新型冠状病毒以及由此引发的新型肺炎的研究仍然紧张地进行着。血管紧张素转换酶2(ACE2)受体作为SARS-CoV-2感染细胞的“帮凶”成为了科研人员关注的热点,不过研究发现新型冠状病毒进入宿主细胞过程中,除了ACE2,很有可能还需要两种跨膜蛋白酶:可以切割ACE2的蛋白酶ADAM17和参与ACE2与SARS-CoV-2膜融合过程的TMPRSS2,因此研究它们的作用对于我们理解新冠病毒感染机制以及药物研发也是具有实际意义的。

 

TMPRSS2

 

丝氨酸蛋白酶在很多生理和病理过程中起着关键的作用,比如参与蛋白质的分解代谢、凝血、细胞生长和迁移、组织发育、肿瘤生长和转移等。TMPRSS2是丝氨酸蛋白酶的成员,它的结构非常有趣,拥有单跨膜结构域,胞外主要由II型跨膜蛋白LDL的A类受体LDLRA、富含半胱氨酸的清道夫受体SRCR和丝氨酸蛋白酶结构域构成。值得注意的是,人TMPRSS2在前列腺、结肠、胃和唾液腺中表达,根据小鼠胚胎和成年组织的原位杂交分析表明,小鼠的TMPRSS2在胃肠道、泌尿生殖道和呼吸道上皮细胞中也均有表达,说明TMPRSS2在小鼠和人体内的表达分布非常的相似。TMPRSS2-ERG融合基因是一种受雄激素调控的基因,可在50%的前列腺癌患者中检测到,因此TMPRSS2-ERG可作为前列腺癌的一种诊断标志。

 

那么TMPRSS2与病毒又有何关联呢?2019年1月,Naoko Iwata-Yoshikawa 等人发表的研究表明,TMPRSS2可激活高致病性人冠状病毒的突触蛋白,例如引起严重急性呼吸综合征的冠状病毒SARS-CoV和引起中东呼吸综合征的冠状病毒MERS-CoV,在体外,TMPRSS2的活化可诱导病毒与细胞膜融合。实验表明,TMPRSS2的缺乏减弱了病毒在小鼠气道内的传播和肺部病理的严重程度。早在2011年,德国病毒研究所Ilona Glowacka等人评估了SARS-CoV 的S蛋白是否被TMPRSS2蛋白水解,用WB实验结果分析显示,SARS S蛋白被TMPRSS2切割成几个片段,顺式切割导致SARS S片段释放到细胞上清液中,抑制抗体介导的中和反应,反式裂解活化SARS S蛋白,使其与靶细胞融合。说明TMPRSS2可能通过减少中和抗体对病毒的识别并激活细胞与病毒之间的融合,促进病毒的传播和发病。Stephanie Bertram等人揭示了TMPRSS2和HAT(histone acetyltransferase 组蛋白乙酰转移酶)可共同激活hCoV-229E病毒的棘突蛋白S,驱动S与靶细胞的融合。此外,也有证据表明,通过TMPRSS2激活的229E-S可免受IFITM蛋白(在《新冠病毒靶点的预测和分析》一文中已提到)的抑制,因此说明hCoV-229E可以采用蛋白酶的途径来确保其在宿主细胞中的活性,这也为抗病毒干扰的研究提供了新思路。

 

对于MERS冠状病毒来说,TMPRSS2也充当了重要的角色,研究认为,冠状病毒进入细胞有两种途径,一是细胞表面由TMPRSS2介导,另一方面在核内由组织蛋白酶L介导。Stefanie Gierer等人发现TMPRSS2和组织蛋白酶B和L可以激活hCoV-EMC,与靶细胞融合。因此TMPRSS2和组织蛋白酶成了控制hCoV-EMC的潜在靶标。在流感病毒的研究中,也有相当一部分研究者发现,TMPRSS2可以增加宿主的易感性,例如TMPRSS2在A型流感病毒(IAV)血凝素(HA)蛋白的蛋白水解激活中起重要作用,TMPRSS2促进H7N9和季节性流感病毒在体内的复制,是H7N9和H1N1病毒引起的小鼠呼吸道感染疾病的关键因子。

 

2014年,Adeline Heurich等再一次证明了TMPRSS2和HAT在冠状病毒中的作用,他们发现,这两种酶可以裂解并激活SARS-CoV的刺突蛋白spike进行膜融合,另外,这些酶还裂解SARS冠状病毒受体ACE2,文献中提到,ACE2的氨基酸序列697-716中的精氨酸残基和赖氨酸残基对于TMPRSS2和HAT的切割至关重要。TMPRSS2的表达增加了细胞对可溶性SARS-S碎片的摄取,同时,该研究还发现,金属蛋白酶ADAM17与TMPRSS2在结合ACE2方面存在竞争关系,那么接下来,我们来了解一下ADAM17这个蛋白酶。

 

ADAM17

 

AMAM17是一种参与多种蛋白质胞外域脱落的跨膜金属蛋白酶,具有黏附和蛋白水解特性,它可以使肿瘤坏死因子-α(TNF-α)前体转化为可溶性的TNF-α。除了剪切TNF-α,该蛋白酶还在许多其他底物的加工中起作用,比如细胞粘附分子、细胞因子、生长因子受体以及表皮生长因子受体(EGFR),在Notch信号通路的激活中也起着重要作用。

 

那么,ADAM17与病毒感染有什么关系呢?Inoue 和Wang等分别在2007年和2008年提出了SARS-CoV可以通过网格蛋白依赖和非依赖两种形式进入靶细胞。该研究指出,内毒素、IL-1β或TNF-α等可以刺激ACE2在膜上脱落,释放出具有催化活性的胞外结构域,而这个脱落过程是由ADAM17介导的,这可能与SARS-CoV进入宿主细胞复制有关,实验证明,用ADAM17的抑制剂处理细胞,会抑制SARS-CoV在细胞中的复制。

 

ACE2的翻译后修饰、内化和脱落

ACE2的翻译后修饰、内化和脱落。SARS冠状病毒(SARS-CoV)与ACE2结合并内化,以Clathrin依赖方式进入宿主细胞。(引自Keiji Kuba et al, 2010)

 

宿主细胞蛋白酶在SARS-CoV感染中的作用不仅局限于对S蛋白的裂解,研究表明,ACE2由宿主蛋白酶进行水解加工的过程对SARS-CoV进入细胞和发病机理起着重要作用。而SARS-S与ACE2的结合,触发了ADAM17对ACE2的切割,有助于ACE2脱落到血管内皮细胞中,促进SARS-CoV进入细胞。在小鼠模型中,ACE2的表达可以防止肺损伤,病毒S蛋白诱导ADAM17切割ACE2在膜上脱落可能是促进SARS发病的一个重要原因。上文中讲到,ADAM17与TMPRSS2在结合ACE2方面存在竞争关系,研究证明,TMPRSS2的表达可以抑制由ADAM17介导的SARS-S脱落。

 

除了病毒感染,ADAM17本身还有哪些功能呢?研究表明,ADAM17能够介导糖尿病和心肌病,可以通过TGF-β/Smad通路促进胃癌的发展,可以介导ACE2膜上脱落调节心血管功能,通过调控Hippo信号通路介导人脑胶质瘤细胞的增殖和迁移,以及在乳腺癌、前列腺癌、肺纤维化、宫颈鳞癌等各项研究中都发挥着重要功能。对于ADAM17在新型冠状病毒中有怎样的作用?它会对病毒的入侵和复制产生怎样的影响?我们还需要进一步的科学研究进行验证。

 

综上看来,病毒非常强大并且聪明灵活,它能够巧妙地利用我们宿主的细胞和蛋白去滋养自身。了解它的策略,我们对抗病毒药物的开发方向就更明确了。

 

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