新冠靶點(diǎn)新視角二： 跨膜蛋白酶ADAM17和TMPRSS2

新型冠狀病毒目前在中國(guó)雖然得到了有效控制，但在全世界范圍卻愈演愈烈，科學(xué)家們對(duì)新型冠狀病毒以及由此引發(fā)的新型肺炎的研究仍然緊張地進(jìn)行著。血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2（ACE2）受體作為SARS-CoV-2感染細(xì)胞的“幫兇”成為了科研人員關(guān)注的熱點(diǎn)，不過(guò)研究發(fā)現(xiàn)新型冠狀病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞過(guò)程中，除了ACE2，很有可能還需要兩種跨膜蛋白酶：可以切割A(yù)CE2的蛋白酶ADAM17和參與ACE2與SARS-CoV-2膜融合過(guò)程的TMPRSS2，因此研究它們的作用對(duì)于我們理解新冠病毒感染機(jī)制以及藥物研發(fā)也是具有實(shí)際意義的。

 

TMPRSS2

 

絲氨酸蛋白酶在很多生理和病理過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用，比如參與蛋白質(zhì)的分解代謝、凝血、細(xì)胞生長(zhǎng)和遷移、組織發(fā)育、腫瘤生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移等。TMPRSS2是絲氨酸蛋白酶的成員，它的結(jié)構(gòu)非常有趣，擁有單跨膜結(jié)構(gòu)域，胞外主要由II型跨膜蛋白LDL的A類(lèi)受體LDLRA、富含半胱氨酸的清道夫受體SRCR和絲氨酸蛋白酶結(jié)構(gòu)域構(gòu)成。值得注意的是，人TMPRSS2在前列腺、結(jié)腸、胃和唾液腺中表達(dá)，根據(jù)小鼠胚胎和成年組織的原位雜交分析表明，小鼠的TMPRSS2在胃腸道、泌尿生殖道和呼吸道上皮細(xì)胞中也均有表達(dá)，說(shuō)明TMPRSS2在小鼠和人體內(nèi)的表達(dá)分布非常的相似。TMPRSS2-ERG融合基因是一種受雄激素調(diào)控的基因，可在50%的前列腺癌患者中檢測(cè)到，因此TMPRSS2-ERG可作為前列腺癌的一種診斷標(biāo)志。

 

那么TMPRSS2與病毒又有何關(guān)聯(lián)呢？2019年1月，Naoko Iwata-Yoshikawa 等人發(fā)表的研究表明，TMPRSS2可激活高致病性人冠狀病毒的突觸蛋白，例如引起嚴(yán)重急性呼吸綜合征的冠狀病毒SARS-CoV和引起中東呼吸綜合征的冠狀病毒MERS-CoV，在體外，TMPRSS2的活化可誘導(dǎo)病毒與細(xì)胞膜融合。實(shí)驗(yàn)表明，TMPRSS2的缺乏減弱了病毒在小鼠氣道內(nèi)的傳播和肺部病理的嚴(yán)重程度。早在2011年，德國(guó)病毒研究所Ilona Glowacka等人評(píng)估了SARS-CoV 的S蛋白是否被TMPRSS2蛋白水解，用WB實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析顯示，SARS S蛋白被TMPRSS2切割成幾個(gè)片段，順式切割導(dǎo)致SARS S片段釋放到細(xì)胞上清液中，抑制抗體介導(dǎo)的中和反應(yīng)，反式裂解活化SARS S蛋白，使其與靶細(xì)胞融合。說(shuō)明TMPRSS2可能通過(guò)減少中和抗體對(duì)病毒的識(shí)別并激活細(xì)胞與病毒之間的融合，促進(jìn)病毒的傳播和發(fā)病。Stephanie Bertram等人揭示了TMPRSS2和HAT（histone acetyltransferase 組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶）可共同激活hCoV-229E病毒的棘突蛋白S，驅(qū)動(dòng)S與靶細(xì)胞的融合。此外，也有證據(jù)表明，通過(guò)TMPRSS2激活的229E-S可免受IFITM蛋白（在《新冠病毒靶點(diǎn)的預(yù)測(cè)和分析》一文中已提到）的抑制，因此說(shuō)明hCoV-229E可以采用蛋白酶的途徑來(lái)確保其在宿主細(xì)胞中的活性，這也為抗病毒干擾的研究提供了新思路。

 

對(duì)于MERS冠狀病毒來(lái)說(shuō)，TMPRSS2也充當(dāng)了重要的角色，研究認(rèn)為，冠狀病毒進(jìn)入細(xì)胞有兩種途徑，一是細(xì)胞表面由TMPRSS2介導(dǎo)，另一方面在核內(nèi)由組織蛋白酶L介導(dǎo)。Stefanie Gierer等人發(fā)現(xiàn)TMPRSS2和組織蛋白酶B和L可以激活hCoV-EMC，與靶細(xì)胞融合。因此TMPRSS2和組織蛋白酶成了控制hCoV-EMC的潛在靶標(biāo)。在流感病毒的研究中，也有相當(dāng)一部分研究者發(fā)現(xiàn)，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促進(jìn)H7N9和季節(jié)性流感病毒在體內(nèi)的復(fù)制，是H7N9和H1N1病毒引起的小鼠呼吸道感染疾病的關(guān)鍵因子。

 

2014年，Adeline Heurich等再一次證明了TMPRSS2和HAT在冠狀病毒中的作用，他們發(fā)現(xiàn)，這兩種酶可以裂解并激活SARS-CoV的刺突蛋白spike進(jìn)行膜融合，另外，這些酶還裂解SARS冠狀病毒受體ACE2，文獻(xiàn)中提到，ACE2的氨基酸序列697-716中的精氨酸殘基和賴(lài)氨酸殘基對(duì)于TMPRSS2和HAT的切割至關(guān)重要。TMPRSS2的表達(dá)增加了細(xì)胞對(duì)可溶性SARS-S碎片的攝取，同時(shí)，該研究還發(fā)現(xiàn)，金屬蛋白酶ADAM17與TMPRSS2在結(jié)合ACE2方面存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，那么接下來(lái)，我們來(lái)了解一下ADAM17這個(gè)蛋白酶。

 

ADAM17

 

AMAM17是一種參與多種蛋白質(zhì)胞外域脫落的跨膜金屬蛋白酶，具有黏附和蛋白水解特性，它可以使腫瘤壞死因子-α（TNF-α）前體轉(zhuǎn)化為可溶性的TNF-α。除了剪切TNF-α，該蛋白酶還在許多其他底物的加工中起作用，比如細(xì)胞粘附分子、細(xì)胞因子、生長(zhǎng)因子受體以及表皮生長(zhǎng)因子受體（EGFR），在Notch信號(hào)通路的激活中也起著重要作用。

 

那么，ADAM17與病毒感染有什么關(guān)系呢？Inoue 和Wang等分別在2007年和2008年提出了SARS-CoV可以通過(guò)網(wǎng)格蛋白依賴(lài)和非依賴(lài)兩種形式進(jìn)入靶細(xì)胞。該研究指出，內(nèi)毒素、IL-1β或TNF-α等可以刺激ACE2在膜上脫落，釋放出具有催化活性的胞外結(jié)構(gòu)域，而這個(gè)脫落過(guò)程是由ADAM17介導(dǎo)的，這可能與SARS-CoV進(jìn)入宿主細(xì)胞復(fù)制有關(guān)，實(shí)驗(yàn)證明，用ADAM17的抑制劑處理細(xì)胞，會(huì)抑制SARS-CoV在細(xì)胞中的復(fù)制。

 

ACE2的翻譯后修飾、內(nèi)化和脫落。SARS冠狀病毒（SARS-CoV）與ACE2結(jié)合并內(nèi)化，以Clathrin依賴(lài)方式進(jìn)入宿主細(xì)胞。(引自Keiji Kuba et al, 2010)

 

宿主細(xì)胞蛋白酶在SARS-CoV感染中的作用不僅局限于對(duì)S蛋白的裂解，研究表明，ACE2由宿主蛋白酶進(jìn)行水解加工的過(guò)程對(duì)SARS-CoV進(jìn)入細(xì)胞和發(fā)病機(jī)理起著重要作用。而SARS-S與ACE2的結(jié)合，觸發(fā)了ADAM17對(duì)ACE2的切割，有助于ACE2脫落到血管內(nèi)皮細(xì)胞中，促進(jìn)SARS-CoV進(jìn)入細(xì)胞。在小鼠模型中，ACE2的表達(dá)可以防止肺損傷，病毒S蛋白誘導(dǎo)ADAM17切割A(yù)CE2在膜上脫落可能是促進(jìn)SARS發(fā)病的一個(gè)重要原因。上文中講到，ADAM17與TMPRSS2在結(jié)合ACE2方面存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，研究證明，TMPRSS2的表達(dá)可以抑制由ADAM17介導(dǎo)的SARS-S脫落。

 

除了病毒感染，ADAM17本身還有哪些功能呢？研究表明，ADAM17能夠介導(dǎo)糖尿病和心肌病，可以通過(guò)TGF-β/Smad通路促進(jìn)胃癌的發(fā)展，可以介導(dǎo)ACE2膜上脫落調(diào)節(jié)心血管功能，通過(guò)調(diào)控Hippo信號(hào)通路介導(dǎo)人腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞的增殖和遷移，以及在乳腺癌、前列腺癌、肺纖維化、宮頸鱗癌等各項(xiàng)研究中都發(fā)揮著重要功能。對(duì)于ADAM17在新型冠狀病毒中有怎樣的作用？它會(huì)對(duì)病毒的入侵和復(fù)制產(chǎn)生怎樣的影響？我們還需要進(jìn)一步的科學(xué)研究進(jìn)行驗(yàn)證。

 

綜上看來(lái)，病毒非常強(qiáng)大并且聰明靈活，它能夠巧妙地利用我們宿主的細(xì)胞和蛋白去滋養(yǎng)自身。了解它的策略，我們對(duì)抗病毒藥物的開(kāi)發(fā)方向就更明確了。

 

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