组织蛋白酶与动脉粥样硬化性脑血管病

组织蛋白酶S与动脉粥样硬化性脑病张敏刘亚民张波【摘要】组织蛋白酶S（CathepsinS）是广泛分布在人体各种组织细胞溶酶体中的一类蛋白水解酶中的一种，它使酶失活、蛋白质降解，失衡后促进炎症反应、促进动脉粥样硬化、诱发糖尿病和肥胖等。近年来的研究表明，组织蛋白酶S与血管危险因素和动脉粥样硬化脑血管病之间均存在一定的相关性。【关键词】组织蛋白酶；组织蛋白酶S,亚单位；脑缺血；动脉粥样硬化；危险因素CathepsinSandatheroscleroticcerebrovasculardiseasesZHANGMinLIUYa-minZHANGBoDepartmentofCerebralVessels,FristAffiliatedHospitalofMedicalCollege,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710061,Shanxi,ChinaCorrepondingauthor:LiuYa-min,Emial:[e-mail]【Abstruct】CathepsinSisoneoftheCathepsinsthatdistributesgenerallyatlysosomesofhistiocyteinhumansbody.Ithasvarietyofactionswhenitisunbalancing,includingpromoteinflammation,atherosclerosis,diabetesandobesity,etc.Studiesinrecentyearshavedemonstratedthattherearecertaincorrelationsofadiponectinwithvascularriskfactorandcerebrovasculardisease.【Keywords】Cathepsins;CathepsinS,Subunit;BrainIschemia;Atherosclerosis;RiskFactors动脉粥样硬化脑血管病具有发病率高、致残率高、死亡率和复发率高等“四高”特点，并成为我国国民第一位的死亡原因。目前认为，针对动脉粥样硬化脑血管病危险因素的防治更为重要，人们始终在努力探寻动脉粥样硬化脑血管病的各种危险因素，希望通过控制危险因素达到对动脉粥样硬化脑血管病的一级预防。通过12年的追踪和临床观察，最近人们发现组织蛋白酶S可预警心血管的风险和死亡率[1]，而动脉粥样硬化脑血管病和心血管病有着共同的危险因素，发病机制也相似，所以组织蛋白酶S亦可能与动脉粥样硬化脑血管病有关。1.组织蛋白酶S的生物学特性组织蛋白酶（Cathepsins）是一类组织蛋白水解酶，它们广泛地分布在人体各种细胞和组织的溶酶体中。它可以水解体内各种酶和蛋白质，使酶失活，蛋白质降解，从而调节人体内各种生理和病理生理反应。Cathepsins依其活性成分中氨基酸的不同，可以分为丝氨酸、天门冬氨酸、半胱氨酸等几大类，现有A、B、C、D、E、F、G、K、L、V、S等20多种。CathepsinS只是其中的一种，属于半氨酸蛋白酶类。组织蛋白酶S基因位于第l号染色体q214。人类基因组中共561个基因被证实编码蛋白酶，其中148个编码半胱氨酸蛋白酶[2]。CathepsinS于1975年由Kirschke等首先从牛淋巴结中提取出来，主要分布在脾脏、淋巴结、心脏和抗原呈递细胞,分子质量为28kDa[3]。Cao等[4]在CathepsinS基因的启动子区内核苷酸-25处发现了G／A等位基因改变。由于CathepsinS在动脉粥样硬化中起着重要的作用，而且-25G／A多态又位于启动子区，可能在基因转录调控中发挥重要作用。所以，有学者把该位点作为与动脉粥样硬化发生有关的候选基因多态位点[5]。CatS能够降解ECM分子如层黏连蛋白、胶原蛋白、弹力蛋白及硫酸软骨素。在体内组织蛋白酶多以无活性前体形式存在，切除前体N-端的前肽，则被激活。此外，体内还有相应的内源性的蛋白酶抑制剂（Cystatins）存在，其中CystatinsC可以抑制CathepsinS的活性。因此，在体内Cathepsin/Cystatin之间平衡调节，可能是实现组织蛋白酶生理和病理功能的基础。由于组织蛋白酶可以降解细胞内外多种酶和蛋白质，包括细胞外基质（如胶原蛋白、粘连蛋白、弹性纤维、硫酸软骨素等）、变性蛋白、凝血因子、代谢和转换酶、肽类激素等等[6]，因此，它在体内炎症免疫、抗原提呈、血管生成、细胞增殖、凋亡、粘附、浸润、迁移、内呑、自噬、细胞外基质重塑、损伤修复反应中都起着重要作用。此外它还可能作为“TranscriptionalActivatotors”，参与体内多种基因的表达调节。CathepsinS作为一种半胱氨酸蛋白酶，参与了导致心血管疾病、癌症的旁路，一项前瞻性的数据分析中表明循环中CathepsinS水平与人死亡率可能存在着某种关系,该研究发现在老年人群中较高的血清CathepsinS水平伴随着死亡率的升高，但仍需更多的研究证实CathepsinS在这一过程中的作用，以及这一指标是否具有临床实际意义[1]。2.CathepsinS与动脉粥样硬化2.1组织蛋白酶S与动脉粥样硬化炎症反应组织蛋白酶S（CathepsinS）与动脉粥样硬化炎症反应有密切关系。研究表明，低密度脂蛋白、炎症因子等均能促进血管平滑肌细胞（VSMC）、内皮细胞（EC）对CatS的分泌与表达，降解细胞外弹性蛋白及胶原蛋白，易于血管平滑肌细胞（VSMC）迁移和增殖，参与血管重塑与动脉硬化斑块形成[7]。CatS及CysC在AS形成的全过程中均起作用,CatS由巨噬细胞、细胞因子刺激的SMC及EC产生[8]。人类AS病变处CatSmRNA和其蛋白的水平比正常动脉处显著增加,CatS能够降解弹力蛋白和胶原蛋白，但CysC的表达显著下降,而正常动脉中膜的SMC和EC则可表达丰富的CysC[9、10],提示与正常血管比较,AS的炎症过程损伤的动脉壁存在CatS与CysC的失衡,可导致动脉ECM破坏。CatS通过与人类CD40-CD40L信号系统之间的联系间接参与动脉粥样硬化炎症反应。人类CD40-CD40L信号途径通过在受损血管内皮细胞表面相互作用导致内皮细胞、平滑肌细胞活化，表达多种粘附分子如E-选择素、血管细胞粘附分子-1(vasculeradhesionmolecule1-1，VCAM-1)、细胞间粘附分-1(intercellularadhesionmolecule-1，ICAM-1)，在动脉粥样硬化形成的初期阶段发挥重要作用[11]。有研究表明，在冠心病患者血清中可检测到升高的CatSmRNA水平，并伴随着血清CD40mRNA水平的升高，表明CatS在动脉粥样硬化中的活动与CD40高表达有某种关系[12]。此外，Jobs,E等发现在体重正常的老年人群中血清CatS与CRP、IL-6有密切联系，并参与炎症反应，且CatS与炎症反应之间的关系独立于肥胖这一项危险因素[13]。以上说明CatS与动脉粥样硬化炎症反应有着密切关系，并有可能通过免疫反应在动脉粥样硬化中起到作用。2.2CathepsinS在动脉粥样硬化斑块中的分布CathepsinS在内皮细胞、平滑肌细胞和巨噬细胞中均有表达，细胞外基质，包括弹力蛋白、胶原蛋白，都可被CathepsinS及其它组织蛋白酶降解，CathepsinS促进了泡沫细胞的形成。甚至可以导致斑块的破裂，并且和CathepsinF共同通过减少胆固醇逆向转运促进了泡沫细胞的形成[14]见图1。免疫组化染色研究显示,人类正常动脉很少表达CatS,人类早期的AS病变、脂纹处内膜和中膜的SMC表达CatS；在进展期的AS斑块,CatS主要表达于AS病变肩部区域中的巨噬细胞、纤维帽的SMC及断裂的内弹力板,提示CatS参与了血管壁弹力板的降解,有助于SMC迁移,并通过降解纤维帽的胶原蛋白使AS斑块不稳定[8]。因此,通过抑制CatS减少ECM降解对于AS的形成具有保护作用。2.3CathepsinS与动脉粥样硬化斑块易损性及病变程度CatS基因敲除鼠模型的获得为体内研究组织蛋白酶及其抑制剂在AS中的作用提供了可能。KennethJ[15]发现与年龄、性别、品种相匹配的单纯ApoE（-/-）小鼠相比，喂食致肥胖的ApoE/CatS双基因敲除小鼠头臂动脉粥样硬化急性破裂斑块少了73%,且体积减小了46%。将斑块大小标准化后，ApoE/CatS双基因敲除小鼠急性斑块破裂率减少了72%，作为象征不稳定斑块类型的纤维层的数量，在双基因敲除小鼠中也减少了67%。将半胱氨酸蛋白酶抑制剂，例如whitecystain，作为组织蛋白酶生物素定位探针，在提取出的人颈动脉斑块中也选择性的检测出了CathepsinS。deNooijerR[16]认为白细胞CatS缺乏导致了斑块形态学的改变，凋亡的减少，平滑肌细胞（SMC）含量和胶原蛋白降解的减少。给CatS(-/-)小鼠和CatS(-/-)嵌合体小鼠均喂食高脂饲料后，其大动脉根部损害面积未探测到明显区别，然而白细胞CatS缺乏的小鼠斑块形态学发生了显著变化，导致了斑块坏死核心区减少了77%以及丰富的泡沫细胞的大量减少。CatS(-/-)嵌合体小鼠斑块内含有17%多的巨噬细胞，不足62%的平滑肌细胞和少于33%内膜胶原蛋白，后两者可归结为弹力纤维层的减少。而且白细胞CatS缺乏的小鼠斑块巨噬细胞凋亡减少了60%。体外研究还发现，CatS参与了胆固醇代谢和胶原蛋白、纤维蛋白基质中巨噬细胞的凋亡。另有研究报道[17],动脉粥样硬化病人的血清CatS水平显著升高,当血清CatS水平高于0.42nmol/L时，提示病人存在较严重的动脉粥样硬化或预示病人有发生缺血性临床事件的可能性，其可能与动脉粥样硬化斑块的稳定性及血栓形成密切相关。因此，CathepsinS在斑块稳定性中起到了重要作用，并与动脉粥样硬化病损程度呈正相关。3.CathepsinS动脉粥样硬化的危险因素3.1CathepsinS与糖尿病动脉粥样硬化和糖尿病互相密切联系并都参于了大动脉弹力纤维降解。在糖尿病动物模型体内大动脉弹力蛋白降解伴随着增高的弹力蛋白酶的活动[18]。在人动脉粥样硬化区可以证实增高的具有弹力蛋白降解作用的组织蛋白酶S（CathepsinS）以及降低的半胱氨酸蛋白酶抑制剂C（CystatinC），证明在人动脉粥样硬化或者糖尿病过程中存在着血清CatS和CysC的失衡交替[6、19]。通过对107名动脉粥样硬化患者和103名糖尿病患者及30名无以上两种疾病者进行血清CatS和CysC的ELISA测定，发现在修正CysC水平、吸烟、血糖、肾功能、肌酐等因素后动脉粥样硬化狭窄者或糖尿病患者血清CatS水平均较高，而且，急性心梗、陈旧性心梗或者不稳定性心绞痛的患者在修正CysC水平、吸烟、血糖、肌酐等因素后血清CatS水平也有提高。不同的是，修正年龄、吸烟、肾功能等因素后糖尿病患者血清CysC水平高于正常对照组，而动脉粥样硬化者血清CysC水平的升高伴随着肌酐水平增高及肾功能不全，血清CysC水平的增高对动脉粥样硬化没有显著意义。因此升高的血清CatS可能是这两种疾病的一个生物标志物[20]。CatS在I型糖尿病（IDDM）的发生、发展中也起到重要作用，CatS（-/-）非肥胖型糖尿病（NOD）小鼠发生糖尿病的时间推迟至4.5-5.5月龄，而野生行NOD小鼠发生I型糖尿病（IDDM）的平均时间为3.9月龄，缺乏CatS基因纯合子的NOD小鼠与野生型NOD小鼠相比，糖尿病发生率减少了33%[21]。3.2肾素-血管紧张素（RA）系统和组织蛋白酶促进了动脉粥样硬化的发展肾素-血管紧张素（RA）系统参与了高血压病的发病机制并维持血压高水平。血管紧张素II受体，作为肾素-血管紧张素（RA）系统的主要效应器，通过两种血浆胞膜受体1和受体2调节了血管内环境稳态，RA系统和组织蛋白酶一同促进了动脉粥样硬化的发展及斑块的易损