蛋白酶3及其在相关疾病的作用机制综述,生物化学论文.docx
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1、蛋白酶3及其在相关疾病的作用机制综述,生物化学论文 中性粒细胞在抵抗感染性炎症方面具有重要地位 , 其 中 中 性 粒 细 胞 分 泌 的 丝 氨 酸 蛋 白 酶neutrophil serine proteases,NSPs在去除病原体方面发挥重要作用。蛋白酶 3proteinase 3,PR3是中性粒细胞分泌的主要丝氨酸蛋白酶之一1,是继人中性粒细胞弹性蛋白酶human neutrophil elastase,HNE及组织蛋白酶 Gcathepsin G,CG后,于中性粒细胞嗜天青颗粒中发现的第三种丝氨酸蛋白酶。PR3 能降解多种细胞外基质,不但介入消灭感染性炎症中的病原体,而且在抑制剂与
2、蛋白酶失衡的情况下直接介入组织损伤,与多种慢性炎症性疾病 , 如 血 管 炎 性 肉 芽 肿 病 granulomatosis withpolyangiitis, GPA、 慢性阻塞性肺疾病 chronicobstructive pulmonary diseases,COPD、肺囊肿性纤维症pulmonoary fibrosis,PF等的发生发展密切相关,可能作为这些疾病的防治靶点,近年得到了较大关注。本文就 PR3 及其在相关疾病的作用机制进行综述与讨论,以期为以 PR3 为靶点的药物开发与应用提供新的视野。 1 PR3的基本特性 1.1 PR3的构造 PR3 由 222 个氨基酸残基组成,
3、其三维构造含2个 桶构造和1个羧基端 螺旋,而每个 桶构造又包括 6 个反向平行的 折叠。其催化活性位点由组氨酸histidine,His、天冬氨酸asparagicacid,Asp、丝氨酸serine,Ser组成,位于 2 个 桶构造的连接处。PR3 还含有天冬酰胺asparagine,Asn159和 Asn113 两个糖基化位点。S2、S2 、S1 位点决定 PR3 的特异性2.PR3 以无活性的酶原形式合成,需经过 3 次解朊作用的修饰才能转化为它的成熟形式,含 8 个半胱氨酸残基,构成 4 对分子内二硫键3.成熟 PR3 因天冬酰胺连接的糖基化和4 对二硫键而稳定。 1.2 PR3的分
4、布与表示出 PR3主要储存在中性粒细胞的嗜天青颗粒与单核细胞的过氧化物酶阳性的溶酶体中,还可存在于特殊颗粒和分泌小泡。除此之外,嗜碱性粒细胞、肥大细胞、内皮细胞、人肺泡壁细胞可以表示出 PR3.编码PR3的基因是一个粒细胞集落刺激因子应答基因。PR3 高转录水平阶段仅限于早幼粒细胞阶段和幼单核细胞阶段,而在粒细胞和单核细胞成熟阶段PR3的转录水平下调。粒细胞发育阶段的转录水平和翻译后水平调控是 PR3 合成的两个调控点。 当 中 性 粒 细 胞 被 肿 瘤 坏 死 因 子 tumornecrosis factor- , TNF- 、 转 化 生 长 因 子 transforming growt
5、h factor- , TGF- 、 白 介 素interleukin,IL1、IL-8、血小板活化因子、细菌脂多糖、细胞松弛素 B 等激活时,PR3 分泌到细胞外,也有些 PR3 表示出在细胞膜上4.未激活的中性粒细胞膜上也有PR3 表示出,活化的中性粒细胞膜表示出的 PR3membrane-bound proteinase-3, mPR3是未活化的 56 倍。但是在静止的中性粒细胞mPR3 没有活性5.mPR3+中性粒细胞比例稳定,并不因中性粒细胞激活而受影响。PR3 能结合在细胞膜上,这与苯丙氨酸phenylalanine, Phe166、异亮氨酸isoleucine,Ile217、色氨
6、酸tryptophan,Trp218、亮氨酸leucine,Leu223、Phe224 构成的区域有关。PR3与膜的结合还可能与白细胞分化抗 原 cluster of differentiation, CD16 和 CD177NB1有关。当从细胞膜上移除糖化磷脂酰肌醇glycosylphosphatidyl inositol,GPI锚点时,mPR3降低。CD177NB1阳性细胞中,PR3 表示出和活性大大提高6.中性粒细胞凋亡诱导的 PR3 膜表示出并不依靠于脱颗粒作用,而是与磷脂酰丝氨酸的暴露有关。在凋亡早期没有脱粒作用情况下,质膜上的PR3 能够外化。PR3 的外化能够削弱巨噬细胞对凋亡细
7、胞的去除且不依靠其酶活性,进而加剧炎症反响7. 2 PR3的生物学功能 2.1 PR3的抗菌活性 中性粒细胞可通过由包括 PR3 在内的蛋白酶和组蛋白组成的中性粒细胞胞外诱捕网neutrophilextracellular traps,NET诱捕并去除病原菌。PR3能有效杀死革兰阳性菌如粪链球菌、革兰阴性菌如大肠杆菌、真菌如白色念珠菌。PR3 外表所带的正电荷能够使其牢固地结合在细菌的细胞膜上,这种结合可能抑制细菌的蛋白质合成,介导膜的去极化和瓦解。在中性粒细胞活化时,PR3 能把人源抗菌肽human antimicrobial peptide,hCAP18 加工成其活化形式 LL-37.该多
8、肽对革兰阳性菌和革兰阴性菌具有很广泛的抗菌活性,与防御素具有协同抗菌作 用。PR3 能 加 工 人 中 性 粒 细 胞 多 肽 humanneutrophil peptide,HNP1前体构成 HNP1,介入中性粒细胞胞内吞噬8.mPR3还可作为细菌的一个非调理性吞噬受体,介入吞噬细菌的经过9. 2.2 PR3对组织蛋白质的水解活性 PR3能降解多种细胞外基质,如纤连蛋白、层黏连蛋白、玻连蛋白、纤维蛋白原、胶原、弹性蛋白原与弹性蛋白10等,还能降解缝隙连接蛋白如钙黏蛋白、闭合蛋白,对血红蛋白、酪蛋白、蛋白多糖、血管假性血友病因子von Willebrand factor,vWF等也有水解活性,
9、但不能作用于胶原和胶原。嗜天青颗粒中的 PR3 是无活性的,在中性pH 时有最大的酶活性。在 pH 6.5 时 PR3 降解弹性蛋白的活性比 HNE 稍强,但在 pH 7.4 和 pH 8.9 时活性比 HNE 弱。在 pH 7.4 时,PR3 降解血红蛋白的能力介于HNE 与 CG 之间。正由于 PR3 有强大的水解活性,在某种条件下可能水解肺、动脉、皮肤、韧带而引起一系列疾病。 2.3 PR3对炎症经过的调控作用 2.3.1对细胞因子的加工 PR3 可裂解活化 TNF- 、IL-1 、IL-18、IL-8等细胞因子,在炎症经过中发挥重要作用。TNF- 是重要的促炎因子,合成时以膜结合的前体
10、形式存在。PR3 能裂解该前体而活化生成 TNF- 11,可能介入风湿性关节炎的构成和克罗恩病的发展。 IL-1 是单核巨噬细胞和自然杀伤细胞naturalkiller,NK等表示出的促炎因子,与感染性休克、创伤修复有关。PR3 通过活化 IL-1 ,可能介入哮喘、类风湿关节炎、神经性炎症等炎症性疾病12. IL-18是 干扰素interferon- ,IFN- 强效诱导因子,也是先天性免疫和获得性免疫中重要的调节因子。IL-18 的前体构成性表示出在人口腔上皮细胞和其他几个上皮细胞系,PR3 可将其裂解活化成IL-18,可能介入牙周炎、哮喘、败血症、风湿性关节炎和炎症性肠病等13.IL-8
11、是中性粒细胞的趋化因子,促进中性粒细胞的脱颗粒与迁移,以前体形式由单核细胞、中性粒细胞、上皮细胞分泌。 PR3能裂解 pro-IL-8 成 IL-8,趋化更多的中性粒细胞聚集在炎症部位,加重组织的损伤,介入慢性阻塞性肺疾病等14.除此之外,PR3 还能活化 TGF- 115、IL-3216,灭活 IL-617和巨噬细胞炎症蛋白 1 macrophage inflammatory protein-1alpha, MIP-1 18,对IL-33 则表现出活化和抑制的双重作用19.总之,PR3 可通过加工多种细胞因子而介入调控炎症反响。 2.3.2对细胞受体的加工 PR3可通过加工细胞受体调控细胞信
12、号传导,在调节炎症反响中发挥一定的作用。PR3 通过裂解蛋白酶激活受体protease activated receptor,PAR1,解除凝血酶激活的钙信号,而这种 G 蛋白偏置信号能够调节内皮细胞屏障的完好性20.PR3 通过PAR-2 依靠途径加强内皮细胞的屏障功能,诱导内皮细胞维持钙信号,抑制 PAR-1 冲动剂对内皮细胞缝隙连接蛋白的毁坏和血管通透性的改变21. PR3 可裂解内皮细胞蛋白 C 受体 endothelial cellprotein C receptor,EPCR,而 EPCR 是蛋白 C 通路中重要的成员之一,是宿主对炎症刺激反响的关键组成成分。PR3 还能下调内皮细
13、胞和血小板的凝血酶受体活性,调节止血平衡和炎症反响。 2.3.3对其他物质的加工 PR3 还可通过对其他炎症相关物质的加工,直接或间接地调控炎症反响。PR3 能加工核转录因子 Bnuclear factor B,NF- B22、周期蛋白依靠性激酶抑制剂 p2123.PR3对 NF- B 和 p21 的蛋白水解能加速内皮细胞的凋亡,介入克罗恩病、溃疡性结肠炎等疾病。PR3 能裂解活化 caspase-324,该蛋白酶能调节中性粒细胞死亡和炎症,还可改变Bcl-2、Bax、Bcl-xl 等凋亡调节蛋白的表示出水平,调节神经元细胞死亡途径25.除此之外,PR3 还能裂解 2整合素 CD11b/CD1
14、826、TGF- 结合蛋白,灭活C1 抑制剂、颗粒蛋白前体progranulin,PGRN27、转录因子 Sp1 和热休克蛋白 Hsp28,裂解高分子质量激肽原high-molecular weight kininogen,HK释放出缓激肽28、转换血管紧张素原angiotensinogen,aGT为血管紧张素angiotensin,Ang和 Ang、活化血小板等,不同程度地介入了炎症的发生发展。 从前述可知,PR3 的生物学功能广泛,可通过降解组织蛋白、调控免疫反响等而介入相关疾病的发生发展。有关 PR3 的生物学功能及可能介入的疾病见表 1. 3 PR3的抑制剂 PR3是中性粒细胞分泌的主
15、要丝氨酸蛋白酶之一,人体内亦存在多种可保卫本身免受其攻击的内源性抑制剂,如 1蛋白酶抑制剂 1-proteinaseinhibitor, 1-PI、serpinB1、Elafin 及 2- 巨球蛋白alpha 2-macroglobulin, 2-M等。 1-PI主要由肝细胞合成,在血浆、下呼吸道、肺部的 PR3 抑制占主导地位。 1-PI 与 PR3 的结合不可逆,PR3 通过与 1-PI 的活性中心环作用,产生一个共价结合中间体而导致 PR3 的变性失活30.serpinB1 是位于中性粒细胞和单核细胞胞浆中的一种 HNE 强效抑制剂,同时也能抑制 PR3 的活性31.Elafin 最初是
16、从牛皮癣病人的皮肤中分离出来,后来被发现可存在于肺的分泌物里和精浆里,是 PR3强效的、可逆的抑制剂32.mPR3对 Elafin 有一定抵抗性,mPR3 被 Elafin 抑制时,仍然停留在中性粒细胞膜上,且与之结合得愈加严密。固然能完全抑制其水解活性,但不能从中性粒细胞膜上去除5. 2-M是大小为 725 ku 的血浆糖蛋白,由于其分子质量大,能到达炎症部位的时机大大减少。它对酶抑制作用的发挥可能就局限于循环血液中,只要当血管通透性大大增加的时候才能游离到其他部位发生作用。 上述内源性抑制剂对 PR3 有较强抑制作用,但都不是 PR3 的特异性抑制剂。它们同时还对其他蛋白酶具有抑制作用,且
17、这些内源性抑制剂易被体内物质灭活,如活化的中性粒细胞产生的大量氧自由基、基质金属蛋白酶matrix metalloproteinases,MMPs可使 1-PI、 2-M 失活。由于内源性抑制剂抑制作用的局限性,开发外源性的、不易被内源性物质灭活的特异性 PR3 抑制剂显得尤为重要。然而,当前对于 PR3 外源性抑制剂的研究很少。Epinette 等33通过高亲和力荧光共振能量转移基板发现一种能特异抑制 PR3 而对 NE、CG 没有抑制作用的抑制剂。Guarino 等34发现一种新的选择性肽二氯苯基膦酸脂能快速灭活炎性肺分泌物和膀胱癌患者尿液等生物体液中的PR3,阻止其蛋白水解作用。基于南五
18、味子酮的一种抑制剂对 PR3 有较强的亲和力,能通过竞争性的可逆性抑制机制抑制PR335.金黄色葡萄球菌分泌的胞外黏附蛋白extracellular adherence protein,Eap及其同系物EapH1、EapH2 对 PR3、CG、HNE 都有抑制活性,因此使其能够逃避宿主的免疫36.巴西红木中提取的抑制剂 CeEI 对 PR3 也有较强的抑制作用37.作者所在的实验室也正尝试开发 PR3 抑制剂。有关PR3 的抑制剂见表 2. 4 PR3与疾病 PR3不但可直接降解组织蛋白,还介入调节炎症反响,与GPA、COPD 和 PF 等炎症性疾病的发生发展密切相关。 4.1血管炎性肉芽肿病
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