组织蛋白酶与动脉粥样硬化性脑血管病

组织蛋白酶组织蛋白酶 S 与动脉粥样硬化性脑病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（Cathepsin S）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 CathepsinS and atherosclerotic cerebrovascular diseases ZHANG Min LIU Ya-min ZHANG Bo Department of Cerebral Vessels, Frist Affiliated Hospital of Medical College, Xian Jiaotong University, Xian 710061, Shanxi, China Correponding author: Liu Ya-min, Emial: 【Abstruct】 Cathepsin S is one of the Cathepsins that distributes generally at lysosomes of histiocyte in humans body. It has variety of actions when it is unbalancing, including promote inflammation, atherosclerosis, diabetes and obesity, etc. Studies in recent years have demonstrated that there are certain correlations of adiponectin with vascular risk factor and cerebrovascular disease. 【KeyKey wordswords】 Cathepsins; Cathepsin S, Subunit; Brain Ischemia; Atherosclerosis; Risk Factors 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。 1.1.组织蛋白酶组织蛋白酶 S S 的生物学特性的生物学特性 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。Cathepsin S 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 28 kDa3 。Cao 等4在 CathepsinS 基因 的启动子区内核苷酸-25 处发现了 GA 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-25GA 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 Cystatins C 可以抑制 Cathepsin S 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 “Transcriptional Activatotors” ，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。 2.2. CathepsinCathepsin S S 与动脉粥样硬化与动脉粥样硬化 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（Cathepsin S）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 CysC9、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(vasculer adhesion molecule1-1，VCAM-1)、细胞间粘附分-1(inter cellular adhesion molecule-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 CatS mRNA 水平，并伴随着血清 CD40 mRNA 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。 2.2 Cathepsin S 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。 2.3 Cathepsin S 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。Kenneth J15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 white cystain，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。de Nooijer R16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 0.42 nmol/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，Cathepsin S 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.Cathepsin3.Cathepsin S S 动脉粥样硬化的危险因素动脉粥样硬化的危险因素 3.1 Cathepsin S 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 斑块的易损性22。通过研究血管紧张素II受体1（AT1）拮抗剂-奥 美沙坦，对头臂动脉粥样硬化斑块中Cathepsin S水平的影响，发现： 喂食高脂饲料的apoE缺乏小鼠，每天以3mg/kg奥美沙坦处理，可维 持高水平胶原蛋白、弹力蛋白及减轻斑块发展及减少动脉粥样硬化 斑块中CatS水平。免疫组化染色显示奥美沙坦的使用抑制了斑块中 巨噬细胞的聚集，在巨噬细胞内可观察到CatS和AT1的免疫反应，暴 露于血管紧张素II的培养的巨噬细胞中CatS的mRNA含量和巨噬细胞 介导的胶原蛋白、弹力蛋白降解活动大大提高，而这些影响可被奥 美沙坦和NADPH氧化酶抑制剂夹竹桃麻素减弱。说明了巨噬细胞来源 的CatS参与了动脉粥样硬化斑块的易损性，而AT1抑制剂通过抑制巨 噬细胞内CatS活动维持了斑块的稳定性23。因此推测临床服用ARB 类降压药物可能通过RA系统抑制Cathepsin S活动，进而减缓或抑制 动脉粥样硬化的发生及发展。Aikawa E24发现50%的慢性肾脏病患 者（CRD）最终死于心血管疾病，包括严重的大动脉管壁钙化及冠心 病，其主要原因为体内CatS的显著促弹性蛋白降解作用促进了CRD患 者动脉及大动脉管壁钙化，这为心血管钙化的病理生理过程提供了 新的视角。肾素-血管紧张素（RA）系统和细胞外基质酶（ECM）包 括组织蛋白酶和MMPs显著的参与了动脉粥样硬化易损斑块的机制， 抑制RA系统和AT1拮抗剂的应用可能是一种治疗动脉硬化及稳定斑块 的临床措施。 3.3 Cathepsin S与肥胖 在过去的10年，我们对与脂肪组织的观 点发生了重要的改变，新的观念认为，脂肪组织在与肥胖并存的代 谢性和血管性疾病的病理机制中扮演着重要作用，肥胖人群中脂肪 组织的扩大并不仅仅意味着体内脂肪累积的升高，还可以自己分泌 一些生物分子，包括炎症因子(IL-6, IL-1, MCP-1)和血栓调节因子 (PAI-1)，肥胖人群血浆中这些因子都有升高25-27。因此肥胖是动 脉粥样硬化的一项高危因素，有研究通过大量的转录分析发现 CathepsinS在肥胖的发生发展中也起到作用。肥胖人群分解的脂肪 组中比非肥胖对照组的脂肪组织过高表达了240种基因，CathepsinS 基因是第一个被发现命名，且与体重指数（BMI）高度相关的基因。 尽管肥胖人群脂肪组中还高表达了其他组织蛋白酶家族成员，例如 CathepsinK、CathepsinL等，但在肥胖人群减重后，血清 CathepsinK、CathepsinL与减重前无明显变化，与之相比，肥胖使 脂肪组织和循环中CathepsinS浓度升高，减轻体重能降低血清 CathepsinS浓度，这说明降低的血清CathepsinS浓度与脂肪减少相 比，更多的与能量摄入降低相关，CathepsinS与 CathepsinK、CathepsinL相比更容易被影响人类代谢的能量平衡影 响，说明CathepsinS是与人类肥胖具有临床相关性的组织蛋白酶28。 Naour, N发现肥胖人群脂肪组织中Cathepsin S的mRNA含量较体重正 常人群中明显增高，认为Cathepsin S比CathepsinK、CathepsinL更 能影响脂肪组织和循环中的能量平衡，推测通过选择性组织蛋白酶 抑制剂的应用或许可以降低心血管疾病的发病风险以及改善肥胖人 群的代谢状态29。他还发现在血清cystatin C在肥胖人群两性中均 升高，cystatin C mRNA在皮下和网膜脂肪组中表达高于非脂肪组织 2倍多，说明肥胖促使了血清cystatin C升高，并强烈支持扩大的脂 肪组织是cystatin C表达增高的来源，因为cystatin C可通过局部 或系统性的抑制组织蛋白酶调节脂肪组织和血管内稳态的作用，推 测其可能与CathepsinS共同通过肥胖人群的内分泌系统在肥胖及其 并发症的发生中起到调节作用30。 5.5.小结小结 综上所述，Cathepsin S 在动脉粥样硬化的发生、发展中起到 关键作用，并通过 ECM 降解贯穿动脉粥样硬化性疾病始终。 Cathepsin S 不但参与动脉粥样硬化，还可以调节糖尿病、高血压、 肥胖、RA 系统等 AS 危险因素，在心脑血管疾病的发病过程中起到 非常重要的作用，Cathepsin S 不仅在以上这些人群中的组织中高 表达，在血清中也可以检测到其含量的升高，一方面 Cathepsin S 参与动脉粥样硬化性血管病发病过程，另一方面又可以在应激时促 进新生血管形成，可能也是闭塞动脉侧枝循环形成的机制，因此， 通过研发 Cathepsin S 的临床检测手段及安全有效的 Cathepsin S 临床抑制剂，是否能指导心脑血管事件的一级预防仍需进一步研究。 参考文献 1. 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