半胱氨酸组织蛋白酶在药物发现中的已知与未知：机遇与挑战

《Biochemistry (Moscow)》：Cysteine Cathepsins and Drug Discovery: Knowns and Unknowns

　　本文针对半胱氨酸组织蛋白酶(Cathepsins)在溶酶体外病理过程中的作用机制尚不明确、制约其靶向药物开发的瓶颈问题，系统梳理了其在肿瘤、神经退行性疾病等领域作为诊断标记和药理靶点的潜力，分析了现有抑制剂临床试验的成败经验，强调了深入研究其表达调控、活化及功能冗余性对于开发新型治疗策略的重要意义。

　　

在我们身体的细胞里，有一个被称为“溶酶体”的垃圾处理厂，其中活跃着一群名为“半胱氨酸组织蛋白酶”的“剪刀手”专家。它们的主要工作是在酸性环境下将大分子蛋白质“剪碎”降解。然而，科学家们逐渐发现，这些酶并不安分于溶酶体内，它们会出现在细胞核、细胞质甚至细胞外等中性pH环境中，并参与到癌症、阿尔茨海默病、心血管疾病等多种重大疾病的发生发展过程中。这使得它们成为了极具吸引力的药物靶点。但遗憾的是，针对它们设计的抑制剂在临床试验中屡屡受挫，至今无一获批上市。这背后究竟隐藏着哪些科学谜题？为了回答这个问题，研究人员对半胱氨酸组织蛋白酶在药物发现领域的“已知”与“未知”进行了系统性的梳理和展望，相关论文发表在《Biochemistry (Moscow)》上。

为了系统阐述半胱氨酸组织蛋白酶作为药物靶点的挑战与机遇，本研究主要采用了文献综述与数据整合分析的方法。研究人员系统检索并分析了大量已发表的科学研究文献和临床试验数据，特别是关注了涉及Cathepsin K、S、B、C抑制剂的临床试验（如odanacatib、RO5459072、brensocatib等）的结果与终止原因。同时，对半胱氨酸组织蛋白酶的生物合成、表达调控（包括转录、表观遗传如DNA甲基化、非编码RNA调控）、细胞内运输、酶原活化机制以及在不同pH条件下的底物特异性等基础生物学过程进行了归纳和探讨。

Cysteine cathepsins and Drug Discovery: Knowns and Unknowns

引言：从“消化酶”到“多面手”的认知演变

“Cathepsin”一词源于希腊语，意为“消化”，精准地描述了这类蛋白酶最初被认识的经典功能——在溶酶体的酸性环境中降解蛋白质。人类基因组编码15种组织蛋白酶，其中11种属于半胱氨酸组织蛋白酶，均属于木瓜蛋白酶样的C1A亚家族。它们包括内肽酶、外肽酶以及兼具两种活性的酶。然而，近年来的研究不断揭示，这些酶的舞台远不止于溶酶体。例如，组织蛋白酶K在酸化的骨吸收陷窝中降解胶原；组织蛋白酶L在细胞核内调控转录因子CDP/Cux的降解，并参与DNA修复；组织蛋白酶S在细胞质中切割促凋亡蛋白Bax以调控凋亡。这些发现打破了传统认知，表明半胱氨酸组织蛋白酶在生理性pH条件下也能执行特定的蛋白水解功能，尤其在多种病理状态下，其作用更为凸显。

作为药理靶标的挑战：抑制剂临床开发的困境

鉴于半胱氨酸组织蛋白酶在多种疾病中的关键作用，将其作为诊断标记和治疗靶点成为了顺理成章的想法。然而，针对其开发的抑制剂（如针对骨质疏松的Cathepsin K抑制剂odanacatib、balicatib，针对自身免疫病的Cathepsin S抑制剂RO5459072，针对肺部炎症的Cathepsin C抑制剂brensocatib）在临床试验中均未能成功上市。失败的原因复杂多样：其一是长期以来对其溶酶体外功能的忽视，导致对抑制剂在疾病中作用机制的了解不全面；其二是C1A亚家族成员间高度的结构同源性导致了功能冗余和补偿机制，使得抑制单一酶的效果可能被其他成员代偿，同时也增加了脱靶效应的风险；其三，一些抑制剂产生了意想不到的副作用，如皮肤病变、心血管风险等。这些挫折凸显了需要一种更全面、更系统的策略来靶向这些酶，必须充分考虑其生物发生的各个阶段。

调控的复杂性：从基因表达到酶活化

半胱氨酸组织蛋白酶的表达和功能受到多层次的精细调控。在表达层面，虽然部分酶（如Cathepsins B, H, L等）广泛表达，但Cathepsins K, S, W则呈现组织特异性分布。在病理过程中，其表达常常上调。调控不仅发生在转录水平，还涉及复杂的表观遗传机制，如基因启动子区CpG岛的甲基化，以及长链非编码RNA和microRNA的调控。然而，目前对这些调控网络的研究缺乏系统性，特别是对于成员间可能存在的补偿性调控机制知之甚少。

在翻译后层面，酶的细胞内运输和活化是关键步骤。除了经典的经由内质网-高尔基体途径进入溶酶体的过程外，它们如何被运送到细胞核等其他细胞器尚不明确。酶原的活化是一个多步骤过程，通常在酸性条件下通过自催化完成。但在中性pH环境中，其活化机制可能涉及其他因子（如糖胺聚糖）或其他蛋白酶的参与。对这些活化细节的理解，对于设计能够精确调控其活性的药物至关重要。

活性与特异性：pH环境决定“剪刀”的锋利度与精确度

对半胱氨酸组织蛋白酶酶学活性的认识，大多来源于其在溶酶体酸性环境下的研究。其内肽酶活性通常具有较宽的底物特异性，活性位点的疏水性S2口袋是决定其底物偏好的主要因素。然而，新近证据表明，在代表溶酶体外生理条件的中性pH环境下，这些酶可能表现出更高的底物特异性，能够选择性切割特定蛋白。这种pH依赖的活性与特异性变化的分子机制尚不完全清楚。深入理解这些机制，对于开发具有明确特异性谱的抑制剂（无论是广谱还是窄谱）至关重要。

结论与展望：填补知识空白以开辟治疗新途径

总而言之，尽管我们对半胱氨酸组织蛋白酶的经典溶酶体功能已有相当深入的了解，但对其在溶酶体外的功能，无论是在正常生理还是病理状态下，仍然缺乏系统性的认识。这种知识上的差距涵盖了其表达调控、成熟、细胞内运输、底物特异性以及功能冗余性等多个方面。这解释了目前药物开发（主要局限于酶抑制剂）进展有限的原因，同时也揭示了巨大的未来研究机遇。系统地推进这一领域的研究，不仅将带来基础科学上的重要发现，更具有极高的转化潜力。成功转化这些知识，有望催生针对半胱氨酸组织蛋白酶的新一代药物，用于治疗癌症、神经退行性疾病、心血管疾病、自身免疫病以及其他炎症性疾病等广泛的人类疾病。