溶酶體蛋白酶在不同pH環境中“分飾兩角”

　　Cell Research | 段樹民團隊發現溶酶體蛋白酶在不同pH環境中“分飾兩角”

　　溶酶體中存在多種負責降解多肽或蛋白質的蛋白水解酶。為確保它們在特定部位與環境發揮催化作用、避免“濫殺無辜”，蛋白水解酶通常以酶原的形式在囊泡內大量儲存。在傳統認識中，酶原是不具有催化活性的前體蛋白。然而，酶原在功能上真的只是“沉默的大多數”嗎？

　　2021年1月29日，浙江大學醫學院段樹民院士團隊在Cell Research雜志上發表文章The noncanonical role of the protease cathepsin D as a cofilin phosphatase，發現溶酶體蛋白水解酶cathepsin D的酶原蛋白具有pH和構象雙重依賴的非經典磷酸酶活性。

　　作為溶酶體中主要的蛋白水解酶，cathepsin D參與調控蛋白降解相關的多種生理和病理過程。Cathepsin D蛋白在一些腫瘤組織中持續高表達，而這種高豐度表達通常提示預后不良。盡管cathepsin D的成熟及催化過程均依賴酸性pH 環境，近年研究發現，脫離酸性pH環境的cathepsin D、未成熟cathepsin D，以及缺失蛋白酶活性的cathepsin D突變蛋白，都與野生型cathepsin D蛋白類似，同樣具有促進細胞增殖和遷移的功能，提示cathepsin D可能具有不依賴酸性pH環境的非蛋白水解酶活性。

　　段樹民院士團隊前期工作發現，未成熟cathepsin D可以被晚期內吞體釋放至胞漿，參與調控微絲骨架重組、維持細胞快速遷移（詳見BioArt報道：Sci Adv | 段樹民團隊揭示內吞體/溶酶體囊泡調控小膠質細胞遷移的新機制）。為進一步解析cathepsin D在中性pH環境中的功能，研究團隊利用純化重組蛋白進行體外酶活性分析，同時構建果蠅和小鼠研究模型，對cathepsin D的非蛋白水解功能進行深入研究。令人意外的是，中性pH環境中未成熟的cathepsin D具有非經典的磷酸酶活性。在細胞微絲骨架發生迅速重組時，未成熟cathepsin D直接去磷酸化并激活絲切蛋白cofilin、調控細胞微絲骨架組裝。當cathepsin D的磷酸酶活性缺失后，細胞胞質分裂停滯，產生畸形的多核巨細胞，進而抑制細胞增殖。這些研究結果表明，cathepsin D在成熟前后分別具有中性pH依賴的磷酸酶活性和酸性pH依賴的蛋白酶活性，尚未成熟的cathepsin D可以通過磷酸酶活性調控微絲骨架重組和細胞分裂增殖。

　　該工作由浙江大學醫學院段樹民院士指導，上海科技大學何淑君研究員、浙江大學醫學院王曉東教授、段樹民院士團隊劉懌君副教授為本文共同通訊作者，劉懌君副教授和段樹民院士團隊博士后張婷為并列第一作者。該研究得到中科院遺傳發育所張永清研究員、清華大學俞立教授、中科院生物物理所馮巍研究員、北京大學唐淳教授的支持和幫助。