蛋白酶3及其在相关疾病的作用机制综述

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蛋白酶 3及其在相关疾病的作用机制综述

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 ）在清除病原体方面发挥重要作用。蛋白酶 3（proteinase

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 G（cathepsin 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，不但参与消灭感染性炎症中的病原

体，而且在抑制剂与蛋白酶失衡的情况下直接参与组织损伤，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探讨，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 的结构

PR3 由222 个氨基酸残基组成，其三维结构含 2个β桶结构和 1个羧基端 α螺旋，而每个 β桶

结构又包括 6 个反向平行的 β 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β桶结构的连接处。PR3 还含有天

冬酰胺（asparagine,Asn）159 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，形成 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 的分布与表达

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。此外，嗜碱性粒细胞、肥大细胞、内皮细胞、人肺泡壁细胞也可表达

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 α（tumornecrosis factor-α ，TNF-α ）、转化生长因子

β（transforming growth factor-β ，TGF-β ）、白介素（interleukin,IL）1、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 表达在细胞膜上

[4].未激活的中性粒细胞膜上也有 PR3 表达，活化的中性粒细胞膜表达的 PR3（membrane-

bound proteinase-3, mPR3 ）是未活化的 5~6 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, Phe）166、异亮氨酸（isoleucine,Ile）217、色氨酸

（tryptophan,Trp）218、亮氨酸（leucine,Leu）223、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, CD）16 和CD177（NB1）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。CD177（NB1）阳性细胞中，PR3 表达和活性大大提高[6]. 中性粒细胞凋亡诱导的PR3 膜

表达并不依赖于脱颗粒作用，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 可以外化。PR3 的外化可以削弱巨噬细胞对凋亡细胞的清除且不依赖其酶活

性，从而加剧炎症反应[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）诱捕并清除病原菌。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 表面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,hCAP）18 加工成其活化形式

LL-37. 该多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 ）前体形成 HNP1,参

与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，参与吞噬细菌的过程

[9].

2.2 PR3 对组织蛋白质的水解活性

PR3 Ⅳ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，但不能

Ⅰ Ⅲ 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。正因为 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 对炎症过程的调控作用

2.3.1 对细胞因子的加工

PR3 可裂解活化 TNF-α、IL-1β、IL-18、IL-8 等细胞因子，在炎症过程中发挥重要作用。TNF-α

是重要的促炎因子，合成时以膜结合的前体形式存在。PR3 能裂解该前体而活化生成 TNF-

α[11],可能参与风湿性关节炎的形成和克罗恩病的发展。

IL-1β 是单核巨噬细胞和自然杀伤细胞（naturalkiller,NK）等表达的促炎因子，与感染性休克、

创伤修复有关。PR3 通过活化 IL-1β，可能参与哮喘、类风湿关节炎、神经性炎症等炎症性疾

病[12].

IL-18 是γ干扰素（interferon-γ，IFN-γ）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 的前体构成性表达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,可能参与牙周炎、哮喘、败血症、风湿性关节炎和炎症性肠病等[13].IL-8 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，参与慢

性阻塞性肺疾病等[14].此外，PR3 还能活化 TGF-β1[15]、IL-32[16], 灭活 IL-6[17]和巨噬细胞炎

症蛋白 1α（macrophage inflammatory protein-1alpha, MIP-1α）[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参与调控炎症反应。

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号传导，在调节炎症反应中发挥一定的作用。PR3 通过裂

解蛋白酶激活受体（protease activated receptor,PAR）1, 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整性[20].PR3 通过PAR-2 依赖途径增强内皮细胞的屏障

功能，诱导内皮细胞维持钙信号，抑制 PAR-1 激动剂对内皮细胞缝隙连接蛋白的破坏和血管

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应的关键组成成分。PR3 还能下调内皮细胞和

血小板的凝血酶受体活性，调节止血平衡和炎症反应。

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应。PR3 能加工核转录因

子κB（nuclear factor κB,NF-κB）[22] 、周期蛋白依赖性激酶抑制剂 p21[23].PR3 对NF-κB 和

p21 的蛋白水解能加速内皮细胞的凋亡，参与克罗恩病、溃疡性结肠炎等疾病。PR3 能裂解活

化caspase-3[24],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

调节蛋白的表达水平，调节神经元细胞死亡途径[25].此外，PR3 还能裂解β2 整合素

CD11b/CD18[26]、TGF-β 结合蛋白，灭活 C1 抑制剂、颗粒蛋白前体（progranulin,PGRN）

[27] 、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 Ⅰ ）和 AngⅡ、活化血小板等，不同程度地参与了炎症的发生发展。

从前述可知，PR3 的生物学功能广泛，可通过降解组织蛋白、调控免疫反应等而参与相关疾病

的发生发展。有关 PR3 的生物学功能及可能参与的疾病见表1.

3 PR3 的抑制剂

PR3 是中性粒细胞分泌的主要丝氨酸蛋白酶之一，人体内亦存在多种可保护自身免受其攻击的

内源性抑制剂，如 α1 蛋白酶抑制剂（α1-proteinaseinhibitor,α1-PI）、serpinB1、Elafin 及α2- 巨

球蛋白（alpha 2-macroglobulin,α2-M）等。α1-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。α1-PI 与PR3 的结合不可逆，PR3 通过与 α1-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，仍旧停留在中性粒细胞膜上，且与

之结合得更加紧密。虽然能完全抑制其水解活性，但不能从中性粒细胞膜上清除[5].α2-M 是大

小为 725 ku 的血浆糖蛋白，由于其分子质量大，能到达炎症部位的机会大大减少。它对酶抑制

作用的发挥可能就局限于循环血液中，只有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α1-PI、α2-M 失活。

因为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，目前对于 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 PR3[35].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，因而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

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摘要：

蛋白酶3及其在相关疾病的作用机制综述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（neutrophilserineproteases,NSPs）在清除病原体方面发挥重要作用。蛋白酶3（proteinase3,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（humanneutrophilelastase,HNE）及组织蛋白酶G（cathepsinG,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，不但参与消灭感染性炎症中的病原体，而且在抑制剂与蛋白酶失衡的情况下直接参与组织损伤，与多种慢性炎...

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