溶酶体蛋白酶在不同pH环境中“分饰两角”

　　Cell Research | 段树民团队发现溶酶体蛋白酶在不同pH环境中“分饰两角”

　　溶酶体中存在多种负责降解多肽或蛋白质的蛋白水解酶。为确保它们在特定部位与环境发挥催化作用、避免“滥杀无辜”，蛋白水解酶通常以酶原的形式在囊泡内大量储存。在传统认识中，酶原是不具有催化活性的前体蛋白。然而，酶原在功能上真的只是“沉默的大多数”吗？

　　2021年1月29日，浙江大学医学院段树民院士团队在Cell Research杂志上发表文章The noncanonical role of the protease cathepsin D as a cofilin phosphatase，发现溶酶体蛋白水解酶cathepsin D的酶原蛋白具有pH和构象双重依赖的非经典磷酸酶活性。

　　作为溶酶体中主要的蛋白水解酶，cathepsin D参与调控蛋白降解相关的多种生理和病理过程。Cathepsin D蛋白在一些肿瘤组织中持续高表达，而这种高丰度表达通常提示预后不良。尽管cathepsin D的成熟及催化过程均依赖酸性pH 环境，近年研究发现，脱离酸性pH环境的cathepsin D、未成熟cathepsin D，以及缺失蛋白酶活性的cathepsin D突变蛋白，都与野生型cathepsin D蛋白类似，同样具有促进细胞增殖和迁移的功能，提示cathepsin D可能具有不依赖酸性pH环境的非蛋白水解酶活性。

　　段树民院士团队前期工作发现，未成熟cathepsin D可以被晚期内吞体释放至胞浆，参与调控微丝骨架重组、维持细胞快速迁移（详见BioArt报道：Sci Adv | 段树民团队揭示内吞体/溶酶体囊泡调控小胶质细胞迁移的新机制）。为进一步解析cathepsin D在中性pH环境中的功能，研究团队利用纯化重组蛋白进行体外酶活性分析，同时构建果蝇和小鼠研究模型，对cathepsin D的非蛋白水解功能进行深入研究。令人意外的是，中性pH环境中未成熟的cathepsin D具有非经典的磷酸酶活性。在细胞微丝骨架发生迅速重组时，未成熟cathepsin D直接去磷酸化并激活丝切蛋白cofilin、调控细胞微丝骨架组装。当cathepsin D的磷酸酶活性缺失后，细胞胞质分裂停滞，产生畸形的多核巨细胞，进而抑制细胞增殖。这些研究结果表明，cathepsin D在成熟前后分别具有中性pH依赖的磷酸酶活性和酸性pH依赖的蛋白酶活性，尚未成熟的cathepsin D可以通过磷酸酶活性调控微丝骨架重组和细胞分裂增殖。

　　该工作由浙江大学医学院段树民院士指导，上海科技大学何淑君研究员、浙江大学医学院王晓东教授、段树民院士团队刘怿君副教授为本文共同通讯作者，刘怿君副教授和段树民院士团队博士后张婷为并列第一作者。该研究得到中科院遗传发育所张永清研究员、清华大学俞立教授、中科院生物物理所冯巍研究员、北京大学唐淳教授的支持和帮助。