TMPRSS2，SARS-CoV-2入侵激活因子
日期：2023-12-12 16:09:20
隨著COVID-19在全球范圍內(nèi)傳播，科學(xué)家們努力探索SARS-CoV-2侵入機(jī)制。已經(jīng)報(bào)道了許多SARS-CoV-2與宿主相互作用的靶點(diǎn)，例如ACE2、TMPRSS2和CD147。SARS-CoV-2與TMPRSS2之間的關(guān)系首次在題為“新型冠狀病毒2019（2019-nCoV）使用SARS冠狀病毒受體1 ACE2和細(xì)胞蛋白酶TMPRSS2進(jìn)入目標(biāo)細(xì)胞”的研究中得到了報(bào)道[1]。此后，關(guān)于TMPRSS2的研究越來越多地被發(fā)表。那么，TMPRSS2是什么？SARS-CoV-2如何通過TMPRSS2侵入人體？
1. TMPRSS2的定義
跨膜蛋白酶絲氨酸酶2，也稱為TMPRSS2，是跨膜蛋白酶絲氨酸酶（TMPRSSs）家族的成員，這是一類在細(xì)胞膜上具有保守的絲氨酸蛋白酶結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)。TMPRSSs的基本結(jié)構(gòu)相似。C末端的蛋白酶結(jié)構(gòu)域位于細(xì)胞外，N末端位于細(xì)胞內(nèi)，并且還具有單一的跨膜結(jié)構(gòu)域。區(qū)別在于骨架區(qū)域。
正如圖1所示，TMPRSS2基因位于人類染色體21：41, 464, 551-41, 531, 116。TMPRSS2基因的一個(gè)顯著特征是多個(gè)雄激素受體元件（AREs）位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)和第一個(gè)內(nèi)含子的上游[2] [3]。
圖1. TMPRSS2基因組定位示意圖
*圖片來源于Biochimie發(fā)表的一篇文章 [2]
由TMPRSS2基因編碼的TMPRSS2蛋白質(zhì)由492個(gè)氨基酸組成，可錨定到細(xì)胞質(zhì)膜。正如圖2所示，它通過Arg255和Ile256之間的自體催化剪切轉(zhuǎn)化為其形式。剪切后，成熟的蛋白酶大多數(shù)都與膜結(jié)合，但其中有相當(dāng)一部分可以釋放到細(xì)胞外環(huán)境中。蛋白酶催化域含有一個(gè)催化三聯(lián)體，由氨基酸殘基His296，Asp345和Ser441組成，相應(yīng)于胰蛋白酶原的His57，Asp102和Ser195 [4]。
圖2. TMPRSS2蛋白的定位和結(jié)構(gòu)
*圖片來源于Biochimie發(fā)表的一篇文章 [2]
2. TMPRSS2的分布情況
TMPRSS2的表達(dá)具有明顯的組織特異性。人類TMPRSS2是一個(gè)雄激素調(diào)控的、II型跨膜絲氨酸蛋白酶，在前列腺中表達(dá)最為豐富，而在肺部、結(jié)腸、肝臟、腎臟和胰腺中表達(dá)較低水平。根據(jù)對小鼠胚胎和成體組織的原位雜交分析，小鼠TMPRSS2也在胃腸道、泌尿生殖道和呼吸道上皮細(xì)胞中表達(dá)，這表明TMPRSS2在小鼠和人類中的表達(dá)分布非常相似。這種組織特異性的表達(dá)也暗示，由異常TMPRSS2引起的疾病可能更偏向于男性而不是女性。
3. TMPRSS2的功能
TMPRSS2與前列腺癌密切相關(guān)。在2005年，大多數(shù)前列腺癌（高達(dá)70%）被發(fā)現(xiàn)具有TMPRSS2和雌激素調(diào)控基因（ERG）的融合，它們都位于染色體21上。此后不久，還發(fā)現(xiàn)了其他紅細(xì)胞生成特異性（ETS）變異基因（ETV）家族的成員具有基因融合，盡管頻率要低得多，包括ETV1（染色體7）、ETV4（染色體17）、ETV5（染色體3）和ETS結(jié)構(gòu)域含蛋白基因（ELK4，染色體1）。
以TMPRSS2和ERG融合為例，基因融合，也稱為基因重排，常常導(dǎo)致某些基因的異常激活。如圖3所示，基因重排包括在同一染色體上兩個(gè)基因之間實(shí)際的基因物質(zhì)喪失；請注意在染色體21上TMPRSS2和ERG之間中間基因的缺失。融合的第二種形式是由于易位，即一個(gè)基因移動(dòng)到同一染色體或不同染色體上的另一個(gè)位置。這兩種機(jī)制都適用于前列腺癌中的基因重排。鑒于前列腺癌的高發(fā)病率，這種融合基因可能是人類癌癥中最常見的融合基因。此外，TMPRSS2-ERG可以作為前列腺癌的診斷標(biāo)志物。
圖3. TMPRESS2-ERG融合機(jī)制(21號染色體)
*圖片來源于BJU Int上發(fā)表的文章 [5]
另外，除了在前列腺癌中的作用，TMPRSS2還與病毒有關(guān)。我們將在下一節(jié)中闡述這一功能。
4. TMPRSS2與病毒的聯(lián)系
2019年，巖田佳奈子（Naoko Iwata-Yoshikawa）等人的研究顯示，TMPRSS2激活高致病性人類冠狀病毒的刺突蛋白，如嚴(yán)重急性呼吸綜合癥相關(guān)冠狀病毒（SARS-CoV）和中東呼吸綜合癥相關(guān)冠狀病毒（MERS-CoV）。體外實(shí)驗(yàn)中，TMPRSS2的激活誘導(dǎo)病毒與細(xì)胞膜在細(xì)胞表面融合。在這項(xiàng)研究中，他們使用SARS-CoV和MERS-CoV感染的動(dòng)物模型研究了TMPRSS2的作用。結(jié)果顯示，在呼吸道缺乏TMPRSS2可以減輕SARS-CoV和MERS-CoV感染后肺部病理的嚴(yán)重程度 [6]。
實(shí)際上，早在2011年，Ilona Glowacka和其他來自德國漢諾威醫(yī)學(xué)院的研究人員就評估了TMPRSS2是否通過其進(jìn)行SARS-CoV的S蛋白質(zhì)的蛋白水解。在這項(xiàng)研究中，Western blot分析的結(jié)果顯示，TMPRSS2的共表達(dá)（順式裂解）和SARS S表達(dá)細(xì)胞與TMPRSS2陽性細(xì)胞接觸（反式裂解）時(shí)，SARS S被裂解成幾個(gè)片段。順式裂解導(dǎo)致SARS S片段釋放到細(xì)胞上清液中，并抑制抗體介導(dǎo)的中和作用。反式裂解激活了效應(yīng)細(xì)胞上的SARS S與靶細(xì)胞融合。這表明TMPRSS2可能通過減少病毒被中和抗體識別以及激活SARS S進(jìn)行細(xì)胞間和病毒細(xì)胞融合來促進(jìn)病毒傳播和病理進(jìn)程 [7]。
5. SARS-CoV-2通過TMPRSS2侵入人體的途徑
SARS-CoV-2，一種冠狀病毒，與SARS-CoV具有相似的中心生物特性和類似的結(jié)構(gòu)。關(guān)于冠狀病毒通過涉及TMPRSS2進(jìn)入細(xì)胞的方式，早在2013年就有兩項(xiàng)研究報(bào)告。其中一種方式是細(xì)胞表面通過TMPRSS2介導(dǎo)，另一種方式是通過細(xì)胞核中的蛋白酶L介導(dǎo)。Stefanie Gierer等人發(fā)現(xiàn)TMPRSS2和半胱氨酸蛋白酶B和L可以激活新型人冠狀病毒EMC（hCoV-EMC）并與靶細(xì)胞融合。因此，TMPRSS2和半胱氨酸蛋白酶已成為控制hCoV-EMC的潛在靶點(diǎn) [8] [9]。2014年，Adeline Heurich和其他人再次證明了TMPRSS2和HAT在冠狀病毒中的作用。他們發(fā)現(xiàn)這兩種酶可以裂解并激活SARS-CoV的刺突蛋白以進(jìn)行膜融合。此外，這些酶還可以裂解SARS-CoV受體ACE2 [10]。
在2020年，隨著COVID-19在全球爆發(fā)，Markus Hoffmann等人進(jìn)一步證明了冠狀病毒使用其刺突蛋白來選擇和進(jìn)入靶細(xì)胞，并且SARS-CoV-2刺突（S）驅(qū)動(dòng)的入侵機(jī)制可能有助于評估大流行潛力并揭示治療靶點(diǎn)。在他們的研究中，他們證明SARS-CoV-2-S使用SARS-CoV受體ACE2進(jìn)入，而使用細(xì)胞蛋白酶TMPRSS2進(jìn)行SARS-CoV-2-S的初級加工。TMPRSS2抑制劑可以阻止入侵，可能成為一種治療選擇。這些結(jié)果揭示了SARS-CoV-2和SARS-CoV感染之間的重要共同點(diǎn)，可能轉(zhuǎn)化為類似的傳播能力和疾病發(fā)病機(jī)制 [1] [11]。
6. TMPRSS2研究的最新進(jìn)展
在本節(jié)中，我們列出了TMPRSS2和SARS-CoV-2研究的一些最新進(jìn)展，如下所示：
? 2021年4月12日，斯坦福大學(xué)和愛荷華大學(xué)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一種名為3DPhyloFold的基于結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)演化計(jì)算工具，以系統(tǒng)地識別具有已知治療性抑制劑的結(jié)構(gòu)相似的絲氨酸蛋白酶（TMPRSS2），并在體外和體內(nèi)展示了對SARS-CoV-2感染的有效抑制作用 [12]。
? 2021年3月19日，烏爾姆大學(xué)醫(yī)學(xué)中心團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱，急性相蛋白α1AT是TMPRSS2和SARS-CoV-2入侵的抑制劑，可能在對抗新型冠狀病毒的先天免疫防御中發(fā)揮重要作用 [13]。
? 2021年3月11日，長庚大學(xué)團(tuán)隊(duì)揭示，暴露于空氣污染和潛在的IPF（特發(fā)性肺纖維化）增加了SARS-CoV-2感染和COVID-19疾病嚴(yán)重程度的風(fēng)險(xiǎn)。這可能通過在肺纖維母細(xì)胞中上調(diào)ACE2和TMPRSS2并通過阻斷IL-8/CXCR1/2途徑來實(shí)現(xiàn) [14]。
? 2021年1月26日，意大利圣馬泰奧大學(xué)醫(yī)學(xué)中心團(tuán)隊(duì)證明，來自不同人體組織的間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）不會(huì)對SARS-CoV-2感染具有感受性，這支持MSCs作為COVID-19潛在治療方法的安全性 [15]。
? 2021年1月，北海道大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)的研究數(shù)據(jù)表明，它們無法利用與宿主II型跨膜絲氨酸蛋白酶TMPRSS2介導(dǎo)的直接融合入侵途徑。這項(xiàng)研究證明S蛋白多堿性裂解基序是決定SARS-CoV-2入侵和細(xì)胞病毒組織特異性的關(guān)鍵因素 [16]。
7. 面向SARS-CoV-2治療的靶向TMPRSS2的藥物
越來越多的證據(jù)表明，TMPRSS2是SARS-CoV-2（COVID-19）治療中的一個(gè)重要靶點(diǎn)。我們將以下列方式搜集了針對SARS-CoV-2治療的靶向TMPRSS2的藥物的最新臨床數(shù)據(jù)：
| 標(biāo)題 | 藥物類型 | 適應(yīng)癥 | 階段 | 單位名稱 | 最后更新日期 |
|---|---|---|---|---|---|
| Low-dose Hydroxychloroquine and Bromhexine: a Novel Regimen for COVID-19 Prophylaxis in Healthcare Professionals (ELEVATE Trial) | 有機(jī)雜環(huán)類藥物 | 羥氯喹;抗瘧藥; 酶抑制劑; Antirheumatic Agents | 1期早期 |
國家康復(fù)研究所 | 2021年4月5日 |
| Randomized Trial of Bicalutamide to Block TMPRSS2 in Males With COVID-19 Infection | 有機(jī)雜環(huán)類藥物 | 2019冠狀病毒病 | 3期 | 佛羅里達(dá)大學(xué) | 2021年1月27日 |
| RECOVER: Phase 2 Randomized, Double-Blind Trial TREating Hospitalized Patients With COVID-19 With Camostat MesilatE, a TMPRSS2 Inhibitor | 有機(jī)雜環(huán)類藥物 | 嚴(yán)重急性呼吸系統(tǒng)綜合癥 | 2期 | 艾倫?布萊斯 | 2021年1月11日 |
| An Exploratory Analysis of the Expression of Receptors and Activating Proteases Mediating SARS-CoV-2 Entry and the Association Between HSD3B1 Gene Polymorphisms With Outcomes in SARS-CoV-2 Infected Patients | / | Covid19 | N/A | 艾倫?布萊斯 | 2020年8月18日 |
| RAndomized Clinical Trial in COvid19 Patients to Assess the Efficacy of the Transmembrane Protease Serine 2 (TMPRSS2) Inhibitor NAfamostat (RACONA Study) | 有機(jī)雜環(huán)類藥物 | COVID19 | 2期/3期 | 帕多瓦大學(xué)醫(yī)院 | 2020年4月20日 |
| Efficacy of Aerosol Combination Therapy of 13 Cis Retinoic Acid and Captopril for Treating Covid-19 Patients Via Indirect Inhibition of Transmembrane Protease, Serine 2 (TMPRSS2) | 有機(jī)雜環(huán)類藥物 | Covid19 | 2期 | Kafrelsheikh 大學(xué) | 2020年10月26日 |
參考文獻(xiàn)：
[1] Markus Hoffmann, Hannah Kleine-Weber, et al. The novel coronavirus 2019 (2019-nCoV) uses the SARS-coronavirus receptor ACE2 and the cellular protease TMPRSS2 for entry into target cells [J]. bioRxiv. 2020.
[2] Li Wen Shen, Hui Juan Mao, et al. TMPRSS2: A potential target for treatment of influenza virus and coronavirus infections [J]. Biochimie. 2017.
[3] Y. Park. TMPRSS2 (transmembrane protease, serine 2) [J]. Atlas. Genet. Cytogenet. Oncol. Haematol. 2010, 14: 1163?1165.
[4] B. Lin, C. Ferguson, et al. Prostate-localized and androgen-regulated expression of the membrane-bound serine protease TMPRSS2 [J]. Cancer Res. 1999, 59:4180?4184.
[5] Deloar Hossain and David G. Bostwick. Significance of the TMPRSS2: ERG gene fusion in prostate cancer [J]. BJU Int. 2013.
[6] Naoko Iwata-Yoshikawa, Tadashi Okamura, et al. TMPRSS2 Contributes to Virus Spread and Immunopathology in the Airways of Murine Models After Coronavirus Infection [J]. J Virol. 2019, 93(6):e01815-18.
[7] Ilona Glowacka, Stephanie Bertram, et al. Evidence That TMPRSS2 Activates the Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus Spike Protein for Membrane Fusion and Reduces Viral Control by the Humoral Immune Response [J]. J Virol. 2011, 85(9):4122-34.
[8] Gierer S, Bertram S, et al. The spike protein of the emerging betacoronavirus EMC uses a novel coronavirus receptor for entry, can be activated by TMPRSS2, and is targeted by neutralizing antibodies [J]. J Virol. 2013, 87(10):5502-11.
[9] Bertram S, Dijkman R, et al. TMPRSS2 activates the human coronavirus 229E for cathepsin-independent host cell entry and is expressed in viral target cells in the respiratory epithelium [J]. J Virol. 2013, 87(11):6150-60.
[10] Heurich A, Hofmann-Winkler H, et al. TMPRSS2 and ADAM17 cleave ACE2 differentially and only proteolysis by TMPRSS2 augments entry driven by the severe acute respiratory syndrome coronavirus spike protein [J]. J Virol. 2014, 88(2):1293-307.
[11] Markus Hoffmann, Hannah Kleine-Weber, et al. SARS-CoV-2 Cell Entry Depends on ACE2 and TMPRSS2 and Is Blocked by a Clinically Proven Protease Inhibitor [J]. Cell. 2020, 181(2):271-280.
[12] Sun YJ, Velez G, Parsons DE, et al. Structure-based phylogeny identifies Avoralstat as a TMPRSS2 inhibitor that prevents SARS-CoV-2 infection in mice [J]. J Clin Invest. 2021, 147973.
[13] Wettstein L, Weil T, Conzelmann C, et al. Alpha-1 antitrypsin inhibits TMPRSS2 protease activity and SARS-CoV-2 infection [J]. Nat Commun. 2021;12(1):1726.
[14] Li HH, Liu CC, Hsu TW, et al. Upregulation of ACE2 and TMPRSS2 by particulate matter and idiopathic pulmonary fibrosis: a potential role in severe COVID-19 [J]. Part Fibre Toxicol. 2021, 18(1):11.
[15] Avanzini MA, Mura M, Percivalle E, et al. Human mesenchymal stromal cells do not express ACE2 and TMPRSS2 and are not permissive to SARS-CoV-2 infection [J]. Stem Cells Transl Med. 2021, 10(4):636-642.
[16] Sasaki M, Uemura K, Sato A, et al. SARS-CoV-2 variants with mutations at the S1/S2 cleavage site are generated in vitro during propagation in TMPRSS2-deficient cells [J]. PLoS Pathog. 2021, 17(1):e1009233.
