TMPRSS2，SARS-CoV-2入侵激活因子

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，這是一類在細胞膜上具有保守的絲氨酸蛋白酶結構域的蛋白質。TMPRSSs的基本結構相似。C末端的蛋白酶結構域位于細胞外，N末端位于細胞內，并且還具有單一的跨膜結構域。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基因的一個顯著特征是多個雄激素受體元件（AREs）位于轉錄起始位點和第一個內含子的上游^{[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蛋白質由492個氨基酸組成，可錨定到細胞質膜。正如圖2所示，它通過Arg255和Ile256之間的自體催化剪切轉化為其形式。剪切后，成熟的蛋白酶大多數都與膜結合，但其中有相當一部分可以釋放到細胞外環(huán)境中。蛋白酶催化域含有一個催化三聯體，由氨基酸殘基His296，Asp345和Ser441組成，相應于胰蛋白酶原的His57，Asp102和Ser195 ^[4]。

圖2. TMPRSS2蛋白的定位和結構

*圖片來源于Biochimie發(fā)表的一篇文章 ^[2]

2. TMPRSS2的分布情況

TMPRSS2的表達具有明顯的組織特異性。人類TMPRSS2是一個雄激素調控的、II型跨膜絲氨酸蛋白酶，在前列腺中表達最為豐富，而在肺部、結腸、肝臟、腎臟和胰腺中表達較低水平。根據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胞中表達，這表明TMPRSS2在小鼠和人類中的表達分布非常相似。這種組織特異性的表達也暗示，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。在2005年，大多數前列腺癌（高達70%）被發(fā)現具有TMPRSS2和雌激素調控基因（ERG）的融合，它們都位于染色體21上。此后不久，還發(fā)現了其他紅細胞生成特異性（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結構域含蛋白基因（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基因之間實際的基因物質喪失；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，即一個基因移動到同一染色體或不同染色體上的另一個位置。這兩種機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志物。

圖3. TMPRESS2-ERG融合機制(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。我們將在下一節(jié)中闡述這一功能。

4. TMPRSS2與病毒的聯系

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，如嚴重急性呼吸綜合癥相關冠狀病毒（SARS-CoV）和中東呼吸綜合癥相關冠狀病毒（MERS-CoV）。體外實驗中，TMPRSS2的激活誘導病毒與細胞膜在細胞表面融合。在這項研究中，他們使用SARS-CoV和MERS-CoV感染的動物模型研究了TMPRSS2的作用。結果顯示，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重程度 ^[6]。

實際上，早在2011年，Ilona Glowacka和其他來自德國漢諾威醫(yī)學院的研究人員就評估了TMPRSS2是否通過其進行SARS-CoV的S蛋白質的蛋白水解。在這項研究中，Western blot分析的結果顯示，TMPRSS2的共表達（順式裂解）和SARS S表達細胞與TMPRSS2陽性細胞接觸（反式裂解）時，SARS S被裂解成幾個片段。順式裂解導致SARS S片段釋放到細胞上清液中，并抑制抗體介導的中和作用。反式裂解激活了效應細胞上的SARS S與靶細胞融合。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進行細胞間和病毒細胞融合來促進病毒傳播和病理進程 ^[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構。關于冠狀病毒通過涉及TMPRSS2進入細胞的方式，早在2013年就有兩項研究報告。其中一種方式是細胞表面通過TMPRSS2介導，另一種方式是通過細胞核中的蛋白酶L介導。Stefanie Gierer等人發(fā)現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 ^{[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)現這兩種酶可以裂解并激活SARS-CoV的刺突蛋白以進行膜融合。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等人進一步證明了冠狀病毒使用其刺突蛋白來選擇和進入靶細胞，并且SARS-CoV-2刺突（S）驅動的入侵機制可能有助于評估大流行潛力并揭示治療靶點。在他們的研究中，他們證明SARS-CoV-2-S使用SARS-CoV受體ACE2進入，而使用細胞蛋白酶TMPRSS2進行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。這些結果揭示了SARS-CoV-2和SARS-CoV感染之間的重要共同點，可能轉化為類似的傳播能力和疾病發(fā)病機制 ^{[1] [11]}。

6. TMPRSS2研究的最新進展

在本節(jié)中，我們列出了TMPRSS2和SARS-CoV-2研究的一些最新進展，如下所示：

? 2021年4月12日，斯坦福大學和愛荷華大學團隊創(chuàng)建了一種名為3DPhyloFold的基于結構的系統演化計算工具，以系統地識別具有已知治療性抑制劑的結構相似的絲氨酸蛋白酶（TMPRSS2），并在體外和體內展示了對SARS-CoV-2感染的有效抑制作用 ^[12]。

? 2021年3月19日，烏爾姆大學醫(yī)學中心團隊報告稱，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，長庚大學團隊揭示，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疾病嚴重程度的風險。這可能通過在肺纖維母細胞中上調ACE2和TMPRSS2并通過阻斷IL-8/CXCR1/2途徑來實現 ^[14]。

? 2021年1月26日，意大利圣馬泰奧大學醫(yī)學中心團隊證明，來自不同人體組織的間充質干細胞（MSCs）不會對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，北海道大學的研究團隊的研究數據表明，它們無法利用與宿主II型跨膜絲氨酸蛋白酶TMPRSS2介導的直接融合入侵途徑。這項研究證明S蛋白多堿性裂解基序是決定SARS-CoV-2入侵和細胞病毒組織特異性的關鍵因素 ^[16]。

7. 面向SARS-CoV-2治療的靶向TMPRSS2的藥物

越來越多的證據表明，TMPRSS2是SARS-CoV-2（COVID-19）治療中的一個重要靶點。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據：