Введение

Семейство протеаз

Катепсины (от древнегреческого kata — «вниз» и hepsein — «варить»; сокращенно CTS) — это протеазы (ферменты, расщепляющие белки), обнаруженные во всех животных и других организмах. В это семейство входит около дюжины представителей, различающихся по структуре, каталитическому механизму и специфичности к белкам, которые они расщепляют. Большинство представителей активируются при низком pH, характерном для лизосом. Таким образом, активность этого семейства в основном ограничена этими органеллами. Однако существуют исключения, например, катепсин K, который действует внеклеточно после секреции остеокластами в процессе резорбции кости. Катепсины играют жизненно важную роль в клеточном обновлении у млекопитающих.

Катепсин А

Дефицит этого белка связан с различными формами галактозиалидоза. Активность катепсина А в лизатах метастатических очагов злокачественной меланомы значительно выше, чем в лизатах первичного очага. Катепсин А повышен в мышцах, умеренно пораженных мышечной дистрофией и заболеваниями, связанными с денервацией.

Катепсин В

Катепсин B может функционировать как бета-секретаза 1, расщепляя амилоидный предшественник белка с образованием бета-амилоида. Переэкспрессия кодируемого белка, являющегося членом семейства пептидаз C1, ассоциируется с аденокарциномой пищевода и другими опухолями. Катепсин B также был вовлечен в прогрессирование различных опухолей у человека. Высокие уровни этого фермента в опухолевых клетках, по-видимому, связаны с повышенной инвазивностью.

Катепсин К

Катепсин К – самая мощная коллагеназа млекопитающих. Катепсин К участвует в развитии остеопороза, заболевания, при котором снижение плотности костной ткани повышает риск переломов. Остеокласты – это клетки, разрушающие костную ткань в организме, и они секретируют катепсин К для расщепления коллагена, основного компонента неминерального белкового матрикса кости. Катепсин К, наряду с другими катепсинами, играет роль в метастазировании рака посредством деградации внеклеточного матрикса. Показано, что генетическое выключение генов катепсинов S и K у мышей с атеросклерозом уменьшает размер атеросклеротических бляшек. Экспрессия катепсина К в культивируемых клетках эндотелия регулируется напряжением сдвига. Также было установлено, что катепсин К играет роль в развитии артрита.

Катепсин V

Мышиный катепсин L является гомологом человеческого катепсина V. Показано, что мышиный катепсин L играет роль в адипогенезе и развитии непереносимости глюкозы у мышей. Катепсин L расщепляет фибронектин, рецепторы инсулина (IR) и рецепторы фактора роста, подобного инсулину 1 (IGF 1R). У мышей с дефицитом катепсина L было выявлено меньшее количество жировой ткани, более низкий уровень глюкозы и инсулина в сыворотке крови, большее количество субъединиц рецепторов инсулина, большее количество транспортеров глюкозы (GLUT4) и большее количество фибронектина по сравнению с контрольной группой дикого типа.

Ингибиторы

Пять циклических пептидов демонстрируют ингибирующую активность в отношении человеческих катепсинов L, B, H и K. Несколько ингибиторов достигли клинических испытаний, нацеленных на катепсины K и S как перспективные терапевтические средства для лечения остеопороза, остеоартрита и хронической боли. Ингибиторы катепсина K, Relacatib, Balicatib и Odanacatib, были прекращены на фазах I, II и III клинических испытаний соответственно из-за нежелательных побочных эффектов. SAR114137, ингибитор катепсина S, не прошел первую фазу испытаний при хронической боли. В 2022 году STI 1558, ингибитор катепсина L, получил одобрение FDA на начало исследований фазы I для лечения COVID-19.

Катепсин-зимография

Зимография – это разновидность гелевого электрофореза, использующая полиакриламидный гель, сополимеризованный с субстратом, для выявления активности ферментов. Зимография катепсинов разделяет различные катепсины на основе их миграции в полиакриламидном геле, сополимеризованном с желатиновым субстратом. Электрофорез проводится в невосстанавливающих условиях, а ферменты защищаются от денатурации с помощью леупептина. После определения концентрации белка в гель загружают равные количества белка из ткани. Затем белку дают мигрировать через гель. После электрофореза гель помещают в ренатурирующий буфер для восстановления нативной конформации катепсинов. Далее гель помещают в буфер активации с определенным pH и инкубируют в течение ночи при 37 °C. Этот этап активации позволяет катепсинам расщеплять желатиновый субстрат. При окрашивании геля красителем Кумасси области геля, содержащие желатин, остаются синими. Области геля, где катепсины были активны, выглядят как белые полосы. Данный протокол зимографии катепсинов использовался для обнаружения фемтомольных количеств зрелого катепсина К.

История

Термин «катепсин» был введен в 1929 году Ричардом Вильштеттером и Югеном Баманном для описания протеолитической активности лейкоцитов и тканей при слабокислом pH (Willstätter & Bamann (1929) Hoppe Seylers Z. Physiol. Chemie 180, 127–143). Самая ранняя запись об использовании термина «катепсин», найденная в базе данных MEDLINE (например, через PubMed), относится к журналу Journal of Biological Chemistry, 1949 год. Однако ссылки в этой статье указывают на то, что катепсины были впервые идентифицированы и названы примерно на рубеже XX века. Большая часть этих ранних работ была выполнена в лаборатории Макса Бергманна, который посвятил первые несколько десятилетий века изучению этих протеаз. Стоит отметить, что в исследованиях, опубликованных в 1930-х годах (преимущественно Бергманном), использовался термин «катахептические ферменты» для обозначения широкого семейства протеаз, включавшего папаин, бромелин и сам катепсин. Первые попытки очистки и характеристики протеаз с использованием гемоглобина были предприняты в то время, когда термин «катепсин» обозначал единственный фермент; существование множества различных членов семейства катепсинов (например, B, H, L) тогда не было осознано. Однако к 1937 году Бергманн и его коллеги начали дифференцировать катепсины на основе их источника в организме человека (например, катепсин печени, катепсин селезенки).