人类和小鼠的丝氨酸蛋白酶抑制剂基因超家族

姚晓坤，潘志鹏，伦永志

（大连大学 医学院 辽宁省高校生物物理学重点实验室，辽宁 大连 116622）

人类和小鼠的丝氨酸蛋白酶抑制剂基因超家族

姚晓坤，潘志鹏，伦永志*

（大连大学 医学院 辽宁省高校生物物理学重点实验室，辽宁 大连 116622）

丝氨酸蛋白酶抑制剂（Serine protease inhibitor, Serpin）家族是由结构相似，功能多样的蛋白质组成。最初的serpin是根据他们的功能而命名的，其中许多成员不是抑制剂而是伴侣，它们参与储存，运输及其他作用。在所有领域的基因组中，serpin含有36个编码人蛋白质基因和5个假基因。小鼠则有60个serpin的功能基因，其中有许多是直系同源人的serpin基因，一些基因已扩展到多个旁系同源基因。丝氨酸蛋白酶抑制因子（serpins）分布于全身组织；其中大多数在细胞外，也有一些在细胞内。经研究显示，serpins可能对炎症，免疫功能，肿瘤发生，血液凝固，痴呆和肿瘤转移都有作用。根据这些蛋白的特性，可能将会进一步发现疾病的潜在生物标志物和治疗靶点。

丝氨酸蛋白酶抑制剂；血液凝固；补体；细胞死亡

Serpins代表规模最大的蛋白酶抑制剂家族，其功能也最多样化的。serpin这个名称，最初来源于对这个家族功能的描述，即丝氨酸蛋白酶抑制剂。在他们的初始状态中，serpins作为单体蛋白质存在，大多数 serpin的家族成员能抑制糜蛋白酶家族的丝氨酸蛋白酶[1]，从而抑制蛋白级联反应。然而，一些serpins具有激素运输和其他机制的功能，这与抑制催化活性无关。大约有1500个serpin的序列已经被确定，它们全部存在于五个领域的基因组当中[2]。其中有 36个被推定为人的功能蛋白编码基因[3]。Serpins具有非常保守的二级结构，带有裸反应中心环（RCL），这种结构能通过与蛋白酶活性位点的相互作用来抑制蛋白酶活性[4]。对于 serpins的功能来说，具有构象变化的能力起着关键作用，原理机制是serpins通过自杀底物表现出抑制功能[2,5]。虽然大多数serpins选择性地抑制丝氨酸蛋白酶，但还有一些抑制半胱氨酸蛋白酶，比如胱天蛋白酶和组织蛋白酶；有一些serpins有运输激素和调节血压的的功能[5]。serpins在运输激素，皮质类固醇的结合与凝结，调节血压中都发挥重要的生理作用。

1 人和小鼠丝氨酸蛋白酶抑制剂的主要亚型

serpin的超家族根据它们序列相似性而分组，称为亚型。亚型被划分为 A-P，亚型 A-I代表人类的serpins[5]。其中A和B的亚型是最重要的，也是最多见的，下文着重介绍这两者。

1.1 亚型A

Serpins的A亚型被归为抗胰蛋白酶类，属于细胞外蛋白质。在八个细胞外serpins当中，亚型A是最大的亚型。SERPINA含有11个人功能蛋白编码基因和两个假基因[6,7]。

SERPINA1又称为抗胰蛋白酶，对嗜中性粒细胞弹性蛋白酶有抑制性作用[3,8]。

SERPINA2之前被归类为假基因；然而，最近的研究表明，它是一个位于内质网的编码蛋白[9]。通过多个种族的基因组测序而开展了一项关于SERPINA2的研究，通过部分删除而显示出阳性筛选的提示模式，对于部分丢失的 SERPINA2的功能蛋白具有单倍型特征。表明在人体的局部假基因化可暗示正在进行假基因化的过程[10]。

SERPINA3先前被称为糜蛋白酶的抑制蛋白。它能抑制胰凝乳蛋白酶和组织蛋白酶 G的活性[11]。此抑制物通常分布在血液、肝、肾和肺中。

SERPINA4原被称为kallistatin（PI4），是一种抑制蛋白，抑制激肽释放酶的活性。在血液、肝、肾、和心脏中分布。

SERPINA5，原为蛋白C抑制剂，抑制活性蛋白C。分布于血液，肾脏和肝脏[12]。

SERPINA6又称为结合皮质甾类球蛋白。是一种非抑制性蛋白结合的激素，即皮质醇。

SERPINA7，之前为甲状腺素结合球蛋白，参与非抑制甲状腺激素的运输。在血液，肾脏和心脏中表达。

SERPINA8现称为血管紧张素原（AGT），是一种激素前体。它有一个独特的serpin域和一个更小的AGT域。这种特殊的serpin域似乎可以更紧密地把SERPINF和SERPING联系在一起[13]。

SERPINA9对幼稚B细胞可能有保护作用。之前被称为centerin，在血浆和肝脏中表达[14]。

SERPINA10是抑制凝血因子 Z和凝血因子 11活化的抑制蛋白[3]。最初为蛋白质Z-依赖蛋白酶抑制剂，在血液和肝脏中表达。

SERPINA11可能是一个假基因，无特征。

SERPINA12，之前被称为vaspin，是抑制激肽释放酶，对胰岛素敏感性有一定作用。可能在血浆，血小板，肝和心脏中表达。

在小鼠中，Serpina1已扩大到六个，a-f。Serpina3已扩大到九个，a-c和f-n。Serpina8，现今在鼠类中称为Agt，对于肾素 - 血管紧张素系统的功能和进化起着至关重要的作用。在人类中与AGT同源。

1.2 亚型B

亚型B由细胞内的serpins组成，包括ovserpins，与细胞外的serpins是一个根系。相对于典型的A亚型这个亚家族具有更短的C，N末端，也同样缺乏分泌信号肽序列[5]。在亚型B中有13个人类基因和一个假基因。对于炎症、免疫系统功能以及粘液的产生，亚型B起重要作用。SERPINB1，B6，B7，B9都参与免疫系统功能，对于嗜中性粒细胞和巨核细胞的发育也有作用，同时对于细胞毒性颗粒蛋白酶粒酶 B有抑制作用。SERPINB3和与其密切同源的B4对粘液的产生均有抑制作用，分布在上皮组织，如舌、扁桃体、子宫、宫颈、阴道，以及上呼吸道和胸腺。

SERPINB3可能参加细胞凋亡和免疫功能的调节，证明 B3对肿瘤转移和自身免疫是有作用的。SERPINB5作为一种肿瘤抑制剂，在乳腺和前列腺肿瘤中有抑制肿瘤转移的作用。此外，在 B亚型中多数的 serpins与口腔鳞状细胞肿瘤有关，特别是SERPINB12，SERPINB13，SERPINB4，SERPINB3，SERPINB11，SERPINB7和 SERPINB2。对于SERPINB10-B13的作用鲜为人知。然而，最近的研究表明，SERPINB13对自身免疫性糖尿病进展和炎症有作用。

SERPINB1是嗜中性弹性蛋白酶的抑制剂。又称为单核细胞弹性蛋白酶抑制剂，它的分布无处不在。

SERPINB2抑制 PLAU（UPA）。又称为纤溶酶原激活物抑制剂 2（PAI2），并在血液，肾脏和肝脏中都有分布。

SERPINB3是组织蛋白酶L和V的跨类抑制剂。也称为鳞状细胞肿瘤抗原1时，在血液，免疫细胞，肾，肺，心脏和大脑以及众多的粘膜细胞中均有分布[15]。

SERPINB4之前称为鳞状细胞肿瘤抗原 2；在SERPINB3中发现。是组织蛋白酶G和食糜酶的跨类抑制剂，分布于血浆，血小板，肾脏和心脏，以及唾液中。

SERPINB5是一种非抑制蛋白，曾被称为乳腺丝抑蛋白。可能在血液，肾，肝，肺，以及唾液中分布。

会后，各有关单位要切实做好会议精神的贯彻落实，认真传达和贯彻好会议精神，制订切实可行的工作方案和措施，扎扎实实把各项工作落到实处。各省（自治区、直辖市）参加会议的同志要向党委政府分管领导汇报，向厅（局）党组汇报，重点汇报好陈雷部长的重要讲话精神，使地方党委政府全面了解水利改革发展中必须关注的重大问题，对本地区2012年水利规划计划工作尽早做出具体的安排部署。对贯彻落实本次会议精神，我提四点要求：

SERPINB6，称蛋白酶抑制剂 6（PI6），是颗粒蛋白酶抑制剂，组织蛋白酶G。分布广泛。

SERPINB7参与肾小球膜细胞增殖。之前称为megsin，在血液和肝脏中表达。

SERPINB8是一种抑制性蛋白质。又称为蛋白酶抑制剂8（PI8），在血液和心脏中表达。

SERPINB9也是一种抑制性蛋白质。又被称为蛋白酶抑制剂9（PI9），在血液，肝，肺，心脏中表达。

SERPINB10是参与造血和骨髓发育的抑制蛋白。也称为骨髓相关制丝蛋白，在血液中表达，也可能在大脑中表达。

SERPINB11在人体中为非抑制性serpin，但在小鼠中仍保留胰蛋白酶抑制剂的活性。在HEK细胞中可表达[16]。

SERPINB12是一种胰蛋白酶抑制剂，原名为yukopin。它分布在血液，肾脏，肝脏，心脏和脑。

SERPINB13，原名为hurpin，分布于血液，肾脏和唾液。

在B亚型中，小鼠的Serpinb1已扩大到三个成员，a–c；Serpinb3以及Serpinb6已分别扩展到四个成员，a–d。Serpinb4没有列出；然而，Serpinb4可能与 SERPINB3，SERPINB4相同，与 Serpinb3a，Serpinb3b，Serpinb3c和Serpinb3d有关，最初认为小鼠 Serpinb3d是人类 SERPINB3的同源物，小鼠Serpinb3c是SERPINB4的同源物。Serpinb9已扩大到七个基因和一个假基因。有趣的是，Serpinb11是活跃的蛋白酶抑制剂，然而作为人的直系同源却不活跃。

2 与serpins相关的疾病

serpin的多态性和许多疾病状态相关，包括血液凝固系统紊乱，肺气肿，肝硬化，痴呆以及肿瘤的发生和转移相关[17]。

SERPINA1的突变在循环系统中导致α-1抗胰蛋白酶降低，也与肺气肿和肝细胞肿瘤相关[13]。Serpins与调节心血管系统相关。例如，SERPINA4与肾脏和心血管的损伤相关[14]；对于维持肾素-血管紧张素系统的正常功能，SERPINA8是不可或缺的，且发现SERPINA8的变化也可调节血压[15]；SERPINA10的多态性对静脉血栓栓塞有风险[16,18]；SERPINA3的缺乏与肺气肿有关[19]。

许多SERPINBs与免疫功能和功能障碍相关。许多情况下，细胞内的serpins可引起炎症，白细胞减少，肿瘤转移和自身免疫抗体的产生[20]。SERPINC1的缺陷与自身免疫性疾病相关，特别是在患者体内生产抗核抗体，例如系统性红斑狼疮。SERPINA6的多态性与慢性疲劳综合征相关[21]，已被认为是一种免疫病症。SERPINA7的缺乏与甲状腺功能亢进有关，而高水平的SERPINA12与胰岛素抵抗有关。

SERPINH1和SERPINF1的突变与成骨不全相关[22]。

Serpins可能影响蛋白质的聚集。在这方面，SERPINI1的表达与痴呆的发病相关[5]。此外，已确定在多发性硬化症的斑块中有SERPINA5的积累[23]，SERPINA3的聚合可以加速阿尔茨海默氏病的发作及严重程度。

许多serpins与肿瘤发展相关，包括与口腔鳞状细胞肿瘤相关的 SERPINBs（在 18q21位点）。乳腺和前列腺肿瘤的转移与 SERPINB5密切相关[24,25]；SERPINE1可能对肿瘤进展和转移有作用；SERPINI2在乳腺和胰腺的肿瘤转移中可能发挥一定作用[26]。成人脑胶质瘤与SERPINI1显著相关，但它的作用是未知的。此外，曾提议在肝细胞肿瘤中把SERPINI1作为五个生物标志物之一。另一个潜在的生物标志物为 SERPINA9，在 B细胞淋巴瘤中发现 SERPINA9的强烈表达[27]。

人类的许多疾病是由于serpin的基因变异，通常对于每个基因来说许多有害的突变已为人所知。比如，SERPINA1的突变与早发性肺气肿，新生儿肝炎，肝硬化相关，有时与脂膜炎和血管炎相关[28,29]。SERPINA5的突变与增加乳头状甲状腺肿瘤的风险相关，SERPINA10的突变与妊娠并发症相关。倾向性家族静脉血栓栓塞性疾病与 SERPINC1的突变相关[30]。此外，SERPING1的基因SNP变体与遗传性血管水肿相关[31]。

3 结论

serpins是一大类多样的蛋白，对于生理和病理方面都有很大贡献。无论是免疫功能中serpins的鉴定，还是病理学分析，或是肿瘤转移，都揭示着 serpins的功能多样化及其对生理和病理的重要性，基因突变会导致机体功能受损及个体病理化状态。然而，serpins的进化和功能还需要进一步的深入研究。根据serpins的众多生物学功能及与其相关的病理状态，将有关蛋白质的功能信息进一步进行鉴定将会提供潜在的生物标志物和治疗靶点。

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The Human and Mouse SERPIN Gene Superfamily

YAO Xiao-kun, PAN Zhi-peng, LUN Yong-zhi*
(College of Medicine, Dalian University, Dalian 116622, China)

The serpin family was composed of a structurally similar and functionally diverse proteins. Named originally for their function as serine proteinase inhibitors, many of its members are not inhibitors, but rather chaperones, involved in storage, transport, and other roles. Serpins are found in genomes of all kingdoms, with 36 human protein-coding genes and 5 pseudogenes. The mouse has 60 Serpin functional genes, many of which are orthologous to human SERPIN genes and some of which have expanded into multiple paralogous genes. Serpins are found in tissues throughout the body; whereas most are extracellular, there is a class of intracellular serpins. Serpins appear to play roles in inflammation, immune function, tumorigenesis, blood clotting, dementia, and cancer metastasis. Further characterization of these proteins will likely reveal potential biomarkers and therapeutic targets for disease.

serpine protease inhibitors; blood clotting; complement; cell death

R393

A

1008-2395(2015)06-0070-05

2015-10-21

姚晓坤（1990-），女，硕士研究生，研究方向：病原生物基因结构与功能。

伦永志（1973-），男，博士，副教授，研究方向：感染性疾病的分子生物学。