TMPRSS2，SARS-CoV-2入侵激活因子

1. TMPRSS2的定义

跨膜蛋白酶丝氨酸酶2，也称为TMPRSS2，是跨膜蛋白酶丝氨酸酶（TMPRSSs）家族的成员，这是一类在细胞膜上具有保守的丝氨酸蛋白酶结构域的蛋白质。TMPRSSs的基本结构相似。C末端的蛋白酶结构域位于细胞外，N末端位于细胞内，并且还具有单一的跨膜结构域。区别在于骨架区域。

正如图1所示，TMPRSS2基因位于人类染色体21：41, 464, 551-41, 531, 116。TMPRSS2基因的一个显著特征是多个雄激素受体元件（AREs）位于转录起始位点和第一个内含子的上游^{[2] [3]}。

图1. TMPRSS2基因组定位示意图

*图片来源于Biochimie发表的一篇文章 ^[2]

由TMPRSS2基因编码的TMPRSS2蛋白质由492个氨基酸组成，可锚定到细胞质膜。正如图2所示，它通过Arg255和Ile256之间的自体催化剪切转化为其形式。剪切后，成熟的蛋白酶大多数都与膜结合，但其中有相当一部分可以释放到细胞外环境中。蛋白酶催化域含有一个催化三联体，由氨基酸残基His296，Asp345和Ser441组成，相应于胰蛋白酶原的His57，Asp102和Ser195 ^[4]。

图2. TMPRSS2蛋白的定位和结构

*图片来源于Biochimie发表的一篇文章 ^[2]

2. TMPRSS2的分布情况

TMPRSS2的表达具有明显的组织特异性。人类TMPRSS2是一个雄激素调控的、II型跨膜丝氨酸蛋白酶，在前列腺中表达最为丰富，而在肺部、结肠、肝脏、肾脏和胰腺中表达较低水平。根据对小鼠胚胎和成体组织的原位杂交分析，小鼠TMPRSS2也在胃肠道、泌尿生殖道和呼吸道上皮细胞中表达，这表明TMPRSS2在小鼠和人类中的表达分布非常相似。这种组织特异性的表达也暗示，由异常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与前列腺癌密切相关。在2005年，大多数前列腺癌（高达70%）被发现具有TMPRSS2和雌激素调控基因（ERG）的融合，它们都位于染色体21上。此后不久，还发现了其他红细胞生成特异性（ETS）变异基因（ETV）家族的成员具有基因融合，尽管频率要低得多，包括ETV1（染色体7）、ETV4（染色体17）、ETV5（染色体3）和ETS结构域含蛋白基因（ELK4，染色体1）。

以TMPRSS2和ERG融合为例，基因融合，也称为基因重排，常常导致某些基因的异常激活。如图3所示，基因重排包括在同一染色体上两个基因之间实际的基因物质丧失；请注意在染色体21上TMPRSS2和ERG之间中间基因的缺失。融合的第二种形式是由于易位，即一个基因移动到同一染色体或不同染色体上的另一个位置。这两种机制都适用于前列腺癌中的基因重排。鉴于前列腺癌的高发病率，这种融合基因可能是人类癌症中最常见的融合基因。此外，TMPRSS2-ERG可以作为前列腺癌的诊断标志物。

图3. TMPRESS2-ERG融合机制(21号染色体)

*图片来源于BJU Int上发表的文章 ^[5]

另外，除了在前列腺癌中的作用，TMPRSS2还与病毒有关。我们将在下一节中阐述这一功能。

4. TMPRSS2与病毒的联系

2019年，岩田佳奈子（Naoko Iwata-Yoshikawa）等人的研究显示，TMPRSS2激活高致病性人类冠状病毒的刺突蛋白，如严重急性呼吸综合症相关冠状病毒（SARS-CoV）和中东呼吸综合症相关冠状病毒（MERS-CoV）。体外实验中，TMPRSS2的激活诱导病毒与细胞膜在细胞表面融合。在这项研究中，他们使用SARS-CoV和MERS-CoV感染的动物模型研究了TMPRSS2的作用。结果显示，在呼吸道缺乏TMPRSS2可以减轻SARS-CoV和MERS-CoV感染后肺部病理的严重程度 ^[6]。

实际上，早在2011年，Ilona Glowacka和其他来自德国汉诺威医学院的研究人员就评估了TMPRSS2是否通过其进行SARS-CoV的S蛋白质的蛋白水解。在这项研究中，Western blot分析的结果显示，TMPRSS2的共表达（顺式裂解）和SARS S表达细胞与TMPRSS2阳性细胞接触（反式裂解）时，SARS S被裂解成几个片段。顺式裂解导致SARS S片段释放到细胞上清液中，并抑制抗体介导的中和作用。反式裂解激活了效应细胞上的SARS S与靶细胞融合。这表明TMPRSS2可能通过减少病毒被中和抗体识别以及激活SARS S进行细胞间和病毒细胞融合来促进病毒传播和病理进程 ^[7]。

5. SARS-CoV-2通过TMPRSS2侵入人体的途径

SARS-CoV-2，一种冠状病毒，与SARS-CoV具有相似的中心生物特性和类似的结构。关于冠状病毒通过涉及TMPRSS2进入细胞的方式，早在2013年就有两项研究报告。其中一种方式是细胞表面通过TMPRSS2介导，另一种方式是通过细胞核中的蛋白酶L介导。Stefanie Gierer等人发现TMPRSS2和半胱氨酸蛋白酶B和L可以激活新型人冠状病毒EMC（hCoV-EMC）并与靶细胞融合。因此，TMPRSS2和半胱氨酸蛋白酶已成为控制hCoV-EMC的潜在靶点 ^{[8] [9]}。2014年，Adeline Heurich和其他人再次证明了TMPRSS2和HAT在冠状病毒中的作用。他们发现这两种酶可以裂解并激活SARS-CoV的刺突蛋白以进行膜融合。此外，这些酶还可以裂解SARS-CoV受体ACE2 ^[10]。

在2020年，随着COVID-19在全球爆发，Markus Hoffmann等人进一步证明了冠状病毒使用其刺突蛋白来选择和进入靶细胞，并且SARS-CoV-2刺突（S）驱动的入侵机制可能有助于评估大流行潜力并揭示治疗靶点。在他们的研究中，他们证明SARS-CoV-2-S使用SARS-CoV受体ACE2进入，而使用细胞蛋白酶TMPRSS2进行SARS-CoV-2-S的初级加工。TMPRSS2抑制剂可以阻止入侵，可能成为一种治疗选择。这些结果揭示了SARS-CoV-2和SARS-CoV感染之间的重要共同点，可能转化为类似的传播能力和疾病发病机制 ^{[1] [11]}。

6. TMPRSS2研究的最新进展

在本节中，我们列出了TMPRSS2和SARS-CoV-2研究的一些最新进展，如下所示：

• 2021年4月12日，斯坦福大学和爱荷华大学团队创建了一种名为3DPhyloFold的基于结构的系统演化计算工具，以系统地识别具有已知治疗性抑制剂的结构相似的丝氨酸蛋白酶（TMPRSS2），并在体外和体内展示了对SARS-CoV-2感染的有效抑制作用 ^[12]。

• 2021年3月19日，乌尔姆大学医学中心团队报告称，急性相蛋白α1AT是TMPRSS2和SARS-CoV-2入侵的抑制剂，可能在对抗新型冠状病毒的先天免疫防御中发挥重要作用 ^[13]。

• 2021年3月11日，长庚大学团队揭示，暴露于空气污染和潜在的IPF（特发性肺纤维化）增加了SARS-CoV-2感染和COVID-19疾病严重程度的风险。这可能通过在肺纤维母细胞中上调ACE2和TMPRSS2并通过阻断IL-8/CXCR1/2途径来实现 ^[14]。

• 2021年1月26日，意大利圣马泰奥大学医学中心团队证明，来自不同人体组织的间充质干细胞（MSCs）不会对SARS-CoV-2感染具有感受性，这支持MSCs作为COVID-19潜在治疗方法的安全性 ^[15]。

• 2021年1月，北海道大学的研究团队的研究数据表明，它们无法利用与宿主II型跨膜丝氨酸蛋白酶TMPRSS2介导的直接融合入侵途径。这项研究证明S蛋白多碱性裂解基序是决定SARS-CoV-2入侵和细胞病毒组织特异性的关键因素 ^[16]。

7. 面向SARS-CoV-2治疗的靶向TMPRSS2的药物

越来越多的证据表明，TMPRSS2是SARS-CoV-2（COVID-19）治疗中的一个重要靶点。我们将以下列方式搜集了针对SARS-CoV-2治疗的靶向TMPRSS2的药物的最新临床数据：