综述：经典溶酶体蛋白酶的核定位与新功能

本文系统阐述传统溶酶体蛋白酶（如legumain和cathepsins）突破亚细胞定位限制、向细胞核转运的分子机制及其核内功能。通过解析核定位信号（NLS）介导的主动转运、分子伴侣协助的核孔穿梭、溶酶体膜透化（LMP）等关键途径，揭示其在细胞周期调控、表观遗传修饰（如组蛋白H3切割）、DNA损伤应答及疾病发生（如癌症/神经退行性疾病）中的颠覆性作用，为靶向核蛋白酶疗法提供新视角。

　　

核定位证据

免疫荧光与细胞分级实验证实，legumain及多种组织蛋白酶（cathepsins）在癌症、神经退行性疾病等病理状态下定位于细胞核，常呈核仁周边点状分布。成熟酶形式（非酶原）为主，提示核定位前已完成活化。值得注意的是，核内cathepsin L主要以双链形式（two-chain form）存在，暗示其核功能具有特异性构象需求。

核转运机制

核定位信号介导途径

部分蛋白酶含固有NLS序列（如cathepsin V的K¹³⁰-K¹⁵⁹区域），通过importin β1依赖途径入核。突变NLS碱性残基或抑制importin β1可阻断核转运。无NLS的蛋白酶则通过"搭车"机制结合核穿梭蛋白（如cathepsin L结合转录因子Snail，cathepsin D结合BAT3），实现核质转运。

溶酶体逃逸与胞质起源

蛋白酶需先抵达胞质才能入核，途径包括：

1. 溶酶体膜透化(LMP)：时空可控的溶酶体轻微渗漏（如细胞有丝分裂中期）可释放小分子量蛋白酶（<70 kDa）。化学诱导剂（如LLOMe）或病理刺激（如Aβ₄₂）可触发LMP并增加核蛋白酶水平。

2. 胞质直接翻译：N端截短变体（如缺失内质网信号肽的cathepsin L M⁵⁶形式）可在胞质合成，但此类变体核定位效率低，且天然条件下因上游框内密码子抑制而罕见。

核内功能与调控

催化活性与微环境适应

核内中性pH环境挑战蛋白酶活性，但特殊机制维持其功能：

• Cathepsin B：肝素结合减缓中性pH失活，且在pH 7.0时偏好切割碱性P2位点（精氨酸/赖氨酸）。

• Legumain：酸性pH下为内肽酶，中性pH转为羧肽酶或连接酶，可能依赖核仁局部酸化(pH 6.5)或磷酸化（S²²⁶）稳定活性。

• DNA结合调节：Cathepsin V结合双链DNA后构象改变，抑制自身水解活性但增强与serpin抑制剂（如SCCA-1）的结合。

核心生物学过程调控

1. 表观遗传重编程

   • Legumain切割组蛋白H3.1，并调控DNA修复蛋白（ATR、PPP1R10）稳定性，影响放疗抵抗。

   • Cathepsin L切割组蛋白H3尾部（受K27me2修饰调控），生成促衰老片段H3.3cs1；还可降解核纤层蛋白lamin B1（R¹³⁶位点），导致阿尔茨海默病核膜损伤。

2. 细胞周期与分化

   • Cathepsin L/S/V波动表达于细胞周期各期：切割转录因子Cux1生成促G1/S期转换片段p110；调控组蛋白伴侣sNASP表达维持组蛋白稳态。

   • 核内cathepsin B通过降解磷酸化Sirt1（P-Sirt1）和破坏BRCA1稳定性，抑制DNA修复并驱动癌变。

3. 疾病靶向价值

   • 抗核抗体DX3诱导cathepsin B核转位，其降解特性被用于设计核靶向抗体-药物偶联物（ADC），显著提升胶质瘤治疗效果。

   • Legumain切割转录因子Foxp3（N¹⁵⁵位点）削弱调节性T细胞功能，为自身免疫病干预提供靶点。

结论与展望

经典溶酶体蛋白酶的核定位颠覆了其传统定位认知。NLS依赖的主动转运、LMP介导的时空特异性释放以及核内微环境适应机制，共同驱动其在核稳态、疾病进程中的多重功能。未来需结合新型核靶向活性探针、深度N端组学等技术，系统解析核蛋白酶底物谱及调控网络，为癌症、神经退行性疾病的精准干预开辟新途径。