弗林蛋白酶

弗林蛋白酶（英語：furin）是脊椎動物與部分無脊椎動物的一種蛋白酶，因人類基因組中編碼此蛋白酶的FUR基因位于FES基因（英语：feline sarcoma oncogene）的上游区域（FES Upper Region）而得名，為一類PCSK類前体蛋白转化酶（英语：proprotein convertase），屬依賴鈣離子的肽鏈內切酶（英语：endoprotease）。此蛋白酶在人體各種組織中皆有表現，一般在蛋白質的精氨酸-X-(精氨酸/離氨酸) -精氨酸序列（R-X-K/R-R）後方進行切割（X為除半胱氨酸外的任一氨基酸），可切割、活化細胞中多種蛋白質，也可切割多種病毒表面的蛋白以促進其感染細胞，SARS-CoV-2等多種冠狀病毒表面的刺突蛋白即可被弗林蛋白酶切割。 人類基因組中編碼了9種PCSK類前体蛋白转化酶，弗林蛋白酶即為其中之一，又稱為PCSK3，於1986年自cDNA基因庫中發現，是哺乳動物中第一個被發現的前体蛋白转化酶。弗林蛋白酶由15號染色體上的FUR基因編碼，具有P1、P1A與P1B等三個啟動子，皆使用不同的轉錄起始位點，產生5'UTR不同但編碼區域相同的mRNA，其中P1A與P1B為持續表現的看家基因啟動子，P1則可被一些細胞激素活化，與C/EBPβ（英语：CCAAT-enhancer-binding proteins）轉錄因子結合而啟動轉錄。 弗林蛋白酶有和其他第一型穿膜蛋白一樣有一N端信號肽會在轉譯時被切除，另外N端還有一長83個氨基酸的結構域為此蛋白正常折疊所需，C端則有一跨膜結構域。在轉譯結束、蛋白質由內質網運送至高基氏體的過程中，N端的結構域會被切除，同時移除蛋白質上的部分醣基修飾（英语：N-linked glycosylation），使弗林蛋白酶獲得完整活性。隨後弗林蛋白酶可停留在高基氏體，也可再運送至細胞膜表面，其後再被切割而離開細胞、釋放到周圍組織中。弗林蛋白酶在各種組織細胞的高基氏體和細胞表面皆有表現，其中又以唾腺、肝與骨髓的表現量為多，肌肉組織的表現量則較少。 細胞中有許多蛋白质在刚刚轉譯生成时尚無活性，需在高基氏體經弗林蛋白酶切割後才能活化，包括細胞外基質蛋白（整合素、玻連蛋白（英语：Vitronectin）、膠原蛋白）、生長因子（IGF-1、IGF-2（英语：Insulin-like growth factor 2）、PDGF、VEGF-C（英语：Vascular endothelial growth factor C）、NGF（英语：Nerve growth factor））、細胞激素（TGF-β、CXCL10）、激素（PTH、TRH、GHRH（英语：Growth Hormone Releasing Hormone））、金屬蛋白酶、凝血因子、血漿蛋白、細胞膜上的跨膜受體和離子通道等。 弗林蛋白酶一般在这段蛋白質切割序列（R-X-K/R-R）的後方進行切割： 其切割大多可活化其他蛋白，但也有少數抑制其他蛋白的案例，如抑制PCSK9（英语：PCSK9）與内皮脂酶（英语：endothelial lipase）的活性。有研究顯示有蛋白質上的弗林蛋白酶切割位點突變可能與X-性聯遺傳少汗性外胚層發育不良症（英语：Hypohidrotic ectodermal dysplasia）等遺傳疾病有關。 弗林蛋白酶與許多病原的感染有關，細胞內的弗林蛋白酶在人類免疫缺乏病毒組裝時可將其gp160膜蛋白切割成gp120（英语：Envelope glycoprotein GP120）和gp41（英语：gp41），細胞表面的弗林蛋白酶則可切割流感病毒、皰疹病毒、人類乳突病毒、登革熱病毒、麻疹病毒、B肝病毒、森林腦炎病毒（英语：Tick-borne encephalitis virus）、玻那病毒、黃熱病毒、新城病毒、辛德畢斯病毒（英语：Sindbis virus）、塞姆利基森林病毒（英语：Semliki Forest virus）、伊波拉病毒和馬堡病毒表面的醣蛋白以促進病毒感染。 許多冠狀病毒與細胞受體結合的刺突蛋白（spike）亦可被弗林蛋白酶切割，包括一些甲型冠狀病毒（貓冠狀病毒與高山姬鼠冠狀病毒JC34）、許多乙型冠狀病毒（MERS-CoV、伏翼蝠冠状病毒HKU5、鼠冠狀病毒、人類冠狀病毒HKU1、人類冠狀病毒OC43、牛冠狀病毒、豬凝血性腦脊髓炎病毒、黃鼠冠狀病毒HKU24、普氏蹄蝠冠状病毒Zhejiang2013與SARS-CoV-2）和絕大多數丙型冠狀病毒（禽冠狀病毒）刺突蛋白S1與S2次單元間的S1/S2位點，以及一些甲型冠狀病毒（人類冠狀病毒NL63與一些犬冠狀病毒病毒株）、乙型冠狀病毒（MERS-CoV、伏翼蝠冠状病毒HKU5與部分果蝠冠狀病毒HKU9病毒株）、丙型冠狀病毒（瓶鼻海豚冠状病毒HKU22）與丁型冠狀病毒（鵪鶉冠狀病毒HKU30）刺突蛋白S2次單元上的S2'位點。S1/S2與S2'兩位點的切割均為冠狀病毒感染細胞所需，上述病毒可能在組裝過程中，刺突蛋白已被弗林蛋白酶切割，經胞吐作用釋放到胞外後，只需S2'位點再被切割即可感染其他細胞。相較之下SARS-CoV等其他冠狀病毒因刺突蛋白上無弗林蛋白酶切割位點，需在細胞表面或溶體被其他蛋白酶切割後才能順利感染。 SARS-CoV-2的刺突蛋白被弗林蛋白酶切割可增強其感染力，但这一切割并非感染所必須，且與其親緣關係最接近的RaTG13、RmYN02和穿山甲冠狀病毒刺突蛋白中均無弗林蛋白酶切割位點。2019冠状病毒病疫情爆發後，有陰謀論者因此質疑造成疫情的SARS-CoV-2可能為人工製造的病毒，實則自然界中有多種冠狀病毒具有此位點，且弗林蛋白酶切割位點在冠狀病毒演化的過程中，在不同演化支中獨立演化出現了數次，也曾在一些演化支中消失（如龍泉黑線姬鼠冠狀病毒LAMV為乙型冠狀病毒屬Embecovirus亞屬中唯一失去此位點的病毒），因此有觀點認為SARS-CoV-2中的切割位點也應為自然產生的結果。 炭疽毒素（英语：Anthrax toxin）與假單胞菌分泌的外毒素進入細胞時也會被弗林蛋白酶切割，前者在細胞表面被切割，後者則可能是在胞內體被切割；志賀毒素被切割後則可提升活性。有些研究顯示某些癌症腫瘤中弗林蛋白酶的表現量有所提升，可能可切割、活化一些與腫瘤生長有關的蛋白。 因弗林蛋白酶與多種疾病的關聯，許多研究嘗試以抑制弗林蛋白酶的方式作為癌症或感染性疾病的療法。 全稱為枯草桿菌蛋白酶/kexin（英语：kexin）型前体蛋白转化酶（proprotein convertase subtilisin/kexin type），因結構與細菌的枯草桿菌蛋白酶以及酵母菌的kexin蛋白酶相似而得名。 X为除半胱氨酸外的任一氨基酸 對於MERS-CoV的刺突蛋白是否會被弗林蛋白酶切割，學界尚存爭議，有研究質疑弗林蛋白酶在MERS-CoV感染過程中的作用。 RmYN02病毒在此區域也有一相似的插入序列，但不能被弗林蛋白酶切割 GRCh38: Ensembl release 89: ENSG00000140564 - Ensembl, May 2017 GRCm38: Ensembl release 89: ENSMUSG00000030530 - Ensembl, May 2017 Human PubMed Reference:. National Center for Biotechnology Information, U.S. National Library of Medicine.  Mouse PubMed Reference:. National Center for Biotechnology Information, U.S. National Library of Medicine.  Jaaks P, Bernasconi M. The proprotein convertase furin in tumour progression.. Int J Cancer. 2017, 141 (4): 654–663. PMID 28369813. doi:10.1002/ijc.30714.  Braun E, Sauter D. Furin-mediated protein processing in infectious diseases and cancer.. Clin Transl Immunology. 2019, 8 (8): e1073. PMC 6682551 . PMID 31406574. doi:10.1002/cti2.1073.  Roebroek, A.J.; Schalken, J.A.; Leunissen, J.A.; Onnekink, C.; Bloemers, H.P.; Van de Ven, W.J. Evolutionary conserved close linkage of the c-fes/fps proto-oncogene and genetic sequences encoding a receptor-like protein.. The EMBO Journal. 1986, 5 (9): 2197–2202. ISSN 0261-4189. doi:10.1002/j.1460-2075.1986.tb04484.x.  van de Ven, Wim J. M.; Voorberg, Jan; Fontijn, Ruud; Pannekoek, Hans; van den Ouweland, Ans M. W.; van Duijnhoven, Hans L. P.; Roebroek, Anton J. M.; Siezen, Roland J. Furin is a subtilisin-like proprotein processing enzyme in higher eukaryotes. Molecular Biology Reports. 1990, 14 (4): 265–275. ISSN 0301-4851. doi:10.1007/BF00429896.  Ayoubi, T.A.; Creemers, J.W.; Roebroek, A.J.; Van de Ven, W.J. Expression of the dibasic proprotein processing enzyme furin is directed by multiple promoters.. Journal of Biological Chemistry. 1994, 269 (12): 9298–9303. ISSN 0021-9258. doi:10.1016/S0021-9258(17)37107-7.  Tian S, Huang Q, Fang Y, Wu J. FurinDB: A database of 20-residue furin cleavage site motifs, substrates and their associated drugs.. Int J Mol Sci. 2011, 12 (2): 1060–5. PMC 3083689 . PMID 21541042. doi:10.3390/ijms12021060.  Wise RJ, Barr PJ, Wong PA, Kiefer MC, Brake AJ, Kaufman RJ. Expression of a human proprotein processing enzyme: correct cleavage of the von Willebrand factor precursor at a paired basic amino acid site. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1990, 87 (23): 9378–82. PMC 55168 . PMID 2251280. doi:10.1073/pnas.87.23.9378.  Kiefer MC, Tucker JE, Joh R, Landsberg KE, Saltman D, Barr PJ. Identification of a second human subtilisin-like protease gene in the fes/fps region of chromosome 15. DNA and Cell Biology. Dec 1991, 10 (10): 757–69. PMID 1741956. doi:10.1089/dna.1991.10.757.  Entrez Gene: FURIN furin (paired basic amino acid cleaving enzyme).  Roebroek AJ, Schalken JA, Leunissen JA, Onnekink C, Bloemers HP, Van de Ven WJ. Evolutionary conserved close linkage of the c-fes/fps proto-oncogene and genetic sequences encoding a receptor-like protein. The EMBO Journal. 1986, 5 (9): 2197–202. PMC 1167100 . PMID 3023061. doi:10.1002/j.1460-2075.1986.tb04484.x.  Essalmani, Rachid; Susan-Resiga, Delia; Chamberland, Ann; Abifadel, Marianne; Creemers, John W.; Boileau, Catherine; Seidah, Nabil G.; Prat, Annik. In Vivo Evidence That Furin from Hepatocytes Inactivates PCSK9. Journal of Biological Chemistry. 2011, 286 (6): 4257–4263. ISSN 0021-9258. doi:10.1074/jbc.M110.192104.  Jin, Weijun; Fuki, Ilia V.; Seidah, Nabil G.; Benjannet, Suzanne; Glick, Jane M.; Rader, Daniel J. Proprotein Covertases Are Responsible for Proteolysis and Inactivation of Endothelial Lipase. Journal of Biological Chemistry. 2005, 280 (44): 36551–36559. ISSN 0021-9258. doi:10.1074/jbc.M502264200.  Chen, Y.; Molloy, S. S.; Thomas, L.; Gambee, J.; Bachinger, H. P.; Ferguson, B.; Zonana, J.; Thomas, G.; Morris, N. P. Mutations within a furin consensus sequence block proteolytic release of ectodysplasin-A and cause X-linked hypohidrotic ectodermal dysplasia. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2001, 98 (13): 7218–7223. ISSN 0027-8424. doi:10.1073/pnas.131076098.  Hallenberger S, Bosch V, Angliker H, Shaw E, Klenk HD, Garten W. Inhibition of furin-mediated cleavage activation of HIV-1 glycoprotein gp160. Nature. 1992, 360 (6402): 358–61. PMID 1360148. S2CID 4306605. doi:10.1038/360358a0.  Izaguirre G. The Proteolytic Regulation of Virus Cell Entry by Furin and Other Proprotein Convertases.. Viruses. 2019, 11 (9). PMC 6784293 . PMID 31505793. doi:10.3390/v11090837.  Matsuyama, Shutoku; Shirato, Kazuya; Kawase, Miyuki; Terada, Yutaka; Kawachi, Kengo; Fukushi, Shuetsu; Kamitani, Wataru; Gallagher, Tom. Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus Spike Protein Is Not Activated Directly by Cellular Furin during Viral Entry into Target Cells. Journal of Virology. 2018, 92 (19). ISSN 0022-538X. doi:10.1128/JVI.00683-18.  Örd, Mihkel; Faustova, Ilona; Loog, Mart. The sequence at Spike S1/S2 site enables cleavage by furin and phospho-regulation in SARS-CoV2 but not in SARS-CoV1 or MERS-CoV. Scientific Reports. 2020, 10 (1). ISSN 2045-2322. doi:10.1038/s41598-020-74101-0.  Wu Y, Zhao S. Furin cleavage sites naturally occur in coronaviruses.. Stem Cell Res. 2020, 50: 102115 [2021-06-10]. PMC 7836551 . PMID 33340798. doi:10.1016/j.scr.2020.102115. （原始内容存档于2021-06-10）.  Coutard B, Valle C, de Lamballerie X, Canard B, Seidah NG, Decroly E. The spike glycoprotein of the new coronavirus 2019-nCoV contains a furin-like cleavage site absent in CoV of the same clade. Antiviral Research. February 2020, 176: 104742. PMC 7114094 . PMID 32057769. doi:10.1016/j.antiviral.2020.104742 .  Hoffmann, Markus. A Multibasic Cleavage Site in the Spike Protein of SARS-CoV-2 Is Essential for Infection of Human Lung Cells. Molecular Cell. 2020, 78 (4): 779–784.e5. PMC 7194065 . PMID 32362314. doi:10.1016/j.molcel.2020.04.022.  Shang, Jian; Wan, Yushun; Luo, Chuming; Ye, Gang; Geng, Qibin; Auerbach, Ashley; Li, Fang. Cell entry mechanisms of SARS-CoV-2. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2020, 117 (21): 11727–11734. ISSN 0027-8424. doi:10.1073/pnas.2003138117.  Hartenian, Ella; Nandakumar, Divya; Lari, Azra; Ly, Michael; Tucker, Jessica M.; Glaunsinger, Britt A. The molecular virology of coronaviruses. Journal of Biological Chemistry. 2020, 295 (37): 12910–12934. ISSN 0021-9258. doi:10.1074/jbc.REV120.013930.  Papa G, Mallery DL, Albecka A, Welch LG, Cattin-Ortolá J, Luptak J; et al. Furin cleavage of SARS-CoV-2 Spike promotes but is not essential for infection and cell-cell fusion.. PLoS Pathog. 2021, 17 (1): e1009246 [2021-06-10]. PMC 7861537 . PMID 33493182. doi:10.1371/journal.ppat.1009246. （原始内容存档于2021-06-10）.  Zhou, Hong; Chen, Xing; Hu, Tao; Li, Juan; Song, Hao; Liu, Yanran; Wang, Peihan; Liu, Di; Yang, Jing; Holmes, Edward C.; Hughes, Alice C.; Bi, Yuhai; Shi, Weifeng. A Novel Bat Coronavirus Closely Related to SARS-CoV-2 Contains Natural Insertions at the S1/S2 Cleavage Site of the Spike Protein. Current Biology. 2020, 30 (11): 2196–2203.e3. ISSN 0960-9822. doi:10.1016/j.cub.2020.05.023.  Shiryaev SA, Remacle AG, Ratnikov BI, Nelson NA, Savinov AY, Wei G, Bottini M, Rega MF, Parent A, Desjardins R, Fugere M, Day R, Sabet M, Pellecchia M, Liddington RC, Smith JW, Mustelin T, Guiney DG, Lebl M, Strongin AY. Targeting host cell furin proprotein convertases as a therapeutic strategy against bacterial toxins and viral pathogens. The Journal of Biological Chemistry. Jul 2007, 282 (29): 20847–53. PMID 17537721. doi:10.1074/jbc.M703847200 .  PDB中UniProt可用的所有結構信息之概述：P09958 (Human Furin) 在PDBe-KB（英语：PDBe-KB）。 PDB中UniProt可用的所有結構信息之概述：P23188 (Mouse Furin) 在PDBe-KB（英语：PDBe-KB）。 分子與細胞生物學主題 病毒主題 2019冠状病毒病主題