鈣蛋白酶

鈣蛋白酶是一種蛋白質，屬於鈣依賴性、非溶酶體半胱氨酸蛋白酶（蛋白水解酶）家族，在哺乳動物和許多其他生物體中普遍表達。鈣蛋白酶構成MEROPS資料庫中蛋白酶族CA的C2家族。鈣蛋白酶蛋白水解系統包括鈣蛋白酶、小的調節亞基CAPNS1（也稱為CAPN4）和內源性鈣蛋白酶特異性抑制劑，鈣蛋白酶抑制蛋白。

## 發現

鈣蛋白酶的發現史源於1964年，當時在大腦、眼睛晶狀體和其他組織中檢測到由「鈣激活中性蛋白酶」（CANP）引起的鈣依賴性蛋白水解活動。在1960年代後期，這些酶在大鼠腦和骨骼肌中被分離和獨立表徵。這些活性是由與溶酶體不相關的細胞內半胱氨酸蛋白酶引起的，並且在中性pH值下具有最佳活性，這清楚地將其與蛋白酶的組織蛋白酶家族區分開來。鈣依賴性活性、細胞內定位以及其底物上有限的特異性蛋白酶解，突出了鈣蛋白酶作為調節蛋白酶而不是消化蛋白酶的作用。當這種酶的序列為人所知時，它被命名為「鈣蛋白酶」，以識別其與當時兩種眾所周知的蛋白質的共同特性，即鈣調節信號蛋白、鈣調蛋白和木瓜蛋白酶。此後不久，人們發現該活性可歸因於兩種主要的同工型，稱為μ-鈣蛋白酶和m-鈣蛋白酶（或鈣蛋白酶I和II），它們的體外鈣需求主要不同。它們的名稱反映了它們分別被細胞內微摩爾濃度和近毫摩爾濃度的Ca2+激活的事實。

迄今為止，這兩種同種型仍然是鈣蛋白酶家族中最具特徵的成員。在結構上，這兩種異二聚體同工型共享一個相同的小（28 kDa）亞基（CAPNS1，前稱CAPN4），但具有不同的大（80 kDa）亞基，稱為鈣蛋白酶1和鈣蛋白酶2（分別由CAPN1和 CAPN2基因編碼）。

## 切割特異性

沒有特定的胺基酸序列能夠被鈣蛋白酶唯一識別。在蛋白質底物中，三級結構元件可能負責將切割引導至特定底物，而非一級胺基酸序列。在肽和小分子底物中，最一致報導的特異性是P2位的小疏水胺基酸（例如亮氨酸、纈氨酸和異亮氨酸）和P1位的大疏水胺基酸（例如苯丙氨酸和酪氨酸）。可以說，目前最好的螢光鈣蛋白酶底物是(EDANS)-Glu-Pro-Leu-Phe=Ala-Glu-Arg-Lys-(DABCYL)，切割發生在 Phe=Ala鍵上。

## 擴展家庭

人類基因組計劃揭示了存在十幾種其他鈣蛋白酶異構體，其中一些具有多種剪接變體。作為第一個確定了三維結構的鈣蛋白酶，m-鈣蛋白酶是MEROPS資料庫中C2（鈣蛋白酶）家族的類型蛋白酶。

基因｜蛋白質｜別名｜組織表達｜關聯疾病

CAPN1｜鈣蛋白酶1｜鈣蛋白酶1大亞基、μ-鈣蛋白酶｜無處不在

CAPN2｜鈣蛋白酶2｜鈣蛋白酶2大亞基、m-鈣蛋白酶｜無處不在

CAPN3｜鈣蛋白酶3｜骨骼肌、視網膜和晶狀體特異性｜2A型肢帶型肌營養不良症

CAPN5｜鈣蛋白酶5｜無處不在（在結腸、小腸和睪丸中含量很高）｜可能與壞死有關，因為它是秀麗隱杆線蟲壞死基因tra-3的直系同源物

CAPN6｜鈣蛋白酶6｜CAPNX、Calpamodulin

CAPN7｜鈣蛋白酶7｜palBH｜無處不在

CAPN8｜鈣蛋白酶8｜專屬於胃黏膜和消化道｜可能與結腸息肉的形成有關

CAPN9｜鈣蛋白酶9｜專屬於胃黏膜和消化道｜可能與結腸息肉的形成有關

CAPN10｜鈣蛋白酶10｜2型糖尿病易感基因

CAPN11｜鈣蛋白酶11｜睪丸

CAPN12｜鈣蛋白酶12｜無處不在，但毛囊中含量高

CAPN13｜鈣蛋白酶13｜睪丸和肺

CAPN14｜鈣蛋白酶14｜無處不在

CAPN17｜鈣蛋白酶17｜魚類和兩棲動物而已

SOLH｜鈣蛋白酶15｜Sol H (果蠅基因溶膠的同源物)

CAPNS1｜鈣蛋白酶小亞基1｜鈣蛋白酶4

CAPNS2｜鈣蛋白酶小亞基2

## 功能

儘管對鈣蛋白酶的生理作用仍然知之甚少，但它們已被證明是細胞移動和細胞周期進程等過程的積極參與者，以及成肌細胞內的細胞類型特異性功能，如神經元中的長期增強作用和細胞融合等。在這些生理條件下，短暫和局部的鈣流入細胞會激活少量的局部鈣蛋白酶（例如，靠近Ca2+通道的鈣蛋白酶），然後通過催化其靶蛋白的受控蛋白水解來推進信號轉導途徑。此外，已發現蛋白激酶A的磷酸化和鹼性磷酸酶的去磷酸化通過增加無規捲曲和減少其結構中的β-摺疊來正向調節μ-鈣蛋白酶的活性。磷酸化可提高蛋白水解活性並刺激μ-鈣蛋白酶的自動激活。然而，增加的鈣濃度超過了磷酸化和去磷酸化對鈣蛋白酶活性的影響，因此鈣蛋白酶活性最終取決於鈣的存在。據報告，鈣蛋白酶的其他作用是在細胞功能中，幫助調節凝血和血管直徑，並在記憶中發揮作用。鈣蛋白酶與凋亡細胞死亡有關，並且似乎是壞死的重要組成部分。洗滌劑分級揭示了鈣蛋白酶的細胞溶質定位。

由CAPNS1調節的、增強的鈣蛋白酶活性顯著促進了缺氧環境下的血小板高反應性。

在大腦中，μ-鈣蛋白酶主要位於細胞體和神經元的樹突中，軸突和神經膠質細胞中的程度較低，而m-鈣蛋白酶在神經膠質細胞中被發現，而在軸突中發現了少量。由於運動和營養狀態改變，鈣蛋白酶還參與骨骼肌蛋白質分解。

## 臨床意義

### 病理

細胞中鈣蛋白酶的結構和功能多樣性反映在它們參與多種疾病的發病機制中。至少有兩種眾所周知的遺傳疾病和一種癌症與組織特異性鈣蛋白酶有關。當有缺陷時，哺乳動物鈣蛋白酶3（也稱為p94）是導致2A型肢帶型肌營養不良症的基因產物，鈣蛋白酶10已被確定為2型糖尿病的易感基因，而鈣蛋白酶9已被確定為胃癌的抑癌劑。此外，鈣蛋白酶的過度活化與許多與鈣穩態改變相關的病理有關，例如阿爾茨海默症和白內障形成，以及心肌缺血後急性細胞應激引起的繼發性變性、腦（神經元）缺血、外傷性腦損傷和脊髓損傷。在腦血管意外（缺血級聯反應期間）或某些類型的創傷性腦損傷（如瀰漫性軸索損傷）後，Ca2+的流入可激活過量的鈣蛋白酶。細胞中鈣濃度的增加會導致鈣蛋白酶激活，從而導致靶蛋白和非靶蛋白的蛋白水解不受調節，從而導致不可逆的組織損傷。過度活躍的鈣蛋白酶會分解細胞骨架中的分子，例如血影蛋白、微管亞基、微管相關蛋白和神經絲。它還可能損害離子通道、其他酶、細胞黏附分子和細胞表面受體。這可能導致細胞骨架和細胞膜的降解。鈣蛋白酶還可能分解因軸突拉伸損傷而受損的鈉離子通道，導致鈉流入細胞。這反過來又導致神經元去極化和更多的Ca2+流入。鈣蛋白酶激活的一個重要後果是在心臟缺血性損傷後出現心臟收縮功能障礙。缺血心肌再灌注後，心臟細胞（心肌細胞）出現鈣超載或過量。鈣的這種增加導致鈣蛋白酶的激活。最近發現，鈣蛋白酶與通過介導血小板過度活化促進高原誘導的靜脈血栓形成有關。

### 治療性抑制劑

鈣蛋白酶活性的外源調節對於在廣泛的病理狀態下開發治療方法具有重要意義。作為支持鈣蛋白酶抑制在缺血中的治療潛力的眾多例子中的幾個，鈣蛋白酶抑制劑AK275在缺血後給藥時可保護大鼠免受局灶性缺血性腦損傷，而MDL28170可顯著減少大鼠局灶性缺血模型中受損梗塞組織的大小。此外，已知鈣蛋白酶抑制劑具有神經保護作用：PD150606、 SJA6017、 ABT-705253、和SNJ-1945.

頭部受傷後，鈣蛋白酶可能會在大腦中釋放長達一個月，並且可能導致有時在此類受傷後發現的大腦萎縮。然而，鈣蛋白酶也可能參與「重塑」過程，幫助修復受傷後的損傷。

## 基本資料

- 貨幣符號：Calpain
- Pfam：PF00648
- Pfam_clan：CL0125
- InterPro：IPR001300
- SMART：CysPc
- MEROPS：C2
- PROSITE：PDOC50203
- SCOP：1mdw
- 蛋白質資料庫（PDB）：1tl9 A:55-354; 1kxr B:55-354; 1tlo A:55-354; 2ary B:55-354; 1zcm A:55-353; 1mdw B:45-344; 1u5i A:45-344; 1kfx L:45-344; 1kfu L:45-344; 1ziv A:42-337