《The FEBS Journal》：Assembly and remodeling of collagen and elastic fibers in pathophysiology: Proteases have the final cut
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细胞外基质（ECM）主要通过其纤维成分——胶原和弹性蛋白为组织提供结构完整性和信号传导线索。胶原纤维由多种胶原类型核心及相关非胶原结合伙伴构成，赋予组织抗拉强度；而弹性纤维由交联的弹性蛋白组装在富含原纤维蛋白（fibrillin）的支架上，确保弹性和回缩能力。
细胞外基质（ECM）主要通过其纤维成分——胶原和弹性蛋白为组织提供结构完整性和信号传导线索。胶原纤维由多种胶原类型核心及相关非胶原结合伙伴构成，赋予组织抗拉强度；而弹性纤维由交联的弹性蛋白组装在富含原纤维蛋白（fibrillin）的支架上，确保弹性和回缩能力。蛋白酶远非仅仅是降解酶，它们是这些网络组装和周转的关键调控因子。BMP1/tolloid样、Meprin和ADAMTS家族的金属蛋白酶（metalloproteinases）协调前胶原（procollagen）的成熟，而赖氨酰氧化酶（lysyl oxidases）及相关酶驱动胶原和弹性纤维的共价交联，这同样受到蛋白水解调控。基质金属蛋白酶（MMPs）和半胱氨酸组织蛋白酶（cysteine cathepsins）进一步调节胶原结构和降解，生成用作临床生物标志物的生物活性片段。与此同时，ADAMTS和ADAMTS样蛋白酶（ADAMTS-like proteases）协调原纤维蛋白微纤维（fibrillin microfibril）组织、Fibulin相互作用和弹性生成（elastogenesis）的拓扑结构。弹性蛋白水解酶——包括组织蛋白酶K（Cathepsin K, CatK）、S（CatS）和V（CatV），以及MMP2、MMP7、MMP9和MMP12——介导生理性重塑，但在失调时也会加剧病理状态，释放弹性蛋白衍生肽（elastin-derived peptides, EDPs），这些肽作为有效的信号传导matrikines发挥作用。这些蛋白水解途径的遗传性或获得性缺陷是多种结缔组织疾病的基础，例如成骨不全症（osteogenesis imperfecta）、埃勒斯-当洛斯综合征（Ehlers–Danlos）、肢端发育不良（acromelic dysplasias），以及纤维化、肺气肿和血管老化。本综述整合了近年来关于蛋白酶如何协调胶原和弹性蛋白动态的结构、生化和病理学见解，重点介绍了新型治疗策略——包括底物和exosite选择性抑制剂——以恢复ECM稳态，同时最小化脱靶效应。
**Fibrillar collagens**
**Collagen assembly**
纤维状胶原（I、II、III、V和XI型）合成为前体分子（procollagens），含有N端和C端前肽，可防止细胞内过早聚集。去除前肽主要由astacin和ADAMTS亚家族的蛋白酶触发。C端前肽的去除是限速步骤，N端加工异常会产生粗糙纤维。主要的C端前胶原蛋白酶（PCPs）包括BMP1及其剪接变体mTLD，以及mTLL1，而mTLL2活性可忽略。BMP1/tolloid样蛋白酶（BTPs）经furin激活，切割C-telopeptide与前肽连接处的A↓D或G↓D位点。PCPE1可特异性增强BTP活性。对于胶原Vα1链，furin优先切割其C端，而BMP1可切割其N端前肽以调节纤维侧向生长。BTPs还调控LOX/LOXL和小富亮氨酸蛋白聚糖的成熟。Meprin α和β可同时切割前胶原I和III的N端和C端，但被PCPE1抑制。ADAMTS2、3、14作为前胶原N端蛋白酶（PNPs），分别切割I/III型和II型前胶原的N端。ADAMTS2还可切割前胶原Vα1链，且不能加工错误折叠的前胶原。
**Collagen degradation**
成熟胶原I的螺旋结构高度耐降解。只有MMP1、8、13、14和组织蛋白酶K（CatK）具有显著胶原酶活性，在D带的间隙-重叠区边界切割。MMPs在pH中性环境切割单一位点（G↓L或G↓I），生成3/4和1/4片段，随后被明胶酶（MMP2、MMP9）等进一步降解。MMPs的hemopexin结构域对初始切割至关重要。CatK在酸性pH下可完整切割I型和II型胶原的三螺旋，这依赖糖胺聚糖（如硫酸软骨素4）形成多聚复合物。CatK还切割非胶原端（telopeptides）产生交联端肽（如CTX），用于骨吸收标志物检测。
**Biomarkers and matrikines derived from fibrillar collagens**
N端和C端前肽可反映胶原合成（如用于肝纤维化），而MMP切割产生的3/4-1/4片段监测分解代谢。胶原III型N端前肽常用于评估抗纤维化疗效。CatK产生的I型胶原C端交联端肽（CTX）是骨吸收生物标志物。C端前肽还具有matrikine功能：前胶原I的C端前肽调控合成反馈并趋化内皮/癌细胞；前胶原II的C端前肽（chondrocalcin）可结合钙并促进软骨分解。
**Elastic fibers**
**Elastic fibers assembly**
微纤维主要由fibrillin-1构成，作为弹性生成的支架。分泌的profilbrillin由furin加工后自我组装成串珠状结构，通过膜上硫酸乙酰肝素蛋白聚糖和纤连蛋白锚定。tropoelastin（TE）与弹性蛋白结合蛋白（EBP）结合，通过弹性蛋白受体复合物（ERC）转运至细胞膜。糖胺聚糖诱导TE释放，Fibulin-4和Fibulin-5引导TE与LOX交联。BMP1/mTLL1和ADAMTS2/14激活LOX/LOXL。ADAMTS10、6和17调控fibrillin微纤维组装：ADAMTS10促进微纤维沉积并切割fibrillin-2；ADAMTS6也切割fibrillin-2；ADAMTS17抑制fibrillin-2掺入而不切割。ADAMTS蛋白酶还调节黏着斑动力学，影响微纤维组织。
**Elastin degradation**
不可溶弹性蛋白的降解由丝氨酸蛋白酶（PE、HNE、CatG、PR3）、金属蛋白酶（MMP2、7、9、12）和半胱氨酸组织蛋白酶（CatK、CatS、CatV）协同完成。体外活性顺序为CatV > CatK > CatS > PE > HNE > CatG > MMP2/9 > MMP12 > PR3。CatV是巨噬细胞中强效弹性蛋白酶，其活性在炎症条件下增加，并释放弹性蛋白衍生肽（EDPs）。糖胺聚糖可抑制CatV的弹性水解活性。
**Matrikines derived from elastin**
Elastokine是含有GXXPG序列的肽，结合EBP诱导趋化和促血管生成作用。典型例子是VGVAPG肽（由人tropoelastin外显子24编码）。MMP7、9、12可生成不同生物活性肽，如YTTGKLPYGYGPGG等。
**Defective proteolysis and its pathophysiological consequences**
**Genetic diseases**
BMP1突变导致成骨不全症（Osteogenesis Imperfecta），影响胶原组织。ADAMTS2突变导致埃勒斯-当洛斯综合征皮肤松弛型（dEDS），皮肤胶原纤维呈拼写状。LOX功能缺失与胸主动脉瘤相关。CatK缺乏导致骨硬化症（pycnodysostosis），骨细胞中充满未降解胶原。ADAMTS10和17突变分别导致Weill–Marchesani综合征（WMS）及WMS样表型，ADAMTSL2突变导致Geleophysic发育不良（GD），均影响微纤维结构。
**Acquired diseases**
胶原降解过度见于慢性伤口（高MMP活性、低TIMP水平）。MMP9/TIMP1比值是预测伤口愈合的生物标志物。纤维化疾病中胶原过量：BMP1/mTLD参与皮肤、肾、肝和心脏纤维化，ADAMTS2涉及肝纤维化，meprins与肺和皮肤纤维化相关，CatK缺乏加剧本丙霉素诱导的肺纤维化。弹性蛋白降解导致心血管老化：MMPs和Cathepsins破坏动脉弹性，弹性蛋白缺乏（Eln+/-小鼠）增加动脉硬度。EDPs刺激平滑肌细胞迁移、增殖和血管钙化，促进动脉粥样硬化和主动脉瘤形成。在慢性阻塞性肺疾病（COPD）中，弹性蛋白酶过表达导致肺组织破坏，desmosine和isodesmosine作为潜在生物标志物。
**Therapeutic perspectives**
早期MMP靶向治疗因脱靶效应受限。BTPs作为抗纤维化靶点，但长期抑制可能影响骨重塑和伤口愈合。靶向PCPE1可高特异性抑制纤维状胶原合成。Cathepsin K和S抑制剂已进入临床试验，需提高选择性，尤其是通过开发底物选择性或exosite抑制剂（靶向活性位点外的结构域）以减少副作用。
**Conclusion**
蛋白酶是ECM生命周期（前体加工、交联、成熟和降解）的主调控者。未来需整合蛋白酶生化与细胞-基质力学，设计选择性治疗策略恢复ECM平衡而不干扰生理重塑。
