Cathepsin S在肾脏纤维化中的作用与机制

Fibrosis is the final common manifestation of chronic kidney disease (CKD), which eventually progresses towards end-stage renal disease (ESRD). Emerging evidence suggests an important role of cysteinyl cathepsin (CatS) in human biology. On-going clinical trials to target CatS with small molecule inhibitors suggest a potential in mitigating fibrosis in kidney. This application proposes innovative roles of CatS in EMT, TGF-β signaling and renal fibrosis: 1).Identifies novel role of CatS in mediating TGF-β downstream signaling, phosphorylated p-Smad-2/3 translocation between the cytoplasm and nuclei, and associated molecular mechanisms; 2). Uses a unique set of gene knockout mice and renal tubular epithelial cell-conditional knockout mice that lack the expression of CatS to test its role in TGF-β signaling, EMT and renal fibrosis and; 3).Investigates the correlation between CatS expression and pathology and clinical outcome in CKD; 4). Uses specific small molecule inhibitor to selectively block the activity of CatS in post-UUO fibrosis to extend the value of translational medicine of this application.

肾小管上皮细胞间充质转分化（EMT）是肾脏纤维化的重要事件之一。我们前期研究表明小管上皮细胞（TECs）表达组织蛋白酶Cathepsin S（CatS），并激活TGF-β/Smads信号通路，CatS缺失可抑制EMT，且依赖于其在TECs的表达和酶活性。此外，CatS基因敲除小鼠的肾脏纤维化程度明显高于野生型，提示CatS的促纤维化作用。但其机制尚不清楚。本项目拟利用CatS缺失和TECs特异性敲除CatS小鼠的慢性肾病模型，进一步证实CatS对EMT和纤维化的作用；分别应用上述原代TECs，沉默HK-2细胞CatS和药物改变酶活性等方法，探讨TGF-β作用下CatS对EMT的调控作用，研究CatS介导Smads信号通路的关键分子；前瞻性观察CatS与慢性肾脏病的联系。本研究有助于揭示CatS调控EMT促进肾脏纤维化的作用和机制，为临床应用CatS抑制剂防治纤维化提供科学依据。

肾脏纤维化是各种慢性进展性肾病（CKD）进展至终末期肾病（ESRD）的共同通路和最终病理性结局，其发展过程错综复杂，涉及多因素、多细胞和多途径的影响。我们研究表明小管上皮细胞（TECs）表达组织蛋白酶Cathepsin S（CatS），并激活TGF-β/Smads信号通路，CatS缺失可抑制EMT，且依赖于其在TECs的表达和酶活性。此外，CatS基因敲除小鼠的肾脏纤维化程度明显高于野生型，提示CatS的促纤维化作用。我们揭示了CatS对Smad3 磷酸化水平和入核转运蛋白 Importin-β的双重开关作用，通过促使 Smad3与Importin-β的结合增强，加强 TGF-β诱导的肾小管上皮细胞间充质转分化，加重肾脏纤维化。阐明 CatS 促肾脏纤维化的作用和分子机制，为进一步开辟临床应用 CatS 抑制剂抗肾脏纤维化提供科学依据。基于研究工作中观察到伴随发生ATG5介导的自噬现象，针对性开展了相关研究，并取得一定的进展。我们发现ATG5介导的自噬和NF-κB活化之间存在协同作用，从而协同调节肾脏炎症；ATG5通过自噬依赖机制发挥保护肾脏免受炎症的作用。本研究工作阐明了CKD患者 TECs 自噬、炎症反应和纤维化的关系，有助于揭示 TECs 自噬靶向调控肾脏纤维化过程中炎症反应的作用和分子机制，为防治纤维化相关性疾病提供新的治疗途径和开发治疗药物提供科学依据。在项目执行过程中，我们还发现CatS调控肠道菌群，影响肠道黏膜屏障功能和免疫活性以及自噬，从而调控LN所致肾脏纤维化的进展。上述系列研究围绕慢性肾脏病防治的核心科学问题---肾脏纤维化发生和发展的关键调控机制，探寻不同阶段干预肾纤维化进展的关键靶标，有望转化并建立促进肾脏再生修复的有序调控和干预新策略。