半胱氨酸组织蛋白酶，是存在于细胞溶酶体内的一组非常重要的蛋白酶，参与调节机体众多生理功能。截至目前，已发现在人类基因组中编码的半胱氨酸组织蛋白酶共计11种，包括组织蛋白酶B、 C、 F、 H、 K、L、O、 S、V、W和X等。组织蛋白酶K（Cathepsin K，CatK）属于半胱氨酸蛋白酶家族成员之一，是目前已知的体内蛋白水解作用最强的弹性蛋白酶，参与机体多种生物功能。研究表明，CatK在机体不同细胞中均有表达，参与骨质疏松、动脉粥样硬化、精神分裂症等多种疾病。

CatK的基因跨度约12.1kb位于1q21染色体上，由8个外显子和7个插入内含子组成。其中翻译启动子甲硫氨酸的密码子位于第二个外显子，而终止密码子则位于第八个外显子。CatK基因的表达是由RANKL诱导的转录因子，即活化T-细胞核因子1的激活所介导。从本质上看，人类CatK是一种含有329个氨基酸的蛋白质，其分别由N端15个氨基酸长的信号序列、99个氨基酸长的前肽以及215个氨基酸长的催化单元组成。从结构上看，CatK具有与组织蛋白酶L类似的三维结构。但其活性位点则是位于分子顶部的V形裂缝，同时还含有催化二联体半胱氨酸-组氨酸，这使得CatK可以在P2位置接受Pro残基（图1）。

（图1  CatK的结构组成）

研究表明，CatK在人类和啮齿类动物的大脑不同脑区中均有表达，广泛存在于各类神经元和神经胶质细胞中，尤其在海马齿状回区（dentate gyrus，DG）CatK活性最高。众所周知，海马是产生并维持学习记忆功能的关键脑区，提示CatK可能参与神经元再生、突触可塑性和学习记忆等过程。

本研究应用药理学和基因沉默技术阻断CatK作用，在整体和细胞水平上探讨CatK对空间学习和记忆功能的影响及其作用机制。主要发现如下：1.在活体大鼠海马DG区抑制CatK，导致大鼠出现空间学习和记忆功能显著减弱，伴有学习过程中DG区Glu的相对释放减少（图2）；2.抑制海马CatK，可抑制Notch1的激活，并显著降低下游p-Akt、CREB、BDNF等学习记忆相关信号蛋白的表达（图3）；3.应用基因沉默技术抑制海马神经元细胞中CatK表达后，同样观察到c-Notch1及下游相关信号蛋白表达明显下调（图4）。

（图2  CatK对空间学习和记忆功能的影响）

（图3  p-Akt、Akt、p-CREB、CREB、BDNF、GAPDH在海马组织的表达）

（图4  基因沉默技术抑制海马神经元细胞中CatK表达）

CatK是机体主要的弹性蛋白酶和胶原酶，在小鼠大脑皮层、海马、纹状体和小脑等脑区均有表达，尤其在学习记忆的关键脑区-海马DG区的其活性最高。为了探讨CatK对海马学习记忆功能的影响及其机制，本研究利用Morris水迷宫实验观察到，CatK特异性阻断剂显著减弱大鼠海马空间学习记忆能力，并动物清醒自由活动状态下，观察到减弱空间学习训练过程中谷氨酸含量的增加幅度。我们的结果与Dauth等报道相一致，他们发现CatK基因敲除小鼠在新物体识别和高架十字迷宫等行为学实验中均表现出学习记忆功能的损伤和多巴胺水平的变化。研究报道，学习过程中LTP的产生依赖于海马DG区内谷氨酸水平和NMDA受体的激活；实验表明大鼠空间学习和记忆过程中，海马DG内的多巴胺可通过加强兴奋性氨基酸（谷氨酸和天冬氨酸）的兴奋传递过程，易化空间学习记忆过程。虽然本实验中我们未能同时观察CatK对DG区同一部位LTP的产生和谷氨酸释放的关系，仍可见抑制DG区CatK可显著减弱Morris水迷宫训练过程中谷氨酸的变化幅度，提示抑制CatK可减弱大鼠空间学习记忆能力及相关的突触可塑性，这可能与减少突触前谷氨酸的释放有关。

本研究认为CatK参与海马学习记忆功能，其作用与Notch1的激活有关。提示CatK通过介导Notch1活化，调节CERB、BDNF等信号蛋白的表达和突触处谷氨酸等神经递质的含量变化，影响空间学习和记忆功能。本研究不能完全确定在海马神经元上CatK切割Notch1的作用位点及其蛋白水解作用是否发生在膜内区域，但在体内外实验中均观察到CatK激活Notch1即改变c-Notch1表达。另外，激活的Notch1是否通过CREB/BDNF以外的其它途径参与学习记忆过程仍需要进一步研究。