Furin-flox 基因敲除小鼠

Furin是一种广泛存在于哺乳动物细胞中的蛋白转化酶，属于转化生长因子-β（TGF-β）家族。它通过催化前蛋白的成熟，参与多种生理和病理过程，包括胚胎发育、细胞分化、肿瘤发生和病毒感染。Furin的表达和/或活性在许多生物学过程中起着关键作用，影响基因表达和生物学过程。

在病毒感染方面，Furin在SARS-CoV-2的感染循环中起着重要作用。它通过切割病毒蛋白，参与病毒粒子的组装。研究发现，Furin基因中的DNA变异体可能是调节COVID-19患者死亡风险和心血管特征的候选基因。在428名COVID-19重症监护室患者中，研究人员对两个功能性的Furin变异体（rs6224/rs4702）进行了基因分型，并评估了它们与死亡（N=106）以及高血压、糖尿病和高脂血症的关联。研究发现，与死亡相关的风险因素包括年龄、高血压和高胆固醇血症。与高表达相关的两个Furin等位基因（rs6224 T和rs4702 A）在死亡病例中显著增加（优势比=1.40和1.43）。对于两个高表达基因型（rs6224 TT和rs4702 AA）以及T-A单倍型的同合子，与高胆固醇血症的风险增加相关。在多因素logistic回归分析中，高胆固醇血症和TT+AA基因型与死亡显著相关。因此，除了与高胆固醇血症的关联外，Furin变异体可能是COVID-19患者死亡风险的独立风险因素[1]。

Furin还与主动脉瘤的发生发展密切相关。主动脉瘤（AA）通常涉及主动脉中转化生长因子β（TGF-β）信号通路的失调。研究发现，Furin作为前TGF-β成熟过程中的蛋白转化酶，可能是主动脉瘤的易感基因。通过对781名无关主动脉瘤患者和受影响的亲属进行全外显子组测序，研究人员检测到了13个罕见的Furin变异体，这些变异体在3.7%（29）的无关主动脉瘤患者中发生，其中72%的患者患有多个主动脉瘤或主动脉夹层。体外实验发现，这些Furin变异体的成熟和活性降低。患者来源的成纤维细胞表现出前TGF-β加工、下游效应子SMAD2的磷酸化、ERK1/2激酶的磷酸化以及TGF-β反应基因ACTA2的mRNA水平降低。在主动脉组织中，胶原和微原纤维蛋白纤维受到影响。其中一个变异体（R745Q），在10个无关病例中观察到，对TGF-β信号传导的影响因个体遗传背景而异。因此，Furin是一种新的、常见的遗传易感基因，它通过影响细胞内TGF-β信号传导，导致老年患者腹主动脉瘤、胸主动脉瘤和多发或中等大小的动脉瘤的发生，其影响因个体遗传背景而异[2]。

除了病毒感染和主动脉瘤，Furin还与哮喘的严重程度有关。研究发现，严重哮喘患者唾液腺中Furin基因的表达可能与SARS-CoV-2通过唾液感染的能力有关[3]。此外，在严重中性粒细胞哮喘患者中，痰中ACE2、TMPRSS2和FURIN基因的表达水平也受到关注。研究发现，与轻度至中度哮喘患者相比，严重哮喘患者的痰中ACE2水平显著升高。多因素分析显示，痰中ACE2水平与口服皮质类固醇（OCS）使用和男性性别呈正相关。痰中FURIN水平与中性粒细胞百分比和严重哮喘的存在显著相关。在支气管刷洗样本中，TMPRSS2水平与男性性别和体重指数呈正相关，而FURIN水平与男性性别和血液中性粒细胞呈正相关。在支气管活检中，TMPRSS2水平与血液中性粒细胞呈正相关。中性粒细胞分子表型，以高炎症小体活化为特征，在痰中表达FURIN水平显著高于2型高嗜酸性粒细胞或少粒细胞氧化磷酸化表型。ACE2和FURIN的水平可能因哮喘的临床或分子表型而有所不同。痰中FURIN表达水平与中性粒细胞炎症和炎症小体活化密切相关，这表明中性粒细胞严重哮喘患者可能更容易受到SARS-CoV-2感染，导致更严重的疾病结果[4]。

Furin还与维生素D的调节作用有关。研究发现，1,25-二羟基维生素D3 [1,25(OH)2D] 和维生素D受体（VDR）可以调节Furin介导的FGF23切割。在VDR缺陷小鼠（Vdr-/-）中，iFGF23切割增加了25倍，Furin水平和活性也增加，与野生型（WT）小鼠相比。Furin活性的抑制阻止了Vdr-/-动物和Vdr敲低成骨细胞OCY454细胞系中iFGF23切割的增加。染色质免疫沉淀（ChIP）实验显示，VDR结合到Furin基因上游的DNA上，在没有VDR的情况下，转录增加。在WT小鼠中，Furin抑制减少了iFGF23切割，增加了iFGF23，并降低了血清磷酸盐水平。同样，1,25(OH)2D降低了Furin活性，减少了iFGF23切割，并增加了总FGF23。在一项随机临床试验的回顾性分析中，研究人员发现，与安慰剂相比，麦角钙化醇治疗可以显著降低血清Furin活性和iFGF23切割。因此，1,25(OH)2D通过VDR介导的Furin表达抑制来抑制iFGF23切割，从而提供了一种维生素D可以增强磷尿iFGF23水平的作用机制[5]。

Furin基因的变异体还与COVID-19的严重程度相关。研究发现，FURIN、IFNL4和TLR2基因变异体与COVID-19疾病易感性和严重程度相关，可以帮助预测预后。研究人员对150名成年COVID-19确诊病例进行了分类，包括78名非严重病例、39名严重病例和33名危重病例，同时纳入了74名健康对照。临床和实验室评估包括完整和差异血细胞计数、D-二聚体、乳酸脱氢酶（LDH）、C反应蛋白（CRP）、降钙素原、铁蛋白、白细胞介素-6（Il-6）以及肝和肾功能。通过实时PCR进行FURIN（rs6226）、IFNL4（rs12979860）和TLR2（rs3804099）基因分型等位基因鉴别分析。FURIN、IFNL4和TLR2基因型及其等位基因在COVID-19患者和对照组之间，以及严重或危重病例与非严重病例之间存在显著差异。根据多变量回归分析，FURIN（C/T+T/T）和TLR2（T/C+C/C）突变体与COVID-19易感性相关，优势比分别为3.293和2.839。FURIN C/C和IFNL4 T/T突变体与严重和危重疾病显著相关。多变量回归分析显示，FURIN（G/C+C/C）基因型和IFNL4 T/T纯合子与死亡率增加相关。因此，FURIN、IFNL4和TLR2基因变异体与COVID-19的易感性和严重程度相关，并可能导致埃及患者的不良预后[6]。

此外，Furin在癌症中也发挥着重要作用。Furin是第一个发现的蛋白转化酶家族成员，几乎存在于所有哺乳动物细胞中。因此，通过调节广泛的前蛋白的成熟，Furin的表达和/或活性参与多种生理和病理过程，从胚胎发育到致癌过程。由于许多这些蛋白前体参与癌症的发生和维持，因此Furin被认为是治疗多种人类癌症的潜在靶点。然而，其他研究也发现，某些类型的癌症并不受益于Furin抑制。因此，了解Furin在癌症中的异质功能将为进一步设计针对Furin的癌症治疗方法提供重要见解。研究发现，Furin的表达和活性在癌症细胞中受到调节，并影响Furin底物在致癌过程中的活性。此外，Furin抑制会抑制某些癌细胞的致瘤性，而在其他肿瘤中则导致侵袭性表型。最后，研究人员总结了Furin抑制在治疗人类癌症中的临床应用[7]。

Furin基因的变异体还与COVID-19的严重程度相关。研究发现，Furin基因的变异体rs1981458与印度人群中的COVID-19严重程度相关。通过对450个来自不同印度州的样本进行线性回归分析，研究人员分析了Furin基因变异体与COVID-19病例死亡率（CFR）的关联，这些CFR可能与疾病严重程度结果相关。进一步的研究发现，rs1981458与COVID-19 CFR之间存在显著的正相关（p<0.05），这种相关性在不同的时间点和第一波和第二波疫情中均存在。此外，QTL和其他调控分析显示，rs1981458和Furin基因在免疫细胞和病毒感染过程中具有多种显著的阳性调控作用，突出了它们在宿主免疫和病毒组装及加工中的作用。Furin蛋白-蛋白相互作用表明，COVID-19可能通过典型的炎症机制导致肺动脉高压。Furin基因的进化地理结构表明，南亚人群与西亚人群具有更紧密的遗传亲缘关系。因此，可以认为，对于Furin基因而言，南亚人群的COVID-19易感性将更类似于西亚人群。因此，这项研究首次揭示了rs1981458在印度人群中的COVID-19严重程度中的作用，并概述了其调控潜力。这项研究还强调了南亚人群COVID-19易感性的遗传结构是独特的，但倾向于西亚人群。研究人员认为，这种见解可能被用作遗传生物标志物，以识别易感人群，这在疫情流行期间对于更有效地制定政策和分配资源具有重要意义[8]。

Furin还与腺相关病毒（AAV）的细胞进入有关。AAV是一种小型的、辅助依赖性的、单链DNA病毒，它利用多种宿主因子进行细胞进入。在感染过程中，多种AAV血清型已被证明可以在宿细胞中穿过高尔基体。研究发现，Furin作为一种定位于高尔基体的钙依赖性蛋白酶，可能影响AAV的转导。通过CRISPR/Cas9介导的Furin基因敲除（KO）对大多数检测到的重组AAV血清型的转导效率影响很小，但观察到AAV4的转基因表达增加了约2个数量级。对感染途径的不同步骤进行探究发现，AAV4的结合、摄取和转录水平在Furin KO细胞中增加，但进入后的步骤，如脱衣壳或核进入则不受影响。重组Furin不能切割AAV4衣壳蛋白，也不改变AAVR或GPR108等关键因子的细胞表达水平。有趣的是，荧光凝集素筛选显示，Furin KO细胞表面和核周空间中2,3-O-连接唾液酸糖蛋白的染色显著增加。Furin KO细胞中唾液酸糖蛋白表达的这种增加在增强AAV4转导方面的重要性得到了进一步证实，表现为（i）AAVrh.32.33和海狮AAV等密切相关分离株的转导增加，以及（ii）通过特异性凝集素或神经氨酸酶选择性阻断或去除细胞2,3-O-连接唾液酸糖蛋白。基于这些发现，研究人员推测Furin可能在调节细胞唾液酸糖蛋白的表达方面发挥关键作用，而细胞唾液酸糖蛋白则可以作为病毒附着因子，影响AAVs和可能的其他病毒的易感性。这项研究强调了Furin和唾液酸糖蛋白在调节AAV进入宿主细胞中的作用，为提高AAV基因治疗的安全性提供了新的思路[9]。

综上所述，Furin作为一种重要的蛋白转化酶，在多种生理和病理过程中发挥着重要作用。它与病毒感染、主动脉瘤、哮喘、维生素D调节、癌症和腺相关病毒细胞进入等多个方面相关。Furin基因的变异体与COVID-19的严重程度相关，可能导致不良预后。此外，Furin还具有独立的染色质调控功能，影响基因表达和干细胞的多能性维持。Furin的研究有助于深入理解RNA表观遗传修饰的生物学功能和疾病发生机制，为疾病的治疗和预防提供新的思路和策略。