全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第21卷 第4期
2009年8月
Vol. 21, No. 4
Aug., 2009
文章编号 ：1004-0374(2009)04-0499-05
V-ATPases的功能及其抑制剂研究进展
游海燕，邓　云，覃文新*
（上海交通大学肿瘤研究所癌基因及相关基因国家重点实验室，上海 200032）
摘　要：V-ATPases 作为一类酶，在真核细胞中广泛存在。V-ATPases 是一个由多个亚基组成的复合物，
主要有两个结构域，分别是位于外周的V1 结构域和跨膜的V0 结构域。V1 结构域可以通过水解ATP 供能；
而V0 结构域是质子的通道。它们发挥作用主要是通过水解ATP 供能，泵运H+ 进入囊泡腔中或泵H+ 出细
胞外。V-ATPases 定位于细胞器膜及某些特殊细胞的细胞质膜，参与骨吸收、肿瘤的侵袭及耐药等生理
及病理过程，因而V-ATPases 是治疗骨质疏松、糖尿病及肿瘤等人类疾病的候选分子靶标。目前有许多
研究致力于发现新的潜在的特异的V-ATPase 抑制剂。
关键词：V - A T P a s e s；耐药；肿瘤；骨质疏松；抑制剂
中图分类号：Q55；Q71；R979.1；R730.272　　文献标识码：A
Progress in the functions of V-ATPases and its inhibitors
YOU Hai-yan, DENG Yun, QIN Wen-xin*
(State Key Laboratory for Oncogenes and Related Genes, Shanghai Cancer Institute,
Shanghai Jiaotong University of Medicine, Shanghai 200032, China)
Abstract: The vacuolar ATPases (V-ATPases) are a class of enzymes distributed throughout eukaryotes. They
are large, multi-subunit complexes organized into two domains, the peripheral V1 domain and the integral V0
domain. V1 domain is responsible for ATP hydrolysis whereas V0 domain carries out proton translocation. V-
ATPases provide energy by ATP hydrolysis to pump protons from the cytoplasm to the lumen of vacuoles or
into the extracellular environment. They locate in the membrane of intracellular compartments and in the plasma
membrane of some specific cells. V-ATPases involve in bone resorption, tumor cell invasion and drug resistance,
respectively. Therefore, V-ATPases are thought to be a good molecular target in the treatment of a variety of
human diseases, including osteoporosis, diabetes and cancer. Scientists focus on finding novel potential and
specific inhibitors of V-ATPase.
Key words: V-ATPases; drug resistance; cancer; osteoporosis; inhibitors
收稿日期：2009-03-23；修回日期：2009-04-22
基金项目：上海市国际科技合作项目(08410700900); 国
家重点基础研究发展计划“973”项目(2009CB521803)
*通讯作者：E-mail: qinwenxin@smmail.cn
真核细胞中的阳离子转运ATPase主要有三类：
P-ATPase、F-ATPase 及 V-ATPase。P-ATPase 包括
Na+/K+-ATPase、H+/K+-ATPase 和 Ca2+-ATPase 等，
可以参与转运多种阳离子，如Na+、K+、H+ 和 Ca2+
等[1]。F-ATPase主要存在于线粒体中，依赖跨膜的
质子电化学梯度合成ATP。V-ATPase 存在于细胞
器膜上，如内体、溶酶体及网格蛋白包被囊泡上，
通过ATP供能把质子泵入这些细胞器中维持这些细
胞器的相对酸性的内环境。另外，V-ATPase 还存
在于某些特殊细胞的细胞质膜上，如肾小管上皮细
胞、破骨细胞、巨噬细胞和附睾上皮细胞的细胞质
膜上，参与这些特殊细胞的功能[2- 5 ]。除此之外，
肿瘤细胞的质膜上也有V-ATPase 的表达。
1　V-ATPases的结构
V-ATPase是一个由多个亚基组成的复合物，主
要有两个结构域[6] ：一个是位于细胞浆的V1结构域
500 生命科学 第21卷
(相对分子质量是640 k) ；另一个是跨膜的V0 结构
域(相对分子质量是260 k)。V1结构域可以水解ATP
供能；而 V0 结构域是质子进入的通道。V1 结构域
由A —H 等 8 个不同的亚单位组成，交替排列的A
和B亚单位组成六聚体。3个催化位点主要位于A亚
单位，3 个调节位点主要位于B 亚单位上，其他亚
单位分别组成2个连接V0 与 V1 结构域的杆状结构。
亚单位 C、E、G 和 H 与亚单位 a 的氨基末端组成
外周杆状结构。亚单位 D 和 F 组成中间杆状结构。
V0 结构域由a、d、e、c、c、c6 个不同的亚单
位组成，亚单位 c、c、c 是高度疏水的蛋白，
也被称为蛋白脂亚单位。亚单位c、c 有 4个跨膜
螺旋，c 有 5个跨膜螺旋，每个蛋白脂亚单位都
包含1个质子转运所必需的羧基基团。1个c、1个
c及 4－ 5个c形成一个蛋白脂环。d亚单位是一
个疏水蛋白，它与这个蛋白脂环的胞浆面紧紧结
合，另外它还有与中间杆状结构结合的位点。蛋白
脂环、d 亚单位和 V1 结构域的D、F 亚单位被称为
旋转复合物(图1)。
每个亚单位的精确功能及它们的相互作用仍有
待研究。另外，有证据表明亚单位存在多种形式的
异构体，而且它们在不同器官及组织中表达不同
(表1)。附加的V-ATPase亚单位可能参与器官特异
的调节[7-9]。
在细胞内有多种机制可以严格控制V-ATPase的
活性，这样可以维持不同细胞器具有特定的pH，如
溶酶体的酸性比晚期内体强，而晚期内体的酸性又
图1　V-ATPase的结构
表1　V-ATPase的各个亚基及其功能
结构域 亚单位 功能 (已知的) 异构体 组织
V 1 A 催化位点, 结合ATP
B 非催化位点, 结合ATP B 1 肾脏
B2 广谱
C 外周定子，组合装置 C1 广谱
C2 肺, 肾脏
D 中央转子
E 外周定子 (E1, 顶体酸化; 与醛缩酶相关) E1 睾丸
E2 广谱
F 中央转子
G 外周定子 G 1 广谱
G 2 神经元
G 3 肾脏
H 外周定子
V 0 a H+ 转运 a1 广谱
a2 广谱
a3 广谱, (破骨细胞)
a4 肾脏
c H+ 转运
c H+ 转运
c H+ 转运
d 组合装置 d1 广谱
d2 肾脏, 肺, 破骨细胞
e 膜部分相关 e1
e2
501第4期 游海燕，等：V-ATPases 的功能及其抑制剂研究进展
比早期内体强。早期发现的一个调节V-ATPase 活
性的机制：在V-ATPase 的催化位点的保守半胱氨
酸残基形成的可逆的二硫键可以抑制V-ATPase的活
性[10,11]。第二个重要的机制是调节质子泵的密度：
通过细胞质膜与包含高密度V-ATPase的细胞内囊泡
的顶端膜融合来调节质子泵的密度，这个机制对于
调控依赖V-ATPase的质子经上皮细胞质膜转运尤其
重要。第三个机制是通过 V0 结构域与 V1 结构域可
逆的分离来调节酶的活性。在酵母和昆虫细胞中，
营养缺乏时V1与V0结构域会发生分离，这可能是保
存储备 AT P 能量的一个途径。在酵母中，这两个
结构域的可逆分离非常迅速且不需要新蛋白的合
成。再聚集和分离是两个独立控制的过程。复合体
依赖葡萄糖的再聚集过程需要一个新的异源三聚体
复合物囊泡和内体酸性的调节剂 (regulator of the H+-
ATPase of the vacuolar and endosomal membranes,
RAVE)。RAVE 由两个新蛋白Rav1p、Rav2p 和泛素
化连接酶亚单位Skp1 组成。RAVE 促进依赖葡萄糖
和正常生物合成的V-ATPase的再聚集[12,13]。第四个
机制是调节质子转运和ATP水解的偶联率。一系列
的变化，如限制蛋白水解作用、升高的 ATP 浓度、
亚单位D 和没有同源性的亚单位A 的突变都可以导
致质子转运与 ATP 水解部分解偶联。另外，亚单
位a 异构体为Vph1p的复合物质子转运和ATP水解
的偶联率是异构体为Stv1p的复合物的5倍[14]。不
同形式的亚单位a 异构体对于质子转运和ATP 水解
的偶联率非常重要。体内囊泡酸性还可以由V-AT-
Pase 以外的其他转运体调节。V-ATPase 在转运质
子的过程中，建立了腔内阳性的膜电势，因而必须
有补偿的其他电子流才能发生质子的转运[15]。
2　V-ATPases的功能
存在于细胞器膜上的V-ATPase可以把质子泵入
细胞器中，维持细胞器相对酸性的 pH。内体的酸
性 pH 对受体介导的内吞非常关键，内化的受体配
体复合物的分离及受体循环回细胞膜都依赖酸化的
条件。内体的酸性微环境有助于流感病毒等多种被
膜病毒及炭疽毒素等毒素的细胞毒性部分进入细
胞。溶酶体的酸性可以激活溶酶体腔中的降解酶，
还可以为偶联转运小分子及离子进出溶酶体膜提供
动力。分泌囊泡如突触囊泡的酸性可以驱动小分子
如神经递质的转运。
位于细胞质膜上的V-ATPase参与正常生理及疾
病的过程。位于肾脏远端肾小管及集合管肾单位闰
细胞细胞质膜上的V-ATPase对机体的酸碱平衡是必
需的，V-ATPase亚基上的基因突变可以导致机体代
谢性酸中毒[16]。破骨细胞皱褶缘的细胞质膜上存在
的V-ATPase可以酸化吸收腔隙，这种酸性微环境利
于羟磷灰石溶解及激活cathepsin K这种消化胶原的
酶，从而利于骨吸收，阻止破骨细胞V-ATPase 的
功能可以抑制骨吸收，破骨细胞V-ATPase已成为治
疗骨质疏松症的新靶标[17]。巨噬细胞及嗜中性粒细
胞胞膜上的V-ATPase 参与调控pH 稳态。位于附睾
及输精管的V-ATPase 对于精子成熟及储存很重要。
V-ATPase还与肿瘤治疗的耐药及肿瘤的侵袭转
移相关。肿瘤细胞细胞质膜上的质子泵一方面可以
把 H + 泵出细胞，使得肿瘤细胞存在的微环境呈酸
性，而导致进入细胞的弱碱性药物如蒽环类药物的
总量减少；另一方面位于细胞器膜上的质子泵可以
将H+泵至如溶酶体等细胞器，导致弱碱性药物积聚
于酸性细胞器中。位于细胞不同部位的质子泵共同
导致细胞内有效药物浓度降低，从而引起细胞耐
药。我们的研究结果表明，靶向质子泵的RNA 干扰
(干扰沉默ATP6L，质子泵V0结构域的c亚基)可以增
敏化疗药物阿霉素等对乳腺癌耐药细胞的作用[18]。
肿瘤细胞的酸性微环境还可诱导溶酶体酶cathepsin
B、D 及 L 的活化和分泌增强[19]。另外，它还可以
激活蛋白水解酶，促进细胞外基质(extracellular
matrix, ECM) 的降解和重构，从而促进肿瘤的侵袭
和转移[20]。其中，MMPs 是降解和重构 ECM 的重
要蛋白酶类。我们实验室的研究结果表明，RNA 干
扰沉默ATP6L后，可阻滞肝癌细胞生长及抑制肝癌
侵袭及转移[21]。
3　V-ATPase的抑制剂
发现的第一种特异的V-ATPase抑制剂bafilomycin
A1 在纳摩尔浓度时即可以抑制 V-ATPase 的活性，
但要在微摩尔浓度才影响 P-ATPase 的活性，对
F-ATPase的活性毫无影响[22]，因而bafilomycin A1作
为一个有效工具用来特异研究V-ATPase的化学及生
理作用。concanamycin A与bafilomycin A1同属于
微生物抗生素大环内酯类，concanamycin A 也是
V-ATPase的特异抑制剂。bafilomycin A1与V0结构
域的c 亚基结合，可能通过阻止c 亚单位参与组成
的蛋白脂环的转动而抑制酶活性；但是由于
bafilomycin A1没有选择性，可以作用于真核细胞
内所有的V-ATPase，造成它们的体内外毒副作用太
强，而未能用于临床。对bafilomycin A1进行系统
502 生命科学 第21卷
化学修饰得到了针对溶骨性疾病的合成抑制剂H362/
48 和 SB242784，它们对破骨细胞V-ATPase 具有相
对的组织特异性。H362/48抑制脑V-ATPase的能力
只有抑制破骨细胞V-ATPase的1/6。据报道SB242784
抑制破骨细胞只需抑制其他组织如肝脏、肾脏及脑
组织细胞1‰的浓度[23]。
后来又发现了一类benzolactone enamides的
V-ATPase 抑制剂，包括salicylihalamide A 和
Lobatamides 等[24]，是从海洋海绵动物、海鞘及细
菌中分离得到，其中salicylihalamide A可特异地抑
制哺乳类V-ATPase，而对真菌类及酵母V-ATPase
无效[25]。
发现的第三类V-ATPase抑制剂是chondropsins
类，是从海洋海绵动物分离得到。它们与前两种自
然来源的抑制剂不一样，它们的抑制能力稍低，但
与抑制哺乳类V-ATPase 相比，它们更倾向于抑制
真菌类V-ATPase。
通过破骨细胞微体随机筛选发现新的V-ATPase
抑制剂FR167356，它的化学结构及抑制特性与其
他已经发现的抑制剂不同。它是第一个可以区分破
骨细胞细胞质膜及溶酶体V-ATPase 的抑制剂，但
是它对巨噬细胞及肾脏的作用与对破骨细胞的作用
相同[26-27]。
另外还有一类H+-K+-ATPase的抑制剂，如奥美
拉唑(Omeprazole)、艾美拉唑(esomeprazole) 等，这
类苯并咪唑类质子泵抑制剂可以抑制胃黏膜壁细胞
的H+-K+-ATPase泵的作用，在临床上已经广泛地被
用于治疗消化性溃疡。此外，它们还可以直接抑制
V-ATPase 的功能[28-30]，它们的原药不能发挥作用，
必须选择性地聚集在酸性的空间里，才能使其吡啶
及苯并咪唑氮质子化，从而形成四环结构的甲磺酸
烯胺这种药物的活性形式，随后与质子泵共价及不
可逆相互作用从而抑制泌酸[31]。肿瘤组织存在于缺
氧环境中，糖酵解作用增强。肿瘤细胞为了适应这
种不利环境，逃避凋亡，其 pH 调节能力增强，使
得细胞外呈酸性、细胞内相对碱性。而正是肿瘤组
织存在这种酸性微环境，正常组织细胞外 pH 不呈
酸性，因而奥美拉唑等可以特异性地对肿瘤组织发
挥作用。奥美拉唑可以聚集在肿瘤组织中，形成活
性形式，抑制肿瘤组织中的质子泵功能，改变肿瘤
细胞存在的 pH 梯度，从而增敏弱碱性药物对肿瘤
的作用[32,33]。
4　总结
目前，人们对V-ATPase 的基本结构在生理及
病理过程中所起的作用、V-ATPase的活性如何调节
及发现V-ATPase的抑制剂等各方面都已经取得了较
大的进步。虽然已经发现了数种V-ATPase 抑制剂，
但是除了知道bafilomycin A1等少数抑制剂抑制
V-ATPase 的机理外，其他抑制剂如何抑制V-ATP-
ase 的功能，尚不甚清楚。V-ATPase 不同亚单位如
何相互作用，机体对V-ATPase 的活性如何进行更
精细的调节，寻找及合成更多的特定靶向某种组织
的V-ATPase 抑制剂都是今后凾待解决的问题。
[参　考　文　献]
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