Human cathepsin K (hCatK), which is highly expressed in osteoclasts, has the noteworthy ability to cleave type I and II collagens in their helical domain. Its collagenase potency depends strictly on the formation of an oligomeric complex with chondroitin 4-sulfate (C4-S). Accordingly, hCatK is a pivotal protease involved in bone resorption and is an attractive target for the treatment of osteoporosis. As rat is a common animal model for the evaluation of hCatK inhibitors, we conducted a comparative analysis of rat CatK (rCatK) and hCatK, which share a high degree of identity (88%) and similarity (93%). The pH activity profile of both enzymes displayed a similar bell-shaped curve (optimal pH: 6.4). Presence of Ser134 and Val160 in the S2 pocket of rCatK instead of Ala and Leu residues, respectively, in hCatK, led to a weaker peptidase activity, as observed for mouse CatK. Also, regardless of the presence of C4-S, rCatK cleaved in the nonhelical telopeptide regions of both type I (tail) and type II (articular joint) rat collagens. Structure-based computational analyses (electrostatic potential, molecular docking, molecular dynamics, free energy calculations) sustained that the C4-S mediated collagenolytic activity of rCatK obeys distinct molecular interactions from those of hCatK. Additionally, T-kininogen (a.k.a. thiostatin), a unique rat serum acute phase molecule, acted as a tight-binding inhibitor of hCatK (Ki = 0.11 ± 0.05 nM). Taken into account the increase of T-Kininogen level in inflamed rat sera, this may raise the question of the appropriateness to evaluate pharmacological hCatK inhibitors in this peculiar animal model.

中文翻译：

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大鼠组织蛋白酶K：酶的特异性及其对胶原蛋白水解活性的调节。

在破骨细胞中高度表达的人组织蛋白酶K（hCatK）具有在其螺旋结构域裂解I型和II型胶原的显着能力。其胶原酶的效力严格取决于与硫酸软骨素4（C4-S）形成的寡聚复合物。因此，hCatK是参与骨吸收的关键蛋白酶，并且是治疗骨质疏松症的有吸引力的靶标。由于大鼠是评估hCatK抑制剂的常见动物模型，因此我们对大鼠CatK（rCatK）和hCatK进行了比较分析，它们具有高度的同一性（88％）和相似性（93％）。两种酶的pH活性曲线显示出相似的钟形曲线（最佳pH：6.4）。在rCatK的S2口袋中分别存在Ser134和Val160，而不是hCatK中的Ala和Leu残基，这导致了较弱的肽酶活性，如小鼠CatK所观察到的。同样，无论C4-S的存在如何，rCatK在I型（尾巴）和II型（关节关节）大鼠胶原蛋白的非螺旋端肽区域内均被切割。基于结构的计算分析（静电势，分子对接，分子动力学，自由能计算）坚持认为，C4-S介导的rCatK的胶原蛋白水解活性与hCatK的分子相互作用不同。另外，独特的大鼠血清急性期分子T-激肽原（aka thiostatin）充当hCatK的紧密结合抑制剂（Ki = 0.11±0.05 nM）。考虑到发炎大鼠血清中T-激酶原水平的增加，这可能引起在这种特殊动物模型中评估药理hCatK抑制剂是否适当的问题。无论C4-S的存在如何，rCatK在I型（尾巴）和II型（关节关节）大鼠胶原蛋白的非螺旋端肽区域均被切割。基于结构的计算分析（静电势，分子对接，分子动力学，自由能计算）坚持认为，C4-S介导的rCatK的胶原蛋白水解活性与hCatK的分子相互作用不同。另外，独特的大鼠血清急性期分子T-激肽原（aka thiostatin）充当hCatK的紧密结合抑制剂（Ki = 0.11±0.05 nM）。考虑到发炎大鼠血清中T-激酶原水平的增加，这可能引起在这种特殊动物模型中评估药理hCatK抑制剂是否适当的问题。无论C4-S的存在如何，rCatK在I型（尾巴）和II型（关节关节）大鼠胶原蛋白的非螺旋端肽区域均被切割。基于结构的计算分析（静电势，分子对接，分子动力学，自由能计算）坚持认为，C4-S介导的rCatK的胶原蛋白水解活性与hCatK的分子相互作用不同。另外，独特的大鼠血清急性期分子T-激肽原（aka thiostatin）充当hCatK的紧密结合抑制剂（Ki = 0.11±0.05 nM）。考虑到发炎大鼠血清中T-激酶原水平的增加，这可能引起在这种特殊动物模型中评估药理hCatK抑制剂是否适当的问题。rCatK在I型（尾巴）和II型（关节关节）大鼠胶原蛋白的非螺旋端肽区域内裂解。基于结构的计算分析（静电势，分子对接，分子动力学，自由能计算）坚持认为，C4-S介导的rCatK的胶原蛋白水解活性与hCatK的分子相互作用不同。另外，独特的大鼠血清急性期分子T-激肽原（aka thiostatin）充当hCatK的紧密结合抑制剂（Ki = 0.11±0.05 nM）。考虑到发炎大鼠血清中T-激酶原水平的增加，这可能引起在这种特殊动物模型中评估药理hCatK抑制剂是否适当的问题。rCatK在I型（尾巴）和II型（关节关节）大鼠胶原蛋白的非螺旋端肽区域内裂解。基于结构的计算分析（静电势，分子对接，分子动力学，自由能计算）坚持认为，C4-S介导的rCatK的胶原蛋白水解活性与hCatK的分子相互作用不同。另外，独特的大鼠血清急性期分子T-激肽原（aka thiostatin）充当hCatK的紧密结合抑制剂（Ki = 0.11±0.05 nM）。考虑到发炎大鼠血清中T-激酶原水平的增加，这可能引起在这种特殊动物模型中评估药理hCatK抑制剂是否适当的问题。分子动力学，自由能计算）表明rCatK的C4-S介导的胶原蛋白水解活性与hCatK的分子相互作用完全不同。另外，独特的大鼠血清急性期分子T-激肽原（aka thiostatin）充当hCatK的紧密结合抑制剂（Ki = 0.11±0.05 nM）。考虑到发炎大鼠血清中T-激酶原水平的增加，这可能引起在这种特殊动物模型中评估药理hCatK抑制剂是否适当的问题。分子动力学，自由能计算）表明，rCatK的C4-S介导的胶原蛋白水解活性与hCatK的分子相互作用完全不同。另外，独特的大鼠血清急性期分子T-激肽原（aka thiostatin）充当hCatK的紧密结合抑制剂（Ki = 0.11±0.05 nM）。考虑到发炎大鼠血清中T-激酶原水平的增加，这可能引起在这种特殊动物模型中评估药理hCatK抑制剂是否适当的问题。