Caspase家族与细胞凋亡

NationalMedicalFrontiersofChina,Mar.2011,Vol.6No.6中国医疗前沿2011年3月第6卷第6期25综述与进展迄今为止，细胞的凋亡过程确切机制尚不完全清楚，但凋亡过程的紊乱可能与许多疾病的发生有直接或间接的关系。细胞凋亡涉及一系列蛋白，如Caspase家族蛋白、Bcl-2家族蛋白和p53蛋白、survivin。其中Caspase半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶(Cysteinylaspartatespecificproteinase，Caspase)家族，也称为ICE/CED-3家族，是美丽线虫(Caenorhabditiselegans)死亡基因CED-3的同源物。这类蛋白酶与细胞凋亡形态学特征变化(如细胞膜空泡形成、核膜破裂、染色质聚集和边聚及DNA断裂等)以及一些生化改变关系密切。1Caspase的生化特性从1992年人类第一次纯化Caspase-1克隆并测序其cDNA至今,Caspase家族中共有14个成员被克隆出，它们在氨基酸序列、结构及酶的特性上均相似，正常时均以无活性的酶原形式存在。酶原分子由一个N端前域及一大一小两个亚基组成。酶原分子激活后,大小亚基解离并重新组装为四聚体形式的活性酶两个小亚基单位在中间，两个大亚基单位在外周。每个异二聚体包含一个催化位点。大小亚基的同源性较高，而N端前域的同源性较低，因此N端前域成为区别Caspase家族各成员的重要指标。Caspase分为三大类：凋亡启动因子(apoptoticinitiators)、凋亡执行因子(apoptoticexecutioners)和炎症介导因子(inflammatorymediators)，构成了级联放大效应。凋亡启动因子在级联反应的上游，包括Caspase-2、Caspase-8、Caspase-9、Caspase-10等,能在其它蛋白辅助下发生自我活化并识别和激活下游的Caspase。如Caspase-8几乎能激活所有凋亡级联反应下游的Caspase而诱发凋亡[1,2]。凋亡执行因子在级联反应的下游，包括Caspase-3、Caspase-6和Caspase-7等，作用于其特异性底物并导致细胞凋亡。如Caspase-3，是Caspase家族中的最重要的凋亡执行者之一，是细胞凋亡过程中的主要效应因子。它的活化是凋亡进入不可逆阶段的标志[3]。炎症介导因子包括Caspase-l、Caspase-4、Caspase-5和Caspase-1l,介导炎症反应并在死亡受体介导的细胞凋亡途径中起辅助作用。2Caspase的激活机制根据起始激活的Caspase不同，凋亡激活的途径分为3种。外源性途径始于细胞表面死亡受体。因此也称作死亡受体途径。细胞死亡受体属于肿瘤坏死因子TNF、神经生长因子NGF超家族，如Fas、TNFR1(TNFreceptor-1)。由于各种细胞凋亡信号的刺激，FasL(Fasligand)和TNFα作用于相应的受体，使Caspase家族与细胞凋亡岳原亦张扬张一奇【摘要】细胞凋亡是细胞的一种主动发出的基本生物学现象，在生物体的进化、内环境的稳定以及多个系统的发育中起着重要的作用。Caspase半胱氨酸蛋白酶家族作为细胞凋亡过程中的中心环节和执行者，近年来受到了广泛的关注。现就Caspase家族的生化特性、激活途径、底物和抑制剂以及与一些凋亡相关疾病的联系进行综述。【关键词】Caspase；细胞凋亡；疾病doi:10.3969/j.issn.1673-5552.2011.06.0011【中图分类号】R329.2；Q55【文献标识码】A【文章编号】1673-5552(2011)06-0025-02【Keywords】Caspaseapoptosisdisease得内源性Fas相关死亡结构域(Fasassociateddeathdomain，FADD)和Fas发生直接的作用，生成FasL-Fas-FADD凋亡复合物而使细胞凋亡。而TNFR相关死亡结构域(TNFRassociateddeathdomain，TRADD)通过与死亡域间的相互作用，与TNFR1直接结合，间接使TNFR1和FADD相结合形成TNFα-TNFR1-TRADD-FADD复合物。复合物形成后FADD的死亡效应区即和Caspase-8酶原或Caspase-10酶原结合，使Caspase酶原活化为有活性的Caspase。活化的Caspase-8或10激活下游的Caspase-3、6、7，最终导致细胞的凋亡。内源性细胞凋亡途径始于线粒体，因此也称为线粒体途径。当受到细胞凋亡信号刺激。线粒体释放细胞色素C至细胞浆中。细胞色素C与细胞内存在的一种凋亡细胞蛋白酶激活因子(ApoptosisProteaseActivatingFactor-1，Apaf-1)结合，在dATP存在的条件下，通过半胱氨酸蛋白酶募集域的作用，Apaf1和Caspase-9酶原结合。使Caspase-9酶原活化，然后激活下游的效应半胱氨酸蛋白酶如Caspase-2、3、6、7、8、10，从而启动细胞凋亡。内质网相关细胞凋亡是一种新的细胞凋亡途径。内质网与细胞凋亡相联系表现在两个方面[4]；一是内质网对Ca2+的调控，二是内质网应激反应。内质网是细胞内最重要的蛋白质合成折叠的场所，它包含有钙调节分子伴侣，腔内还包含有凋亡蛋白(如Caspase-12、Bap31和Bcl-2)[5]。钙调节分子伴侣凋亡蛋白决定了细胞对内质网应激和凋亡的敏感性。很多细胞在凋亡早期会出现胞质内Ca2+浓度迅速持续的升高，一方面可以激活胞质中的钙依赖性蛋白酶(如calpain)，另一方面可以作用于线粒体，影响其通透性的改变，进而促进凋亡。内质网内错误折叠蛋白质聚集就会导致内质网分子伴侣基因表达激活，触发内质网未折叠反应(UPR)。当未折叠蛋白质过度聚集变成有毒性时就会触发细胞凋亡。信号主要通过caspase-12下传。钙离子依赖性蛋白激酶可以直接剪切并激活Caspase-12。另外，内质网应激也可以导致胞质Caspase-7和Bim向内质网表面移位，激活Caspase-12和级联反应的发生[6]。最近有研究表明Caspase-4也参与内质网应激所引起的细胞凋亡反应[7]。3Caspase与凋亡相关疾病的联系3.1与肿瘤的联系肿瘤是一种细胞增殖和分化异常的疾病，同时也是细胞凋亡异常的疾病。大量资料显示，在许多肿瘤细胞的凋亡中发现有Caspase的活化。目前也已经发现一系列新的与Caspase有关的诱导凋亡的方法来治疗肿瘤，对大部分肿瘤有实际意义，并可望在恶性肿瘤的治疗方面取得新的突破。Shinoura等用腺病毒载体将Caspase-3基因导人乳腺癌细胞作者单位：110003沈阳，中国医科大学附属盛京医院作者简介：岳原亦(1988-)，女，本科学历。Email：[e-mail]26综述与进展中国医疗前沿2011年3月第6卷第6期NationalMedicalFrontiersofChina,Mar.2011,Vol.6No.6系MCF-7和胶质神经瘤细胞系U251和U373中，发现单独使用Caspase-3基因时无明显的细胞凋亡变化，联合使用Fas配体(FL)基因或Fas抗体时，细胞的凋亡比两者单独使用时有显著的增加[8]。新近的研究表明，在获得性药物抗性(acquireddrugresistance，ADR)的MCF-7细胞系中，用腺病毒载体导人Caspase-3基因。此时ADR细胞比转入前的细胞中的Caspase-3蛋白水平和Caspase-3酶活性分别增加2.8倍和3.7倍，同时发现前体Caspase-3的高表达，对细胞无毒性作用并对细胞凋亡水平没有影响，但这时它对药物的敏感性却达到没有ADR存在的细胞的水平，提示Caspase在化疗药物的抗药性中具有重要的作用和应用潜能[9]。3.2与缺血-再灌注的联系多数学者认为，凋亡是心肌缺血及再灌注细胞死亡的一种主要形式。研究表明，应用了Caspase-3选择性抑制剂Z-DEVD-fmk之后，缺血再灌注大鼠心肌3hTUNEL检测结果显示，Caspase-3抑制剂组心肌TUNEL阳性细胞明显减少[10]。而Caspase-3表达过度的小鼠，即使表型正常，其脑局部缺血再灌注模型也会表现为创伤较大，凋亡细胞增加[11]。另外，在脑、肺、四肢的缺血再灌注试验中，Caspase也被证明参与了凋亡过程。3.3与组织损伤的联系在组织损伤和炎症过程中，中性粒细胞和其它的滞留细胞均通过凋亡机制，在细胞膜整的情况下被巨噬细胞识别和清除，从而避免继发的炎症反应。在执行细胞凋亡和促进创伤愈合的过程中Caspase发挥重要的作用。目前已证明Caspase与中枢神经损伤、皮肤损伤及其它内脏损伤和炎症反应有关。如Akasaka对瘢痕疙瘩的成纤维细胞研究显示，Caspase-3能减少细胞生存、促进细胞凋亡，最近又发现Caspase-9的激活,细胞色素C的释放可能是体内瘢痕疙瘩的成纤维细胞凋亡的基础[12,13]。3.4与PTSD的联系创伤后应激障碍(posttraumaticstressdisorder，PTSD)是指由于异常威胁性或灾难性心理创伤导致延迟出现和长期持续的精神障碍，是应激疾病中最为典型的一种。线粒体细胞色素C可通过对凋亡信号的转导和放大作用调控细胞凋亡，当细胞色素C释放到胞浆后，可通过激活Caspase-3来介导细胞凋亡[14]。已有研究报道，创伤后应激障碍大鼠杏仁核神经元细胞发生凋亡[15]。实验通过对PTSD大鼠杏仁核COX的检测发现，SPS刺激后7d内，大鼠杏仁核神经元COX活性持续减弱，COXIImRNA的表达于SPS1d时开始减少，并逐渐减少，至SPS7d时表达最低，而Caspase-3mRNA的表达则呈现相反的趋势，呈现逐渐上调的趋势，于SPS1d时表达出现增加，至SPS7d时表达最高。由此可见，SPS刺激引起大鼠杏仁核神经元线粒体中的COX的释放，从而导致呼吸酶活性发生改变，线粒体功能受损，其释放也激活凋亡蛋白酶Caspase-3，导致杏仁核神经元细胞凋亡，最终影响杏仁核的功能[16]。4结语和展望作为凋亡机制中重要的效应成分,Caspase家族参与多种与凋亡有关的生理和病理过程。在诸如生长因子撤除、热休克、细胞因子和DNA损伤剂等刺激作用下,细胞内多种凋亡信号传导途径被活化,最终将会聚于Caspase家族蛋白酶这一共同的遗传保守机制。因此随着对Caspase的结构、特性及其在凋亡中的作用不断深入的了解,将有助于人类对生命奥秘的了解和各种疾病的诊断和最终治疗。参考文献[1]ScatenaR,BottoniP,BottaG,eta1.Theroleofmitochondriainpharmacotoxicology:areevaluationofanold,newlyemergingtopic[J].AmJPhysiolCellPhysiol,2007,(293):C12-21.[2]HackerG,PaschenSA.Therapeutictargetsinthemitochondrialapoptoticpathway[J].ExpertOpinTherTargets,2007,(11):515-526.[3]CrynsV,YuanJ.Proteasetodiefor[J].GenesDev,1998,12(11):1551-1570.[4]RaoRV,HermelE,Castro-ObregonS,etal.Couplingendoplasmicreticulumstresstothecelldeathprogram[J].JBiolChem,2001,276(8):33869-33874.[5]GroenendykJ,MichalakM.Endoplasmicreticulumqualitycontrolandapoptosis[J].ActaBiochimPol,2005,52(6):15-20.[6]MorishimaN