凋亡相关蛋白Caspase研究进展

１３Ｏ·　中国现代医药杂志２０１０年４月第１２卷第４期ＭＭＪＣ，Ａｐｒ　２０１０，Ｖｏｌ　１２，Ｎｏ．４　凋亡相关蛋白Ｃａｓｐａｓｅ研究进展　戴昕李占全冀林华　细胞凋亡．又称细胞程序性死亡，是指细胞在一定的生　理或病理条件下，遵循自身的程序．自己结束其生命的过程。　细胞凋亡是一个主动的、信号依赖的过程，可以由许多因素　所诱导，如放射线照射、毒素、药物、缺血缺氧、病毒感染等。　和细胞增殖一样，细胞凋亡也是受基因调控的精确过程，其　途径主要有两条．一条是通过细胞膜上的死亡受体激活ｃａ８．　ｐａｓｅ．另一条是通过胞质内的线粒体途径释放细胞凋亡因子　激活ｃａｓｐａｓｅ。　ｃａｓｐａｓｅ是一个半胱氨酸蛋白酶家族，在细胞凋亡的过程　中起着关键性的作用。ｃａｓｐａｓｅ最先是在对线虫的研究中发现　的，ＣＥＤ一３是线虫的自杀基因，其编码产物ＣＥＤ一３能引起线　虫细胞凋亡。ｃａｓｐａｓｅ具有以下特点：①它是一种半胱氨酸蛋　白酶，用半胱氨酸作为裂解底物的亲核基团：②其催化活性　对底物的天冬氨酸有特异性要求，ｃａｓｐａｓｅ以活性很低的酶原　形式合成，通过蛋白酶水解去除氨基端的一段序列而被激　活：（　活化的ｃａｓｐａｓｅ能够特异地水解一套底物，从而导致细　胞凋亡，此过程为不可逆反应；④正常情况下细胞内总存在　有ｃａｓｐａｓｅ的抑制剂。以防止ｃａｓｐａｓｅ酶原偶然被激活而对正　常细胞造成损伤。　１　Ｃａｓｐａｓｅ的结构与分类　ｃａｓｐａｓｅ家族有相似的氨基酸序列、结构和底物特异性，　通常以无活性的蛋白酶原形式在细胞内合成和分泌，通过活　化发生蛋白水解获得活性。酶原分子由３部分组成，一个Ｎ　端前域及一大一小两个亚基，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【１＿。根据ｃａｓｐａｓｅ在级联　反应上下游的位置及功能的不同。可分为３大类，第１类为　凋亡始动子，位于级联反应上游，包括Ｃａｓｐａｓｅ一２、８、９、１０等，　能在其它蛋白参与下发生自我活化并激活下游的ｃａｓｐａｓｅ。第　２类为凋亡效应子，位于级联反应下游，包括ｃａｓｐａｓｅ一３、６、７，　能被上游的始动子激活．激活后的ｃａｓｐａｓｅ作用于特异性底　物使细胞发生生化及形态学改变。导致细胞凋亡。第３类为　炎症组包括Ｃａｓｐａｓｅ一１、４、５、ｌ１、ｌ２、ｌ３、１４，主要参与细胞因　子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。　２　Ｃａｓｐａｓｅ的活化　化和非ｃａｓｐａｓｅ蛋白酶活化。ｃａｓｐａｓｅ酶原具有很低的蛋白水　解活性，这表明它在某种条件下有自活化的潜力。野生型　ｃａｓｐａｓｅ的过表达可导致酶原的加工与激活，表明酶原在高浓　度时促进自活化。ｃａｓｐａｓｅ一８或９的原域中都含有死亡效应　域ＤＥＤ。通过蛋白一蛋白相互作用，形成寡聚复合体．酶原相　互接近，局部酶原浓度升高，促使了酶原的自活化嘲。一旦被　激活，起始ｃａｓｐａｓｅ能转活化其他的ｃａｓｐａｓｅ酶原。例如，　ｃａｓｐａｓｅ一８能激活几乎所有已知的ｃａｓｐａｓｅ酶原。ｃａｓｐａｓｅ一９能　激活酶原ｃａｓｐａｓｅ一３和一７，但不能激活ｃａｓｐａｓｅ一６咖。ｃａｓｐａｓｅ一３　反过来可再激活Ｃａｓｐａｓｅ一８和一９．形成正反馈。ｃａｓｐａｓｅ酶原　的另一激活机制是直接被其它非ｃａｓｐａｓｅ蛋白酶所活化。例　如，细胞毒性Ｔ细胞的颗粒酶Ｂ是一种天冬氨酸特异的丝氨　酸蛋白酶，是酶原ｃａｓｐａｓｅ一３和一７的高效激活剂。颗粒酶Ｂ　也能激活ｃａｓｐａｓｅ一８、９、１０，但不能激活ｃａｓｐａｓｅ一６　。　

３　Ｃａｓｐａｓｅ作用途径与方式　与ｃａｓｐａｓｅ有关的凋亡通路主要有两种。一种是线粒体　依赖途径，另一种是死亡受体介导的信号传导途径。　内源性细胞凋亡途径始于线粒体，细胞色素Ｃ从线粒体　内释放是关键的一步［５１。在细胞凋亡信号的刺激下，细胞色素　Ｃ从线粒体内释放到胞浆内，胞浆内的细胞色素Ｃ在ｄＡＴＰ　存在下通过半胱氨酸蛋白酶募集域的作用。与凋亡细胞蛋白　酶激活因子Ａｐ　１结合，募集并激活ｃａｓｐａｓｅ一９，然后激活下　游的效应半胱氨酸蛋白酶如ｃａｓｐａｓｅ一２、３、６、７、８、１０，启动　ｃａｓｐａｓｅ的级联反应，引起细胞凋亡。　死亡受体介导的信号传导途径：最具代表性的死亡受体　是ＣＤ９５（５￣名Ｆａｓ　ｏｒ　ＡＰＯ一１１，是一种跨膜受体蛋白，既能与　细胞外的ＣＤ９５抗体及ＣＤ９５配基结合。又能与细胞内的接　头蛋白ＦＡＤＤ结合，ＦＡＤＤ的Ｃ端含有死亡域ＤＤ，Ｎ端含有　死亡效应域ＤＥＤ．同时ＣＤ９５及ｃａｓｐａｓｅ一８分别含有ＤＤ及　ＤＥＤ，当死亡诱导信号ＣＤ９５抗体或ＣＤ９５配基作用于ＣＤ９５　后，ＣＤ９５的构象发生改变，通过其ＤＤ与ＦＡＤＤ的ＤＤ结合，　ＦＡＤＤ又通过ＤＥＤ与ｐｒｏｃａｓｐａｓｅ一８的ＤＥＤ结合．共同形成　死亡诱导信号复合物ＤＩＳＣ，ＤＩＳＣ形成后，可诱导ｐｍｃａｓｐａｓｅ一　８自身激活，产生活性的ｃａｓｐａｓｅ一８ａ／ｂ，活化的ｃａｓｐａｓｅ一８则　进一步激活下游的ｃａｓｐａｓｅ一３，ｃａｓｐａｓｅ一３激活后作用于特定　的凋亡底物，引起细胞凋亡。　ｃａｓｐａｓｅ酶原至少可以通过３种方式激活：自活化、转活　４　ｃａｓｐａｓｅ与疾病的关系　

作者单位：８１０００１西宁，青海大学医学院（戴昕）；青海大学４１　ｃａｓｐａｓｅ与肿瘤肿瘤的发生不仅仅是细胞增殖和分化　

附属医院（李占全、冀林华）　中国现代医药杂志２０１０年４月第１２卷第４期ＭＭＪＣ，Ａｐｔ　２０１０，Ｖｏｌ　１２，Ｎｏ．４　异常的疾病，同时也是细胞凋亡异常的疾病。ｃａｓｐａｓｅ是介导　细胞凋亡的一类蛋白水解酶．是凋亡执行的重要效应分子，　广泛表达于正常人体组织及多种肿瘤组织中。研究表明，肿　瘤的发生、发展与肿瘤细胞的凋亡现象相关共存。与细胞凋亡　速度密切相关。有大量资料显示，在许多肿瘤细胞的凋亡中　发现有ｃａｓｐａｓｅ的活化。　４．２　ｃａｓｐａｓｅ与恶性血液病Ｄｒａｉｎ［６］等用ＲＴ＿ＰＣＲ方法分析人　类细胞中ｃａｓｐａｓｅ一３、４、６及Ｃａｓｐａｓｅ一２长、短异构体的表达，　发现这些基因在白血病细胞系及初诊的急性髓系细胞白血　病患者骨髓标本中的表达有异质性。ｂｃｒ／ａｂｌ基因可能在细胞　色素Ｃ释放、ｃａｓｐａｓｅｓ活化的上游起作用，ｃａｓｐａｓｅｓ表达缺陷　可能与白血病耐药有关，且可作为预后指标。在Ｔ—ＡＬＬ细胞　株ＣＣＲＦ—ＣＥＭ．Ｐ５３诱导的凋亡也与ｃａｓｐａｓｅｓ尤其ｃａｓｐａｓｅ一３　的活化有关。　４．３　ｃａｓｐａｓｅ与糖尿病糖尿病是胰岛素分泌缺陷和ｆ或）胰　岛素作用障碍导致的一组以慢性高血糖为特征的代谢性疾　病。糖尿病病因和发病机制复杂，存在异质性，至今尚未完全　明了。但越来越多的研究表明，胰岛１３细胞凋亡不仅是１型　糖尿病致病的直接原因，而且也是２型糖尿病发病的重要因　素　。为弥补Ｂ细胞功能缺陷和胰岛素抵抗所致的胰岛素相　对不足，Ｂ细胞合成胰岛素作用增强，过多胰岛素的合成超过　了内质网折叠蛋白质的能力。使内质网过载而引发长期内质　网应激，导致ｃａｓｐａｓｅ级联反应的发生和Ｂ细胞凋亡。　４．４　ｃａｓｐａｓｅ与心血管疾病典型的例子就是在缺血一再灌注　诱导的细胞凋亡后伴随出现的心衰。缺氧导致细胞死亡的主　要方式是通过诱导细胞凋亡而产生。周舟同等研究显示，缺氧　３ｈ即可致心肌细胞ｃａｓｐａｓｅ一３的基因表达上调，６ｈ　ｅａｓｐａｓｅ一３　基因表达至峰值水平．并在随后的观察时间内维持高表达状　态。从而印证了ｃａｓｐａｓｅ一３的激活在缺血缺氧诱导的细胞凋　亡过程中的作用。心肌细胞分化高，基本丧失了再生的能力。　心肌细胞凋亡水平上调的直接后果就是心肌细胞数量的显　著减少，心肌收缩力下降，进一步发展可导致心力衰竭１９１。　４．５　ｃａｓｐａｓｅ与组织损伤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存在凋亡机制。在细胞膜完整的情　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【ｌ０１。　ｌ３１·　抑制ｃａｓｐａｓｅ—ｌ、４、６、８。杆状病毒蛋白ＩＡＰ不是活性位点特　异的抑制剂，有多种生物学活性，可以结合并抑制ｃａｓｐａｓｅ活　性、调控细胞周期进程，以及调节受体介导的信号转导等Ｉ“１。　另一组病毒性凋亡抑制剂是ｖ—ＦＬＩＰ．与Ｃａｓｐａｓｅ一８相似，它　们与ｃａｓｐａｓｅ竞争结合死亡受体复合体．从而抑制死亡受体　介导的细胞凋亡。　５．２肽类抑制剂是不可逆性的ｃａｓｐａｓｅ抑制剂，它能抑制很　多细胞凋亡，、但并非全部。在体内ｚ—ＶＡＤ．ｆｍｋ能阻止抗一　ＣＤ９５诱导的致死性肝细胞损害。研究表明在暴发性病毒性　肝炎和各种神经变性疾病中ｚ—ＶＡＤ．ｆｍｋ可能具有潜在的临　床应用价值。　５．３　Ｂｄ一２蛋白家族研究表明，在ｃａｓｐａｓｅ酶原激活的过程　中或在此之前。Ｂｃｌ一２和Ｂｃｌ—ｘＬ发挥其抗凋亡作用。例如．　Ｂｃｌ一２或Ｂｃｌ－ｘＬ的过表达可阻止ｓｔａｕｒｏｓｐｏｒｉｎｅ诱导的Ｊｕｒｋａｔ　Ｔ细胞凋亡。以及Ｃａｓｐａｓｅ一３、７的活化。　５．４其他研究表明一氧化氮及其相关分子能抑制细胞凋　亡；ｃａｓｐａｓｅ一６对锌特别敏感。０．１ｍｍｏｌ／Ｌ的锌即可使其完全　失活；ＰＡＯ能抑制ｃａｓｐａｇｅ一３和６的活性，因为ＰＡＯ修饰了　ｃａｓｐａｓｅ活性位点半胱氨酸残基的硫醇基团：ｃａｓｐａｓｅ一９被Ａｋｔ　磷酸化能抑制其在体外的活性，以及在体内的激活。　

６展望　作为凋亡机制中重要的效应子成分。ｃａｓｐａｓｅ家族参与多　种与凋亡有关的生理和病理过程。ｃａｓｐａｓｅ的结构特点、催化　特性及其在细胞凋亡中的作用等方面已经取得了很大进展，　但是仍然有许多问题有待解决。在各种不同的疾病中ｃａｓｐａｓｅ　的表达可能存在器官差异，ｃａｓｐａｓｅ各家族成员表达水平不　同，不同疾病的病变部位、同一疾病的不同程度都使ｃａｓｐａｓｅ　的表达存在一定差异。相信随着对Ｃａｓｐａｓｅ系统研究的深入．　ｃａｓｐａｓｅ上游基因和下游的作用底物及各种协作因子将一一　被阐明，促ｃａｓｐａｓｅ因子和拮抗因子将制成药品推向市场，对　有关疾病产生细胞凋亡独特机制的深人了解．有可能用于某　种疾病的治疗，从而开辟基因治疗的新领域。　

５　Ｃａｓｐａｓｅ的抑制剂　２　

因为ｃａｓｐａｓｅ酶原有自动活化的性质．所以ｃａｓｐａｓｅ就有　被意外激活的可能，而且蛋白水解是个不可逆的过程，ｃａｓ．　ｐａｓｅ的意外活化将导致严重后果。因此在正常情况下细胞内　ｊ　总存在有ｃａｓｐａｓｅ的抑制剂。抑制剂为ｃａｓｐａｓｅ的激活设置一　个阈值，只有较强的凋亡刺激信号才能通过，以防止ｃａｓｐａｓｅ　酶原偶然被激活而对正常细胞造成损伤【】０１。　。　５．１病毒性抑制剂　牛痘病毒蛋白ＣｒｍＡ直接作用于成熟　ｃａｓｐａｓｅ的活性位点，阻碍了ｃａｓｐａｓｅ的活性部位，能有效地