Caspase与细胞凋亡

CaspaseCaspase 与细胞凋亡与细胞凋亡 沈阳市第一人民医院神经内科沈阳市第一人民医院神经内科 （（110041110041）李莉）李莉 摘要摘要细胞凋亡，又称程序性细胞死亡（Programmed cell death, PCD）是机 体生长发育、 细胞分化和病理状态中细胞自主性死亡过程。是细胞内由基因编码 调控的按严格程序执行的细胞自杀过程。 细胞凋亡是细胞生长发育过程的重要生 命现象， 是目前生物医学领域中的一个重要研究课题。阐明细胞凋亡的分子机制 可对一些疾病的防治（如肿瘤，神经退行性疾病等）产生积极影响。许多实验提 示细胞凋亡涉及一个瀑布式 （Cascade） 基因表达过程。 半胱氨酸蛋白酶 （Caspase） 在细胞凋亡中发挥始动和效应作用。 本文就其生物学特性及其在凋亡中的作用机 制作一综述。 关键词关键词Caspase；细胞凋亡 细胞凋亡的原词 Apoptosis 由两个拉 丁字组成。Apo 指离开，ptosis 是落下，意 思是细胞凋亡有如秋天落叶，到一定时候 即失去生命力，遂即脱落，细胞凋亡，又 称 程 序 性 细 胞 死 亡 （ Programmed cell death，PCD）是机体生长发育、细胞分化 和病理状态中细胞自主性死亡过程，是细 胞内由基因编码调控的，按严格程序执行 的细胞自杀过程。 通常需要 30 到 60 分钟， 细胞凋亡形态学上的变化主要有 DNA 破 碎，染色质凝集，细胞皱缩，线粒体肿胀 和凋亡小体形成，而整个过程的结束以凋 亡小体被吞噬为标志。多数类型细胞在凋 亡的最后阶段发生细胞核 DNA 的降解 DNA 降解成 180-200bp 或其倍数的片段， 因此在琼脂糖凝胶电泳上可见到有特征性 的梯形图谱。目前对凋亡的研究深入到分 子 水 平 ， 发 现 多 种 半 胱 氨 酸 蛋 白 酶 （Cysteine aspartase）在细胞凋亡之中发挥 着重要作用。 1 1、什么是、什么是 CaspaseCaspase 通 过 对 美 丽 线 虫 （ nematode caenorhabditis elegans）的细胞死亡机制的 研究发现，至少有 3 个基因直接参与了细 胞凋亡的调节。 ced-3、 ced-4 直接介导细胞 死亡，为促凋亡基因，其编码的蛋白分别 为 CED-3、CED-4、ced-3 在细胞中起关键 作用，称为线虫自杀基因，CED-3 则称为 死亡蛋白酶；ced-9 则拮抗其作用，为抗凋 亡基因，其编码的蛋白质为 CED-9。后来 发现 CED-3 与哺乳动物的白介素-1β 转换 酶（Caspase-1，原名为 interleukin-1β -converting enzyme， ICE） 具有高度同源性， CED-4，CED-9 则分别与 Apaf-1（apoptosis protease-activatingfactor-1 ） 、Bcl-2 同源。Bcl-2 基因家族产物包括促进及抑制凋亡的两个 蛋白质亚群[1]。哺乳动物的 ICE 类蛋白是 一组半胱氨酸蛋白酶[2]；且有以下共同特 点①和 ICE 有同源性；②有高度保守 QACXG（X 为 R、Q 或 G）五肽序列[3]； ③有发挥酶活性所必须的半胱氨酸；④特 异地裂解天门冬氨酸位点；⑤前体蛋白均 无活性，均需经蛋白水解后才产生活性； ⑥转染不同细胞可诱导凋亡。因它们均具 有半胱氨酸和天门冬氨酸裂解位点， Alnemri 将其命名为 Caspase，其基因用 Casp 表示[4]； “C”代表半胱氨酸蛋白酶机 制， aspase 表示其能特异切割底物中在天 冬氨酸（asp）后的肽键能力。目前在哺乳 动物中发现至少 16 种 Caspase，按其发 现 的 先 后 顺 序 命 名 为Caspase-1 ～ Caspase-16[5]。 2 2、、CaspaseCaspase 的生物学特性的生物学特性 2.1 Caspase2.1 Caspase 的结构特点的结构特点 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（procaspase）形式存在细胞内合成 和分泌 （30-50KD） 。 后者由 4 个亚区组成 NH2-末 端 区 （ Prodomain ） 、 大 亚 基 （P17-20） 、小亚基（P10-12）及连接大 小亚基的连接区；各亚区间经蛋白水解后 释放出 Prodomain 及连接区，使大小亚基 结合成一活性的异四聚体并暴露出底物识 别，结合和催化所需的氨基酸残基，即形 成了活性的 Caspase； Procaspase 可自我 催化及催化其他 Procaspase 产生活性蛋 白酶，其蛋白水解级联功能类似凝血因子 活化的“瀑布效应”[6]。 Caspase 的作用特点 是能识别底物裂解位点 NH2末端最少 4 个 氨基酸并在天门冬氨酸后裂解底物，从而 使其蛋白裂解行为具有高选择性。不同的 Caspase 因所识别的 4 个氨基酸的不同而 具有明显的底物特异性，从而发挥各自不 同的生物学功能。 2.2 Caspase2.2 Caspase 家族成员及分类家族成员及分类 Caspase 分类较为复杂，通常根据蛋 白 酶 序 列 的 相 似 性 分 为 三 个 亚 族 Caspase-1 亚族 （Caspase-1、 4、 5、 13） ； Caspase-2 亚族（Caspase-2、9）和 Caspase-3 亚族（Caspase-3、6、7、8、 10） 。 在 Caspase 家族成员中， Caspase-1、 2、 4、 5、 8、 9、 10、 11 等为调控 Caspase， 参与打靶和激活调控；Caspase-3、6、7、 12、 14 等为效应 Caspase， 即参与凋亡的 效应物。Caspase-1（白介素-1β -转换酶， ICE） 是该家族中第一个被鉴定的成员， 但 它在细胞凋亡中并无十分明显的作用，主 要参与 IL-1β 的成熟和转运。Caspase-8 是启动者 Caspases 的重要代表，可通过 与连接分子 FADD 的结合而活化，将凋亡 信号传递到下游的效应 Caspases 分子。 Caspase-14 是该家族中的最新成员， 主要 表达于胚胎细胞中，成年期缺乏表达，由 于分子结构中没有 NH2-末端域，因此又被 称为 MICE（mini-ICE） 。功能研究发现它 能直接诱导细胞凋亡，但具体的信号转导 途径高不清楚[7]。并不是所有 Caspase 都 参与细胞凋亡反应，如 Caspase-1、4、5、 12 等的作用主要是参与炎症反应。 Caspase-3 是迄今为止研究比较透彻的一 个，它是主要的效应者分子。1994 年 Femandes-Alnemri 等在人 Jurkat T 细胞 系，首先克隆出 CPP32（Caspase-3）基 因，分为 CPP32α 和 CPP32β 。两者的 阅读框均由 831 个核苷酸组成，编码 277 个氨基酸，相对分子质量约为32103 （32KD） 。人Caspase-3 基因定位于染色 体 4q33-q35.1 处。