caspase3.docx - 冰豆网

资源描述

caspase3.docx

《caspase3.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《caspase3.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

caspase3.docx

caspase3

（一）caspase家族

Caspases是近年来发现的一组存在于胞质溶胶中的结构上相关的半胱氨酸蛋白酶，它们的一个重要共同点是特异地断开天冬氨酸残基后的肽键。

Caspase一词是从Cysteineasparticacidspecificprotease的字头缩写衍生而来，就反映了这个特征，而这种高度的特异性，在蛋白酶中是很少见的。

由于这种特异性，使caspase能够高度选择性地切割某些蛋白质，这种切割只发生在少数（通常只有1个）位点上，主要是在结构域间的位点上，切割的结果或是活化某种蛋白，或使某种蛋白失活，但从不完全降解一种蛋白质。

Caspase的研究源于线虫（C.elegans）细胞程序化死亡的研究。

线虫在发育过程中，有131个细胞将进入程序化死亡；研究发现有11个基因与PCD有关，其中ced3和ced4基因是决定细胞凋亡所必需的，ced9基因抑制PCD。

线虫细胞程序化死亡的研究促进了其他动物特别是哺乳类动物中细胞凋亡的研究。

人们发现哺乳类细胞中存在着Ced3的同源物ICE（interleukin-1bconvertingenzyme），它催化白介素-1b的活化，即从其前体上将IL-1b切割下来。

在大鼠成纤维细胞中过量表达ICE和Ced3都会引起细胞凋亡，表明了ICE和Ced3在结构和功能上的相似性；然而敲除ICE基因的小鼠其表现型正常，并未发现细胞凋亡发生明显改变。

进一步的研究发现，另一个ICE成员，后来被称为apopain，CPP32或Yama的半胱氨酸蛋白酶，催化poly（ADP-ribose）Polymerase（PARP），即聚（ADP-核糖）聚合酶的裂解，结果导致细胞的凋亡，因而认为apopain执行着与线虫中的ced3相同的功能。

Apopain被称为是“死亡酶”，而PARP被认为是“死亡底物”。

Apopain/CPP32/Yama是在1995年由两个实验室分别同时报导，时间上只有两周之差。

Ced4的哺乳类同源物则迟迟未能发现，直到1997年，才被证明是Apaf-1（即一种细胞凋亡蛋白酶活化因子apoptosisproteaseactivatingfactor）。

而Ced9的哺乳类对应物则较早地被证明是BCL-2，这一问题将在以后的部分述及。

　　现已确定至少存在11种caspase：

　　这些caspases中，caspase1和caspase11，以及可能还有caspase4被认为不直接参与凋亡信号的转导，它们主要参与白介素前体的活化；而caspase2，caspase8，caspase9和caspase10参与细胞凋亡的起始；参与细胞凋亡执行的则是caspase3，caspase6和caspase7，其中caspase3和7具有相近的底物和抑制剂特异性，它们降解PARP，DFF-45（DNAfragmentationfactor-45），导致DNA修复的抑制并启动DNA的降解。

而caspase-6的底物是laminA和keratin18，它们的降解导致核纤层和细胞骨架的崩解。

（二）caspase-3

1994年Fernandez-Alnemri等在BenBank表达序列标记（expressionsequencetag,EST）数据库中找到一段ICE/CED-3活性中心同源的序列，用它合成探针后，筛选人JurkatT淋巴细胞cDNA文库，从中克隆到一种新基因，因其编码分子量为32kD的半胱氨酸蛋白酶而称之为CPP32（cysteineproteaseprotein,32kD）。

随后，其它学者独立地将这一蛋白基因克隆出来，并分别命名为prICE、apopain（凋亡素）和Yama（印度传说中的死亡之神）。

1996年这种蛋白酶被命名为caspase-3。

现在一般认为caspase-3是细胞凋亡过程中最主要的终末剪切酶，也也是CTL细胞杀伤机制的重要组成部分。

1.caspase-3的结构

pro-caspase-3含有277个氨基酸残基，分子量约32kD，与ICE有30%同源性，与CED-3有35%同源，是caspase家族中与CED-3同源性最高的，不论从结构同源性还是从底物特异性来看都与CED-3很相似，所以有人认为它是CED-3在哺乳动物中的同源蛋白。

caspase-3的原结构域明显短于ICE只有28个氨基酸残基，但蛋白酶活性中心和与结合底物有关的保守的氨基酸均与ICE一致。

pro-caspase-3在活化过程中从Asp28~Ser29和Asp175~Ser176两处被剪切，形成P17（29~175）和P10（182~277）两个片段，相当于ICE的P20和P10，两种亚基再组成活性形式的caspase-3。

pro-caspase-3本身并没有催化活性，在活化时首先由颗粒酶B（GrzB）或caspase-10在D175剪切下小片段后它才被部分活化，随后则可进行下一步的自我催化。

在剪切原结构域时可能还有其它caspase如ICE的参与。

2.caspase-3的活化和参与细胞凋亡

caspase-3在细胞凋亡中起着不可替代的作用，caspase-3基因转染昆虫Sf9细胞后引起细胞凋亡，这个过程可以被BCL-2阻断；在发生凋亡的细胞提取液中去除caspase-3后，这些提取液就失去了诱导细胞凋亡的能力；再加入纯化的caspase-3它就又恢复了致凋亡的功能。

caspase-3可以被多种因素活化，在CTL细胞的杀伤作用中，它既可被Fas/FasL途径活化，也可以通过颗粒酶B途径活化。

颗粒酶B是CTL细胞颗粒中的一种丝氨酸酯酶，是哺乳动物中caspase蛋白酶外唯一的在Asp后剪切的蛋白酶，它可以特异性剪切ICE家族蛋白酶催化亚单位C端的IxxD序列，并活化caspase2、3、6、7、8、9、10。

ICE也可以被颗粒酶剪切，但剪切后并不被活化。

3.caspase-3引起细胞凋亡的机制

caspase-3最主要的底物是多聚（ADP-核糖）聚合酶PARP（poly（ADP-ribose）polymerase），该酶与DNA修复、基因完整性监护有关。

在细胞凋亡启动时，116kD的PARP在Asp216-Gly217之间被caspase-3剪切成31kD和85kD两个片段，使PARP中与DNA结合的两个锌指结构与羧基端的催化区域分离，不能发挥正常功能。

结果使受PARP负调控影响的Ca2+/Mg2+依赖性核酸内切酶的活性增高，裂解核小体间的DNA，引起细胞凋亡。

这种裂解过程可被caspase-3的特异性抑制剂Ac-DEVD-CHO所抑制，但不能被CrmA抑制。

caspase3还可以剪切U1-70K、DNA-PK、PKC和PKC。

PKC和PKC都属于新型PKC（novelPKC,nPKC），当被caspase3剪切后，可以切除调节区域，而成为活性形式的PKC，另外实验还证明，过量表达PKC和PKC均可以引起细胞凋亡，说明它们都参与了细胞凋亡的诱导是CTL细胞杀伤机制的重要组成部分。

（三）caspase家族蛋白酶在细胞凋亡中的活化顺序

表caspase家族蛋白酶的识别序列及作用底物

蛋白酶名称

别名

识别序列

底物

caspase1

ICE

YVAD

pro-IL-1β,pro-caspase3,pro-caspase4

caspase4

TX,ICH-2,ICErel-II

pro-caspase1

caspase5

ICErel-III,TY

mICH3

mICH4

caspase2

ICH-1

PARP

caspase9

ICE-LAP6,Mch6

PARP

caspase3

CPP32,Yama,apopain

DEVD

PARP,DNA-PK,SRE/BP,rho-GDI,KCθ

caspase6

Mch2

VEID

laminA

caspase7

Mch3,ICE-LAP3,CMH-1

DEVD

PARP,pro-caspase6

caspase8

MACH,FLICE,Mch5

DEVD

pro-caspase3,4,7,9,10

caspase10

Mch4

YVAD

caspase11

ICH3,FLICE2

caspase蛋白酶在死亡受体介导的细胞凋亡中起着中心的作用。

Fas与配体结合而活化后，首先引起YVAD和zVAD敏感的ICE家族蛋白酶活化，然后再活化DEVD敏感的蛋白酶。

其中caspase-8是这一凋亡过程中首先被活化的ICE家族蛋白酶。

Caspase-8活化后，一方面它可以剪切活化caspase-3、caspase-7、caspase-4、caspase-9和caspase-10，通过这些蛋白酶剪切底物使凋亡得以进行；另一方面，它的活性可以被CrmA所抑制，籍此可作为细胞凋亡负调控因素作用的环节。

caspase-8的活化可以是Fas与其配体结合引起的FADD蛋白与caspase-8结合的结果，也可能是颗粒酶B、ICE等作用的结果。

所以其它能够引起细胞凋亡的因素也可以通过激活颗粒酶B或ICE来激活凋亡信号转导途径。

caspase-8活化后引起caspase-3和caspase-7活化，这两种酶都可以剪切PARP，引起DNA的降解。

另外caspase-3还可以活化caspase-6，后者可以降解层蛋白B。

此外，U1核糖体蛋白的70kD亚基（U1-70K）、DNA依赖的蛋白（DNA-PK）的催化亚基、微丝相关蛋白Gas-2、-actin、PKC、视网膜母细胞瘤蛋白、DNA拓扑异构酶I和II等也都可能作为caspase-3和caspase-6的作用底物。

在哺乳动物细胞的凋亡过程中caspase3、6、7是与CED-3最相似的蛋白酶，它们完成了大部分剪切底物的作用，发挥了CED-3在美丽线虫中发挥的作用。

目前认为，能够将细胞膜事件与细胞浆事件联系起来的蛋白质除了FADD/caspse-8通路外还有其它形式，新发现的胞浆蛋白CRADD可以将RIP与caspase-2联系起来。

另外，caspase-10和caspase-9都已被证明可以在凋亡信号传导过程中先于其它蛋白酶活化，并通过其酶活性将信号传给其它caspase蛋白酶。

其它ICE家族蛋白酶虽然也在不同程度上参与凋亡过程，但具体细节还不十分清楚，它们可能是在不同细胞和组织起作用，也有可能是作为后备机制辅助上述途径的进行。

1细胞凋亡

1.1凋亡的概念与特点

细胞凋亡是由基因控制的细胞主动死亡过程，所以又被称为程序性细胞死亡

（programmedcelldeath，PCD），其形态特征为染色质固缩边集、DNA片段化、

胞质浓缩、胞膜皱缩并发泡形成凋亡小体，生化上表现为DNA梯形条带

[1]

。

1.2凋亡的通路

凋亡主要由两条死亡通路介导

[2]

：

一条是死亡受体通路（外部通路）；另一条

是线粒体通路，即内部通路，包括线粒体和内质网（ER）。

1.2.1外部通路

在外部通路

[3]

中，死亡配体如Fas-L和受体结合后，与Fas相关的死亡区域

蛋白（FADD）相互反应，然后再与促凋亡蛋白酶8（procaspase-8）结合形成死亡诱导

病生理学心力衰竭PBL综述细胞凋亡与心力衰竭

信号复合体（DISC），此复合体的procaspase-8形成二聚体而激活，随后分开并激

活procaspase-3而启动凋亡发生。

1.2.2内部通路

内部通路

[4]

是由大量细胞外和细胞内刺激所转导，包括细胞因子、毒素、辐

射、缺氧、氧化应急、缺血再灌注以及DNA损伤等。

这些刺激通过BH3和Bax

使线粒体膜间的细胞色素C释放至细胞质中，并与凋亡蛋白酶激活因子1

（Apaf-1）及dATP结合并促使procaspase-9激活，后者激活下游caspase-3而启动

凋亡发生。

1.3凋亡的调控

1.3.1肿瘤坏死因子家族与凋亡调控

肿瘤坏死因子通过激活caspase蛋白酶、丝裂原活化蛋白激酶等途径，实现

其细胞毒性、抗病毒、免疫调节及转录调节等多种生物学活性。

1.3.2Bcl-2家族蛋白与凋亡调控

目前已知Bcl-2基因有10余种，包括抑制凋亡基因或促进凋亡基因。

促凋

亡和抗凋亡蛋白在Bc1-2家族中共存，提示二者的相对浓度是凋亡调控中的“变

阻器”

[5]

。

Bc1-2蛋白和Bax蛋白均属于Bc1-2家族，前者是抗凋亡蛋白，后者

是促凋亡蛋白，二者蛋白水平的高低与凋亡调控直接相关。

Bcl-2和Bax各自可

形成同源二聚体，也可相互结合形成异源二聚体。

Bcl-2与Bax所形成的异源二

聚体中二者的比例决定细胞到底该向存活还是死亡的方向发展

[6]

。

1.3.3Ca

与凋亡调控

He等

[7]

发现，Ca

能结合线粒体通透性转运孔道上的金属结合位点，开放线

粒体通透性转运孔道，从而诱导渗透压的改变、ATP的耗竭和线粒体的皱缩，细

胞色素C释放，活化caspase-9和caspase-3，而诱发细胞凋亡。

1.3.4p53与凋亡调控

p53基因作为一种转录因子能促进或抑制很多与细胞周期及凋亡相关基因

的表达（如p21和Bax等），因此p53可通过调节凋亡通路中多个关键因子调控凋

亡。

有研究表明，p53对死亡受体通路和线粒体通路均有重要作用

[8，9]

。

2细胞凋亡与心力衰竭

心肌细胞凋亡，是使心肌收缩性能下降的因素之一，它可从多个环节作用于

病生理学心力衰竭PBL综述细胞凋亡与心力衰竭

心衰。

因此，细胞凋亡的研究有助于治疗、预防心衰。

2.1细胞凋亡是心衰前兆

患心肌梗死的人群中，有近30%发展为心衰。

心梗动物模型显示，大多数心

肌细胞死亡都以凋亡为形式

[10]

。

诱发心肌细胞凋亡的原因已证实的有：

压力负

荷导致的机械压力、炎症反应、急性心肌缺血、缺血再灌注、氧自由基、细胞内

钙离子超负荷、AngII、ALD、ET等神经内分泌激素，及TNF、干扰素γ、IL-1、

表皮生长因子、转化生长因子-β1等细胞因子

[11]

。

一方面，细胞凋亡可能是促使由代偿期向失代偿期转化的一个因素

[12-14]

。

心

梗后，在梗死区域由于缺血或缺血再灌注可造成细胞凋亡，而在非缺血区域由于

受体或神经内分泌作用亦存在细胞凋亡。

心梗后的细胞凋亡，不但使心肌功能进

一步丧失，而且加重左室重塑，造成血流动力学的恶化并导致的临床症状出现，

最终导致严重的心力衰竭。

另一方面，心衰的严重程度与心肌细胞凋亡的程度呈正相关。

超声心动和血

流动力学参数显示了心衰的严重程度和细胞凋亡易感性之间的紧密联系。