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Caspase与相关疾病 兰 栋（岳阳职业技术学院药学与检验系，湖南 岳阳 414000）摘要：细胞凋亡是不同于细胞坏死的生理性死亡方式，对生物机体的正常发育及自身稳定具有极其重要的作用。细胞凋亡的失控可以引起生物体平衡失调，导致各种相关疾病的发生。细胞凋亡的过程非常复杂，caspase家族对细胞的调控起着举足轻重的作用，与疾病的发生关系密切。关键词：Caspase；细胞凋亡；激活；疾病半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶（cysteinyl aspartate specific proteinase,Caspase）, 是一组与细胞因子成熟和细胞凋亡有关的蛋白酶。caspase蛋白酶家族也称为ICE/CED-3家族，是美丽线虫(Caenorhabditis elegans)死亡基因CED-3的同源物，由14个家族成员组成（Caspase114）。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1。细胞凋亡是通过正常的方式在多细胞生物中消除不需要的、衰老的和受损的细胞，使机体细胞有丝分裂的速度与凋亡的速度相平衡。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，如肿瘤、自身免疫性疾病、胚胎发育异常和组织损伤等等。1Caspase的结构和分类从1992年人类第一次纯化Caspase-1克隆并测序其cDNA2至今，已发现哺乳动物至少有14种Caspase蛋白酶家族成员。Caspase正常时均以无活性的酶原形式存在，其家族成员在氨基酸序列、结构及酶的特性上均相似。该酶原是一个分子量为30-50ku的单一多肽，由三个结构域构成，分别为N端前域、20ku的大亚基单位和10ku的小亚基单位3。酶原分子被激活后，大小亚基解离并重新组装为四聚体形式的活性复合物，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4。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。根据其结构同源性和功能的不同，Caspase分为三大类：凋亡启动因子（apoptotic initiators）、凋亡执行因子（apoptotic executioners）和炎症介导因子（inflammatory mediators）5。凋亡启动因子由Caspase-2、Caspase-8、Caspase-9和Caspase-10组成，位于凋亡过程的上游，其作用部位存在于细胞表面和线粒体，均有长的氨基末端前结构域，在识别和激活下游半胱天冬酶过程中起重要作用。凋亡执行因子由Caspase-3、Caspase-6和Caspase-7组成，其共同特征为均有短的氨基末端前结构域，作用其特异性底物并导致细胞凋亡。炎症介导因子由Caspase-1、Caspase-4、Caspase-5和Caspase-11组成，是炎症的重要调节因子。2Caspase酶原的激活Caspase酶原本身没有活性，必需通过活化才能导致细胞凋亡。根据起始激活的Caspase不同，凋亡激活的途径分为三种。外源性途径始于细胞表面死亡受体。细胞死亡受体属于肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor,TNF）、神经生长因子（nerve growth factor,NGF）超家族，如Fas、TNFR1(TNF receptor-1)。由于各种细胞凋亡信号的刺激，FasL(Fas ligand)和TNF-作用于相应的受体，使得内源性Fas相关死亡结构域(Fas associated death domain,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（TNFR associated death domain,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TNF-TNFR-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。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（Apoptosis Protease Activating Factor-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，Apaf-1和Caspase-9酶原结合，使Caspase-9酶原活化为有活性的Caspase-9，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。第三种途径是近年发现的内质网途径。内质网应激的情况下，由于Ca2+平衡紊乱而激活的钙离子依赖性蛋白激酶可以直接剪切并激活Caspase-126。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7。 3Caspase与疾病的关系31 Caspase与肿瘤的关系肿瘤的发生不仅仅是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。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。Seki用化疗药物顺铂诱导人骨肉瘤细胞株凋亡，发现Caspase-3、6、8均被活化8。Turnuen等在39例胆囊癌中发现有30例表达Caspase-6，其表达率为77%9。32 Caspase与心血管疾病 典型的例子就是在缺血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10。周舟等研究显示，缺氧3h即可致心肌细胞Caspase-3的基因表达上调，6h Caspase-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-3的激活在缺血缺氧诱导的细胞凋亡过程中的作用11。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。随着对凋亡研究的不断深入，大量的实验和临床资料表明细胞凋亡在心脏移植中具有重要的生物学意义，并且已经证明心脏移植过程中的重要环节，即缺血再灌注损伤、移植后的排斥反应及免疫耐受等，均与细胞凋亡及其调控基因存在密切关系。移植过程中由缺血再灌注造成的氧化损伤、钙稳态失衡以及线粒体损伤，可通过相互作用形成“恶性网络”，最终导致核酸内切酶和Caspase-3的活化。Koglin等在研究CBA小鼠对C57BL/6小鼠心脏移植急慢性排斥反应时发现Caspase-1转录水平增高，并且TUNEL阳性细胞在排斥反应时明显升高12。另外，在心肌炎、心肌梗塞、快速心室起搏导致的心力衰竭、冠状动脉栓塞、压力超载性肥大等动物模型中也出现了生理病理的细胞凋亡。在末期扩张型心肌病病人的心肌中以及死于心肌梗死病人的心肌梗死区和梗死区边缘都出现了细胞凋亡13 。33 Caspase 与糖尿病糖尿病是胰岛素分泌缺陷和（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。它的病因和发病机制复杂，存在异质性，至今尚未完全明了。近年来，越来越多的研究表明，胰岛细胞凋亡不仅是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14。Caspase级联反应的激活引起胰岛细胞凋亡的特征性改变包括：基因表达改变、特殊信号途径的激活、细胞质与细胞核崩解、线粒体与核DNA被降解、凋亡小体的形成以及其被邻近细胞吞噬。34自然流产早期自然流产是早期妊娠中最常见的并发症之一。国内学者孙阳等研究认为，细胞凋亡和细胞增殖失衡可能是发生自然流产的原因之一，其中细胞凋亡尤其是合体滋养细胞的凋亡可能起更主要的作用15。正常早孕绒毛的细胞滋养层和合体滋养层中均有Caspase-3的表达，其中合体滋养层较多。合体滋养细胞是分化终末细胞，凋亡是其必然结局；而细胞滋养细胞的凋亡可能与绒毛的发育、DNA修复障碍以及对邻近细胞凋亡DNA片断的吞噬有关。在各种致病因子入侵时，细胞滋养细胞和合体滋养细胞凋亡增加，绒毛细胞大量凋亡，绒毛生长受阻不能发挥其正常功能，从而阻碍了孕卵的发育，导致自然流产的发生。35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通过凋亡机制，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。有关Caspase仍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。首先，我们仍需进一步阐明Caspase在不同种类细胞中的凋亡机制，其次，人们对凋亡尚无法精确控制，极大地限制了它的应用。但是我们相信，随着对Caspased的深入研究，以及队有关疾病产生细胞凋亡独特机制的了解，不久的将来，Caspase因子和Caspase拮抗因子全面推向市场，将为人类治疗相关疾病开辟新的领域。参考文献：1. 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