岳原亦Caspase家族與細(xì)胞凋亡課件

1、Caspase家族與細(xì)胞凋亡93K7B 岳原亦指導(dǎo)教師：石玉秀什么是caspase?通過對美麗線蟲的細(xì)胞死亡機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn),至少有3個基因直接參與了細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)。ced23 、ced24 直接介導(dǎo)細(xì)胞死亡,為促凋亡基因,其編碼的蛋白分別為CED23、CED24 ,ced23 在細(xì)胞中起關(guān)鍵作用,稱為線蟲自殺基因,CED23 則稱為死亡蛋白酶;ced29 則拮抗其作用,為抗凋亡基因,其編碼的蛋白質(zhì)為CED29 。后來發(fā)現(xiàn),CED23 與哺乳動物的白介素-1轉(zhuǎn)換酶(Caspase-1 ,原名ICE) 具有高度同源性,CED24 、CED29 則分別與Apaf21 、Bcl22 同源。哺乳動物的I

2、CE類蛋白是一組半胱氨酸蛋白酶 ,且有以下共同特點:(1) 和ICE 有同源性；(2) 有高度保守QACXG(X 為R、Q 或G) 五肽序列;(3) 有發(fā)揮酶活性所必須的半胱氨酸；(4) 特異地裂解天冬氨酸位點；(5) 前體蛋白均無活性,均需經(jīng)蛋白水解后才產(chǎn)生活性；(6) 轉(zhuǎn)染不同細(xì)胞可誘導(dǎo)凋亡；Alnemri 將其命名為Caspase（cysteinyl aspartate specific proteinase),其基因用casp表示。目前在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)至少14 種Caspase ,按其發(fā)現(xiàn)的先后順序命名為Caspase-1Caspase-14Caspase的生物學(xué)特性Caspase 家

3、族有相似的氨基酸序列結(jié)構(gòu)和底物特異性,通常以無活性的蛋白酶原形式存在于細(xì)胞內(nèi) 。經(jīng)蛋白水解后，大小亞基結(jié)合并暴露出底物識別,結(jié)合和催化所需的氨基酸殘基, 即形成了活性的Caspase。Procaspase 可自我催化及催化其他Procaspase 產(chǎn)生活性蛋白酶,其蛋白水解級聯(lián)功能類似凝血因子活化的“瀑布效應(yīng)” 。Caspase 的作用特點是能識別底物裂解位點NH2-末端最少4 個氨基酸并在天冬氨酸后裂解底物。不同的Caspase 識別的4 個氨基酸的不同而具有明顯的底物特異性,從而發(fā)揮各自不同的生物學(xué)功能。Caspase活性檢測試劑根據(jù)Caspase 在級聯(lián)反應(yīng)上下游的位置及功能的不同,可分

4、為3 大類：第1 類為凋亡始動子,包括Caspase-2、8、9、10 等。第2 類為凋亡效應(yīng)子,包括Caspase-3、6、7第3 類包括Caspase-1、4、5、13、14,主要參與細(xì)胞因子介導(dǎo)炎癥反應(yīng)。Caspase-1是該家族中第一個被鑒定的成員,但它在細(xì)胞凋亡中并無十分明顯的作用,主要參與IL-1的成熟和轉(zhuǎn)運(yùn)。Caspase-8是Caspases始動子的重要代表,可通過與連接分子FADD 的結(jié)合而活化,將凋亡信號傳遞到下游的效應(yīng)Caspases 分子。Caspasc-14是該家族中的最新成員,主要表達(dá)于胚胎細(xì)胞中,成年期缺乏表達(dá),。功能研究發(fā)現(xiàn),它能直接誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,但具體的信號轉(zhuǎn)

5、導(dǎo)途徑不清楚。Caspase-3是迄今為止研究比較透徹的一個, 它是主要的效應(yīng)子。在蛋白酶級聯(lián)切割過程中,Caspase-3處于核心位置,不同的蛋白酶分別切割Caspase-3酶原,從而激活Caspase-3,活化的Caspase-3又進(jìn)一步切割不同的底物,導(dǎo)致蛋白酶級聯(lián)切割放大,最終使細(xì)胞走向死亡。因此Caspase-3被稱為死亡蛋白酶。Caspase-3缺乏的小鼠腦是正常的2倍。研究表明,這種Caspase-3缺陷小鼠在大腦發(fā)育中缺乏腦細(xì)胞凋亡，于出生后13 周即死亡,且表現(xiàn)出神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的極度異常。Caspase家族的作用Caspase 蛋白酶家族成員在哺乳動物細(xì)胞凋亡中起重要作用:(1

6、) 滅活阻止細(xì)胞凋亡的細(xì)胞內(nèi)物質(zhì);(2) 通過對細(xì)胞結(jié)構(gòu)的直接酶解而促進(jìn)凋亡;(3) 通過對一些細(xì)胞骨架調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白質(zhì)的酶解而改變細(xì)胞結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡;Procaspase的激活途徑Caspase酶原本身沒有活性。必需通過活化才能導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。根據(jù)起始激活的Caspase不同，凋亡激活的途徑分為3種。外源性途徑始于細(xì)胞表面死亡受體。細(xì)胞死亡受體屬于腫瘤壞死因子TNF、神經(jīng)生長因子NGF超家族，如Fas、TNFR1(TNF receptor-1) 。由于各種細(xì)胞凋亡信號的刺激，F(xiàn)asL(Fas ligand)和TNF 作用于相應(yīng)的受體，使得內(nèi)源性Fas相關(guān)死亡結(jié)構(gòu)域(Fas associate

7、d death domain，F(xiàn)ADD)和Fas發(fā)生直接的作用，生成FasL-Fas-FADD凋亡復(fù)合物而使細(xì)胞凋亡。而TNFR相關(guān)死亡結(jié)構(gòu)域(TNFR associated death domain，TRADD)通過與死亡域間的相互作用，與TNFR1直接結(jié)合。間接使TNFR1和FADD相結(jié)合形成TNF-TNFR1-TRADD-FADD復(fù)合物。復(fù)合物形成后FADD的死亡效應(yīng)區(qū)即和Caspase-8酶原或Caspase-10酶原結(jié)合。使Caspase酶原活化為有活性的Caspase。活化的Caspase-8或10激活下游的Caspase-3、6、7，最終導(dǎo)致細(xì)胞的凋亡。內(nèi)源性細(xì)胞凋亡途徑始于線粒

8、體。當(dāng)受到細(xì)胞凋亡信號刺激。線粒體釋放細(xì)胞色素C至細(xì)胞漿中。細(xì)胞色素C與細(xì)胞內(nèi)存在的一種凋亡細(xì)胞蛋白酶激活因子(Apoptosis Protease Activating Factor-1，Apaf-1)結(jié)合，在dATP存在的條件下，通過半胱氨酸蛋白酶募集域的作用，Apaf1和Caspase-9酶原結(jié)合。使Caspase-9酶原活化，然后激活下游的效應(yīng)半胱氨酸蛋白酶如Caspase-2、3、6、7、8、10，從而啟動細(xì)胞凋亡。第3種途徑是近年發(fā)現(xiàn)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的情況下，由于Ca2+平衡紊亂而激活的鈣離子依賴性蛋白激酶可以直接剪切并激活Caspase-12。另外，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激也可以導(dǎo)致胞

9、質(zhì)Caspase-7和Bim向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)表面移位激活Caspase-12和級聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生。Caspase底物和抑制物Caspase的底物種類繁多,下游Caspase激活后,作用于相應(yīng)底物,引起細(xì)胞凋亡。根據(jù)底物特性的不同,Caspase 底物主要分為4類 第1 類為細(xì)胞骨架和結(jié)構(gòu)蛋白 第2類為調(diào)節(jié)細(xì)胞周期及DNA復(fù)制的蛋白 第3類為DNA 修復(fù)及切割酶類 第4類為激酶類 caspase酶原包括原域、大亞單位和小亞單位。一旦原域以及大、小亞單位之間的連結(jié)被切除，大小亞單位之間相互作用形成一個異二聚體，其中包含一個活性位點；兩個異二聚體形成一個四聚體，成為Caspase的活化形式。因此，近年來casp

10、ase抑制劑的設(shè)計、合成主要是基于Caspase底物切割位點的特異性，連接一些化學(xué)基團(tuán)從而達(dá)到抑制的效果 。Z-vad-fmkCaspase與疾病的關(guān)系Caspase與腫瘤腫瘤的發(fā)生不僅僅是細(xì)胞增殖和分化異常的疾病，同時也是細(xì)胞凋亡異常的疾病。研究表明，腫瘤的發(fā)生、發(fā)展與腫瘤細(xì)胞的凋亡現(xiàn)象相關(guān)共存，與細(xì)胞凋亡速度密切相關(guān)。有大量資料顯示，在許多腫瘤細(xì)胞的凋亡中發(fā)現(xiàn)有Caspase的活化。Seki用化療藥物順鉑誘導(dǎo)人骨肉瘤細(xì)胞株凋亡發(fā)現(xiàn)Caspase-3、6、8均被活化。Turnuen等在39例膽囊癌中發(fā)現(xiàn)有30例表達(dá)Caspase-6，其表達(dá)率為77。Caspase與心血管疾病典型的例子就是在

11、缺血-再灌注誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡后伴隨出現(xiàn)的心衰。缺氧導(dǎo)致細(xì)胞死亡的主要方式是通過誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡而產(chǎn)生。研究顯示，缺氧3h即可致心肌細(xì)胞Caspase-3的基因表達(dá)上調(diào)，6h Caspase-3基因表達(dá)至峰值水平，并在隨后的觀察時間內(nèi)維持高表達(dá)狀態(tài)。另外，在心肌炎、心肌梗塞、快速心室起搏導(dǎo)致的心力衰竭、冠狀動脈栓塞、壓力超載性肥大等動物模型中也出現(xiàn)了生理病理的細(xì)胞凋亡。Caspase與組織損傷在組織損傷和炎癥過程中，中性粒細(xì)胞和其它的滯留細(xì)胞均通過凋亡機(jī)制。在細(xì)胞膜完整的情況下被巨噬細(xì)胞識別和清除，從而避免繼發(fā)的炎癥反應(yīng)。在執(zhí)行細(xì)胞凋亡和促進(jìn)創(chuàng)傷愈合的過程中Caspase發(fā)揮重要的作用。目前已證明Ca

12、spase與中樞神經(jīng)損傷、皮膚損傷及其它內(nèi)臟損傷和炎癥反應(yīng)有關(guān)。Caspase與PTSD研究證明，PTSD大鼠杏仁核神經(jīng)元細(xì)胞質(zhì)內(nèi)細(xì)胞色素C氧化酶COX活性和COXII mRNA表達(dá)水平明顯低于正常對照組，于SPS模型刺激后7d時最低。Caspase-3 mRNA的表達(dá)逐漸上調(diào)，于7d時表達(dá)最高。創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙模型大鼠杏仁核COX，COXII 及Caspase-3 可能與PTSD的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。目前，PTSD的發(fā)病機(jī)制尚未清楚。但研究證明，SPS刺激引起大鼠杏仁核神經(jīng)元線粒體中的COX的釋放，從而導(dǎo)致呼吸酶活性發(fā)生改變。線粒體功能受損，其釋放也激活凋亡蛋白酶Caspase-3，導(dǎo)致杏仁核神經(jīng)元細(xì)胞凋亡，最終影響杏仁核的功能。結(jié)語作為凋亡機(jī)制中重要