岳原亦Caspase家族與細胞凋亡課件

Caspase家族與細胞凋亡93K7B岳原亦指導(dǎo)教師：石玉秀Caspase家族與細胞凋亡93K7B岳原亦1什么是caspase?通過對美麗線蟲的細胞死亡機制的研究發(fā)現(xiàn),至少有3個基因直接參與了細胞凋亡的調(diào)節(jié)。ced23、ced24直接介導(dǎo)細胞死亡,為促凋亡基因,其編碼的蛋白分別為CED23、CED24,ced23在細胞中起關(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-1β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。什么是caspase?通過對美麗線蟲的細胞死亡機制的研究發(fā)現(xiàn)2哺乳動物的ICE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)染不同細胞可誘導(dǎo)凋亡；Alnemri將其命名為Caspase（cysteinylaspartatespecificproteinase),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-1～Caspase-14哺乳動物的ICE類蛋白是一組半胱氨酸蛋白酶,且有以下共同特3岳原亦Caspase家族與細胞凋亡課件4Caspase的生物學特性Caspase家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功能。Caspase的生物學特性Caspase家族有相似的氨基酸5Caspase活性檢測試劑Caspase活性檢測試劑6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,主要參與細胞因子介導(dǎo)炎癥反應(yīng)。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7岳原亦Caspase家族與細胞凋亡課件8岳原亦Caspase家族與細胞凋亡課件9Caspase-1是該家族中第一個被鑒定的成員,但它在細胞凋亡中并無十分明顯的作用,主要參與IL-1β的成熟和轉(zhuǎn)運。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,主要表達于胚胎細胞中,成年期缺乏表達,。功能研究發(fā)現(xiàn),它能直接誘導(dǎo)細胞凋亡,但具體的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑不清楚。Caspase-1是該家族中第一個被鑒定的成員,但它在細胞凋10Caspase-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)育中缺乏腦細胞凋亡，于出生后1～3周即死亡,且表現(xiàn)出神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的極度異常。Caspase-3是迄今為止研究比較透徹的一個,它是主要的11Caspase家族的作用Caspase蛋白酶家族成員在哺乳動物細胞凋亡中起重要作用:(1)滅活阻止細胞凋亡的細胞內(nèi)物質(zhì);(2)通過對細胞結(jié)構(gòu)的直接酶解而促進凋亡;(3)通過對一些細胞骨架調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白質(zhì)的酶解而改變細胞結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致細胞凋亡;Caspase家族的作用Caspase蛋白酶家族成員在哺乳12岳原亦Caspase家族與細胞凋亡課件13Procaspase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。外源性途徑始于細胞表面死亡受體。細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(TNFreceptor-1)。Procaspase的激活途徑Caspase酶原本身沒有活性14由于各種細胞凋亡信號的刺激，F(xiàn)asL(Fasligand)和TNFα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(Fasassociateddeathdomain，F(xiàn)ADD)和Fas發(fā)生直接的作用，生成FasL-Fas-FADD凋亡復(fù)合物而使細胞凋亡。而TNFR相關(guān)死亡結(jié)構(gòu)域(TNFRassociateddeathdomain，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TNFα-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)致細胞的凋亡。由于各種細胞凋亡信號的刺激，F(xiàn)asL(Fasligand)15內(nèi)源性細胞凋亡途徑始于線粒體。當受到細胞凋亡信號刺激。線粒體釋放細胞色素C至細胞漿中。細胞色素C與細胞內(nèi)存在的一種凋亡細胞蛋白酶激活因子(ApoptosisProteaseActivatingFactor-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，從而啟動細胞凋亡。內(nèi)源性細胞凋亡途徑始于線粒體。當受到細胞凋亡信號刺激。線粒體16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。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C17岳原亦Caspase家族與細胞凋亡課件18Caspase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類為細胞骨架和結(jié)構(gòu)蛋白第2類為調(diào)節(jié)細胞周期及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底物和抑制物Caspase的底物種類繁多,下游19caspase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caspase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，連接一些化學基團從而達到抑制的效果。caspase酶原包括原域、大亞單位和小亞單位。一旦原域以及20Z-vad-fmk岳原亦Caspase家族與細胞凋亡課件21Caspase與疾病的關(guān)系Caspase與腫瘤腫瘤的發(fā)生不僅僅是細胞增殖和分化異常的疾病，同時也是細胞凋亡異常的疾病。研究表明，腫瘤的發(fā)生、發(fā)展與腫瘤細胞的凋亡現(xiàn)象相關(guān)共存，與細胞凋亡速度密切相關(guān)。有大量資料顯示，在許多腫瘤細胞的凋亡中發(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Caspase-6，其表達率為77％。Caspase與疾病的關(guān)系Caspase與腫瘤22Caspase與心血管疾病典型的例子就是在缺血-再灌注誘導(dǎo)的細胞凋亡后伴隨出現(xiàn)的心衰。缺氧導(dǎo)致細胞死亡的主要方式是通過誘導(dǎo)細胞凋亡而產(chǎn)生。研究顯示，缺氧3h即可致心肌細胞Caspase-3的基因表達上調(diào)，6hCaspase-3基因表達至峰值水平，并在隨后的觀察時間內(nèi)維持高表達狀態(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)了生理病理的細胞凋亡。Caspase與心血管疾病23Caspase與組織損傷在組織損傷和炎癥過程中，中性粒細胞和其它的滯留細胞均通過凋亡機制。在細胞膜完整的情況下被巨噬細胞識別和清除，從而避免繼發(fā)的炎癥反應(yīng)。在執(zhí)行細胞凋亡和促進創(chuàng)傷愈合的過程中Caspase發(fā)揮重要的作用。目前已證明Caspase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與組織損傷24Caspase與PTSD研究證明，PTSD大鼠杏仁核神經(jīng)元細胞質(zhì)內(nèi)細胞色素C氧化酶COX活性和COXIImRNA表達水平明顯低于正常對照組，于SPS模型刺激后7d時最低。Caspase-3mRNA的表達逐漸上調(diào)，于7d時表達最高。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)病機制有關(guān)。Caspase與PTSD25目前，PTSD的發(fā)病機制尚未清楚。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)元細胞凋亡，最終影響杏仁核的功能。目前，PTSD的發(fā)病機制尚未清楚。但研究證明，SPS刺激引起26結(jié)語作為凋亡機制中重要的效應(yīng)子成分,Caspase家族參與多種與凋亡有關(guān)的生理和病理過程。在諸如生長因子撤除、熱休克、細胞因子和DNA損傷劑等刺激作用下,細胞內(nèi)多種凋亡信號傳導(dǎo)途徑被活化,最終將會聚于Caspase家族蛋白酶這一共同的遺傳保守機制。因此隨著對Caspase的結(jié)構(gòu)、特性及其在凋亡中的作用不斷深入的了解,將有助于人類對生命奧秘的了解和各種疾病的診斷和最終治療。結(jié)語作為凋亡機制中重要的效應(yīng)子成分,Caspase家族參與多27Thankyou謝謝觀賞Thankyou謝謝觀賞28Caspase家族與細胞凋亡93K7B岳原亦指導(dǎo)教師：石玉秀Caspase家族與細胞凋亡93K7B岳原亦29什么是caspase?通過對美麗線蟲的細胞死亡機制的研究發(fā)現(xiàn),至少有3個基因直接參與了細胞凋亡的調(diào)節(jié)。ced23、ced24直接介導(dǎo)細胞死亡,為促凋亡基因,其編碼的蛋白分別為CED23、CED24,ced23在細胞中起關(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-1β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。什么是caspase?通過對美麗線蟲的細胞死亡機制的研究發(fā)現(xiàn)30哺乳動物的ICE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)染不同細胞可誘導(dǎo)凋亡；Alnemri將其命名為Caspase（cysteinylaspartatespecificproteinase),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-1～Caspase-14哺乳動物的ICE類蛋白是一組半胱氨酸蛋白酶,且有以下共同特31岳原亦Caspase家族與細胞凋亡課件32Caspase的生物學特性Caspase家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功能。Caspase的生物學特性Caspase家族有相似的氨基酸33Caspase活性檢測試劑Caspase活性檢測試劑34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,主要參與細胞因子介導(dǎo)炎癥反應(yīng)。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35岳原亦Caspase家族與細胞凋亡課件36岳原亦Caspase家族與細胞凋亡課件37Caspase-1是該家族中第一個被鑒定的成員,但它在細胞凋亡中并無十分明顯的作用,主要參與IL-1β的成熟和轉(zhuǎn)運。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,主要表達于胚胎細胞中,成年期缺乏表達,。功能研究發(fā)現(xiàn),它能直接誘導(dǎo)細胞凋亡,但具體的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑不清楚。Caspase-1是該家族中第一個被鑒定的成員,但它在細胞凋38Caspase-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)育中缺乏腦細胞凋亡，于出生后1～3周即死亡,且表現(xiàn)出神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的極度異常。Caspase-3是迄今為止研究比較透徹的一個,它是主要的39Caspase家族的作用Caspase蛋白酶家族成員在哺乳動物細胞凋亡中起重要作用:(1)滅活阻止細胞凋亡的細胞內(nèi)物質(zhì);(2)通過對細胞結(jié)構(gòu)的直接酶解而促進凋亡;(3)通過對一些細胞骨架調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白質(zhì)的酶解而改變細胞結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致細胞凋亡;Caspase家族的作用Caspase蛋白酶家族成員在哺乳40岳原亦Caspase家族與細胞凋亡課件41Procaspase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。外源性途徑始于細胞表面死亡受體。細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(TNFreceptor-1)。Procaspase的激活途徑Caspase酶原本身沒有活性42由于各種細胞凋亡信號的刺激，F(xiàn)asL(Fasligand)和TNFα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(Fasassociateddeathdomain，F(xiàn)ADD)和Fas發(fā)生直接的作用，生成FasL-Fas-FADD凋亡復(fù)合物而使細胞凋亡。而TNFR相關(guān)死亡結(jié)構(gòu)域(TNFRassociateddeathdomain，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TNFα-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)致細胞的凋亡。由于各種細胞凋亡信號的刺激，F(xiàn)asL(Fasligand)43內(nèi)源性細胞凋亡途徑始于線粒體。當受到細胞凋亡信號刺激。線粒體釋放細胞色素C至細胞漿中。細胞色素C與細胞內(nèi)存在的一種凋亡細胞蛋白酶激活因子(ApoptosisProteaseActivatingFactor-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，從而啟動細胞凋亡。內(nèi)源性細胞凋亡途徑始于線粒體。當受到細胞凋亡信號刺激。線粒體44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。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C45岳原亦Caspase家族與細胞凋亡課件46Caspase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類為細胞骨架和結(jié)構(gòu)蛋白第2類為調(diào)節(jié)細胞周期及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底物和抑制物Caspase的底物種類繁多,下游47caspase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caspase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，連接一些化學基團從而達到抑制的效果。caspase酶原包括原域、大亞單位和小亞單位。一旦原域以及48Z-vad-fmk岳原亦Caspase家族與細胞凋亡課件49Caspase與疾病的關(guān)系Caspase與腫瘤腫瘤的發(fā)生不僅僅是細胞增殖和分化異常的疾病，同時也是細胞凋亡異常的疾病。研究表明，腫瘤的發(fā)生、發(fā)展與腫瘤細胞的凋亡現(xiàn)象相關(guān)共存，與細胞凋亡速度密切相關(guān)。有大量資料顯示，在許多腫瘤細胞的凋亡中發(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Caspase-6，其表達率為77％。Caspase與疾病的關(guān)系Caspase與腫瘤50Caspase與心血管疾病典型的例子就是在缺血-再灌注誘導(dǎo)的細胞凋亡后伴隨出現(xiàn)的心衰。缺氧導(dǎo)致細胞死亡